深覆土高水压下大直径泥水盾构停机进仓方案研究

戴 勇

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

引言

盾构停机开仓检修一般采用常压和带压进仓两种方案。常压进仓作业是在地层自稳性较好条件下，直接或在辅助加固措施下进仓作业。带压进仓适用于软岩、含水丰富地层，在保证刀盘前方土层和开挖仓满足气密性要求的条件下，通过在泥水仓内建立合理的气压来平衡刀盘前方水土压力，达到稳定开挖面和防止地下水渗入目的。

由于盾构机被迫停机的位置经常处于埋深较深、水文地质条件复杂或者江河底部等不利环境，在水土压力作用下，开仓存在极大的安全风险［1］。对于深覆土、高水压条件下的大直径泥水盾构，其开挖面水土压力更大，失稳风险更高。停机进仓施工的地层加固措施要保证开仓安全性，也要考虑施工条件、经济性因素，且断面较大，进仓压力控制难度更大。目前除了已建的上海市、南京市、武汉市穿越长江的3条重要隧道［2］，广深港铁路狮子洋隧道［3］，杭州市望江路隧道等［4］，国内大直径泥水盾构工程案例仍然较少，且大多研究集中于某一项关键技术或施工工艺，鲜有在深覆土、高水压条件下的停机进仓方案研究。

1 工程概况

1.1 大直径泥水盾构概况

某穿河隧道总长3 890 m，盾构段长度为2 516.5 m，埋深26 ～50 m，开挖直径15.76 m，管片外径15.2 m，管片内径为13.9 m，是公铁合建的穿地上河隧道。

图1 隧道盾构段标准横断面/mm

1.2 工程地质水文情况

1.2.1 地质条件

盾构隧道最小覆土11.2 m，最大覆土42.3 m，穿河段覆土25 ～38 m。隧顶距离最大冲刷包络线约14.9 ～30.7 m。本工程河段隧道承受的最大水压约0.65 MPa。盾构段穿越地层主要以粉质黏土为主，从上至下呈软塑～硬塑状，工程性质一般，承载力较低。

1.2.2 水文条件

工程区地下水主要分布在第四系地层，为孔隙潜水，水位埋深0.94 ～11.31 m；含水层主要为粉土、粉砂层。地下水补给来源主要为大气降水及河水，孔隙潜水排泄以蒸发及开采、侧向径流为主。

盾构段主要地表水体为某地上河，勘察期间受中上游降雨等影响，水面高程及水量变化不规律。两岸地下水埋深在1.50 ～11.50 m 之间。

1.2.3 拟停机点地质、水文情况

根据设计情况与施工安排，需要在盾构穿河段设置停机位进行为期数天的盾构维检，停机点埋深约33.4 m，地下水埋深约10 m，距离刀盘深度约23.5 m。隧道周围主要为粉质黏土层，地质剖面见图2。

图2 停机点地质剖面/mm

2 停机点进仓及地层加固方案

2.1 进仓方案比选

地面条件允许时，若常压进仓方法通过合理的地层辅助加固能满足施工安全，因其施工技术要求低，施工风险小，工程上通常优先考虑。选用带压进仓方法的情况：当停机点地层条件不好而又必须进行维检时，相对于常压开仓方法可以一定程度上节省地面加固的时间及费用；当停机点地层条件不好，需地面辅助加固才能满足开仓条件，但地表施工条件受到限制，只能进行带压进仓。

考虑本次停机点处于穿河段以下的富水软弱地层，机身埋深达33.4 m，本身施工条件有限，且停机点水土压力大。若采取常压开仓方法，需进行高质量、高密度、大范围的地层加固及深层辅助降水措施，经济性较差、工期较长，对停机点的地层稳定性也不利。综合比选后，确定采用带压进仓方案。

2.2 地层加固方案

富水粉质黏土地层自稳性差，为减少长时间停机后盾构的整体沉降，需对盾构停机周边地层采取加固措施，以提高地层强度。地层加固方案可分为洞内加固和地面加固两种，洞内加固地层只能通过超前注浆来实现，其加固地层不均匀、加固范围较小、加固质量较差，很难保证施工安全。因此，地面若有施工条件，应优先采取地面加固措施。地面加固措施见表1。

表1 地层加固方法

考虑到停机点处于粉质黏土等软弱地层，埋深大、水压高，旋喷加固和桩基加固法可以重点研究，在软土地层其加固质量较好，加固深度范围较大，若能解决其地面条件限制和对周边环境影响较大的问题则可进行应用。为降低施工风险，预先在停机点周围河床打设降水井进行适当降水。确定对地面条件要求和周边环境影响较小的全套管施工钻孔桩+MJS 工法旋喷的地层加固方案。在刀盘前方采用MJS 加固，加固范围为刀盘上下各5 m，其中刀盘上方1 m 以上范围采用MJS 旋喷加固，加固半径为1 m，剩余加固范围为MJS 摆喷，摆喷角度为150°；在MJS 南侧补打U 型咬合桩一排，咬合桩直径1 500 mm，间距1 100 mm，共29 根，桩为整体实桩，桩长为55.16 m，刀盘前方采用一荤一素搭配，间隔桩添加玻璃纤维筋以便刀盘破除推进。施工桩布置见图3、图4。

图3 施工桩布置平面/mm

图4 施工桩布置剖面/mm

3 气仓压力计算

3.1 理论计算

理论上，泥水仓气压值应根据掌子面中部的水土压力值来确定［5］。气压设置采用静止土压力作为控制上限，主动土压力作为控制下限。考虑地下水位埋深为20 m 的工况时，应取埋深20 m 以上土层容重为天然容重，埋深20 m 以下土层容重为浮容重，水头高度为21.26 m，由土压力和静水压力公式计算得出理论气压区间为3.42 ～4.26 bar。

3.2 气仓压力设定值

实际情况下，由于停机过程中刀盘存在顶推力，再加上地层加固的影响，刀盘切口稳定的实际气仓压力会低于理论计算值。因此，应参考数值模拟的计算结果进行合理取值，根据图5 流程，应先设置较低气仓压力值进行试验。降水至地面以下20 m 时，先设置气仓压力为3.2 bar，然后观察气泡仓液面2 h，看液面是否变化，如果变化再进行调整。现场最终实施的气仓压力设定值为3.5 bar，顺利完成了开仓检修工作。

图5 带压进仓作业流程

4 结语

（1）当停机点地层自稳性差、水土压力高，为节省地面加固时间及费用，盾构停机进仓优先选用带压进仓方案。（2）深覆土高水压条件下大直径泥水盾构的停机检修前，应进行适度降水与地面加固等辅助措施，施工深度超过30 m 且有一定地面条件的宜选用钻孔桩、MJS 旋喷等地层加固措施，尽量减小对地层稳定性和周边环境影响。（3）实际情况下，由于停机过程中刀盘存在顶推力，再加上地层加固的影响，使得刀盘切口稳定的实际气仓压力会低于理论计算值，建议结合理论计算方法并结合现场气压试验情况进行合理取值。