大直径泥水盾构穿越深槽段安全风险分析及防控技术研究

及防控技术研究

唐晓鹏，陈 冬，冷 远，陈培帅

摘 要：：大直径浅覆土泥水盾构工程掘进施工风险点高、控制难度大，常规盾构工程施工工艺、经验并不适用。针对大直径浅覆土泥水盾构工程特点，以南京市纬三路过江通道SG-1标段N线工程为依托，对盾构穿越深水槽段安全风险进行分析，并提出相应的防控技术，为大直径泥水盾构掘进施工积累相关施工、风险因素识别以及与风险防控经验，为后续类似工程施工提供指导。 关键词：盾构；深水槽段；安全风险；防控技术

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）04-0202-03

一、前言

随着经济的发展，国内大力兴建大型盾构隧道工程[1]，如上海复兴东路越江隧道、南京地铁越江隧道等。而这些大型盾构隧道的开挖过程中容易出现地表变形和位移过大等情况，可能导致开挖面塌陷、突涌等严重事件的发生[2~3]。

目前针对盾构开挖安全性分析研究成果以盾构开挖机理及施工对环境的影响为主，研究对象多为常规尺寸盾构[4]，仅适用于以往常规直径盾构，远不足以应用到当今大直径隧道工程中去[5]。

本文结合南京市纬三路过江通道SG-1标段N线工程，对大直径泥水盾构掘进过程中可能存在的安全风险因素进行分析，在此基础上提出相应的风险防控措施指导工程实际施工，为后续类似工程施工提供借鉴。

二、工程概况 1．工程简介

南京纬三路N线隧道盾构段全长3,557m。通道采用X型8车道双管双层盾构隧道过江方案。盾构隧道外径14.5m，内径13.3m。隧道采用一台Φ14.93m的泥水加压平衡式盾构机掘进。隧道主要位置覆土厚度统计如表1所示。

表1 隧道主要位置覆土厚度一览表

位置 始发端 北堤 北航道最小覆土 南航道最小覆土 南岸到达端

覆土厚度（m）

7.59 36.46 14.86 14.22 11.77

里程点 NDK3+550.4 NDK4+160 NDK5+010 NDK6+700 NDK7+107.6

备注 江中段 江中段

序号 1 2 3 4 5 6

④3 ⑤1 ⑤2 ⑥1 ⑥2 ⑧1

化粉砂岩地层，主要地层特征如表2所示。

表2 地层物理特性

地层编号 时代成因

Q4 Q4Q

al+plal

地层类别 粉细砂

地层厚度（m） 1.95～21.50 2.10～15.00 1.90～14.90 0.95～35.30 0.95～6.30 0.60～4.05

中粗砂 砾砂 卵石 圆砾 粉细砂 强风化 粉砂岩

al+pl

4

Q4Q4

al+pl

al+pl

K2P

三、深槽段盾构掘进施工工序

盾构在深水槽段掘进时，需预先设定管理基准，盾构掘进过程中同步注浆，当达到掘进循环进尺时进行相应管片的拼装，开挖6m距离，延伸管线进行后续盾构掘进循环，深槽段盾构掘进施工工序如图1所示。

图1 盾构掘进施工工艺流程图

2．地质情况

深槽段掘进主要穿越粉砂、中粗砂、砾砂、卵石、强风收稿日期：2018-02-27

作者简介：唐晓鹏（1984-），男，中交第二航务工程局有限公司工程师。 通信作者：陈培帅（1985-），男，中交第二航务工程局有限公司工程师。

第4期 唐晓鹏等：大直径泥水盾构穿越深槽段安全风险分析及防控技术研究 203

四、穿越深槽段的安全风险 1．盾构穿越江底段的安全风险

N线盾构需穿越700m左右复合地层，且顶部覆土浅，最小覆土仅14.86m。盾构在掘进时，主要的施工风险有：

（1）盾构在江底浅覆土地层掘进时，非常容易发生击穿土体，盾构机掘进过程中下沉，掌子面发生涌砂等情况。

（2）在强透水地层，和江水直接连通，高水压对盾尾及盾构主轴承密封造成损坏。

（3）在高水压作用下，掘进过程中泥水压力要求高，导致同步注浆困难。

（4）砂、卵砾石、基岩地层石英含量高，刀具磨损严重，而开仓作业的难度大、风险高。

2．盾构穿越软硬不均地层安全风险

隧道所穿越地层具有明显的上软下硬特征，盾构在该特殊地层掘进施工中，盾构姿态控制难度非常大，刀具、刀盘易造成冲击破坏和异常磨损。

以上风险相互结合，共同出现，很难一一划明界限。盾构穿越深槽段的掘进，既是一个施工控制的重点，同时也是一个施工上的技术难点。

五、针对穿越深槽段安全风险的对策 1．掘进控制

（1）科学选择掘进参数。在上软下硬等复合地层掘进时，需根据软弱土层、岩石分布情况以及承载力条件，综合考虑单刀承载力确定盾构掘进总推力。在掘进过程中需对分区推力进行控制，防止刀盘受力不均，导致刀盘易于磨损，进而防控被迫在高水压掘进阶段进行开舱换刀。

（2）泥浆参数需合理。在确定泥浆参数时，需保证泥浆具有较好的携带碴土能力，能够保证掘进过程中土石碴外排，同时泥浆参数的选取需考虑泥浆对刀具的降温及润滑作用，减小刀具在掘进过程中的磨损。

（3）泥水压力选择适当。盾构掘进过程中，需保证切口处水压的稳定。具体实施过程中，需根据盾构掘进所处阶段地质、水压情况，以及结合对地表沉降监测数据分析，及时调整优化泥水压力。

（4）选择合适的推进速度。盾构在掘进过程中需控制盾构机掘进速度。当掘进速度过快时，刀具更易磨损破坏，也存在盾构机下沉以及掌子面涌砂的风险，而且碎度过快遇到卵石层时不能充分破碎。

2．施工监测

盾构在掘进过程中需对土层沉降及位移进行监测，通过对监测数据的分析，及时反馈调整施工指令。监测数据可采用信息化技术，使盾构掘进施工过程中控制更加及时、便捷。

（1）江底土层变形监测

在盾构进入江底掘进前，预先对掘进线路江底的河床进行探测，复核确定盾构掘进覆土厚度。盾构在江底掘进过程中，需对江底河床变化进行高精度探测，监测覆土深度的变化并进行分析，预判施工过程中风险，并进行及时调整施工，防控风险的发生。

（2）管片上浮监测

盾构在江底掘进过程中，土层含水量大，水压力高。脱出盾尾的管片所受水体对其的上浮作用力大，管片有上浮风险。为了防控管片上浮，需对管片竖向位移进行监测，监测结果及时反馈指导后续施工。

3．泥浆控制管理 （1）泥浆质量控制 1）泥浆配合比

泥浆的配合比在满足技术规范的基础上，还需根据实际施工具体地层条件、施工工序进行调整，掺加膨润土增加泥浆比重，以及掺加CMC有效增大稠度等。

2）泥浆质量指标

根据现有工程总结，泥浆参数选取一般为：密度控制在1.2g/cm3左右，析水率小于百分之五，粘度最好控制在25~30s，颗粒粒径应不大于74μm，当然具体取值参数需根据实际施工具体情况进行适当调整。

（2）压力控制

盾构掘进过程中，地表沉降的防控的关键在于保证泥浆压力与作业面压力相等来控制。泥浆压力的控制主要依靠泥土开挖量与排除量相平衡来实现。具体可通过固定掘进速度调节排泥量，或者通过固定排泥量调节掘进速度来控制。

泥浆压力应与土体压力及静水压力相平衡。在盾构掘进过程中，随着河床土层深度变化，水土压力也会相应发生变化，这要求泥浆压力在实际施工过程中进行及时调整与优化。

4．姿态控制 （1）姿态偏差控制

盾构在掘进过程中引起姿态偏差有多种原因，其中不同部位千斤顶参数设定的不同会导致盾构掘进过程中方位的偏差；盾构穿越不同地层时，盾构与土体间的摩阻力不同部位大小不同也将导致方位偏差；掌子面岩层分界面土压力以及切口环切欠挖地层引起阻力不同也将引起方位偏差。在实际掘进过程中，需根据实际情况综合分析，探明导致姿态偏差的真正原因，加以控制。

（2）盾构姿态控制

盾构掘进过程时，尽量控制掘进速度，使盾构机在掘进瞬间刀盘受力尽量均匀，减小偏磨和盾构机下俯现象。需控制盾构机的纠偏力度，防止纠偏引起刀盘受力不均，影响掘进姿态。盾构通过软硬不均地层时，应根据掌子面的地质情况，分区操作液压掘进油缸。

5．其它控制措施

（1）利用盾构本身超声波预报系统和盾构掘进管理系统监测反馈系统的信息，提前10~15m 调整掘进参数，逐步调整刀盘推力；

（2）利用刀具上安装的自动测量装置，测量刀具是否损坏，并根据其损坏数量评价刀盘、刀具的状况。

（3）盾构掘进过程中需保证适当的泥水压力，且该压力需要适当比土、水压力之和稍高，防控地层发生突水涌水。

六、结论

204 中 国 水 运 第18卷 以南京市纬三路过江通道SG-1标段N线工程为依托，对盾构穿越深槽段进行分析，得到如下结论：

（1）盾构在江底浅覆土地层掘进时，非常容易发生击穿土体，盾构机掘进过程中下沉，掌子面发生涌砂情况。

（2）软硬不均现象非常突出，使盾构掘进姿态控制难度大，刀具、刀盘易造成冲击破坏和异常磨损。

（3）当掘进速度过快时，刀具更易磨损破坏，也存在盾构机下沉以及掌子面涌砂的风险，而且碎度过快遇到卵石层时不能充分破碎。

（4）盾构掘进过程时，尽量控制掘进速度，使盾构机在掘进瞬间刀盘受力尽量均匀，减小偏磨和盾构机下俯现象。

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（1）实测试桩的承载力在满足安全系数的基础上还有较大的富余，试桩的桩型设计完全可以满足设计承载要求。但是按照目前的桩型设计施工，会有些不经济，建议优化桩型设计。

（2）桩端嵌固在泥岩中的灌注桩承载特性上表现为端承摩擦桩，桩端阻力占极限承载力的比例不超过20%，并且随着桩长径比的增大而减小。

（3）中风化泥岩层可以提供较高的单位桩侧摩阻力，约为190kPa。勘察设计中各土层设计侧摩阻力标准值取值较为保守（中风化泥岩取值为120kPa），桩基有较高的安全储备。

（4）桩端嵌固在风化泥岩中的灌注桩宜按摩擦桩来进行设计计算，桩的直径太大会比较不经济。宜采用较为细长的桩型，充分发挥桩的侧摩阻力。

参考文献

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图2 试桩桩端阻力-桩端沉降关系曲线 四、结论

本文通过对南京长江五桥三根桩端嵌固在泥岩中的试桩进行自平衡静载试验，并对试验结果进行分析，得出以下结论：

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（上接第201页）

综合上述，笔者认为嵌固于中风化泥岩层中的灌注桩桩端提供的承载力有限，主要承载力来源于桩侧摩阻力，中风化泥岩也能为桩基提供较高的侧摩阻力，并且在较小的桩土相对位移下就能得到充分地发挥。再考虑到灌注桩成桩过程中会出现的桩底沉渣问题，适当减小桩径、增大桩长不失为一个较为经济合理的办法。

3．桩的沉降特性

桩顶位移主要由桩端沉降和桩身压缩变形组成，结合试桩的桩端阻力-位移曲线（图2）可以知道桩端阻力完全发挥需要的沉降值较大，主要原因可以归结为以下两点：（1）泥岩本身强度不高，受到桩端压力作用会发生变形；（2）灌注桩成桩过程中桩底会堆积泥浆沉渣，这些沉渣的强度较低，会限制端阻的发挥。

总体来讲，桩端嵌固在泥岩中的灌注桩要发挥极限承载力需要较大的沉降量，其中桩侧阻力较早发挥，所以前期桩顶位移主要由桩身压缩变形组成，后期主要由桩端沉降组成。在桩基设计施工的时候要保证桩身混凝土具有足够的强度，避免因轴力过大导致桩身破坏。