盾构富水砂层近距离下穿湖底给水管技术研究

陈亚飞

苏州轨道交通建设有限公司 江苏 苏州 215000

盾构法是修建地铁区间隧道的一种常用工法，施工中会遇到穿越河流[1-2]、湖泊，富水砂层中穿越建构筑物[3]、管线[4]等问题，并且还可能会由于一些特殊原因，在穿越水体时同时下穿承压管线。陈德国[5]、蒋颖[6]等分别依托实际工程对盾构近距离下穿水下承压管道进行了研究，提出了相关施工技术及风险设计。

本文基于盾构在全断面粉砂层中穿越上方湖体时浅覆土近距离下穿DN1400给水干管，对过程中最优渣土改良配比、掘进参数、沉降控制措施进行了相应研究，避免了若参数控制不好出现喷涌、湖底透水、湖面冒泡冒浆等后果带来的重大社会影响，因此能够对类似工程盾构掘进风险管控起到一定借鉴作用。

1 工程概况

1.1 工程简介

本区间隧道全长346.600m，无联络通道，断面形式为单洞单线圆形隧道，隧道外径6.2m，内径5.5m，隧道中心间距14m。盾构施工期间下穿驳岸、湖体、DN1400给水管，侧穿桥梁、小区后到达接收站点。线路水平为直线，先以9‰坡度向下穿行，穿越湖体再以17.62‰的坡度向上穿行。左线隧道顶至湖底覆土厚度6m，不足一倍盾构机直径，右线隧道顶至湖底覆土厚度6.9m。湖体驳岸压顶标高为1.4m，东、西侧基底标高分别为-2.3m、-2.0m，驳岸无桩基。右线盾构隧道侧上方有一根DN1400给水管线，管材为壁厚16mm的螺旋钢管，竖向净距3m～3.1m左右，下穿管线里程为YDK 27+814.29～YDK 27+862.58。

图1 区间穿越DN1400给水管及湖体地质纵断面图

1.2 工程地质条件

区间穿越土层以全断面④2粉砂为主、部分区段含少量③3粘质粉土，拱顶以③3粘质粉土、④2粉砂为主。穿越湖体段为全断面④2粉砂层，上覆土层。④2粉砂层：灰色，层厚约6.6m～11.5m，局部夹薄层粘性土及粉性土，渗透系数取值K=4×10-3cm/s。

2 重难点及过程安全保障措施

2.1 穿越重难点

盾构机通过驳岸后，顶部覆土厚度突变，因此土压力也相应有突变，且土压力随湖水深度增大而减小，到湖底最深处最小，因此掘进过程中，土压力的设置是主要控制的参数之一。

盾构掘进为全断面粉砂层，地下水与地表水存在一定联系，由于渣土改良泡沫剂消散会产生大量气体，这些气体可能透过地层缝隙漏到河面，范围过大可能造成不良的社会影响。

由于隧道顶部覆土薄，同步注浆压力与注浆量不宜过高，否则容易击穿湖床，造成湖底冒浆。同时下穿给水干管过程中也不宜过低，否则浆液不能有效填充开挖间隙，造成管线沉降，甚至引发开裂。因此，需要确定合理的参数，保证穿越期间的沉降控制和环境保护要求。

2.2 盾构机选型

盾构机的齿轮区密封、盾尾密封、铰接密封等均做了针对性设计，密封能力满足下穿湖体施工需要。盾尾密封由三排密封刷加一道止浆板组成，三排密封刷形成的两个环形空间内充满油脂，每个环形空间各由6根油脂管注入。盾尾密封耐压能力0.5MPa。中盾前部和中盾后部之间采用主动铰接形式，设计有两道唇形密封和一道聚氨酯紧急注入孔。铰接密封耐击穿压力为1MPa。螺旋输送机安装在前盾的底部，螺旋输送机采用对止水性更为有利的轴式螺旋机。输送机设有两道出渣闸门，可根据掘进速度在主控室控制闸门的开启度，喷涌发生时，后闸门为对插型，能够形成S形弯道，及时降低喷涌压力。

2.3 施工辅助安全措施

2.3.1 采用多孔注浆管片

盾构下穿DN1400给水干管时，管片选型选择增加注浆孔的管片，普通管片共6个可注浆点位，增加注浆孔的管片增加到16个。二次注浆时，由于受台车限制可供选择的注浆点位较少，选用增加注浆孔的特殊管片后，可供选择的注浆点位更多，注浆操作更方便。

2.3.2 防止隧道上浮措施

过程中采取调整浆液配比，加大水泥用量至180kg/m3，使浆液快速凝结；为加快浆液的凝结在脱出盾尾的2～3环位置在隧道顶部的管片吊装孔进行二次注浆，加速同步浆液的凝结，减少隧道成型管片会产生上浮现象。

2.4 信息化施工

盾构下穿湖体及给水管期间，通过使用盾构施工管理信息平台，对盾构掘进参数进行实时监控，一旦有参数超出正常范围立即显示预警，保证掘进参数满足管线沉降控制要求。

2.5 沉降分析预测

掘进地层为全断面粉砂层，现场对富水砂层进行针对性的渣土改良设计，粉砂层原渗透系数为4×10-3cm/s，渣土改良后室内试验渗透系数为5×10-4cm/s，对盾构掘进渣土改良前和渣土改良后沉降进行数值模拟分析，考虑渣土改良后以土体物理力学指标改变，在全断面④2粉砂层中根据Midas数值模拟计算结果，分析计算结果如下图所示。

图2 盾构下穿DN1400给水管工前沉降模拟分析（未渣土改良）

图3 盾构下穿DN1400给水管工前沉降模拟分析（渣土改良后）

通过软件模拟计算分析结果来看，盾构掘进下穿给水管最大沉降为给水管过湖段跨中位置，最大沉降为-7.6mm。

3 试验段掘进参数及深层土体沉降分析

左线盾构始发后约90m到达湖边，因此选择盾构出加固区后的50m作为试验段，在试验段隧道轴线上方每5m布置一个深层土体沉降监测点，采用深标点水准仪法对隧道顶以上3m位置处土体沉降值，类比给水管周围土体沉降大小，分析盾构掘进对给水管影响程度大小并调整至最佳掘进参数。试验段盾构掘进各参数设定如下：

3.1 土压力设定

试验段土仓上部土压设定按P0=K0γiH+γwHw公式进行计算，试验段地面标高6m，隧道埋深13m，根据计算得静止土压力为1.24Bar，保证盾构掘进土仓压力略高于静止土压力0.2Bar，实际盾构掘进土仓压力设定值为1.44Bar。

3.2 刀盘转速

粉砂在刀盘转动作用下，拱顶部分易受扰动出现掉落、塌陷，因此试验段刀盘转速不宜过大，设定为1.0r/min。

3.3 注浆压力及注浆量

表1 同步注浆浆液配比

粉砂地层掘进按照150%～180%的注入率计算，盾构同步注浆理论方量为3.8～4.5m3。

注浆压力是根据上覆地层的水土压力、管片强度及地面监测情况综合判断而设定的。试验段掘进底部同步注浆压力为3Bar左右，最大不超过3.5Bar；实际掘进采用注浆压力和注浆量双指标控制，即当注浆压力达到设定值时，注浆量达到设计值的95%以上时，即可认为达到了质量要求。试验段掘进二次补浆在盾尾后第5～6环开始，每3环补浆一次，每次1.5m3。

3.4 渣土改良参数

试验段掘进中，采用0.4%浓度的聚丙烯酰胺溶液与土水比为1:10的膨润土浆液作为改良材料。按照膨润土浆液注入量为4～5m3/环，聚丙烯酰胺溶液注入量4～5m3/环，盾构推力在12000～15000kN，扭矩可控制在2500～3000kN，可以确保盾构的正常施工掘进。膨润土膨化时间保持12h以上，使用挤压泵通过土仓壁添加剂注入口注入。粉砂层掘进土压保持稳定，渣土流塑性好，未出现喷涌现象。

3.5 出土量

本工程掘进地层每环理论出土量计算为42.6～44.5m3，根据类似地层掘进经验，考虑地层松散系数，以及渣土改良膨润土及高分子聚合物注入量，每环出土量控制在50m3以内。

3.6 试验段深层土体沉降监测分析

试验段盾构掘进全断面④2粉砂层，与盾构下穿湖体及DN1400给水管地层相同。因此，使用试验段总结的最佳掘进参数，并按照每3环进行一次二次补浆，对试验段隧道拱顶以上3m位置处深层土体沉降数值进行监测，采集数据分别如下：

表2 试验段拱顶3m位置深层土体监测数据

在穿越湖体前试验段掘进过程中，采用深标点水准仪法对隧道拱顶以上3m位置处及地面土体沉降进行监测，根据监测数据显示，给水干管对应位置处土体最大沉降-8.5mm，试验段掘进沉降监测情况与有限元数据模拟情况接近，满足设计及规范要求。

4 盾构下穿水体及DN1400给水管施工

4.1 土压力

盾构机通过驳岸后，顶部覆土厚度存在突变，因此土压力也相应有突变。对比试验段，经计算分析得到，盾构下穿湖体期间土仓上部1号传感器，到达驳岸时土压1.49Bar，通过后迅速调整为1.01Bar，到湖底最深处1Bar，至湖边1.03Bar，东驳岸迅速提高土压至1.66Bar。推进过程中保证土仓满仓土推进，土仓上部土压保持在比理论计算高不超过0.2Bar范围内。

4.2 刀盘转速

结合试验段分析，下穿湖体及给水管期间同样使用1.0r/min的参数。

4.3 注浆量及注浆压力

盾构穿湖段施工，为有效保证沉降可控，同步注浆浆液需具备良好的抗水分散性能，较短的初凝时间和一定的初期强度，下穿湖体段拟在原水泥砂浆配比基础上，增加水泥180kg的用量，进一步提高浆液稠度和抗水分散性能，稠度约12cm，初凝时间约4～6h，且具备优良的泵送性和充填性，试验段期间通过沉降数据进行浆液性能适应性分析。

为控制湖底及管线沉降同时控制注浆压力不冒浆，最终注浆方案选择降低同步注浆量至3.5m3（此时顶部注浆压力基本在1.4～1.7Bar），底部注浆压力设置为2.5Bar，二次补浆与试验段参数一致。

4.4 渣土改良参数

试验段渣土改良方案最终改良效果良好，掘进过程中未发生喷涌现象，推力、扭矩等掘进参数优化较为理想。穿越湖体及给水管段采用同样参数施工。

4.5 出土量

盾构下穿湖体期间为全断面粉砂层，与试验段掘进地层一致，出土量按试验段掘进参数进行控制为50m3。通过土斗装填高度控制每环出土量不超排，吊运渣土时，利用龙门吊称重系统称量每斗土的重量，记录每环出土重量，保证每环出土量均匀无异常。

5 结语

本区间施工以左线掘进参数作为试验段，通过深层土体监测数据指导右线掘进做到信息化施工，将左线掘进使用的推力、扭矩、刀盘转速、渣土改良配比、同步注浆及二次注浆方案应用于右线，取得了良好效果，在未进行管线改迁或围堰施工的情况下，保证了盾构下穿给水干管的正常运营。

盾构穿越DN1400给水管方案的成功实施，其成功经验对于南方地表水资源丰富城市盾构浅覆土下穿河流及建构筑物等类似工程盾构施工具有很强的借鉴意义。今后在类似地层及工况的工程施工时建议，采用满仓土推进，上部土压不超过理论计算值0.2Bar；刀盘采用1.0r/min的低转速；增加同步注浆水泥用量至180kg，同时降低同步注浆压力，适当减少注入量；出土量严格按照50m3进行控制。在地表水与地下水有较强水力联系的情况下，本工程使用的富水砂层渣土改良配比，保证了穿湖过程中无喷涌现象发生，给水管沉降满足设计及规范要求，取得了良好的效果，可以在类似工况推广使用。