超大型泥水气压平衡盾构浅覆土砂层中推进技术

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　　摘要：本文以浙江省钱江隧道工程为背景，对施工过程中的技术措施及经验进行总结，论述了超大型泥水气压平衡盾构在浅覆土砂层中推进的各种技术措施。
　　关键词：泥水气压平衡盾构；浅覆土；砂性土；
　　
　　一、 工程概况
　　1.1概述
　　浙江省钱江通道及接线工程，全长43.981km，其中钱江隧道工程采用盾构法施工，分为东、西两条隧道，贯通钱塘江两岸。隧道采用一台直径15430mm的超大型泥水气压平衡式盾构掘进机。
　　盾构先由钱塘江南岸工作井（简称江南工作井）始发推进，穿越钱塘江后在钱塘江北岸工作井（简称江北工作井）进洞；该盾构在江北工作井调头后，从江北工作井始发推进，穿越钱塘江后进入江南接收井，完成推进。
　　掘进长度：
　　西线圆隧道3243m（里程范围RK15+244.893~~RK12+002.210）
　　东线圆隧道3245m（里程范围LK15+250.000~~RK12+005.000）
　　隧道设计外径为Φ15000mm，内径Φ13700mm，管片厚度650mm，管片宽2000mm。
　　1.2地质水文
　　根据地质资料显示，钱塘江南岸盾构穿越地层为：3-2层粉砂、4-2层粉质粘土。各土层主要物理力学指标如下表所示：
　　西线圆隧道在江南工作井出洞处隧道顶部覆土约为9.5 m，沿轴线覆土逐渐增加，且盾构在大断面砂性土中推进。
　　
　　在钱塘江两岸，地层含水量丰富。尤其是隧道沿线浅部人工填土及江南浅部的粉、砂性土层内，地下水分布连续。
　　二、 浅覆土砂层的不良影响
　　2.1 浅覆土的不良影响
　　（1）浅覆土盾构法施工时，由于盾构及隧道所受顶覆土压力较小，容易引起盾构及隧道的上浮。对盾构姿态及管片姿态的控制增加难度。
　　（2）由于本工程采用大直径泥水气压平衡盾构施工，在浅覆土推进中，如若对气泡仓压力等参数设置不合理，很容易使泥水“击穿”上部覆土，导致上覆地层破坏从而引起地面冒浆及地面坍塌。
　　2.2 砂性土的不良影响
　　砂性土颗粒间无粘聚力，无塑性，性质松散，透水性强。
　　（1）泥水容易击穿砂层，继而击穿上覆土层；且泥水易反窜至盾尾，改变盾构及盾尾处管片的受力情况。
　　（2）在砂层中推进，容易发生流砂倒流入同步注浆管的情况，从而造成堵管。
　　（3）砂层透水性强、流动性好，给盾尾密封工作带来一定的困难。
　　（4）砂层的支护性较差，这给推进过程中如何保证刀盘正面土体的稳定性带来很大的困难。
　　三、 主要施工技术分析与总结
　　本工程采用的是Φ15.43m的超大直径盾构，这个庞然大物在地下行驶时，必会扰动周围土层；在富含水的浅覆土砂层中推进，更是给超大直径盾构施工带来挑战。因此必须采取一定的技术措施来客服重重困难。以下是借鉴过往类似工程的施工经验并结合本工程实际施工情况，对所采取的措施进行了分析和总结。
　　3.1 气泡舱压力设定
　　在浅覆土砂层中，地层对切口水压的变化非常敏感，切口水压的微小变化都直接影响着地面沉降变化。在这种特殊的地质水文条件下推进，容易发生地面冒浆及坍方事故。因此，切口水压的设定尤为重要。本工程是采用泥水气压平衡盾构推进，我们通过气泡舱压力的设定来调节切口水压。该泥水平衡盾构是通过在支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，在该密封舱后设置了气压平衡装置，一旦开挖面水压发生波动，气压装置则作为补偿系统，维持开挖面压力稳定
　　根据上海地基基础设计规范，盾构隧道施工阶段侧向地层压力Ｐ可将各埋深处的水、土压力的总和乘以一个小于１的侧压力系数求得，土层侧压力系数可近似按0.6～0.7取用。因此目前国内工程实际应用的气泡舱压力计算公式为：
　　
　　 --切口水压值（kPa）；
　　 --各层土的容重（kN/m3）；
　　 --各层土的厚度（算至隧道中心）（m）；
　　 --土层侧压力系数，取0.6～0.7（本工程取0.7，并根据实际情况进行微调）；
　　施工过程中密切关注切口处的地面沉降情况，对气泡舱压力的计算值进行微调。见下表。
　　通常，我们将切口处的地面控制在0~+1mm之间。若出现负值，如表1中显示第5环推进时切口处下沉0.91mm，说明气泡舱压力过低，在推进过程中可能引起了超挖现象；若地面隆起过大，如表1中显示第25环推进时切口处上升1.12mm，说明气泡舱压力过高，在推进过程中对土体扰动过大，会加大地面后期沉降。
　　3.2 泥水质量控制
　　在泥水气压平衡盾构推进过程中，泥膜的形成是至关重要的。泥膜形成的机理：当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙一定比例的悬浮颗粒，在“阻塞”和“架桥”效应的作用下，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，从而形成泥膜。
　　砂土流动性强、自立性差，极易融入泥水中，因此优质的泥膜是保证开挖面稳定的重要因素。为了保证在推进过程中，能产生优质的泥膜，必须严格把关泥水质量，控制各项泥水指标。
　　（1）泥水新浆制浆剂的选择
　　新浆的加入，是影响泥水指标的重要因素。我们总结长江隧道、上中路隧道等类似工程施工经验，选择了两种新浆方案，既“膨润土+纯碱+CMS”方案和“CYHS系列盾构制浆剂”方案。并对两种方案进行实验、必选。
　　首先我们对“膨润土+纯碱+CMS”方案进行各种配比实验，实验数据经过多种配比实验，24小时后都有离析现象发生。
　　我们对钱塘江水进行水质分析。得出结论：结论：水质情况，钱江水与地下水中的各项指标均远远超过自来水，水中有害离子（影响膨润土浆液拌制）含量超标，地下水更是呈“酸性”（PH<7）特征；可以看出，钱江水和地下水中的钙、镁、氯化物、硫酸盐等离子均超过自来水几十倍甚至上百倍，这些离子影响了膨润土卡屋结构（胶凝性）的形成，降低了纯碱对膨润土的钠化，因此导致了膨润土新浆的离析。
　　由此可见“膨润土+纯碱+CMS”方案不适于本工程。因此我们选择了适用性更广泛的“CYHS系列盾构制浆剂”方案，并对其进行新浆实验，发现各项指标均合格。
　　通过新浆材料的比选，发现泥水新浆制浆剂的选择必须遵循以下几点：
　　①) 根据土层性质以及地下水各种矿物质含量，选择适合工程特性的制浆剂；
　　②) 能有效地和刀盘切削下来的有益颗粒产生作用，来满足工程需求；
　　③) 护壁性好，泥膜形成速度快，确保切削面稳定和泥水舱压力的稳定；
　　④) 用量小、配浆快。否则，配浆时间太长会耽误掘进时间。在浅层砂性土中推进最好快速、连续地推进施工，避免长时间停机。
　　（2）泥水的密度
　　高密度的泥水能产生高质量的泥膜，提高泥水密度能加强泥膜的稳定性。在渗透性强的砂性土中推进，宜选择密度较高的泥水。然后，泥水密度的提高，会增加泥水设备的负担。，经过一段时间的摸索及调整，泥水密度控制在1.22~1.25g/cm 。
　　
　　（3）泥水的粘度
　　提高泥水的粘度，可以有效的抑制泥水出现离析现象，起到稳定开挖面、提高泥膜强度和泥水携带渣土能力的作用。在浅覆砂层中掘进时，泥水粘度控制在18~22s。
　　（4）失水量
　　失水量是泥水形成泥膜质量的一个重要指标，是通过测定泥浆失水量来测定的。失水量――既用NS-1泥浆失水量测量仪器测量，测量仪器规定体积的泥浆在0.25MPa压力下施压7.5分钟后渗出的水量。失水量越低，形成的泥膜质量越好。在砂性土中推进，失水量控制在30ml以内。

　　（5）含砂量
　　在砂性土中推进，泥水不可避免的有一定的含砂量。含沙量越高，会使泥水的粘度下降，并加速泥水的离析。在盾构机泥水舱中，一旦出现泥水严重离析现象，会降低泥膜质量，破坏开挖面稳定。因此，必须对盾构段所处土层进行研究，分析各土层的颗粒级配，选择适合工程现状的泥水分离设备。例如本工程选用MS泥水分离系统，经过一级旋流、二级旋流有效地分离泥沙，将泥水的含沙量控制在合理范围内（4%左右）。
　　通过对泥水各项指标的有效控制，从泥水离析情况可以直观地看出泥水质量得到了很大的提高。
　　
　　3.3 超挖量控制
　　在浅覆土砂层中推进，必须严格控制超挖量。由于砂性土无粘聚力，无塑性，自立性差，一旦超挖严重，必然会发生地面塌陷甚至坍方等事故。因此，在推进过程中，盾构操作人员必须时刻关注泥水进、排泥流量差值，一旦发现超挖现象，立即停止推进，重新调整推进参数。
　　根据计算，推进一环（2m）的理论开挖量为373.79m 。推进过程中，发现超挖量超过5%，必须关注地面沉降情况；发现超挖量超过10%，则需要重新调整推进参数。
　　3.4 同步注浆
　　 由于盾构外径比管片外径大，随着盾构的推进，盾尾处的管片和土体之间会出现建筑空隙。同步注浆可以及时填充这些建筑空隙。本工程每推进一环的建筑空隙为20.5 m ，同步注浆材料采用单液浆，保证实际注浆量为建筑空隙的110%~140%。
　　钱塘江附近的砂层含水量高，且砂性土流动性强。因此，同步注浆必须选择合理的浆液配比，能在管片外围形成一道可靠的环箍，阻止水、流砂涌入盾尾和隧道的纵、环向缝隙。
　　本工程同步注浆量为23.6 m³，分6点进行压注，各点注浆量分布情况
　　
　　同步注浆量必须根据盾尾漏水情况、盾尾处的地面沉降情况进行合理设定。图3-6是对西线隧道推进第15环至第50环时盾尾处地面沉降情况的汇总。同步注浆量采用23.6 m³（即建筑间隙的115%）进行压注，能有效控制地面沉降。
　　
　　3.5 隧道轴线控制
　　要控制好隧道轴线，首要任务是控制好盾构姿态。盾构姿态的好坏直接影响管片拼装姿态的好坏。在浅覆土砂层中推进，很容易出现盾构“上浮”现象。因此，首先必须提前进行管片的“超前量”控制，将管片的上超量控制在5cm左右，将盾构往下进行纠偏；其次保证盾构以“磕头”姿态推进，抵消上浮量为隧道轴线统计图，表明采取上述方法，有效控制隧道轴线。
　　
　　3.6 盾尾密封
　　本工程选用的盾构盾尾密封区域长度2450mm，包含有3道盾尾钢丝刷和1道盾尾钢板刷以及1道紧急密封装置在3道盾尾钢丝刷上各有一道盾尾油脂注入孔，每道盾尾油脂注入孔有19个注入点。
　　
　　盾尾刷是盾尾与外界泥水和图层隔绝的重要屏障，包括钢板束和钢丝刷。钢板束的主要作用是阻隔泥、砂粒等物质；填充满盾尾油脂的钢丝刷主要作用是阻隔泥水。在含水量高的砂性土中，保护好盾尾刷的工作尤为重要：
　　（1） 出洞前采用90号的康纳特油脂进行初始涂抹。不但要使油脂充满钢丝刷内部，而且钢丝刷钢板腋角处也要全部塞满，不能有漏点。
　　（2） 待负环拼装完成，盾尾密闭空间形成后，不间断压注盾尾油脂填充满盾尾与管片间的空隙。
　　（3） 合理分布盾尾油脂压注点，在推进过程中实时、足量地压住盾尾油脂。
　　（4） 盾尾间隙保持均匀，防止盾尾刷密封装置受偏心管片过度挤压后产生塑性变形而失去弹性。
　　（5） 及时进行盾尾清理，防止盾尾内杂物进入盾尾刷，从而破坏盾尾刷结构。
　　3.7 地面沉降监测
　　在浅覆土砂层中推进，监测点宜采用深层沉降点，能更好地反映出地面沉降情况。监测频率提高至每两环监测一次，盾构切口处的地面沉降报警值设为：-0.5mm/+1mm，及时用监测成果指导设置盾构推进参数。
　　地面沉降监测是检验各项施工参数是否合理的最直观手段。地面沉降量也是质量验收的一项重要指标，及时的用地面沉降监测数据指导施工（例如由地面沉降监测指导气泡舱压力及同步注浆量的设定），才能保证科学施工，更好地控制工程质量。
　　
　　四、 结语
　　超大型泥水气压平衡盾构浅覆土砂层中推进具有跟高的风险性。必须提前对盾构段的土层、水质进行研究分析，准备适合该工程的施工材料，因地制宜地制定施工方案，才能确保盾构顺利穿越浅覆土砂层。

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