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盾构施工技术10
泥水盾构过三枝香水道施工技术
广东省基础工程公司赖伟文
【摘要】本文以广州市轨道交通三号线【沥滘站～大石站区间】盾构工程为背景，结合1＃盾构机顺利穿越312m宽的三枝香水道，提出泥水盾构过江的技术措施及施工方法，总结泥水加压平衡式盾构机过江施工技术。
关键词泥水盾构过江施工技术
一、工程概况
1、工程概况
广州市轨道交通三号线【沥滘~大石北】盾构区间工程，共分为2个区间段：
①大石北始发井~厦滘站，区间隧道长1439.791m；②厦滘站~沥滘站，区间隧道长1622.75m。
共有2次过江，需穿越宽度为312m的三枝香水道和宽度为505m的南珠江，如下图所示：
图1工程概况图
隧道内径为Φ5400，管片厚度为300mm，盾构机直径Φ6260，刀盘直径Φ6280。
包括左、右隧道各一条，采用2台泥水加压平衡盾构机施工，从大石北出发，自南向北方向推进。
目前，右线盾构机已安全、顺利穿越三枝香水道。
2、盾构过三枝香水道地质情况
三枝香水道覆土厚度最小的仅为7.4m，最大也只有8.6m，覆土厚度只是略
大于1倍盾构直径，给盾构施工带来一定的难度。
隧道在过三枝香水道初始的51m为全断面的中风化，其余的261m断面内下部以全风化、强风化岩为主，上部主要为淤泥、淤泥质细砂和粘土，大部分掘进的断面为上软下硬地层。
隧道上方存在淤泥及淤泥质土等软弱地层。
三枝香水道地质剖面图见图2。
右线盾构通过三枝香水道期间，三枝香水道的河水深度在涨潮时为6.5m，在退潮时为4.7m。
三枝香水道河床底下各层地层的力学指标见表一。
盾构机通过三枝香水道段，岩石（中风化岩层）的抗压强度为7.0～8.3Mpa。
图2三枝香水道地质剖面图
表1地层物理力学指标
岩土
分层
岩土名称
天然
密度
含水量
孔隙比
凝聚力
内摩
擦角
承载力
标准值
基床
系数
渗透
系数
天然单轴极限抗压强度
围岩
分类
ρ
ω
e
c
φ
fk
Kv
K
fc
g/cm3
％
Kpa
（°）
Kpa
Mpa/m
m/d
Mpa
<2-1>
淤泥
1.57
78.8
2.2
4.7
4.45
55
5
0.0010
Ⅰ
<2-2>
淤泥质土
1.9
35.9
1
2.78
15.4
80
10
3.55
Ⅰ
<4-1>
粉质粘土
1.99
28
0.8
15.6
9.1
175
15
0.0005
Ⅰ
<5-1>
可塑残积土
1.9
28.8
0.8
23.8
10.8
175
20
0.0011
Ⅰ
<5-2>
硬塑残积土
1.9
27.6
0.8
24.5
18
240
29
0.0011
Ⅱ
<6>
基岩全风化带
2
24.9
0.7
25.3
19.5
275
35
0.0021
Ⅱ
<7>
基岩强风化带
2.2
200
22
380
120
0.33
1.22
Ⅲ
<8>
中等风化粉砂质泥岩、泥灰岩
2.4
500
25
1000
500
0.331
7.01
Ⅲ
二、安全过江的原则与过江风险
1、安全过江原则：
快速通过。
2、过江风险分析
①因隧道顶部覆土层薄，且为淤泥、淤泥质土，一旦泥水仓的泥水压力不稳定，刀盘前方及其上部的软弱土层被扰动，将造成失稳，这时河床上的杂物将随坍塌的土体将进入泥土仓内，一方面堵塞泥水仓，造成清洗困难，另一方面，这些杂物进入泥土仓内后，造成泥浆管路堵塞，杂物难以排出，盾构掘进困难。
而且，在清洗泥水仓过程中，不停进行正逆冲洗，引起泥水仓压力波动，容易引起刀盘前方发生新的塌方。
②若在江中段发生刀具磨损严重，必须停机换刀时，因江中段土体较软弱，尤其是隧道顶部为淤泥和淤泥质土，无法自稳，故在江中换刀难度极大，虽然可以考虑采用气压法进行换刀，但因覆土层薄，该方法也有一定的风险。
③盾尾漏浆。
如若盾尾漏浆严重，一方面导致切口水压下降，刀盘前方土体失稳；另一方面，隧道内大量淤积泥浆，若抽排不及时，将造成盾构机被淹没。
④在三枝香水道YDK13+912.384~YDK14+012.471处，即790环～860环之间，为江底盾构隧道覆土厚度较浅的范围（约100m宽），特别是在840环处，隧道上部为淤泥质土层，该土层含有粉细砂，渗透性较强，且与河水直接有水力联系，是盾构过三枝香水道最大的风险。
三、盾构机选型及过江刀具选用
1、盾构机选型
根据本工程的地质情况，选用的泥水加压平衡盾构机的情况如下：
盾构外径：
Φ6260；
盾尾内径：
Φ6060；
盾构机身长度：
8170mm；
盾构总推力：
36000kN；
最大扭矩：
6327kN·m；
刀盘转速：
0.2～3.4rpm；
最大推进速度：
6.7cm/min。
刀盘模式分为软岩刀盘模式和硬岩刀盘模式（见图3，右边刀盘为软岩刀盘模式，左边刀盘为硬岩刀盘模式）。
图3刀盘模式及盾构机构造图
2、过江刀具选用
根据地质勘探资料，在盾构机过江前的731环处，刚好有一地质钻探点，显示该处盾构隧道绝大部分断面为中风化岩层，底部少量为微风化岩层，岩层自稳性好，利用该处对盾构机进行全面、系统的检修。
为了避免在江中换刀，对刀盘中可进行更换的29把刀具全部进行检查，对磨损＞20mm的刀具和破损的刀具全部进行更换。
根据在此之前盾构机在不同地层中刀具的磨损情况和江中段的地质情况确定刀具选用，力求避免在江中换刀。
盾构机采用软岩刀盘模式在强风化和其他土层中掘进877m，在中风化岩层中掘进30m后，曾于605环处进行刀具检查，并将最外圈的3把先行刀更换为13英寸的双刃滚刀，经过对先行刀磨损情况的检查，最大磨损量仅为6mm，且刀具完好。
换刀后，在中风化岩层中掘进79m，微风化岩层中掘进60m，及穿越50m的破碎带后，于731环处进行刀具再次检查，结果三把滚刀有2把出现偏磨（见图4），先行刀最大磨损量为20mm，共有7把先行刀破损（见图5），这些刀均出现在刀盘2/3半径以外的外圈。
刀具出现破损的原因之一是刀盘在微风化岩层掘进时，因岩层较硬（强度为30Mpa），先行刀自身难以对抗如此坚硬的岩层，导致破损；原因之二是在破碎带中掘进，岩石本身强度较坚硬，但破碎带总体上软硬不均，造成刀具破损。
根据过江段盾构机穿越的地层主要为51m中风化和261m全风化、强风化粉砂质泥岩，以及刀具破损的情况，决定在过江段采用软岩刀盘模式掘进。
自2004年6月16日开始过江，至7月17日一气呵成完成过江，江中没有更换刀具。
盾构机在中风化岩层中的掘进速度为5环/天，在全风化、强风化岩层中的掘进速度为8～10环/天。
从下图盾构机在过江段的掘进速度（见图6）、推力（见图7）和刀盘扭矩（见图8）的情况可以看出，在过江段选用软岩刀盘模式掘进是合适的。
图4滚刀偏磨情况图图5先行刀磨损及破坏情况图
四、切口水压的设定与控制
切口水压用于平衡开挖面的水土压力，维持开挖面的稳定，保证盾构安全顺利掘进。
开挖面的水土压力随着隧道的覆土深度、江面水位的变化而变化，因而，通过切口水压控制开挖面稳定是一种动态的管理，掘进时，必须对开挖面的切口水压进行严格监控，通过手动控制，使其控制在设定值的±5％范围内。
设定泥水压力=开挖面水、土压力+加压
一般加压值控制在0.2kg/cm2，加压过大会使开挖面的渗透加强，过小可能会导致塌方。
设计值要根据土层渗透系数等物理力学指标进行设定，同时还应考虑江中潮位的变化情况。
三枝香水道的河水水位深度在高潮时为h高=6.5m，在低潮时h低=4.7m。
刀盘前方的水土压力采用太沙基公式并按水土合算方法计算，得到盾构机刀盘在过江段最大和最小的土压力和水压力分别为：
161kpa和145kpa。
设计泥水压力：
P高=土压力（含水压力）+加压（K）=161+20=181KPa
P低=土压力（含水压力）+加压（K）=145+20=165Kpa
切口水压控制在设定值的±5％。
过江段实际控制的切口水压见图9。
五、开挖干砂量管理
干砂量的监控也是确保开挖面稳定的重要手段。
根据送泥、排泥的流量计和密度计测定的数据，对送、排泥浆中所含有的干砂量的体积进行计算，以此来反映出盾构每掘进一环切削下来的土体量的数值。
计算后的理论干砂量可与中央控制室监视盘显示的掘削干砂量（即实际掘削干砂量）作比较，根据两者之间的差距，判断开挖面是否有超挖或欠挖，以及地质变化情况。
在过江时的浅覆土段其单环理论干砂量：
G=（πD2L/4）×（1-α/100）
=（3.14×6.262×1.5÷4）×（1-24.9/100）
=34.653m3
实际单环干砂量G’根据仪器测定送泥水和排泥水的差，通过计算求出实际土粒子量（干砂量）：
实际掘削量G’可由下式计算得到：
γs
G’=[Q1（ρ1-1）-Q0（ρ0-1）]×t
γs-1
G’：
实际掘削量（kN/环）；
γs：
土的比重；
Q1：
排泥流量（m3/min）；
ρ1：
排泥密度（kN/m3）；
Q0：
送泥流量（m3/min）；
ρ0：
送泥密度（kN/m3）；
t：
掘削时间（min）。
当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。
同时调查土体是否有坍塌情况，在查明原因后及时调整有关参数，确保开挖面稳定。
本项目通过安装在送泥管和排泥管上的电磁流量仪和差压密度计，测量送、排泥管内泥浆的流量和密度。
根据土粒子比重值算出土粒子量，从排泥量和送泥量的差值上计算出土粒子量，并将结果随时反馈并显示在中央操控室的显示屏上，便利于根据显示结果判明情况，并确定是否调整操控参数。
六、注浆管理
本工程采用双液注浆（其性能指标见表2），A液为水泥浆液，B液为水玻璃，A、B液的比例为10：
1，初凝时间为13～15秒，注浆压力控制在0.3～0.5Mpa。
为了提高注浆与盾构推进的同步性，使浆液能及时充填管片后面空隙，管片注浆的位置选在出盾尾第一环管片的11点和5点或1点和7点的位置，具体注浆的顺序根据对管片测量的结果来确定，当注浆充填量＜110%时,采用二次补压双液浆的措施，注浆范围5～8环。
本项目在过江段的平均注浆量为4.96m3/环，到达130%充填率的要求。
通过对管片的沉降监测，也反映盾尾注浆的效果，图10为过江段管片在水平与垂直方向的位移、沉降变化情况。
从图中可以看出，绝大多数管片的位移、沉降变化量均在5mm以内，仅有六环管片的位移（或沉降）变化量到达10mm以上，最大数值为15mm，可见采用双液注浆后的隧道的变化量是很小的，也说明注浆质量是好的。
表2双液注浆液的性能指标
项目
指标
凝结时间
13～15秒
1小时抗压强度
0.05～0.1Mpa
1天时抗压强度
0.5～1Mpa
1小时析水率
5％
七、盾构掘进速度控制与姿态控制
1、过江掘进速度控制
盾构过江虽然以快速通过为原则，但并非盲目地加快速度掘进。
泥水盾构掘进速度除取决于自身的掘进能力（总推力与扭矩）外，还与背填注浆能力以及环流系统的能力有关，如若背填注浆能力跟不上盾构掘进的速度，则管片的背填注浆量不足，如若环流系统的能力跟不上盾构掘进的速度，则刀盘切削下来的碴土进入泥水仓后，无法及时地通过泥浆管路运送到地面，将造成泥水仓堵塞和管路堵塞，泥水仓压力产生瞬间高压，对开挖面土体产生扰动，容易引起开挖面地坍塌。
因此，掘进速度必须在确保注浆质量和保持环流系统畅通的前提下逐渐加快。
在过江段，以确保开挖面稳定为原则，提倡盾构机均速前进，保持环流系统畅通。
本工程过江段的掘进速度均控制在25mm/min左右。
2、盾构姿态控制
过江段对盾构姿态的控制更显得重要，一是该段隧道处于上坡段，二是该段覆土层薄，且在上软下硬地层中掘进，盾构机容易产生抬头，向下纠偏难，因此，该段掘进设定报警值为30mm，限制值为50mm，严格控制盾构机在
±50mm范围内行走。
盾构机产生偏差后，不宜急纠，管片选型时，保持与盾构机在同一中心线上，使盾尾间隙保持均衡。
若盾尾间隙不均衡，则盾尾容易产生漏水、漏浆，也容易产生险情。
八、盾尾刷管理
盾尾刷在过江前，由于无法打开检查，且在过江前，盾尾曾发生过较大的穿浆，为确保过江安全，过浆前利用管片注浆孔对两个盾尾舱进行彻底检查，以后定期检查，平均每10环全面检查一次，正常状态掘进中（在没有发生漏水窜浆状态下），每2环正常补脂一圈；在发生漏窜浆状态下，补充油脂时间由原定的6秒/孔改为1分钟/孔。
尾舱压力保持在0.4Mpa以上。
每次管片拼装前必须把盾壳内的杂物清理干净，以防对盾尾刷造成损坏。
在整个过江过程中，盾尾密封一直保持完好状态。
九、泥浆性能管理
1、比重控制
根据过江段的地质主要是<6>、<7>、<8>地层，且该地层具有较好的自造浆能力，泥浆比重控制在1.10~1.15g/cm3，粘度控制在18～20s，当泥浆的比重、粘度较大时，加水进行稀释，来降低其数值。
2.粘度控制
送泥水的粘度主要用于悬浮和携带刀盘切削下来的土体，从土颗粒的悬浮性要求而言，要求泥水的粘度越高越好，但粘度的提高会使泥水的凝胶强度和塑变值提高，加大泥浆泵的负荷，同时加大泥水分离难度，综合考虑以上因素，粘度值可取20秒。
十、过江监测
三枝香水道江底的监测采用压力感应器法和声纳法两种方法同时进行。
1、声纳法江底监测原理
声纳法是一种较普遍用于监测江底沉降的方法，其特征是利用船只和卫星定
位系统在江面上的指定监测点上通过声纳仪器对河床水深进行测量，通过比较同一点前后两次测量的数据从而得出江底的沉降情况。
声纳法的定位测量精度为200mm，水深测量精度为100mm。
2、声纳法测线的布设（每条隧道）：
①沿隧道轴线方向布设：
在每条隧道的中轴线上布设一条中轴测线，然后左右两边每相隔5m布设一条测线，共布设2条平行于中轴线的测线；②垂直于中轴线方向布设：
垂直于中轴线方向布设测线，长度为两轴线间距离加上从轴线往外测出15m宽度，测线间距为3m。
测量的范围为沿遂道轴线方向左右各15米，盾构机刀盘前20米后40米的监测，面积及30×60米。
3、传感器法江底监测原理
传感器法是一种用于隧道过江施工中监测河床沉降的方法，其特征在于通过采集沉入江底固定的水压传感装置的信号而得到传感器埋设深度，通过比较前后两次所采集到的数据而得到传感器埋设深度的变化，从而得到河床沉降的数据。
传感器得测量精度为20mm。
4、传感器法监测布设范围
沿江宽每隔10米布置一个传感器测点，采用专用信号接收仪获取每个测点的水底压力，通过设定水位基准，以改正潮水涨落的影响，最终换算成每个测点的标高，作为数据处理的基本参数，最终得出各个测点水压力变化和沉降值（见图11）。
测量的范围为盾构机刀盘前20米后40米。
图11压力传感器布设示意图
5、监测方法结果比较
通过上图右线731环～903环的江底沉降监测结果可以看出，声纳法测量结果起伏明显，精度较差；而传感器法监测精度较高，同时考虑到采用声纳法会影响通航等不利因素，故传感器法是一种较好的江底沉降监测方法。
十一、应急措施
1、隧道突发停电的应急措施
施工现场配置好后备电力供应系统（备置一台200KW发电机），以防在施工进行中遭遇因各种外部因素造成的停电，并在停电后保证电源回路能马上进行切换，以保证隧道内的临时用电，确保照明、通讯、隧道抽水的用电。
停电时，无法通过环流操控系统控制切口水压，也无法通过送浆泵往泥水仓送泥浆，以保持切口水压的稳定，切口水压的数值只能通过泥水仓上的压力表观察。
若盾尾不出现漏水、漏浆，一般均能保持停电时的压力；若盾尾出现漏水、漏浆，则切口水压下降、消失，这时因无法往泥水仓送浆保压，若不采用其他的保压措施，开挖面将失稳，一旦开挖面失稳，将意味着盾构过江失败，因此，在停电状态下，如何确保泥水仓的泥水压力，是一个须认真考虑的问题。
本工程通过摸索，得到可以自来水保压的方法，采用自来水保压，无须动力设备，直接将自来水管接入到泥水仓的注水口，通过控制自来水管的阀门和观察泥水仓上的压力表来控制泥水仓的压力。
实践证明，采用自来水保压的方法是可行的，用自来水保压，泥水仓压力可达2.5kg/cm2。
2、盾尾漏浆（水）的应急措施
（1）堵漏措施：
停机补充油脂，在漏浆部位进行人工打油脂，先打内孔，再打外孔；
A.发现盾尾漏浆出现情况时，则配制初凝时间较短的双液（A、B液）进行衬砌（管片）壁后注浆，浆液的初凝时间约为7～9秒。
B.若盾尾漏浆比较严重时，则在相邻盾尾最近的管片注浆孔注入聚氨酯，形成较好的堵水效果。
C.在保证开挖面稳定的情况下，适当调低切口水压，但调整量不大于0.5kg/cm2。
D.在盾构机内部的盾尾处，使用10cm厚的海绵条（海绵条均涂满油脂），沿着管片与盾构机壳之间，塞满整个盾尾间隙。
（2）做好隧道内的抽（排）水措施。
十二、几点体会
1.保持开挖面稳定是确保泥水盾构顺利过江的关键。
掘进过程中，保持切口水压的稳定又是保证开挖面稳定的关键，由于拱顶为软弱土层，若切口水压忽高忽低，将对拱顶的软弱土层造成扰动，从而造成开挖面失稳。
本工程在掘进中，将切口水压控制在设定值的±5%以内，证明是可行、有效的。
2.泥水盾构过江在快速通过的原则下，宜均速前进，不能盲目加快掘进速度，以免造成排泥管路堵塞而导致切口水压急剧上升、以及爆管、冲垫的状况。
3.盾构过江前须进行系统、完整的检修，使盾构机保持完好的状态，为盾构一气呵成顺利过江提供设备保障。
4.泥水盾构在强、中风化岩层中掘进时，刀具磨损量较小，在过江前换好刀具后，可以避免在江底下更换刀具。
5.在过江段的掘进管理中，盾尾保护显得尤为重要，事实证明本工程制定的每10环检查1次盾尾仓、每2环完整地注打1圈盾尾油脂的措施是可行的，能有效地确保盾尾密封效果。
6.江中段掘进时，因覆土层较薄，注浆管理要特别加强，防止隧道上浮。
参考文献：
1、广州市轨道交通三号线【沥～大盾构区间】盾构工程施工组织设计，广东省基础工程公司
2、广州市轨道交通三号线【沥～大盾构区间】盾构工程过江专项方案，广东省
基础工程公司
3、最新泥水盾构技术，项兆池、楼如岳、傅德明编著，上海隧道股份公司科技情报室
4、Ф6260泥水盾构机使用说明书，日本三菱重工业株式会社
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