盾构机下穿结构物等风险源的施工控制技术

李 军

(中铁三局集团天津建设工程有限公司，天津 300350)

0 引言

盾构法施工具有不影响地面交通，相较于矿山法具有安全开挖和衬砌、掘进速度快等优点，近年来随着城市不断发展，盾构法施工在城市轨道施工中得到了广泛的应用，其中，富水地层长距离穿越风险源是盾构施工的重难点之一[1]。目前，国内外进行富水地层长距离穿越风险源通常采用同步注浆的方法，该方法适用于含水量小、建(构)筑物沉降要求不高的黏土地层，存在的主要缺陷是同步注浆量要求精度低，且无法完全满足地表沉降施工控制要求。

天津地铁4号线民航大学站—新兴村站区间穿越承压含水层⑧21砂质粉土、⑧22粉砂层，下穿津滨高速904 m，车流量大，地表沉降要求-5 mm～10 mm，为国内同类盾构施工穿越长度最大的，其穿越施工增加隔环注浆方法，并在盾构接收施工中改进弧形钢板，以减少洞门裸露时间降低沉降风险。

1 工程概况

天津地铁4号线民新盾构区间左线区间长1 783.472 m、右线区间长1 708.955 m。该区间位于津滨高速一侧，先后侧穿蓝海苑泵站、民航大学雨污水泵站、民航大学天桥、下穿航油管、津滨高速公路收费站、地下管廊、津滨高速公路、热水管及一般市政地下管线。盾构区间穿越的⑧21砂质粉土、⑧22粉砂透水性好，为富水地层(承压含水层)。盾构在富水地层中掘进施工自身就存在较大风险，易发生螺旋机喷涌、盾尾漏水和盾构机密封泄漏，同时又五次下穿航油管(总长度约713 m)、下穿津滨高速公路(总长度约904 m)和多个风险较大的建(构)筑物，极易造成管线、道路沉降和建(构)筑物倾斜开裂[2-5]。

民航大学穿及侧穿DN200航油管，管道埋深1.0 m，下穿至管道距离隧道顶部约10.5 m。航油管道为站接收区段左右线在距离接收井口56 m处下穿民航大学过街天桥，侧穿天桥桩基础，左线接收区段下天津滨海机场备用输油管道，航油管道为DN200管道，建设年代为2005年，控制航油管道不超过20 mm的最大沉降量。

2 盾构下穿风险源的施工参数分析

2.1 土压力的计算

2.1.1 民航大学站—新兴村站区间左线土压力的计算

1)民新区间左DK42+640.77～左DK42+885.31，盾构机主要侧穿津滨高速及绿化带。根据岩土工程详勘报告及施工图纸查讯数据，计算土仓压力沿推进方向为0.153 MPa～0.173 MPa。

2)民新区间左DK41+654.88～左DK42+640.77，盾构机下穿津滨高速。根据岩土工程详勘报告及施工图纸查讯数据，计算土仓压力沿推进方向为0.259 MPa～0.275 MPa。

3)民新区间左DK41+112.19～左DK41+654.88，盾构机下穿津滨高速和津北公路。根据岩土工程详勘报告及施工图纸查讯数据，计算土仓压力沿推进方向为0.170 MPa～0.190 MPa。

2.1.2 民航大学站—新兴村站区间右线土压力的计算

1)民新区间右DK42+599.42～右DK42+818.79，隧道与津滨高速路水平净距进入3H以内。根据岩土工程详勘报告及施工图纸查讯数据，计算土仓压力沿推进方向为0.150 MPa～0.170 MPa。

2)民新区间右DK41+712.44～右DK42+599.42，盾构机下穿津滨高速路。根据岩土工程详勘报告及施工图纸查讯数据，计算土仓压力沿推进方向为0.260 MPa～0.276 MPa。

3)民新区间右DK41+113.52～右DK41+712.44，隧道通过下穿高速区段，继续侧穿津滨高速，下穿津北公路。根据岩土工程详勘报告及施工图纸查讯数据，计算土仓压力沿推进方向为0.154 MPa～0.174 MPa。

2.2 推进速度及刀盘转速计算

盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速与盾构机的性能密切相关，同时也受工程地质及水文地质条件的影响。由于民新区间范围内地层主要为砂质粉土，刀盘转速选取1.0 r/min，推进速度正常为30 mm/min～40 mm/min。本区段最大推进速度为80 mm/min。

2.3 出土量控制

天津地铁4号线民新区间设计管片外径为6 200 mm，环宽为1 500(1 200) mm。刀盘的直径为6 410 mm，经计算，出土量控制在不大于58.1(46.5)m3/环。

盾构掘进施工流程图见图1。

2.4 盾尾注浆压力、注浆量分析与取值

2.4.1 注浆压力

一般注浆量为计算体积的1.5倍～2.5倍，扩散半径约为2 m～3 m，于顶部范围注浆形成有效厚度不小于2 m的注浆圈，注浆压力0.25 MPa～0.3 MPa。

2.4.2 注浆量

注浆量一般采用几何学上规定的尾部空隙量的观点，并根据经验公式计算和盾构区间的施工经验确定。

根据经验注浆量一般为理论注浆量的1.5倍～2.5倍。则实际注浆量：4.68～7.8(3.74～6.24)m3，环初步设定注浆量为6.5 m3(5.2 m3)。

盾尾同步注浆理论量3.12(2.45)m3，根据天津市地方标准要求，每环实际注浆量应为理论注浆量的150%～250%，故线路注浆量控制值为4.68 m3～7.8 m3(3.74 m3～6.24 m3)<8 m3=砂浆车装载能力。

2.5 二次注浆

为了及早建立起浆液的高黏度，需要将同步浆液的初凝时间调整到4 h～6 h，必要时可采用二次注浆进一步缩短胶凝时间，二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆。在民新盾构区间穿越风险源施工过程中，隔环跟进二次注浆(一般为盾尾后5环～8环)，采用多次少量方式，注浆压力控制在3 bar～4 bar。二次注浆施工流程图见图2。

3 盾构机的接收

3.1 盾构机接收前准备工作

盾构机接收前需要：接收复核测量完成(实际洞门偏离推进方向右侧24 mm，偏下27 mm，盾构机推进姿态控制在垂直偏下20 mm左右，水平偏右20 mm)、接收端土体加固完成、降水井试抽完成、始发基座定位安装完成、水平探孔钻孔安装完成，确认无水。

待以上工作完成后，盾构机前进，刀盘抵到地连墙时进行洞门凿除。洞门破除需要6 d时间，所以在凿除前应做好盾尾的注浆封堵，防止渗漏水，凿除期间派专人监管，密切观察盾尾封堵情况。

3.2 焊接洞圈内弧形钢板圈

由于盾构外径6 400 mm，洞门圈内径6 700 mm，存在间隙单边150 mm。盾构进洞前，在洞圈内焊接一整环钢板，缩小盾壳与洞圈的间隙，同时塞填海绵条防止盾构进洞时洞圈产生漏水、漏泥等问题。

上部、下部均采用2道1 cm厚10 cm高的弧形板，钢板之间填充150 mm×150 mm的海绵条。在洞圈底部钢板内、外层各加焊1道挡泥板，用于盾构进洞时清理盾构底部的泥土便于盾构顺利骑上基座。

3.3 盾构接收环控措施

民航大学站—新兴村站区间左线共1 215环，1207环，1210环，1213环为变形缝环，1214环为接收环。

1)盾构推进1202环时，千斤顶行程1 524 mm，刀盘到达加固体。

a.盾构机推进姿态控制在垂直偏下20 mm左右，水平偏右20 mm。

b.降低推进速度，推进速度控制在30 mm/min，总推力控制在1 500 t以下，刀盘扭矩控制在1 500 kN·m，土仓压力控制在0.16 MPa。

c.密切关注螺旋机出土口土质变化情况和土质含水量、水泥含量，并确切记录具体位置。

2)盾构推进、拼装1203环～1209环；1210环推进至524 mm时，中心刀尖到达地连墙；继续推进至600 mm时停止推进。

a.盾构机推进姿态控制在垂直偏下20 mm左右，水平偏右20 mm。

b.降低推进速度，推进速度控制在15 mm/min～20 mm/min，总推力控制在1 500 t以下，刀盘扭矩控制在1 500 kN·m，1203环～1208环同步注浆量4.9 m3/环，1209环～1210环同步注浆量不少于3.12 m3。

c.土仓压力控制：1203环～1209环控制在0.16 MPa，推进1210环时土压力逐渐降至0。

d.密切关注螺旋机出土口土质变化情况和土质含水量、水泥含量，并记录具体位置。

e.在洞门第二层混凝土破除1/2时，依次在1205环、1206环和1207环进行二次注浆打设止水环箍，全部采用双液浆，以封闭管片和加固体之间的间隙，隔断后方来水。二次注浆以注浆压力达到0.3 MPa为终止信号；二次注浆过程中，每间隔20 min打三下同步浆液，防止二次注浆堵塞同步注浆管路。

f.止水环箍施作完成后，在1207环安装球阀打穿吊装孔探水，打孔深度为管片外25 cm，可采用少量单液浆进行补充加固，探孔无水后进行洞门凿除施工，如若有水继续打设环箍，直至探孔无水。

g.采用槽钢通过与吊装孔位置焊接将管片从1206环开始拉紧处理。

h.第二层混凝土破除完成后，在洞门钢环位置焊接三道3 mm厚止水钢板，中间填塞海绵条，在洞门位置安装6 mm厚弧形钢板，弧形钢板内径与盾构机外径一致。

i.弧形钢板安装完毕后，继续破除洞门。

a.再次确认盾构机与接收基座的关系，确保盾构机顺利落在接收基座上。

b.安排专人盯控盾构机上下左右是否有渗漏水情况发生，一旦发生渗漏水，立即用双快水泥将洞门弧形钢板和盾构机之间缝隙填塞，并通过弧形钢板预留的注浆孔注浆封堵。

4)盾构推进1211环～1215环，1214环推进至429 mm时，盾构机中盾出结构墙及洞门钢环安装的弧形板，一次接收结束。

a.停止转动刀盘。

b.继续安装拉紧装置，将管片逐环拉紧，复紧管片螺栓。

c.推进过程中，正常同步注浆，注浆量不低于3.12 m3；每推进一环，逐环在盾尾倒数第二环二次注浆。

d.安排专人盯控盾构机上下左右是否有渗漏水情况发生，一旦发生渗漏水，立即用双快水泥将洞门弧形钢板和盾构机之间缝隙填塞，并通过弧形钢板预留的注浆孔注浆封堵。

柑橘产量与气温、降水量呈显著正相关；与日照时数呈极显著负相关。需要加强研究柑橘各发育期气象因子与柑橘产量的关系，掌握柑橘生长发育期对气温、降水、日照的需求，有效利用气象条件，防范气象灾害，结合生产实际，加强果园管理，提高柑橘产量与品质。

e.1211环推进结束后，用双快水泥将洞门弧形钢板和盾构机之间缝隙填塞；二次注浆以注浆压力达到0.3 MPa为终止信号。

5)盾构推进1216环(只拼装底部一块管片)至油缸行程为892 mm时，盾尾至浆板到达地连墙与加固体接缝处，停止推进，继续二次注浆至12点位流出双液浆(如图3所示)。

a.推进过程中通过管片进行二次注浆，不再进行同步注浆。

b.继续安装拉紧装置，复紧管片螺栓。

c.推进过程中安排专人盯控盾构机上下左右是否有渗漏水情况发生，一旦发生渗漏水，立即用双快水泥将洞门弧形钢板和盾构机之间缝隙填塞，并通过弧形钢板预留的注浆孔注浆封堵。

d.二次注浆完成后30 min再继续推进1216环，1216环只拼装底部一块管片。

6)盾构推进1217环(不拼装管片)至700 mm时停止推进，开始注浆封堵洞门。

a.注浆过程中安排专人盯控盾构机上下左右是否有渗漏水情况发生，一旦发生渗漏水，立即用双快水泥、棉被或海绵条将洞门弧形钢板和盾构机之间缝隙填塞，并通过弧形钢板预留的注浆孔注浆封堵。

b.二次注浆至12点位反复流出双液浆时停止二次注浆，等待24 h后继续推进。

c.1217环推进至2 000 mm时，管片脱离盾尾至浆板约420 mm，停止推进。

d.停止推进后，第一时间用普通水泥砂浆对1215环管片外侧与洞门间的缝隙进行填塞，外侧采用双快水泥砂浆填塞，确保洞门封堵密实。

e.封堵完成后定期安排专人巡视封堵效果，如发现渗漏水，立即用双快水泥再次加固弧形钢板与管片间隙，并再次进行二次注浆封堵洞门。

3.4 最后十环管片拉紧措施

管片安装前保证止水条不损坏、不预膨胀，并及时清理管片上注浆掉落的渣土和砂浆等。为防止盾构机脱出盾尾后管片应力变形和管片的不稳定，造成管片破损，在盾尾脱出洞门钢圈前，在最后10环管片每环5个吊装孔位置采用14b槽钢进行连接固定，形成拉紧装置，防止管片的不稳定和变形。

3.5 盾构接收施工控制要点

1)在刀盘即将进入接收加固土体时，提前开启超挖刀，防止盾体被卡住，同时在加固土体与非加固土体之间施作止水环箍，防止形成渗漏水通道。止水环箍采用二次注浆施工，浆液采用双液浆，每环管片注一个孔，注浆部位交叉进行，最终形成环箍，保证止水效果。

2)在盾构机进入加固区时，至洞门处，做三道双液浆止水环，隔断土体中的水进入加固区。保证盾构机接收时，防止涌水涌砂现象的发生。

3)洞门凿除至最后一道钢筋，其他接收准备工作完成后，盾构机开始继续向前推进，推进中速度控制在10 mm/min以内，同时将螺旋机和土仓内的土出空，当刀盘先行刀从洞门位置先行突出后，继续转动刀盘，尽量将刀盘前方土出至最少。

4)在盾构三次接收施工过程中，盾构机中盾体推进至接收井内，立即安装弧形钢板，弧形钢板束在盾构机盾体外侧。弧形钢板之间的缝隙采用快干水泥进行填塞密封，确保整圈弧形钢板的挡水效果。

随着盾构机推进，采取推一环注一环的方式，在盾尾后部逐环进行二次注浆封堵后方泥水通道，注浆前对弧形钢板之间的缝隙进行检查，及时用快干水泥修补，防止冒水、冒浆。

盾构机推进至盾尾完全进入接收井，脱出弧形钢板束缚。松动螺栓调整弧形钢板向管片外部收缩，束在管片外部。

弧形钢板之间的缝隙，因松动螺栓过程已致密封失效，需重新采用快干水泥进行填塞，确保第二次安装整圈弧形钢板的挡水效果。

5)洞圈封堵完毕后，利用管片吊装孔进行壁后填充注浆，浆液采用双液浆配比(质量比)为1∶1∶0.5，注浆压力0.2 MPa。同时通过钢板预留注浆孔在洞圈外进行补压浆，直至将水全部挤出，空隙充满浆液为止。

4 结语

新建天津地铁4号线南段工程民新区间，在施工中采用同步注浆与衬砌管片组合，作为盾构隧道主要承力结构，以隧道衬砌管片为环形受力结构，以同步浆液填充开挖空隙，作为土体与衬砌管片的骨架来抵消外界土压力，使二次隔环注浆施工符合设计的理论受力状态。采用二次隔环注浆填充，补充同步注浆干裂缝隙，并填充土层内毛细孔，有效补充地层损失，消除衬砌管片外界土层间的透水通道。盾构接收施工中采用安装式弧形钢板，该方式具有操作简单和省时省力的特点，大大降低了洞门裸露时间，保证在风险源穿越区段盾构接收施工的安全性和稳定性。