泥水盾构下穿海域施工控制措施

2021-06-22杜阳平

运输经理世界 2021年29期

杜阳平

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙410000）

0 引言

随着我国城市的发展、扩容以及人们对交通便捷的需要，越来越多的沿海城市需要跨海交通，因此穿海隧道成为很多城市的选择。由于良好的安全防护和相对较小的环境影响，泥水盾构以其优良的性能成为修建穿海隧道的首选。但由于海底隧道地质复杂，一些辅助的施工措施难以实施，给施工带来许多风险。

以深圳地铁12 号线左炮台站—太子湾站盾构区间工程为依托，介绍了泥水盾构下穿海域施工的控制措施，最终确保了盾构安全下穿，为泥水盾构下穿海域施工提供参考。

1 工程概况

深圳市城市轨道交通12 号线工程左炮台站—太子湾站区间左线长908.955m，右线长913.181m。区间采用矿山法、矿山法初支+盾构管片二衬、盾构法施工完成，矿山法隧道施工段左右线各长170.106m。左线起始至77.205m 采用钢筋混凝土二衬，随后92.901m 采用空推后管片二衬；右线起始至170.106m矿山法段全部采用管片二衬。

区间自左炮台站出站后，向东敷设，穿过兴海大道、保税区货场后进入招商蛇口码头，先下穿多栋钢构架厂房，侧穿招港大厦，然后进入码头海域，在海床下向东北方向敷设，侧穿码头钢管桩后沿规划道路到达太子湾站。区间左线下穿海域段长度158.561m，共106 环（326～432 环）；区间右线下穿海域段长度185.491m，共123 环（364～487 环）；下穿海域段海水深度9～11m，覆土厚度8.5～10m。下穿地层：强风化混合花岗岩、中风化混合花岗岩、中强风化上软下硬地层、断层破碎带。

2 控制措施

2.1 下穿前施工保障措施

2.1.1 提前做好对外协调工作

成立盾构下穿海域施工对外协调小组，下穿前与主管部门、产权单位、建设单位及其他相关单位进行对接、协调，了解海域码头现有情况及相关数据，取得进入码头区域进行监测、巡视等技术工作的许可。

2.1.2 进行实地勘察

在盾构下穿海域施工前，派遣测量班组人员对盾构区间线路中心线与海岸大堤交点进行地面标识，组织管理及测量、巡视人员进行实地踏勘，以详尽掌握地面交通及建（构）筑物等现状，确定隧道与地面位置对应关系，为风险分析评估、施工方案编制、监测方案实施等提供保障。

2.1.3 进行海上加固，保障预加固施工质量

第一，海面加固。对区间下穿海域断裂带区域进行注浆加固，左线加固长度77.4m，右线加固长度66.432m；断面加固范围为从隧道底部以下2m 加固至隧道顶部以上4m，两侧外放3m。第二，穿越前洞内二次注浆止水加固。盾构机到下穿前换刀检修时，在左线268～272 环、右线320～325 环采用二次注浆的方式施作止水环。具体施工步骤如下：左线在272 环处注聚氨酯止水环，268 环、270 环注两环双液浆作止水环；右线在325 环处注聚氨酯止水环，320、323 环注两环双液浆作止水环，切断成型隧道壁后与掌子面的水流。

2.1.4 设置试掘进段

（1）试掘进段目的

首先，通过对前期掘进施工参数（掘进推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、注浆量、油脂使用量、进排浆流量、进排浆密度、出渣砂石比、每环弃浆量等）监测情况分析，制定适合区间下穿海域施工的合理参数；其次，通过对刀具磨损情况分析，判断刀具选型是否合理，确保刀具能够一次性下穿海域；最后，发现设备存在的缺陷问题，及时提出整改、改进措施，提高操作手对设备的适应能力。

（2）试掘进段设定

在右线205～245 环设试掘进段，验证中强风化上软下硬地层掘进参数，258～330 环验证镶合金齿滚刀对中风化地层的适应性，337～363 环对试掘进拟定参数进行调整分析，得出更贴近海域下强风化地层掘进参数；左线120～277 环验证镶合金齿滚刀对中强风化上软下硬地层的适应性及上软下硬地层掘进参数，278～325 环下穿海域前对试掘进拟定参数进行调整分析，得出更贴近海域下强风化地层掘进参数。

（3）根据前期掘进参数，试掘进参数验证段参数暂定如下

第一，上软下硬地层掘进：泥水仓压力设定1.8±0.1bar，进浆比重1.1～1.14g/ml，进浆黏度25～30s，总推力12000～16000kN，推进速度8～12mm/min，刀盘转速0.8～1.2r/min，贯入度10mm/r，刀盘扭矩小于2300kN·m，同步注浆8m3/环，盾尾密封油脂不少于35kg/环，纠偏量不大于4mm/环；第二，强风化地层掘进：2.0±0.1bar，进浆比重1.1～1.14g/ml，进浆粘度25～30s，总推力8000～12000kN，推进速度控制在18～25mm/min，刀盘转速1.2～1.5r/min，贯入度15mm/r，刀盘扭矩小于2000kN·m，注浆7m3/环，盾尾密封油脂不少于35kg/环，纠偏量不大于4mm/环。

2.2 下穿过程施工控制

2.2.1 掘进参数控制

严格控制参数，主司机及值班工程师按照试掘进及验证后的参数进行施工，值班领导按照控制范围进行监督。施工参数控制要点：第一，掘进速度：盯控推进速度控制在10～20mm/min，在强风化地层不宜掘进太快，避免排浆不顺畅造成开挖仓堵仓、盾构刀盘结泥饼；第二，推力：强风化地层推力800～1200t，中风化混合花岗岩、上软下硬地层推力1200～1600t；第三，刀盘扭矩：小于2000kN·m，速度较快时小于2300kN·m，需控制掘进速度，将刀盘扭矩调整至较低水平；第四，刀盘转速：控制在0.8～1.5r/min 之间；第五，开挖仓压力：开挖仓压力根据海上深度及地层埋深确认，压力波动不超过0.1bar；第六，渣土、渣样：对每环收集渣样进行分析，发现地质变化及时调整掘进参数。

2.2.2 刀具检查更换

（1）刀具更换标准

第一，光面滚刀：中心滚刀和正面滚刀刀圈（齿刀）磨损量在25mm 时即需换刀；边缘滚刀刀圈（齿刀）磨损量为10mm 时需换刀；曲线半径为450m 下穿海域段及上软下硬地层掘进边滚刀磨损量达到5mm时更换。刀具出现偏磨、异常损坏时，全部更换并调整刀具配置。第二，合金齿滚刀：刀刃变薄、齿与齿间耐磨块被磨完或单把滚刀掉齿2 个及以上需更换。

（2）刀具适应情况分析

为减少下穿海域施工过程中更换刀具次数，下穿海域段掘进选择硬质合金齿滚刀，该刀具耐磨性能好，但对冲击荷载较为敏感，在试验段掘进过程中控制贯入度在10mm/r 以下，避免合金齿被磕掉。

（3）换刀计划

下穿海域前左右线各制定1 个常压主动开仓换刀点（全盘更换为新滚刀），下穿海域施工过程中左右线各拟定2 个带压开仓检查刀具点（根据试掘进段及掘进情况判断是否有进仓检查必要），1 个常压主动开仓换刀点（中风化岩层主动开仓检查）[1]。

2.3 防止盾尾涌水、涌砂施工措施

2.3.1 盾尾密封保护

该区间下穿海域及断裂带，通过盾尾刷的保护，保证盾尾管片背后同步注浆的浆液不会从管片与盾尾的间隙漏出，同时防止地下水渗漏到盾构机内。如果盾尾刷损坏，导致盾尾漏浆，届时泥浆、地下水等将涌入隧道，尤其是在水下地层及断裂带，如果盾尾刷受到破坏失去了有效的密封措施后果则不堪设想。因此做好盾尾刷的保护是防止漏浆的关键所在和基本保证。

（1）本区间能够导致盾尾刷损坏的原因很多，但具体分析可归纳出以下几点

第一，泥浆、砂浆等进入油脂仓并形成硬块造成对盾尾刷的破坏，甚至拉伤尾刷；第二，盾尾刷密封装置受偏心管片过度挤压后产生塑性变形而失去弹性，密封性能下降，在压力作用下导致浆液渗漏；第三，盾构机后退，造成盾尾刷与管片间发生刷毛反方向的运动，使刷毛反卷、盾尾刷变形、密封性能下降而造成渗漏；第四，油脂量注入不足，油脂未充满油脂仓，油脂压力不足以抵抗土体压力，导致泥浆等有害物质进入油脂仓内加快对盾尾刷的磨损；第五，水泥硬块通过管片背部进入油脂仓，从而拉伤盾尾刷。

（2）防治措施包括

第一，严格控制盾构推进的纠偏量，尽量使管片四周的盾尾间隙均匀一致，减轻管片对盾尾刷的挤压程度；第二，避免盾构产生后退；第三，注意对盾尾注脂系统日常的保养，及时补充油脂仓的油脂，并确保注入均匀[2]。

2.3.2 铰接密封的保护

铰接密封在受力不匀、姿态变化幅度大等情况下极易产生密封泄漏，影响盾体密闭性。在本区间可能扩大为海水进入盾尾造成涌水、涌砂的风险。

（1）盾构铰接密封损坏、渗漏原因

第一，铰接密封调整滞后：根据铰接密封的结构与工作原理，在盾构纠偏、曲线掘进过程中，盾尾密封圈与尾盾存在一定的相对运动，在施工中要求根据盾构的姿态不断调整铰接密封的松紧度。在实操中不可避免存在调整滞后或装拆机过程中盾尾密封部位的变形，降低了密封的可靠性。盾构掘进中，同步注浆浆液会流到盾构机的铰接密封，当橡胶密封的压力小于泥水压力时，泥水就会击穿密封进入盾体内。

第二，盾构姿态波动剧烈:当盾构机机身在水平或者垂直姿态出现较大波动时，隧道整体轴线并非沿隧道弧线平滑过渡，在此情况下容易造成盾构与管片之间卡壳，连接中盾和尾盾之间的铰接因尾盾卡壳，铰接千斤顶不能有效收缩，铰接千斤顶行程长度接近极限值，密封压力减小，铰接密封容易被地下水、泥水击穿。

第三，橡胶密封的耐久性不足:橡胶密封磨损达到一定程度时，单靠调整密封压力已达不到密封效果，启动紧急充气气囊密封，修复橡胶密封存在较大困难。气囊充气状态下不能掘进，在特定的地质及地理环境下泥砂容易进入铰接密封，增加了盾构施工的风险[3]。

(2）防护措施

掘进过程中加强姿态控制，纠偏时避免有较大的姿态变化，做到勤纠缓纠；加强同步注浆(压力)控制，防止砂浆包裹盾尾；根据盾构姿态及时调整密封松紧度；在曲线段掘进时，及时合理地调整密封松紧度，保证铰接密封的压力。

2.4 防止结泥饼、滞排针对性措施

2.4.1 防止结泥饼针对性措施

（1）形成泥饼的原因

第一，下穿海域施工，洞身穿越的块状强风化混合花岗岩、沙土状强风化混合花岗岩等岩层，其含土砂丰富有形成泥饼的前提条件；第二，对刀盘冲洗及土仓搅拌不足，导致渣土堆积容易形成泥饼；第三，掘进速度过快，刀盘开口率小，渣土由开挖面进入土仓速度慢，易堵塞开口形成泥饼；第四，泥浆携渣能力弱造成渣土在仓内堆积形成泥饼；第五，P2.1 泵排浆功率不足,中继泵安装位置不合理，排渣困难造成渣土在仓内堆积形成泥饼。

（2）防止结泥饼措施

第一，区间使用泥水盾构配备中心冲洗泵及刀盘冲洗管路。第二，将掘进速度控制在20mm/min 以下，合理控制进排浆流量差，每环掘进完成后需洗仓待分离设备无砂土筛出后停止环流；掘进过程中若P2.1 泵进口压力增大、出口压力较小时及时停止洗仓，避免渣土在舱内堆积。第三，及时调整泥浆比重，区间泥浆性能比重1.1～1.14g/ml，黏度25～30s；确保携渣顺畅，避免滞排。

2.4.2 防止泥水盾构滞排针对性措施

（1）泥水盾构滞排成因

第一，泥水系统无反冲洗模式，轻微堵塞无法通过反冲洗疏通；第二，刀盘搅拌棒存在搅拌盲区，造成渣土在开挖仓泥浆门处滞排；第三，排浆管进浆口过短，无法及时抽排泥浆；第四，排浆口格栅过小、弯头过多、泥浆管直径过小、P2.1 泵排浆功率不足等情况，造成渣土滞排；第五，在上软下硬地层掘进施工过程中压力不稳定，造成掌子面坍塌堵塞开挖仓；第六，在断层破碎带中掘进，超出破碎机处理能力的大粒径（破碎机处理能力为500mm 以内岩石）岩块掉落，堵塞开挖仓；第七，刀具磨损不均造成刀具破岩效果较差，大块岩石堵塞开挖仓；第八，滚刀掉落或与钢板桩等异物造成泥浆门堵塞。

（2）防止泥水盾构滞排措施

第一，区间泥水盾构机具备反冲洗模式；第二，盾构机进场前对刀盘搅拌棒进行了针对性改造，增加了其长度，减小了其与盾壳间的距离，保障搅拌效果；第三，进场前增加排浆管进浆口长度，向泥浆门底部延伸，增加抽排能力；第四，设备具备采石箱可避免泥浆管路内集渣，泥浆管直径300mm 保障管路内不集渣，增加中继泵保障抽排能力；第五，严格控制开挖仓压力，保证压力波动不超过0.1bar；第六，及时监测掘进数据，发现堵仓、滞排现象，通过检查管路、泵组无堵塞及故障后，及时进仓检查清理。