软弱地质条件下盾构下穿河流风险管控关键技术研究

黄旭

（中铁二局集团有限公司城通分公司，四川 成都 610083）

随着珠三角地区经济的迅速发展，城市之间的联系越来越紧密，城际轨道交通作为连接纽带，建设势头良好。在水系发育且地质不良的情况下，进行盾构下穿河流存在较大的安全风险，牛方杰[1]对盾构穿越既有铁路进行了研究，张德文等[2]对盾构穿越敏感地点进行了论述，珠三角城际琶洲支线PZH-1标二工区大学城东站—新造竖井盾构区间连续下穿水系，且穿越地质多为强风化和全风化岩层，风险叠加，通过多方面和全过程的实际控制，保证了穿越工作的安全顺利完成。

1 工程概况

珠三角城际琶洲支线PZH-1标二工区大学城东站—新造竖井盾构区间由西北向东南敷设，从大学城东站出发，先后下穿江沥海（宽100m）、沥滘水道（宽640 m）和部分建构筑物，到达新造竖井，线路左线起止里程为DK6+050—DK8+585，全长2 535 m；右线起止里程为YDK 6+050—YDK 8+585.065，全长2 535.065 m；线路最小半径2 500 m，最大纵坡14‰，设5个疏散通道。盾构钢筋混凝土管片外径8.8 m，内径8 m，环宽1.8 m，稧行量40 mm，区间线路走向如图1所示。

图1 盾构隧道区间线路示意图

2 地质及水系情况

2.1 地质情况

盾构线路穿越水系段上覆土层主要为淤泥（2）0、中砂sm（3）4-1、W4（8）2-1全风化二长花岗岩、强风化二长花岗岩W3（8）2-2、中风化二长花岗岩W2（8）2-3，穿越线路主要位于强风化、全风化岩石中，抗压强度及土层黏粒含量对盾构施工影响较大，穿越江沥海和沥滘水道的地质剖面分别如图2所示。

图2 穿越江沥海和沥滘水道线路段地质示意图

2.2 水系情况

盾构线路穿越主要水系情况：线路沿线属珠江水系，河汊发育，其中江沥海河道水面宽86 m，最大水深3.6 m，最高潮位3.84 m，最低潮位0 m，覆土厚度17.4～18.6 m，现场情况如图3所示。沥滘水道水面宽600 m，最大水深11.7 m，最高潮位2.05 m，最低潮位-0.48 m，覆土厚度23.81～33.6 m，现场情况如图4所示。

图3 江沥海现场情况

图4 沥滘水道现场情况

3 主要风险

3.1 突泥涌水及坍塌

珠江流域地表水系发达，江沥海和沥滘水道与地面水存在联通，在施工时存在涌水突泥风险。可能存在盾构机在推进过程中，改变原有受力结构，引发洞顶岩层失稳，导致水底的河床发生坍塌，造成透水事故。

3.2 隧道透水

盾构尾部（以下简称“盾尾”）设置密封刷，是保证盾尾密闭性的关键，如果出现密封间隙将导致地下水涌入隧道区间，或者姿态控制不好，导致管片破碎、拉裂形成持续渗漏，都有可能造成隧道透水，造成江水倒灌，导致淹溺和设备损失事故。

3.3 盾构机受困

过江段隧道洞身范围内主要地层强风化和全风化地层，在较高的土仓压力环境下，如果渣土改良不到位，容易造成刀盘结“泥饼”，降低掘进效率，造成刀具偏磨，严重时将使盾构机受困在水系之下。

4 风险管控关键技术

4.1 突泥涌水及坍塌风险管控

4.1.1 盾构掘进模式选择

盾构下穿珠江施工，以快速、匀速通过为前提，根据不同地层采用不同掘进模式，对下穿珠江水系段采用土压平衡模式掘进。

4.1.2 盾构掘进段划分

盾构下穿珠江参考王英珺等[3]在安全性评价提出的在正式施工前进行必要的试验段是风险控制的有效手段，将施工具体分为试验段和正式段2部分，具体如表1所示。首先为盾构试掘进段，为人、机磨合及摸索盾构下穿珠江水系的具体参数阶段；接着为盾构正式下穿该水系段摸索出最优参数进行施工。试掘进段施工时，刀盘周边刀具采用正式下穿珠江水系时的重型刀具，摸索出周边刀具的磨损量。

表1 下穿水系掘进段划分

4.1.3 确定掘进段参数

综合考虑以往经验，根据试验段施工收集数据，结合陈海丰等[4]和张大鹏[5]等专家和学者提出的类似工程情况，确定了掘进的参数，如表2所示。盾构机操作手严格按照参数进行掘进，保证掌子面的稳定，发现异常及时通报，更改参数指令由项目总工程师下达。

表2 盾构施工参数表

4.1.4 同步注浆

同步注浆共设置6根同步注浆管，以掌子面中线为界，上部和下部沿径向均匀布置各3根，通过管道对管片外环存在的周边间歇注入浆液。浆液配合比为1∶7∶4.5∶3.5∶0.5（水泥∶砂∶粉煤灰∶水∶膨润土）；注浆压力控制为3.0～4.0bar（上部）和0.5～1.0bar（下部）；注浆量为14 m3，按照注浆量和注浆压力进行双控，两者均需满足设计和方案要求。

4.1.5 二次注浆

在穿越水系时，脱出盾尾的2～3环管片立即按照方案进行二次注浆，对同步注浆不饱满、土体变化或浆液收缩等原因形成的空隙进行填充，以防止管片壁后的地下水窜入土仓中，导致江水倒灌。浆液为水泥浆+水玻璃，配合比为1∶1，其中水泥浆配合同为比为1∶1（水泥∶水），水玻璃体积比为3∶1，注浆压力为0.5 MPa，单孔注浆量为300 kg。其中配合比可根据现场情况进行调整，当发现管片有明显变形，应停止注浆。

4.1.6 施工监测措施

穿越珠江水系施工时，监控量测是保证正常施工和预警应急的重要依据，监控量测数据必须及时反馈到施工管理和应急人员处，以指导盾构施工或采取相关措施。由于此段无法进行地面沉降监测，只能进行水面观测，所以对其洞内监测显得尤为重要。

洞内观测：穿越水系段，监测断面纵向每5 m布置1道，断面设1组拱顶沉降观测点，2组水平位移观测点，控制标准：拱顶沉降和水平位移为±30 mm，单次预警值为±3 mm，累计报警值为±24 mm，检测频率为3次/d。

水面观测：水面观测主要采取目测方式，在进行穿越时，安排专人乘船沿盾构线路方向往返进行密切观察。如果在盾构施工线路上发现发下旋涡、冒泡等异常情况，立即通知应急小组，观测盾构洞内情况，启动应急预案，采取撤离人员等应对措施。

4.2 隧道透水风险管控

4.2.1 盾尾封闭

盾尾的密封措施为“钢丝刷（4道）+油脂密封”，保证盾构区间临空面不被盾构周围土体、地下水、注浆浆液和掌子面的渣土侵入，确保盾构掘进和壁后注浆安全顺利进行，具体如图5所示。

图5 盾尾钢丝刷密封

4.2.2 管片姿态控制

管片姿态主要考虑盾构机掘进作业姿态控制。盾构机在进行作业时，直线段姿态控制指标为：竖直-50～-30 mm之间，水平±30 mm。曲线段姿态控制指标为：竖直方向±20 mm，水平方向±30 mm（左、右线），滚动角控制在±10 mm/m。过程中需要监控成型管片安装、变形以及上浮情况，如果发现异常情况需及时反馈，避免管片发生破坏，引发事故。

4.2.3 下穿水系注浆加固

盾构在下穿江沥海第185环和沥滘水道第645环处前停机进行设备检查，且对20环范围内管线进行二次注浆加固。同时在进行穿越水系掘进过程中，按10环/次的频率进行全环封闭二次注浆，使沿管片整环范围地层成加固环箍，确保有效止水和管片稳定。

4.3 盾构机受困风险管控

4.3.1 渣土改良

渣土改良是在掌子面形成泥膜和润滑刀盘，防止掌子面形成泥饼的重要措施，同时也是改善掌子面出渣和易性的重要手段。主要方式是通过管道向掌子面加入混合物，主要成分为膨润土、泡沫剂和聚合物等。在进行渣土改良时，为保证改良效果，确保渣土不过于黏稠，通过向其加入自来水来补偿改良，具体改良参数如表3所示。

表3 渣土改良参数汇总表

4.3.2 盾尾排水措施

为确保盾构作业面在突发涌水情况下人员及设备安全，将隧道排水划为洞内排水、井口排水和地面排水3个区域，通过各区域的连续作业将隧道内积水有序排出，最终经沉淀处理后汇入市政管网。隧道在掘进过程中洞内布设有4根Φ100 mm镀锌钢管，包含1根污水管、1根应急排水管、2根循环水管。始发井及五区出渣口位置分别布设1根Φ100 mm排水管通向地面沉淀池。

5 结语

珠三角城际琶洲支线PZH-1标二工区大学城东站—新造竖井盾构区间通过风险控制措施的有效实施，规避了突泥涌水及坍塌、隧道透水、盾构机受困等在盾构沿不良地质穿越水系的重大风险。

各风险的相关管控关键技术并非是唯一对应的，如渣土改良是防止产生泥饼，进而导致盾构机受困的措施，同时进行渣土改良时形成的泥膜也能增加掌子面的稳定性，还可以保证盾构顺利推进，确保管片线形顺直，防止管片破坏后的隧道透水，所以相关措施应组合使用。

本项目实际安全完成了穿越施工，验证了本文相关措施的针对性和合理性，为其他类似工程的开展提供了借鉴经验。