浅谈盾构机侧穿水库施工措施

孙津津

（中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100000）

1 概述

汤泉水库位于南京市江宁区汤山街道汤山社区，属秦淮河流域，位于本区间左侧，间距20～300m。盾构隧道侧穿汤泉水库，主要影响里程为K18+305～K18+410（约88 环，管片宽度1.2m），隧道顶板距离汤泉水库河底约15m 左右。侧穿区间与水库最小水平距离约14.4m。YK18+200～YK18+636 段进入闪长玢岩侵入区，以强风化闪长玢岩、破碎中风化闪长玢岩为主，因风化程度不同而软硬不均，局部可见少量风化泥岩。汤泉水库大坝长270米，顶宽6 米。迎水坡坡比为1:3， 46.0m 高程以上采用砼护坡，背水坡坡比为1:2.5，46.2m 高程处设一3m 宽台，坝脚地面高程为42.0m，最大坝高10.6m。过水涵洞为砼、浆砌石混合结构。针对以上工况，我公司通过前期地质补勘、施工过程控制以及制定专项监测方案等，结合多项措施，顺利安全完成了盾构侧穿水库施工。（图1、2）

图1 线路平面示意图

2 主要控制措施

2.1 地质补勘

原地勘报告显示，区间侧穿水库范围地质条件为以强风化闪长玢岩、破碎中风化闪长玢岩为主，因风化程度不同而软硬不均，局部可见少量风化泥岩。为了施工安全可靠，对原地勘报告进行复核，在原地勘报告每30m 一个地勘点的基础上，进行加密勘探，定为每5m 一个地勘点。通过地质补勘与原地勘报告相互印证，补勘结果符合原地勘报告，为施工过程中盾构机参数设置提供依据。

2.2 制定坝体专项监测方案

为确保水库安全运行的前提下进行盾构施工，我公司委托南京水利科学研究院承担盾构隧道施工期间汤泉水库大坝安全监测工作，提供施工大坝安全性态的监测成果和分析报告，旨在指导盾构隧道施工，保障汤泉水库大坝安全运行，并可为类似项目论证和施工提供重要支撑。监测主要为两大方面：一是进行了大坝坝体变形监测，在盾构侧穿水库期间，通过每日的监测日报发现，未出现监测预警，盾构机对地层扰动小，大坝坝体整体稳定良好；二是进行大坝坝基渗流监测，通过水位观测点监测，判断破碎中风化闪长玢岩基岩裂隙渗透水情况，根据各观测点反馈，各观测点水位变化稳定，基岩裂隙渗水性弱，对施工影响小。

图2 汤泉水库与盾构区间平面位置关系

2.3 技术参数控制

2.3.1 侧穿水库前试掘进

在到达侧穿水库前地段设置200m 试验段，根据试验段出渣量、推力、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、地表沉降观测等进行有机结合，收集、整理、分析、深化比选确定水库穿越段施工参数。并结合隧道覆土变化、地表监测数据进行动态施工、动态管理，确保水库安全可控的情况下，安全、快速通过水库影响区域。

2.3.2 土仓压力控制

根据地质条件，确定穿越水库段采用半仓气压、半仓土压的推进模式进行隧道掘进，并且在掘进过程中要连续、匀速施工，土仓压力值要大于静止土压力0.1-0.15bra，结合地表沉降观测情况，决定是否需要对相关参数进行调整，同时要做好相关渣土改良工作。土仓压力计算方式如下：

根据公式P=k*γ*h，

P——水土平衡压力；

γ——土体容重（kN/m3）；

h——隧道中心埋深；

k——侧向静止土压力系数；由土体静止压力系数表查表得，系数为1/6 即0.167。

见表1。

表1 中心土压力计算依据

侧穿水库段中心理论土压力即为：P=0.17×29.4×19≈0.95bar。掘进中比理论稍高即1.1 bar～1.3bar。

土仓压力计算可参照以上方法进行计算，根据地勘有关岩层参数、盾构埋深深度、地下水稳情况进行实际参数的取值，同时要根据相关监测数据的反馈，对盾构机有关参数进行动态调整。

2.3.3 掘进参数控制

根据试验段掘进效果，制定出盾构机的刀盘转速、掘进速度、刀盘扭矩等参数，具体为软硬不均地层刀盘转速在0.8～1.2r/min，保持30-40mm/min 左右的掘进速度匀速平稳通过。刀盘扭矩≯4500KN.m。

全断面中风化闪长玢岩以及中风化闪长玢岩刀盘转速控制在1.4r/min～2.0r/min。掘进速度20～40mm/min。刀盘扭矩≯4000KN.m。（表2）

表2 掘进参数表

2.3.4 出土量控制

严格控制盾构机掘进出土量，总体损失量控制在0.5%以内。

盾构掘进理论出土量：

出土量V＝Π×(D/2)2×L＝Π×(6.47／2)2×1.2＝39.5m3/环

每环理论出土量乘上松散系数1.2～1.4 约为：（47.5～55）m3。

其中：D- 盾构外径（m）；L- 管片长度（m）。

为保证侧穿水库施工安全，穿越过程中每环的出土量控制在46.5～54m3/环。为保证侧穿水库过程中，隧道掌子面土压平衡控制，在施工过程中要根据土仓内土压力的变化情况，以及地表沉降观测情况，对参数及时调整，达到控制地面沉降的效果。

出渣量通过量测斗车体积以及龙门吊称重的方式进行体积确定，将实测的出图体积与理论出土体积进行对比，若是发现出渣量异常，及时向值班工程师进行汇报，根据实际情况，采取地面注浆、二次补浆等措施确保安全。

2.3.5 姿态控制

2.3.5.1 在侧穿水库过程中，不可采用大幅度纠偏，可采取少量纠正或轻微纠正，同时控制盾体相邻顶推千斤顶的推力相差不能太大，防止盾体前进路线出现不规则线型，对土体扰动过大。

2.3.5.2 施工过程中，要注重对管片的监控量测规则，用以指导盾构机姿态的调整，当出现上浮或者下沉的不良情况，要加强该区域的监测频率，通过加强同步注浆及二次注浆等措施进行补救。

2.3.5.3 控制盾构机前进推进速度，最大力度确保能够匀速前进，同时控制盾体姿态，不宜变化过大。

2.3.5.4 盾构掘进中，确保采用稳坡法、缓坡法等方式推进，以减少盾构施工对地表的影响。

2.3.6 土体改良措施

在侧穿段，主要地质条件为中风化闪长玢岩，局部夹杂泥岩，为防止刀盘结成泥饼降低推进效率，采用泡沫改良方式进行渣土改良，以保证盾构推进效率。

2.3.7 同步注浆

盾构机同步注浆是控制区间地表沉降、防止管片出现上浮、下沉及错台等的极为重要的方法。盾构隧道的设计外径要比盾构机本身盾体的外径要略小，当盾构推进过后，就会在盾体与隧道岩层之间出现一定的空隙，就需要及时补充同步注浆浆液来填充该缝隙，防止出现以上不良情况。

通过施工前的方案编制以及理论上的计算，可以得出本工程每环需要同步注浆的理论注浆量，同时结合以往施工经验，将注浆量进行调整，调整至120%-170%，同时控制注浆的主要参数，即注浆量、注浆压力，通过双控指标来进行注浆控制，以达到区间稳定的目的。

2.3.8 二次注浆

由于土体之间存在收缩，同步注浆液存在渗透溢流，盾构机通过后，盾体与岩层之间仍然存在一定的空隙，在此就需要再次进行注浆来填充缝隙，即二次注浆。

2.3.8.1 二次注浆通过刮片上的吊装孔进行注浆，将注浆头插进注浆孔，通过注浆机进行注浆，浆液采用水泥水玻璃浆液，该浆液能够快速凝结，及时填充管片与岩层之间的空隙。

2.3.8.2 根据本工程设计图纸要求，浆液的配合比有明确要求，水灰比为1:1，同时水泥浆与水玻璃溶液的体积比为1:1，该配比调制的浆液凝结时间为20～30 秒左右。

2.3.8.3 二次注浆要特别注意不能离盾体尾部太近，可能会因为浆液的凝结导致盾体尾部部分凝固被卡顿，影响盾构机的推进。根据以往施工经验，往往选择在盾构后方10 环左右进行二次补浆。同时，结合地表沉降观测数据，当地表沉降数据发生异常时，也需要对异常位置的管片进行二次注浆。二次注浆的控制标准与同步注浆一致，通过注浆量与注浆压力双控指标进行控制。

2.3.8.4 根据设计图纸要求，二次补浆压力和注浆量不要过大，根据上部地层覆土厚度注浆压力控制在2.8～4.0bar，根据地表监测值以满足沉降的要求。

2.3.9 保证盾尾密封应对措施

侧穿水库段采用康耐特油脂，替换原有油脂，确保盾尾在穿越过程中安全有效。在侧穿水库期间，根据专家评审意见并结合施工经验，盾构机每推进5 环，对盾构油脂进行一次全面检查。同时盾构推进过程中，严格控制盾尾油脂的注入，尤其是注入压力，要不小于4.5bra，并根据实际情况，采用手动模式的方式进行油脂的补强注入。尤其是同步注浆冒浆的部位，要极为重视油脂的注入。保证盾构姿态平稳，勤纠、缓纠，盾尾间隙不均导致盾尾渗漏。加强管片选型，管片拼装前一定要测量实际的盾体尾部与管片的间隙，经过值班技术人员的同意才可以进行拼装。

3 结论

本工程盾构机侧穿水库，所处地层裂隙发育，易形成水系通道造成管涌，同时汤泉水库紧邻圣汤大道，车流量大，穿越过程中又恰逢梅雨季节和中、高考时期，导致渣土外运困难，停工时间较多，建筑物塌陷和决堤、垮坝等安全风险较大。通过前期工作准备充分，技术措施制定得当，施工过程管理有序，从2020 年6 月7 日至7 月19 日，历经42 天的昼夜奋战，成功克服了以上各项困难，左右双线顺利穿越水库，为以后类似工程施工提供了有力的参考。