1、复杂地层中盾构穿越水工建筑物施工技术研究与应用冯宏朝 王少鹏 高 锋1 引 言随着我国城市化进程的加快，繁华城区的人口在不断增长，为了缓解交通压力，地铁建设方兴未艾。在地铁隧道施工方法中，一般采用盾构法或暗挖法施工，盾构法施工与浅埋暗挖法相比更具优势。盾构法具有对周围环境影响小、自动化程度高、隧道质量好、安全环保的优点，但由于地质的复杂性和不可预见性或附近既有建筑物的影响，给盾构施工带来诸多困难。施工不当将有可能造成隧道内涌水、涌砂或建筑物变形，严重时可能造成冒顶、建筑物倒塌等重大安全事故。在深圳地铁 7 号线施工中，西丽湖西丽区间盾构需下穿既有水工建筑物西丽水库泄水渠，该段地质复杂，覆土厚度
2、小。根据前期揭露的地质情况，对泄水闸段进行了受力分析，优化调整盾构掘进参数，结合同步注浆、洞内二次注浆控制和施工监测，充分做好应急准备工作，使盾构顺利穿越了该建筑物，实现了盾构隧道施工安全生产目标。2 概 述2.1 工程概况深圳市城市轨道交通 7 号线西丽湖站西丽站区间（以下简称西西区间）位于深圳市南山区，途经西丽水库下游，区间隧道采用盾构法施工，隧道由两分离单洞组成，隧道结构采用两个单线圆形衬砌形式。区间左线长 1662m，右线长 1752m，区间总长度为3414m，为 7 号线单线区间最长隧道。西丽水库始建于 1959 年，总库容 3238.81 万 m3，从 2001 年东江引水工程投入
3、使用后，其成为东江水源网络干线的中心调蓄水库。近年来，西丽水库年调蓄水量达到全市总用水量的近三成，是深圳市重点供水区之一。西西区间左线 DK0+975.7DK1+443.6m 段（254 环566 环） 、右线DK0+971.8DK1+493.7m 段（279 环627 环）穿越西丽水库管理处，穿越长度约522.0m，隧道距离西丽水库大坝下游坡脚最近约 125m，隧道埋深约 10.515.0m。西西区间隧道于西丽水库下游右线 DK1+005DK1+037、左 DK1+008DK1+043 处下穿西丽水库泄水渠（又名大沙河泄水渠） ，同时侧穿水库桥。泄水渠为西丽水库重要泄水建筑物，水库桥连通动物
4、园路，是深圳市重要交通干线之一。盾构隧道顶距河底距离 5.96.9m，盾构穿越此处右线长度为 33.09m，左线长度为35.12m；盾构穿河段隧道轴线的纵坡为-27.5，并处在半径为 R=800 的圆曲线上。西丽水库泄水渠与隧道关系如图 1-1、1-2、1-3 所示：图 1-3 泄水渠、水库桥与隧道位置关系现状图2.2 工程水文地质盾构穿越水工建筑物段的地层复杂，根据设计地质资料，此段自上而下地层依次为：素填土、粉质粘土、砾砂层、砾质粘性土、全风化花岗岩，地下水位位于隧道顶部以上；建筑物底部存在一个断层破碎带。隧道穿越水工建筑物段地质如图 1-4 所示：3 施工重难点3.1 盾构穿越地层埋深浅
5、隧道顶部以上为素填土、粉质粘土、砾质粘性土、砾砂等松软土地层，最小埋深仅5.9m，为浅覆土地层。盾构穿越时对地面影响较大，易造成地面沉降量超标或隆起，严重时造成建筑物裂缝或变形坍塌。3.2 准确确定盾构掘进参数由于泄水闸底板与翼墙高差达 4.8m，地层为软土地层。盾构穿越期间土仓压力将发生变化，必须准确选择压力变化点和处理方法，确定匹配的掘进参数；合理控制出土量，始终保持泄水闸与盾构穿越时土压相平衡；及时进行同步注浆，盾构管片后方空隙迅速填充饱满才能确保建筑物结构稳定。3.3 盾构姿态的控制盾构下穿泄水渠时，若姿态控制不好，将引起盾构超挖或欠挖，对围岩的扰动变大；这不仅会改变围岩的应力分布，而
6、且很可能出现泄水渠底板开裂渗水现象。盾构隧道位于半径 800m 的转弯段，坡度为 27。在抗压强度相对较小的强风化岩和砾质粘性土层中，容易造成盾构“抬头、低头”或偏离设计轴线的问题；而纠偏过猛容易造成盾构机蛇形前进。因此，对盾构机姿态的控制，也是盾构下穿建筑物时的难点。3.4 盾构穿越地层地质复杂、存在不良地质隧道穿越部位为全风化花岗岩、砾质粘性土、砾砂；地下水位于隧道以上，受长期地下水侵泡，土质松软，局部可能存在淤泥质软弱土层。全风化花岗岩中易存在未风化球体，形成孤石。其中，在隧道中部 DK1+010.0m 附近存在断层破碎带，断层破损带侵入隧道深度约 5.5m，施工时可能发生涌水、涌砂现象
7、，导致地面沉降，影响泄水闸安全。4 盾构穿越施工技术研究分析根据国内外施工经验，本工程所选用的复合式土压平衡盾构机完全符合下穿水工建筑物的要求。盾构能否安全顺利穿越此建筑物，最主要的问题是能否将地面沉降控制在设计要求的范围内、能否准确地选择和控制好盾构掘进参数、能否准确地控制好盾构姿态、盾构穿越过程中能否正确有效的解决遇到的断层破碎带或不均匀风化球体等问题。另外还需要做好施工组织管理，做到快速连续的施工，减少施工风险。4.1 浅埋地层沉降因素与规律分析4.1.1 引起地层沉降的因素分析（1）主观原因主观因素是引起地面沉降的主要原因，其与施工人员的工作态度、技术水平等因素联系紧密，具体表现为：盾
8、构严重超挖（欠挖）引起的地面沉降（隆起） 。在盾构掘进过程中，推进参数不匹配，如推进速度、正面土压力、注浆压力和盾构总推力等参数设定不合理。注浆量不足或注浆不及时是引起地面沉降较主要的原因之一，直接影响“建筑空隙”的填充。在推进过程中，盾构“姿态”的纠偏对沉降的影响。盾构纠偏就意味着盾构轴线与隧道轴线产生一个偏角。当盾构以“仰头”或“磕头”方式推进时必然在其轨迹上留下一个如图 4-1 所示面积 s 范围，引起地面扰动。盾构后退。盾构停机时间较长时，千斤顶会因泄漏油而缩回，从而引起盾构后退。这样可能造成开挖面土体失稳，造成地层沉降。图 4-1 盾构因纠偏造成地层扰动示意图（2）客观原因客观原因是
9、非施工人员原因而引起的地面沉降，它与规划、设计和地质情况有直接关系，通常发生在整个盾构施工过程中，并延续到施工结束后一段时间，主要为：盾构设计阶段的盾构外径、盾尾间隙尺寸选定，将影响“建筑空隙”的大小；在松软地层掘进时，空隙越大，发生沉降的可能性也越大。由于注浆材料的凝结硬化，使填充空隙的浆液在一段时间后出现萎缩。在土压力作用下，隧道衬砌的变形会引起少量地层损失。盾构施工结束后，隧道本身应力发生变化，引起地面沉降。4.1.2 盾构施工沉降影响范围盾构施工影响范围可按照 Peck 公式进行计算，沉降槽计算数据含义见图 4-2 所示。图 4-2 沉降槽正态分布曲线示意图Peck 公式：当 x=0
10、时，沉降最大，为其中： 式中： S（x）距中心横向距离为 x 处的沉降量v沉降槽体积，也称地层损失量（推进每米） ；Smax距隧道中心线的最大沉降量； 距隧道中心线的距离；i沉降槽宽度系数（沉降槽曲线拐点） ；z隧道中心埋深；土的内摩擦角，对于成层土取加权平均值。根据经验，地面横向沉陷槽宽度 B=2*W5*i。 泄水渠段隧道以上地层为类，主要为粉质粘性土和砾质粘性土，内摩擦角系数取 21.2（设计图纸） ，平均埋深 Z 取 6.5m+3m=9.5m，则 i=5.53m沉陷槽总宽度 B 约为 27.65m，从两侧向中间均匀沉降。4.1.3 地表沉降变化规律根据盾构施工特点，地表变形的变化发展过程
11、分为五个阶段：ivS5.2max2)(epxX（1）盾构到达前盾构到达前，地表的变形取决于掘进过程中土仓压力和出土量的控制，当土仓压力较大而出土量较少时，地表呈隆起状态；当设定土仓压力小而出土量大时，地表呈沉降状态。（2）盾构到达时盾构到达时，地表变形承接第（1）阶段的发展。但变化速率增大，是地表隆陷的峰值段。（3）盾构通过时盾构通过时，一般情况地表会呈沉降变化；若注浆过分饱满，充填率过大时，会表现为隆起。（4）盾尾通过时盾尾通过时，最易发生突沉，突沉量可达 30mm。若注浆及时饱满，可控制突沉或上隆，但地面随着浆液的固结收缩会逐渐下沉。（5）后期沉降盾尾通过后，地表沉降速率逐渐减缓，沉降曲线
12、趋于稳定。后期沉降主要是土体的固结沉降和次固结沉降，一般沉降时间较长，但沉降量也相对较小。4.1.4 地表建筑物设计变形能力根据设计要求和建筑地基基础设计规范 ，本工程中水库桥支墩最大沉降量应控制在 25mm 以内，泄水闸建筑物最大沉降量控制在 20mm 以内。4.2 盾构掘进参数分析4.2.1 准确设定掘进参数由于盾构穿越泄水闸时间较短，一般为 23d；且地面监测实施困难，在穿越期间调整掘进参数难度较大。为保证盾构掘进参数设定准确，在盾构穿越前选取试验段，根据区间情况，选择地质与穿越水工建筑物范围较接近的左线第 75 环105 环范围作为试验段。对地面隧道上方沿轴线方向间距 3m5m 设置沉
13、降监测点，施工期间进行 24h 监测，同时收集土仓压力、注浆量、出土量、总推力、扭矩、刀盘转速、螺旋机转速、推进速度等所有掘进参数，将掘进过程中各施工参数与地面沉降进行分析比较，最终确定盾构穿越建筑物期间的准确掘进参数。4.2.2 试验段掘进参数分析与研究通过对试验段掘进数据整理分析，主要得出以下结论：（1）盾构掘进过程中，采用土压力理论值掘进时，掌子面前方出现微隆起，盾构通过后恢复正常；通过加大同步注浆压力后，盾构通过后地面沉降也出现微隆起。（2）盾掘掘进过程中，出土量在 5658m 3/环时比较稳定。当土仓压力小于设定土压力 0.02MPa 时，出土量增加。当土仓压力稍大于设定值时，出土量
14、基本稳定；当超过设定值 0.03MPa 时，刀盘位置地面有微量隆体。（3）将注浆量与地面沉降对比发现，砾质粘性土注浆量为每环 5m时地面有微下沉，约 13mm；当注浆量为 5.5m时沉降量基本稳定；当注浆量为 6m时地面有微隆体，约13mm。全风化花岗岩地层时与砾质粘性土基本相同。（4）对掘进总推力、速度、扭矩和刀盘转速综合分析发现，推力增大时，掘进速度增加，同时扭矩增加；当推力不变时，增加刀盘转速后，掘进速度有少量增加，但刀盘油温增加较快，一般转速在 1.21.5r/min 较合适，推力在 8001100t，扭矩在1.31.8MNm，推进速度可达 3050mm/min，参数稳定。（5）盾构掘
15、进过程中遇到孤石时，刀盘扭矩波动剧烈，掘进速度明显下降。（6）盾构掘进后地面出现少量沉降时，在管片顶部左右两侧补注水泥浆，地面沉降可以得到控制，压力较大时地面有隆起现象。4.3 掘进姿态控制分析研究由于西西区间隧道在该部位掘进时，盾构姿态控制难度较大。采取先对盾构掘进的75 环105 环试验段姿态控制进行研究分析。此试验段为 27.5的小坡段，水平方向位于 350m 曲率半径上，主要对盾构掘进姿态控制方法和推进油缸推力调整与盾构姿态变化进行分析，得出以下结论：（1）盾构在此类土层中掘进时，通过增加一侧油缸推力，可以实现向反方向转弯，推力越大，转弯速度越快。（2）盾构偏离设计轴线时，调整盾构姿态
16、会导致盾尾间隙发生变化。当调整过大时（15mm/环）比较明显，脱出盾构尾部的管片将发生裂缝，严重时发生渗漏。（3）盾尾间隙在设计值附近时（75mm 左右） ，进行姿态调节对管片影响小，可适当加大对盾构姿态的调整；当间隙在 40mm 以下时，很难进行姿态调整，需以调整盾尾间隙为主，少量调整盾构姿态为辅。（4）当盾构在向右侧转弯时，盾构姿态可适当向右侧倾斜 520mm，使盾构姿态与隧道轴线尽量一致，纠偏量变小。（5）姿态偏离轴线较大时，纠偏不能太快，根据需调整的距离平均进行分配，一般控制在 5mm/环以内。4.4 特殊地层处理方法分析研究4.4.1 不均匀风化体由于盾构掘进掌子面地层主要为残积的全
17、风化岩和砾质粘性土，残积土中易发生不均匀风化的较硬岩石（孤石） ，盾构掘进不当将可能造成刀盘卡壳或刀具损坏，严重时将导致无法掘进。在试验段掘进中发现局部含有孤石。遇到孤石时盾构扭矩立刻发生波动，土仓可以听到局部刀具切割岩石的声音。遇到此类孤石必须立刻降低掘进速度或停机保压，以较高的土仓压力缓慢（掘进速度为 515mm/min）掘进；观察扭矩的变化情况，尽量减小扭矩的波动。本工程使用的复合式土压平衡盾构机滚刀比刮刀高出 40mm，通过滚刀慢速对孤石进行挤压破碎，可有效处理一般的孤石。如盾构所遇孤石较硬或已经卡入刀盘中，导致盾构无法掘进时，根据国内外经验，可利用盾构自带的超前注浆管对掌子面进行注浆
18、加固，然后带压开仓，采用 Y28 手风钻对孤石钻孔采用静态爆破处理，并做好相应的应急措施。为保证盾构能顺利穿越此段泄水渠，应在穿越前设置主动换刀点，确保盾构通过时，一旦遇到孤石可顺利切割。4.4.2 盾构穿越断层破碎带研究分析根据设计地质资料，此段断层破碎带位于泄水渠下方，深入隧道约 5m，宽度较窄。附近地层主要为全风化和砾质粘性土地层，距离中风化地层深度约 6m，风化时期与花岗岩形成基本相同，存在较硬风化体可能性不大；但存在透水性强、稳定性差的可能性。因此，在掘进此段地层时，采取土压平衡模式掘进，适当降低掘进速度，增加盾尾油脂的注入量，随时观察螺旋机出土变化，详细记录掘进参数。5 盾构穿越水
19、工建筑施工技术5.1 穿越前准备工作为了防止盾构在穿越此水工建筑物时引起地面沉降、开裂等安全问题，在盾构机通过前，对建筑物附近进行详细补勘，进一步了解地质情况。同时对建筑物设置监测点，24h观测地层和建筑物的沉降情况。在盾构穿越时，加强对洞内掘进参数的控制，主要是掘进速度、土仓压力、扭矩和掘进姿态；同时加强同步注浆，根据地面监测情况适时进行二次注浆，减少地面隆起和沉降变化，确保盾构机快速、平稳通过该地段。（1）地质补勘在设计详勘的基础上，对勘探点进行加密，进一步了解地层情况。因隧道下穿水工建筑物，难以全面对泄水渠底板进行加密补勘，只能在外侧进行，然后进行推测分析。（2）刀具检查更换在盾构穿越泄
20、水渠前 15m，采取带压检查更换刀具，对边缘滚刀磨损量大于 8mm、正面滚刀磨损量大于 20mm 的刀具进行更换；同时检查泡沫管，确保畅通。（3）盾构机及辅助设备检修养护提前对盾构机设备进行检修，对存在的问题彻底处理： 驱动动力系统，如电机、液压马达、高压油管等；电气控制系统中的电磁阀、接触器及传感器等；注浆系统：检修注浆泵，清通所有管路，保持畅通；渣土改良系统：检修泡沫泵、水泵、清通管路，使之保持畅通；运输系统：确保螺旋输送机闸门可以自由封闭严密；皮带输送机提前增设刮泥板；电瓶车更换新的蓄电池，并检修确保安全可靠；起重设备检修完成，可安全运行；拌合系统：盾构穿越时，所需的水泥、砂、粉煤灰、膨
21、润土等材料满足施工需要，拌合机、储存罐、称量系统均检修正常。盾尾设排水设备，备用 15KW 潜水泵安装到位并调试正常。检查铰接密封、盾尾密封，保证具有良好的密封性能。（4）技术及安全交底进行盾构穿越泄水渠期间的专项安全技术交底，要求所有参与施工和管理人员参加。统筹安排施工中的任务、施工方法和注意事项，如盾构由熟练司机操作，并严格按照要求控制掘进参数；所有人员不得脱岗，各尽其职；对施工中出现的危险及处理措施进行说明，加强洞内和地面监测和巡视等；提高所有人员对盾构穿越泄水渠期间的风险意识，避免人为因素造成地面沉降。5.2 盾构掘进参数控制盾构下穿水工建筑物时，严格控制掘进参数以及管片拼装和注浆质量
22、，保证盾构平稳快速通过，并将地面及建筑物沉降控制在设计范围内。（1）控制掘进速度在穿越过程中，将掘进速度控制在 3050mm/min，保证出土量和正面土压力满足施工要求，同时注浆应均匀、及时。如发现扭矩异常波动，立刻将掘进速度控制在515mm/min,避免因遇到孤石而造成的刀具损坏。（2）土压力设定正面土压力过大可能导致地面隆起，相反则可能导致出土量过大而使地面沉降。因此应合理控制土压力。根据试验段经验，土压力设定如下：泄水渠范围为埋深较浅的软土地层，根据静土压力公式P=K0h其中：P静土压力K0土压力系数K0=1-sin土有效内摩擦角，=22（见表 4-13，按厚度较大砾质粘性土考虑）土体容重，取 18KN/mh覆土厚度穿越时泄水渠底板以上水深约 1.5m，按照静水压力直接计算。各环顶部主要部位土压力计算值见表 5-1。表 5-1 各环顶部主要部位土压力计算值环号 270 环 275 环 280 环 285 环 290 环 295 环 300 环土压力（bar） 1.25 0.69 0.71 0.73 0.75 0.78 1.35水压力（bar） 0 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0
