大直径泥水平衡盾构穿越构筑物变形控制技术

林 晨

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200002)

泥水平衡盾构机在始发阶段建立泥水平衡是施工的一大难点，而在始发阶段穿越建构筑物更是难上加难，一旦泥水平衡压力不能正常建立，那么后果将不堪设想。

本文通过对盾构机穿越建构筑物的工况进行模拟，简析盾构泥水压力设定及方法，进行建构筑物变形分析，浅谈大直径泥水平衡盾构机始发穿越建构筑物的变形控制方法。

1 概述

1.1 项目概况

上海市江浦路越江隧道新建工程衬砌为单层预制钢筋混凝土管片(强度C50)，外径φ11 360 mm，内径φ10 400 mm，管片厚度480 mm，环宽1 500 mm，衬砌环设计为直线环、左契、右契三种形式。隧道内部结构采用预制与现浇相结合的结构形式，其中，“口”字件、车道板、防撞墙为预制结构，牛腿、压重混凝土为现浇结构(见图1)。

盾构隧道分东、西两线，两台盾构机均从浦东工作井始发，在浦西工作井接收。其中东线盾构始发即下穿江浦路隧道浦东风道，侧穿浦东上港二区4万t散粮筒仓。

1.2 地质情况

沿线场区地貌单一，属长江三角洲下游滨海平原地貌类型。沿线陆域地势较平缓，地面标高一般在3.0 m～4.5 m之间。拟建隧址处于黄浦江下，江宽500 m，河道微弯，水下地形较复杂，基本呈对称“U”型，主槽略偏向浦东侧。拟建隧道沿线黄浦江江底标高在-11.0 m～-2.0 m。

1.3 建构筑物变形控制的必要性

在盾构机穿越建构筑物过程中，对建构筑物产生一定的影响是不可避免的，轻则沉降裂缝，重则可能引起塌陷、倒塌等事故。

通常盾构机穿越前，会设定试验段，通过从试验段获得的掘进参数、沉降数值、采取的各项措施为穿越段提供可靠的数据支撑，以便于能够将穿越对周边环境的影响降到最低。而上海市江浦路越江隧道新建工程盾构始发即穿越，没有试验段数据可以参考，这就对穿越时施工参数的确定造成了很大的困扰，始发的施工参数很难确定。

本文阐述了始发掘进时施工参数的设定依据以及为减小对建构筑物产生影响所采取的各项措施。本文以对浦东风道结构产生的影响以及所采取的措施为主进行阐述。

2 穿越施工情况介绍

1)风道结构形式。

本项目盾构隧道与排风道平行叠交，风道口在工作井-1层，盾构隧道在工作井-2层(见图2)。东线盾构一始发即下穿浦东排风道，穿越长度为100 m(EK420～EK320)。浦东排风道采用φ850@600 SMW工法桩围护，桩长23.96 m，内插型钢长度23.5 m，结构底与东线隧道最小垂直距离为1.986 m。工法桩侵入隧道断面最长约为9.1 m，盾构推进前需进行拔除，并进行压密注浆(见图3)。

风道所在地层特征由浅至深分述如下：

①1层人工填土，陆域遍布，土质不均、结构松散、强度不均，局部较厚，上部以杂填土为主，含碎石、植物根茎、少量垃圾等，下部为素填土；

③层灰色淤泥质粉质黏土，仅黄浦江西岸附近局部缺失，呈流塑状，夹薄层粉土，高压缩性；

③j层灰色黏质粉土，为③层中的夹层，饱和，松散～稍密，欠均匀，夹薄层黏性土，局部为砂质粉土或砂土；

④层灰色淤泥质黏土，遍布，呈流塑状，高压缩性；

⑤11层灰色黏土，局部缺失，软塑，局部为粉质黏土，高压缩性；

⑤12层灰色粉质黏土，局部缺失，软塑，尚均匀，夹薄层粉土，中压缩性；

⑥层暗绿～草黄色黏土，古河道切割区缺失，可～硬塑状，局部呈粉质黏土，中压缩性，强度较高，土性相对较好。

2)风道沉降设计允许范围。

设计允许范围：±10 mm。

3)穿越前的准备工作。

穿越前的准备工作主要为始发前的准备工作，主要工作包括：盾构始发前的准备工作(洞口地基加固、盾构基座制作安装、反力架制作、出洞止水装置安装、泥水处理系统安装调试、盾构机井下安装调试、各系统联动调试)和盾构始发阶段工作(负环拼装、洞门凿除、盾构机出洞始发、进入初期掘进阶段)。

另外，在穿越前对重要建构筑物进行布点监测。

在穿越前我们还进行了有限元数值模拟，考虑了在盾构施工时因土体挤压或土体流失等因素而造成的建构筑物变形及沉降(见图4，图5)。

模型显示，盾构隧道施工后，风道发生朝隧道方向的偏转，底板左侧最大为40 mm，右侧为5 mm(见图6)。

3 穿越阶段参数设定

盾构始发前应确定泥水压力、泥水比重、泥水黏度、同步注浆质量参数及注入量。

本项目此类设定如下：

1)盾构机切口泥水压力设定见表1。

表1 泥水压力设定表

2)掘削量控制。

盾构机前部是旋转切削刀盘。在黏土、淤泥、砂层中掘进时，通过切削刀、刮刀、先行刀等刀具将开挖面上的土体切削下来送入泥水仓，然后与送泥泵送入泥水仓的泥水搅拌后以比重较高的泥水形式通过排泥管路用排泥泵排出。如掘削量过大，土层损失就大，地面沉降也就越大。为确保掘削量的准确，应严格控制好盾构机推进油缸压力，控制好掘进速度，定期对泥水管路上的流量计、密度计进行标定，并在盾构机掘进过程中关注排泥流量和密度的变化，严禁超挖。

本工程中通过对挖掘土体的体积、排泥总量、送泥总量、土的比重、排泥密度、送泥密度、掘削时间等参数确定实际掘削量。

当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、黏度和切口水压。此外，也可以利用探查装置，调查土体坍塌情况，在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。

3)同步注浆配合比及注浆量见表2。

利用盾构机上2×6根外置式同步注浆管，按照表2的配合比进行同步注浆，注浆比率达到140%～180%。

表2 同步注浆设定表

4)泥水质量控制。

密度：在穿越建筑物及管线期间，为了加强对正面土体的支护能力，防止地面冒浆，采用重浆推进，泥水密度控制在1.25 g/cm3。

黏度：穿越段泥水黏度应控制在22 s～25 s。本次穿越建筑物段泥浆黏度控制在25 s。

5)盾尾油脂压注控制。

本工程中选用的盾构机盾尾设置了三道钢丝刷加一道钢板刷，共3道腔，每道腔中盾尾油脂压注孔有14个，共42个油脂压注孔，利用3台油脂泵压注。

在盾构推进中，盾构机的盾尾密封功能就显得特别重要。为了能安全并顺利地完成隧道的推进任务，过程中必须切实地做好盾尾油脂的压注工作，而出洞前新钢丝刷内盾尾油脂的第一次涂抹工作尤为重要，必须严格按要求实施。

6)盾构掘进速度也是盾构施工参数的一个重要方面。本工程所用泥水平衡盾构机最大掘进速度为45 mm/min，但是在穿越建筑物掘进的工况条件下，掘进速度应设定在不大于20 mm/min，保持匀速推进。如推进速度过快，则会引起正面土体挤压过大。

7)盾构施工后风道变形监测数据验证。

根据有限元及经验值设定后，我们进行了监测验证，主要针对风道的沉降进行验证，监测数据如表3所示。

表3 监测数据表

4 结语

从实测数据可知，盾构穿越后风道的实际沉降最大值为+7.04 mm，在设计允许范围内(设计允许范围：±10 mm)。

依托上海市江浦路越江隧道新建工程盾构穿越风道实例，项目实施前的验算、实施过程中的参数控制以及过程中和施工后的监测数据情况，风道结构沉降满足了设计及规范要求，类似工程可参照该项目的参数设定方法，减小穿越过程中对周边环境造成影响。