大直径泥水盾构下穿黄河堤坝施工技术研究

田兆平

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211899）

0 引言

近年来，在公路、轨道交通、供水供气及市政综合管廊等建设中，大直径盾构隧道以其施工快、对周围环境影响小、经济效益高等特点而被广泛应用。然而因其断面大、多在水下施工、穿越地层复杂等特点，面临刀盘磨损、盾尾漏浆、地表冒浆、大坝涌水、房屋开裂等诸多风险。南京长江隧道穿越粉细砂、砾砂、圆砾石、强风化泥岩等复杂地层；苏通GIL综合管廊隧道施工时地层中水压力最大达0.8 MPa，隧道底部水土压力最大达0.95 MPa；杭州市望江路隧道遭遇沼气和抛石地层；武汉8号线隧道穿越上软下硬地层，易导致盾构机刀盘刀具过大磨损、盾尾管片过大上浮、开挖面失稳等施工风险。为了解决上述问题，周鲁[1]依托济南黄河隧道工程，对隧道埋深和管片接缝防水设计进行了探讨。孟德鑫等[2]对比了深圳地铁11号线2个区间盾构隧道（直径7 m）在砾质黏性土和全风化花岗石地层中的施工参数。陈相宇等[3]以长沙市南湖路湘江隧道工程为例，分析了大直径盾构隧道斜穿湘江西岸堤坝时的施工风险。王新等[4]通过工程实例统计分析，并结合实践经验，对大直径盾构隧道上浮影响因素和控制措施进行了研究。王发民[5]通过有限差分模拟分析了不同泥浆支护力下开挖面的稳定性。尽管国内外对大直径盾构隧道施工技术问题进行了一系列研究，但是针对粉土或粉质黏土地层大直径盾构隧道穿越堤坝过程中具体施工参数调整方法和特殊风险的处理措施，并未给出具体解答。

本文依托济南黄河隧道（直径15.2 m）工程实例，将对大直径泥水平衡盾构隧道下穿黄河堤坝过程中，堤坝沉降数据规律及同步注浆、开挖面水土压力、掘进速度等参数设置与调整进行详细分析，并针对堤坝沉降给出具体控制措施。

1 工程概况

济南黄河隧道位于济南城市中部，南接中心城区主干道济泺路，距建邦黄河大桥和济南黄河大桥的水平距离分别约6.5 km，5.1 km。隧道采用城市道路与轨道交通M2线同管共建方案，为超大断面盾构法隧道[6]。西线隧道总长约2.514 km，东线隧道总长约2.519 km，见图1。

图1 隧道规划路线图

隧道覆土厚度11.2 m～42.3 m。隧道承受的最大水压约0.65 MPa。南岸大堤为临黄堤的右岸大堤，堤顶高程37.43 m，临背边坡皆为1：3，堤顶宽12 m，堤防淤背加固区通常宽100 m，背河护堤地宽10 m。隧道主要位于⑥粉质黏土、⑦粉质黏土、⑧粉质黏土、⑨粉质黏土层，与北河侧堤脚竖向净距为30 m，与临河侧堤脚约33.5 m，堤顶处埋深约41.5 m，线间距为36.3 m，见图2。

图2 黄河南岸堤坝现场照片

盾构隧道管片为单层装配式衬砌，强度C60，抗渗等级P12，管片外径15.2 m，管片厚度650 mm，环宽2 m，错缝拼装。每环管片螺栓环向28根、纵向30根，总计58根/环，管片螺栓型号M36×750 mm，见图3。

图3 管片拼装示意图

2 现场实测数据分析

图4给出了大直径泥水盾构并行下穿黄河南岸大堤的堤顶地表沉降监测布点图。

图4 堤顶地表沉降监测点布置示意图（m）

图5和图6分别给出了堤顶地表累计沉降分布曲线和时程曲线。从图中可以看出，2020年8月25日东线盾构机刀盘到达堤脚，2020年9月10日东线盾尾脱离堤脚，2020年11月30日西线盾构机刀盘到达堤脚，2020年12月16日西线盾尾脱离堤脚。东西线盾构分别掘进引起的地表最大累计沉降位置并未出现在盾构隧道轴线上方的堤坝顶面的地表处，而是有所偏移，偏移量约为0.2隧道外径。东西线盾构隧道并行下穿导致黄河堤坝地表最大累计沉降量出现在东西线隧道的中间位置，约为16 mm。东线盾构机尾部脱离堤脚后15 d左右堤坝顶面地表沉降趋于稳定。

图5 堤顶地表累计沉降变化曲线

图6 堤顶地表累计沉降监测点时程曲线

3 堤坝变形控制措施

1）盾构机下穿前在泥浆管上加装2个电动阀门，以防止泥浆管爆管。

2）加强地层沉降监测。

3）稳定开挖舱泥水压力，防止开挖面切口水土压力波动，导致水土流失。

4）根据系统数据，及时调整进、出泥浆的流量，使进出泥量保持平衡。

5）下穿前注浆量控制在盾尾间隙的180%～200%，注浆压力约＞开挖面计算压力值0.5 bar，同时利用盾构机上同步注浆检测系统，对同步注浆压力值与注浆量进行实时调整。同步注浆浆液配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶外加剂∶水=200∶200∶80∶1 250∶5.3∶470，初凝时间6 h。

6）泥浆比重控制在1.20 g/cm3～1.25 g/cm3，粘度控制在22 s～24 s，提高泥水的测试频率，实时调整泥水参数[7]。

7）掘进速度控制在2.0 cm/min～3.0 cm/min，匀、快速通过[7]。

8）下穿前调整好盾构姿态，下穿过程中尽量避免纠偏。

9）管片拼装时，分区伸缩千斤顶，避免盾构机后退，引起开挖面卸荷。

10）为了防止盾尾漏浆导致地面沉降，施工时确保手涂油脂能充分、均匀地填涂到盾尾刷的钢丝中，涂抹完成后应及时进行负环拼装。此外，应根据推进速度，定时、定位、定量压注盾尾密封油脂，并实时观察各油脂腔内压力变化情况，发现异常应及时处置。

11）当监测数据超预报警值时，及时进行地面跟踪注浆和二次注浆，注浆全过程应及时观测堤坝顶面地表抬升量，不断调整注浆参数。

4 结论与建议

本文依托济南黄河隧道工程，针对高水压粉土、粉砂层中，上覆土厚度约为3倍隧道外径情况下，大直径泥水平衡盾构并行下穿黄河堤坝时地表沉降分布特征与变化规律，及施工变形关键技术进行了总结分析，初步得出如下结论。

1）东西线隧道分别下穿导致堤坝顶面地表沉降的最大值偏离隧道中心轴线约0.2倍的隧道外径；同时双线隧道叠加下穿后，堤坝顶面地表累计沉降的最大值将出现在2条隧道中间位置；单一隧道下穿堤坝引起的堤坝顶面沉降将在盾尾脱离堤脚后15 d趋于稳定。

2）盾构下穿过程中应减少姿态纠偏，稳定开挖面水土压力，平衡进出泥量，均匀快速通过。

3）为了防止盾尾漏浆导致地面沉降，施工时确保手涂油脂能充分、均匀地填涂到盾尾刷的钢丝中，涂抹完成后应及时进行负环拼装。应根据推进速度定时、定位、定量压注盾尾密封油脂，并实时观察各油脂腔内压力变化情况。

4）地面跟踪注浆和二次注浆时应根据堤坝顶面地表抬升量，不断调整注浆参数。