盾构下穿长距离水域施工工法.docx

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盾构下穿长距离水域施工工法

一、前言

由中铁一局城市轨道分公司承建的苏州轨道交通1号线金鸡湖底隧道是整个苏州轨道交通1号线的关键工程，也是目前国内城市地铁建设中盾构机穿越的最长距离湖底隧道。

盾构机在施工过程中，湖底至隧道顶部的最小覆土厚度仅为6米，最大覆土厚度为11米，施工的技术风险较大。

本工程的顺利完成标志着我国盾构掘进技术已攻克江河湖底超浅埋、高渗水、高风险隧道施工新阶段，将为我国在复杂地质条件盾构下穿长距离水域施工积累新经验。

二、工法特点

1、湖底隧道掘进防水是关键，而防水措施当中以盾构机自身防水最为重要。

小松盾构机防水主要有三道，一是主轴承密封，而是铰接密封，三是盾尾刷及盾尾油脂。

长距离湖底掘进一旦主轴承密封失效，对于整个工程将是毁灭性的后果。

因此，本工程盾构机在湖底隧道掘进前，为确保长距离湖底掘进安全，对主轴承密封进行了更换，对盾构机铰接密封、盾尾刷等也进行了更换，确保盾构机密封性。

2、浆液配比。

不同施工地质段，采用不同配比浆液进行同步注浆，保证注浆饱满，成型隧道无渗、漏水，管片上浮量小。

3、盾尾漏浆。

在盾构掘进尤其是砂层中掘进时，盾尾难免会漏浆，本工法采用：

一般情况下在管片（A1,A2,A3三大块）纵向粘贴70mm×25mm海绵条；严重时可在管片下部垫100mm×100mm海绵条。

4、穿长湖盾构掘进主要包括五个阶段：

1、初始100m试验段掘进，2、从陆地地层进入湖底地层掘进，3、湖底地层掘进，4、从湖底地层进入陆地地层掘进，5、湖底几种不同空间位置构筑物的穿越掘进。

对土压力及同步注浆这两个比较重要的环节进行重点分析，汇总同步注浆在五种掘进环境中施工工艺的区别和作用比较，对实际土压力和理论土压力进行比较，总结湖底施工时土压力参数特点。

三、适用范围

适用于华东地区地下水系发达的软土及粉砂层地层，沉降或隆起灵敏度高，隧道防水要求高，施工难度大，湖水与隧道水力联系密切，掘进中控制不好可能导致湖水与掘进开挖面连通，引起喷涌、大面积塌方等，给类似水下工程掘进提供了经验。

四、工艺原理及关键技术

土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机在推进掘削开挖面土体的同时，使掘削的碴土充满土仓内，并且使土仓内的碴土密度尽可能与隧道开挖面上的土壤密度接近。

由于在推进油缸的推力作用下，使土仓内充满的碴土具有一定的压力，土仓内的碴土压力与隧道开挖面上的水土压力实现动态平衡，一面维持开挖面稳定状态，一面将盾构向前推进。

关键技术：

盾构掘进参数控制、浆液配比及防水材料的选择、精密贯通测量技术。

五、施工工艺（见图1）

图1盾构施工工艺流程图

六、施工要点

6.1穿长湖盾构掘进过程

在掘进中以理论计算数据为依据，根据实际施工情况，尤其是监测情况对参数进行验证和必要地调整，确保周边环境安全，同时保持盾构机稳步高效运转。

穿长湖盾构掘进主要包括五个阶段：

（1）初始100m试验段掘进

设置100m的试验段进行掘进有两个目的：

一是该试验段范围内的部分地层与湖底地层分布比较相似，结合验证理论计算的掘进参数，可以获得更为真实有效的掘进参数；二是通过试验段的掘进施工，全方位的检验整个盾构机、水平运输系统、垂直运输系统及地面配套设备的协同作业能力。

通过这100m的掘进，将所有的作业人员进行人机适应，建立起整个盾构施工的管理、作业、物资供应及后配套设备管理的良性循环。

始发时为了更加有效对刀盘前方的地下水进行封堵，通过有选择的对超挖刀进行开启和关闭结合盾构机主机中盾上的10个聚氨酯注入孔人为地在加固地层里设置三道不同位置的环箍，进一步保证了始发洞门的安全。

待中盾进入加固体后利用中盾上的10个聚氨酯注入孔在侧墙附近注入水溶性聚氨酯，形成第一道防水密封，聚氨酯的用量为20～30kg/孔。

第一道环箍位于加固体内离车站侧墙1m处，环箍的长度约500mm，待中盾上的聚氨酯孔推进到该位置时，同样用聚氨酯进行封堵水，并利用管片上的预留注浆孔（即管片吊装孔）进行封环注浆，注浆液采用水泥浆-水玻璃混合浆液，对封环注浆的施工在后面有详尽的论述。

在盾构机刀盘进入加固体约4m后，控制超挖刀伸缩，形成第二道环箍，该环箍的长度为500mm。

对第二道环箍的施工处理与第一道环箍相同。

盾构机的主机长度为8.68m，在盾尾完全进入加固体后（即第三道盾尾刷进入加固体约500mm）制造第三道环箍。

第三道环箍的宽度可适当加大，在该段加固体中设置为800mm。

三道环箍的施工参数和材料用量的统计见表9。

表1三道环箍的施工参数和材料用量

对比三道环箍的材料消耗和参数，第一，发现在达到基本相近的参数要求情况下的材料消耗并不是成线性比例在增长；第二，第三道环箍的注浆施工中的压力较前两道环箍有所减小。

原因分析有二：

第一，前两道环箍所处的空间位置上附近的地层、地下水量近似，故两道环箍的材料消耗及注浆压力相近；第二，第三道环箍的位置为加固土体和原状土体交接处，地层性质发生了较为明显的改变，同时该处的赋水量较非加固体内变化大，最为明显的反映就是在三道环箍处，在注入水溶性聚氨酯前，打开中盾上的球阀后，用钢筋棍对盾构机四周的地层进行了试探接触，前两道环箍处基本周围较密实，没有出现流水、粉砂堵塞注入孔的现象，而在第三道环箍处进行试探时，最底部的6号注入孔流出了较为清澈的水流，并且在水平方向上和盾构机顶部的注入孔出现了粉砂堵塞的情况。

对区间地层的把握和分析，做到掘进时对地层的分布及性质了如指掌，能充分地指导人员在施工中做好工序的准备和实施，在掘进的工程中，多种工序的衔接能有条不紊的进行是保证工程安全和顺利进行的重要保障。

（2）从陆地地层进入湖底地层掘进

267环～320环为从驳岸进入湖底位置，刀盘中心深度-13.42m～-13.715m，掘进面由上部1～1.8m的粉砂层和下部4..5～5.5m的粉质粘土组成，上部土压力理论值为0.119～0.121MPa，隧道为15.764‰的下坡，计算设定同步注浆压力A1、A4为0.20～0.22MPa，A2、A3注浆压力为0.25～0.28MPa，注浆量为4.0m3，注浆泵流量为90～135L/min。

在进入湖底的初始100m水面上采用钢管布设湖底地形沉降直接观测点，通过湖底沉降监测信息反馈来调整土仓压力、注浆压力和注浆量，指导盾构掘进。

从驳岸进入湖底后的地层分布比较均匀，砂层的厚度为1.5～2m，位于掌子面顶部。

掘进时的土压力基本与设计值吻合，在0.11MPa左右；1、4号注浆孔的注浆压力较小，在此掘进过程中的注浆压力控制非常关键，在满足注浆饱满的同时要防止注浆压力过高，击穿砂层，在盾构机的上部形成涌水通道，严重的情况下可能击穿湖底地层，在湖面上形成涌泉。

在实际施工过程中一般采取的方法是在达到设计注浆量后即停止注浆。

湖底的同步注浆在起到稳固管片的同时，更多的是在起密封防水的作用，为此，为了加快水泥砂浆在湖底砂层中的初凝速度，我们通过适当的改变同步注浆配合比，提高水泥和粉煤灰的含量。

由于粉砂的搅拌性较好并且含水率较高，同时在掌子面上大部分是粘土，这两者结合在一起，能够实现比较优良的自我渣土改良，不需要添加渣土改良剂（如泡沫、膨润土和水等），能到达良好的胶条状渣土，利于掘进。

盾构机上的工作气压为0.65MPa，在掘进过程中的振动会影响气阀的密闭性，为防止高压气体通过管路进入刀盘上的泡沫注入孔，进入掌子面的高压气体会循着地层中的缝隙到达湖面也会造成湖面的涌泉，进而加大对湖底地层的扰动，泡沫孔分布在刀盘的主辐条上。

在关闭桥架段阀门的同时必须关闭人仓内中央回转接头上的分路主阀门，能从根本上杜绝高压气体的串气。

（3）湖底地层掘进

从第320环～第948环为湖底掘进地层，粉砂层在掌子面上的分布从线路上看基本呈W型延伸，砂层厚度为1.5～3m，并且呈现出W的前半部分的砂层增加和减少的趋势比较急剧，后半部分的比较缓和，同时在两个V形分布中都呈线性分布，对这段区间的掘进能够循序渐进的进行参数调整；隧道为3.503‰的下坡。

该段的掘进与上一段掘进区别比较明显，第一,在同等掘进参数下，渣土含水量明显增大。

分析原因有二，一是含水量随着砂层的厚度增加而增大，二是前一段进湖掘进的扰动导致地下水的流向发生了改变，隧道后面的地下水与掘进掌子面形成了渗水通道。

渣土里含水量的增大更加有效地改善了渣土的出土性能，促进了掘进速度的提高，能保证在45～55mm/min的速度下实现快速掘进；第二，该段地层的A2、A3孔的注浆压力有所增大，达到了0.25～0.32mpa，同时注浆量在砂层较厚的W形底部位置有所增加，流量达到了140～170L/min。

（4）从湖底进入陆地地层掘进

从第1772环～第1933环为上岸掘进地层，粉砂层厚度在断面上从1.2～6.2m呈线性增加。

该地层的掘进参数较前两种地层变化较大，采用封环注浆的工艺来保证掌子面的稳定性以实现安全掘进。

首先要对出土进行渣土改良，通过添加泡沫来提高砂土的和易性，保证出土连续稳定；盾构机主机的泡沫注入位置分布在刀盘（5个泡沫孔）和土仓壁（1个），泡沫在提高渣土和易性的同时，能实现对掌子面和土仓壁的润滑，减少砂土对刀盘和土仓壁的磨损，降低主轴承密封温度；其次，顶部土仓压力提高到0.17～0.18mpa，适当的高土压能够防止掌子面上方的砂土流失，防止掌子面失稳，A1、A2、A3、A4孔的注图2注浆孔布置图

浆压力都有所减少，达到0.2～0.23mpa，注浆量提高到4.5～5m3；在全断面砂层掘进中，掌子面的稳定至关重要，由于粉砂的渗透系数大，同时地层富水量高，为了杜绝隧道后面的水涌到掌子面附近，在1825环至1933环的掘进中采用了封环注浆的工艺对隧道后方的来水进行了封堵，效果明显，直接表现在掘进时的出土含水量稳定，掘进和拼环时的土压保持性好。

封环注浆的工艺采用水泥浆-水玻璃双液浆进行施工，通过管片上的预留注浆孔进行施工，注浆孔分布如图2所示。

水泥浆的水灰比为1：

1，为提高浆液强度可提高到1：

1.5，选取P42.5R硅酸盐水泥及40ºBe´、模数2.4～2.6的水玻璃作为注浆材料，水泥浆和水玻璃比为1：

1。

设定注浆压力为0.2～0.4mpa。

注浆顺序为1→2→3→4或者1→2→3→5，保留6号孔不注。

在进行1号孔注浆的同时，开启2号阀门，关闭3、4、5、6阀门，每个孔都是先注単液浆进行压力及浆液扩散，再用双液浆填充加固效果。

在满足2号孔流出浆液和注浆压力达到设定压力值其中之一条件时即可停止注浆，关闭1、2号注浆孔阀门后进行下一孔注浆。

保留6号注浆孔的目的有二，一是待注完所有的孔后打开6号孔，检查是否流水或流浆，确认注浆效果；

二是防止其余5孔在注完双液浆后已经堵塞无法掏通的情况下依然有水流出，再启用6号孔进行补注。

封环注浆每隔10环进行一次，必要时可缩短间隔环数。

实践结果显示，每一次的封环注浆量在5t水泥用量下即可满足掘进要求，能够有效的控制住隧道后方的地下水来袭。

封环材料消耗见表2。

根据以地质为本的思路，每个阶段重点对地质水文情况进行详细分析，同时针对线路情况及现场施工实际，总结各个阶段掘进的特点和应对措施。

最后，针

表2封环材料消耗统计表

对土压力及同步注浆这两个比较重要的环节进行重点分析，汇总同步注浆在五种掘进环境中施工工艺的区别和作用比较，对实际土压力和理论土压力进行比较，

针对湖底快速掘进，从盾构施工组织机构与管理体系、盾构掘进计划与施工生产、设备效能发挥、技术保障、物质保障、质量管理与安全文明施工七个方面总结管理方面的关键点。

6.2、防水材料

接缝的防水是隧道防水的重点。

为了防止管片接缝部位漏水，满足防水构造要求，在管片环缝、纵缝面设有一道弹性密封垫槽及嵌缝槽。

采用三元乙丙橡胶弹性密封垫，在千斤顶推力和螺栓拧紧力的作用下，使得管片间的橡胶弹性密封垫缝隙被压缩，同时止水条上的遇水膨胀橡胶遇水膨胀，起到防水的作用。

图3框形密封垫在管片中的布置图

止水条及衬垫粘贴前，清理管片，以确保粘贴稳固。

粘贴过程中，胶黏剂要涂抹饱满，保证止水条充分地粘贴在管片槽缝中。

施工现场管片堆放区设有防雨棚，保证雨天管片粘贴正常进行，在雨天覆盖粘贴好防水材料的管片。

6.3、湖底监测

由于金鸡湖属于风景区，湖面布设大量的监测点势必对于游船通航及景观造成影响。

此外，无论哪一种方法观测精度在超过200m水域时都不是很高，也就1～2cm，这对于盾构施工的沉降监测意义并不大。

在盾构掘进进、出湖段100m设置监测点，并以此调整好掘进参数，在湖底掘进段主要依据湖水面水质变浑浊及冒泡等异常情况出现，通过湖面巡视就可以做到。

七、施工管理

专业性强、决策果断、执行力强的组织管理系统是整个盾构施工顺利进行的保证，同时也是盾构掘进湖底穿越的重要保证。

结合盾构法施工的特点，项目经理部全员统一思想，确定以下三条施工原则：

（1）以人为本，盾构法隧道施工是一种大型设备的精细化作业，其系统性强、流水作业的特点决定了只要有一个工序环节出现问题就会导致整个盾构施工停滞，要保证盾构施工顺利进行，无论是项目部管理层还是盾构队必须有良好的团队精神，项目经理部在整个施工过程中将不断磨合致力于良好的团队精神建立和维持；

（2）以设备为本，盾构隧道施工主要就是盾构机的作业，在设备选型上把关，保证选择适合本项目实际情况，苏州地层及长距离湖底穿越等的盾构机；

（3）以地质为本，盾构隧道施工属于地下工程，施工管理人员、技术人员及工班必须对地质及水文条件有一个清晰的认识，包括地层的厚度、稳定性、均匀性、孔隙率及渗透性等，项目部组织相关地质图的读图分析的学习，同时做好对作业工班的地质交底工作，配置业务能力强、责任心强的土建工程师，在盾构掘进全过程，尤其是掘进通过金鸡湖底过程中对盾构机前方的地质情况做好严密的监控和预测，指导盾构机掘进。

实施项目法施工管理，从技术、计划、合同、质量、安全、文明施工及成本和信息管理上严格按照建立的规章制度进行科学的管理，确保工程验收合格率100%，优良率95%以上。

八、劳动力组织

序号

工作项目

作业内容

人数

盾构施工

队长

副队长

盾构司机

土建工程师

设备管理

电工

电器维修

拼装

地面吊装

机修

机械加工，塔吊

打螺栓

挖掘机、装载机司机

盾构搅拌站司机

九、质量控制措施

（一）隧道施工安全质量控制

盾构在初始阶段的施工难度很大。

因此，盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个标志，必须要全力做好。

同时还应确保盾构连续正常地从非土压平衡工况过渡到土压平衡工况，以达到控制地面沉降，保证工程质量。

施工过程中严格控制以下措施：

1、严控掘进参数，保证盾构机连续、快速、均衡的推进；

2、做好注浆工作，保证浆液的性能满足湖底掘进的需要，保证同步注浆的饱满及时；

3、采用土压平衡模式掘进，控制好土压，防止喷涌现象的发生，减少人为因素造成的停机现象；

4、加强盾构机的日常检修和保养，保证盾构机状态良好，为盾构机的连续掘进打好基础；

5、在试掘进过程中，采集合适的注浆参数，为防喷涌及渗漏打下基础；

6、对覆土厚度较浅部位进行专项交底，控制好土压及推进速度，减少对覆土的扰动；

7、严格控制注浆量和注浆压力，既能保证保证壁厚注浆的饱满，又要防止压力过大击穿覆土层；

8、严格控制出土量，防止发生出土量过大造成的沉降；

9、加强测量监测，尤其湖内监测，并做好湖内掘进的水面巡视；

10、针对盾构区间不同的建筑和构造物，制定不同的应对措施，管线以保护为主，桩基础可采取调线的方式对此风险进行规避；

11、在掘进过程中监测方案对相关建筑进行重点监测，并将及时反馈数据；

12、制定了盾构掘进应急预案，对掘进中发生的意外事故均有相应的应对措施，保证盾构掘进的顺利；

13、针对各风险点制定应急措施，加强应急演练。

（二）隧道防水控制

盾构区间防水以管片结构自防水为根本、接缝防水为重点，确保隧道整体防水，同时遵循“以防为主、以堵为辅、多道防线、综合治理”的原则，制定防水施工措施。

十、文明施工与环境保护

认真执行各项安全管理规章制度，全面落实安全生产责任制，强力开展专项整治和隐患排查治理活动，落实安全投入，将开展文明工地和安全标准工地建设等内容作为项目部日常安全及文明施工管理的基础工作。

成立文明施工领导小组，负责项目文明施工管理工作，加强现场施工管理，提高文明施工水平，使文明施工规范化、标准化、制度化。

同时加强宣传教育工作，提高管理人员及各施工班组文明施工意识和自觉性。

将文明施工贯彻到日常生产工作中去，落实到每一天、每一道工序、每一个角落。

例如，每环管片拼装前用水冲洗干净，每个班拼装完成本班工作量后，对新成型隧道再整体冲洗一次，隧道每前进一米都能做到干净整洁无污垢。

每天安排专人对生活区卫生进行打扫，对施工便道路面进行冲洗。

项目部定期对生活区及施工场地进行周检、月检。

加大企业文化宣传力度，在工地门口、施工便道两侧及办公区东侧设立企业文化宣传牌、项目施工情况宣传牌、安全监督岗、党员先锋岗等。

周转材料堆放从一开始就严格规范，分区存放、堆放整齐并做好标识标牌。

现场做好各种安全标识及特种机械操作规程。

员工食堂、活动设施等严格按照《建筑施工现场环境与卫生标准》（JGJ146一2004）的标准执行，并进行日常检查，保持环境卫生和员工生活的丰富多样。

十一、效益分析

（1）本工程是苏州轨道交通一号线风险最高难度最大的工程，通过项目经营和施工管理最终实现了金鸡湖隧道安全快速掘进，质量创优，工期超前，项目利润率达到14.12%；

（2）本工程是国内目前最常的湖底隧道，本课题总结了土压平衡盾构机长距离湖底掘进的施工特点及控制重难点，对于长距离湖底掘进中实际遇到的一些问题进行了例举、分析、评价，总结了湖底快速掘进参数，给类似水下工程掘进提供了宝贵经验；

（3）在周边建构筑物及管线保护方面，玲珑桥30根从冲桩区在同行业中是比较少见，本项目采用了最为经济的方案解决了这一难题，对于盾构穿越桩区有很大的借鉴意义；

（4）地下工程防水是个难题，金鸡湖隧道却在特殊的难度下将隧道做到了“滴水不漏”，从管理及技术角度讲述控制过程，对于盾构施工防水有指导意义。

金鸡湖隧道是苏州轨道交通一号线首个通过竣工验收的标段，整个隧道做到了无渗、漏水，管片拼装质量良好，施工安全质量受控的效果。

施工过程中湖中无任何涌水情况发生，各重要建筑物均做到了良好的保护，无任何的损坏情况。

十二、工程实例

中铁一局城市轨道分公司承建的苏州轨道交通一号线I-TS-14标盾构区间工程，该区间线路主要位于金鸡湖下，区间穿越重要管线、建筑物、金鸡湖及湖中A岛，条件复杂，是苏州轨道一号线难度最大，风险最高的标段。

苏州轨道交通一号线I-TS-14标位于苏州工业园区金鸡湖区域，西起星港街站，东到华池街，盾构掘进总长6183.391m，其中穿越湖底的左右线总长3650.98m（右线1832.16m，左线1818.82m），是目前为止国内最长的湖底盾构隧道。

采用两台日本小松公司制造的Φ6340加泥式土压平衡盾构机施工。

根据星会区间地质详勘报告，区间隧道上覆土层依次为①1淤泥、①2素填土、③1粘土、③2粉质粘土、④1粉土和④2粉砂；盾构通过的主要土层为④2粉砂和⑤粉质粘土。

区间水文条件复杂，隧道上方为金鸡湖，属太湖水系，湖泊之间河汊通联，水力联系密切，总蓄水量达90亿m³。

地下水有潜水、微承压水和承压水，隧道范围主要为潜水和微承压水，下部有承压水。

盾构区间已全线贯通，隧道做到“滴水不漏”，管片拼装质量良好，错台均在规范要求之内，工程受到业主、监理及各界的好评。

本工程的顺利完成标志着国内最长湖底隧道施工顺利完成，也显示我国盾构掘进技术已攻克江河湖底超浅埋、高渗水、高风险隧道施工新阶段，将为我国在复杂地质条件下穿越江河湖底盾构施工积累新经验。

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