横穿河底浅覆土小净距隧道盾构掘进施工工法

横穿河底浅覆土小净距隧道盾构掘进施工工法1.前言现阶段盾构法施工中，由于隧道线路走向的限制，常面临横穿河底的情况，隧道直径大于隧道顶部覆土厚度时，即为浅覆土隧道段。河底浅覆隧道段地层中常具有含水量高、流塑性大、覆盖层薄等特点，传统施工中常因注浆方式不当、注浆材料不当、掘进参数调整不及时以及监控量测精准度差等常出现盾构机栽头或上浮、隧道管片上浮位移、地表沉降等问题。中国水利水电第四工程局有限公司成都分公司为了解决盾构法横穿河底浅覆土小净距隧道时出现的相关技术难题，展开技术研究，通过理论分析、室内试验、工程验证，整理并提出了一套：“横穿河底浅覆土小净距隧道盾构掘进施工技术”，该技术通过创新注浆工艺、增设无人船监测、优化掘进参数，解决了盾构横穿河底浅覆土小净距隧道中易出现的盾构机栽头或上浮、隧道管片上浮位移等问题，确保了河底隧道的施工精度与施工安全，综合效益优异。中国水利水电第四工程局有限公司成都分公司将该套技术整理汇编形成了《横穿河底浅覆土小净距隧道盾构掘进施工工法》。2.工法特点2.1该工法相较于传统盾构掘进施工，提出了盾尾注浆+管片开孔注浆+中盾预留孔注浆的同步饱和注浆技术，浆液采用速凝、早强的双液浆，应用该技术施工可以即时填充固结盾构隧道周围土体，同时给予管片环径向约束，以便抵抗土体的收缩坍落变形，对控制地层沉降、管片上浮均有较好的效果。2.2该工法引入无人船测量技术替代了传统的人工船监测技术，依托多设备空间搭载船体平台，集成不同型号的GNSS定位系统、测深仪、红外测距、ADCP等设备，将遥控传感器、避障系统、无线通信、视频回传、惯性导航、声呐探测等技术融合，实现了自动精准、高效地统计分析监测数据，并实时传输形成河底地形变化特征及规律图至盾构操作间，便于下方盾构根据监测情况做相应掘进参数调整，大幅提高了隧道掘进施工精度与施工安全。3.适用范围该工法适用于盾构机横穿水域浅覆土地层结构的类似工程掘进施工。4.工艺原理4.1盾尾注浆+管片开孔注浆+中盾预留孔注浆的同步饱和注浆技术该技术主要通过自动监测控制系统实现盾尾、管片、中盾三个部位的同步饱和注浆，该系统由盾尾间隙测量仪、间隙控制盒、监测数据分析总控台、注浆系统、传感器组成。盾尾注浆基于盾尾间隙测量仪，实时测量，并通过软件自动计算和保存间隙值，以图形和数字结合的方式显示测量结果，测量结果自动调入管片管理系统，推进完成后自动计算本环最佳管片拼装点位和最佳同步注浆量；管片开孔注浆：采用提前加设注浆孔的特殊配筋管片，针对腰部及以上部位管片加注双液浆，注浆压力根据上部土体的沉降量确定。中盾预留孔注浆：通过提前预设的注浆孔接50mm的单向球阀，在球阀上装传感器，通过传感器控制注浆压力及注浆量，注浆范围为隧道周围全部土体，腰部以上部位注浆深度不低于3m，腰部以下部位注浆深度不低于0.5m。三个部位注浆均利用盾构机自带的同步注浆泵分管路到盾尾、中盾、管片预留孔，在盾构机顶进过程中通过操作室总控台发布指令同时进行充填注浆。4.2无人测量船技术主要采用高精度卫星实时定位（RTK）技术，在导航计算机系统控制下，监测船低速走航式工作，实时连续记录水深及位置，实时船姿调整，同步潮位和声速改正，最终换算成测点标高，作为水下地形背景基准数据，利用SURFER软件进行DEM建模，形成影响施工的监测点几何数据，制作出水域监测曲线表，实时跟踪并反馈河底地形变化态势，形成河底地形变化趋势图，实时反馈至盾构操作工作间，操作间工人根据反馈数据及时调整盾构掘进参数，有效提高了隧道掘进施工精度与施工安全。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程主要工艺流程如下图5.1所示：图5.1工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工准备1.针对穿越段对主要技术人员、盾构操作手、拼装手进行一次全面的技术、安全交底。2.在盾构机穿越前，由项目部测量队提前做一次控制测量和联系测量及人工盾构机姿态，并由三方进行复核，确保盾构姿态的准确性。3.设置试验段认真总结以往掘进经验，对掘进参数进行分析、优化、以最佳、最合理的参数掘进通过此段，严格控制超挖量。4.盾构通过后穿越段地表进行跟踪监测，并及时反馈，视反馈情况及洞内超挖大小及时对地层进行补充注浆。5.为保证盾构机顺利穿越锦江，本段施工采用1.8米A型加注浆孔的管片，提前储备足量的管片，防止因管片不足导致停机等待。图5.2.11.8米A型加注浆孔管片5.2.2监控量测现场盾构掘进施工过程中采用无人测量船实时采集获取高精度河底三维地形数据，借助CASS数据处理软件，对其进行滤波、平滑、网格化等技术处理，绘制TIN网，再利用SURFER软件生成二维等深线图和3D曲面图。通过与基准背景数据叠置分析，实现了从“面”上直观清晰获取江底起伏状态、局部变形特征及分布区域，再辅以盾构施工轨迹叠加对比，可较全面地获知盾构掘进影响区域及变形态势。信息采集分析完成后，将实时数据反馈传输至盾构操作间，操作手根据河底地形变化态势相应地调整盾构掘进参数。5.2.3盾构顶进盾构掘进过程中根据水上无人船采集分析的数据对盾构掘进模式、土仓压力值、出渣量、推进力、扭矩和推进速度、盾构姿态、注浆等进行实时调控。盾构机采用保压模式掘进；穿越段盾构机表覆土厚度约为8-12米，土压宜保持在1.0-1.5bar，并根据实际情况调节；盾构机垂直姿态控制盾尾在-40mm左右，刀盘控制在-50mm左右；注浆压力根据无人船实测土层沉降值实时修正。5.2.4渣土改良泡沫：浓度控制在1%~3%之间，发泡倍率应控制在4~6之间，生成泡沫流量控制在100~200mL/min之间。主要根据刀盘的扭矩、千斤顶的推力、实际出土的情况三项参数，调整泡沫系统的参数，当观察到出土的含水量过高或出土较干时，应立即调整泡沫的注入量。通过试验后确定分散型泡沫剂（泡沫内按4∶1的比例掺入分散剂）作为土体改良外加剂，分散剂在接触土体后可以与土体发生化学反应，软化土体，使得压力舱内充满的开挖土渣的塑性流动性大大提高，也有效避免了开挖土渣粘附在刀盘上，确保了盾构的正常掘进施工。5.2.5隧道管片安装针对横穿河底隧道采用特殊配筋的管片，同时管片增加注浆孔，根据横穿河道长度，储备足量的1.8mA型加注浆孔管片。管片选型以满足隧道线形为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一循环掘进限值，确保有合适的盾尾间隙，防止由于选型错误而造成的管片破损。管片安装需遵循一定的顺序，从底部开始，依次安装相邻块，最后安装封顶块，同时管片均采用错缝拼装的形式。穿越段管片为1.8米A型加注浆孔的管片，螺栓等级为8.8级，型号M30，拼装时安装一块管片初紧一块螺栓，拼装结束后应及时对环纵向螺栓进行二次紧固。管片防水主要从依靠以下5个方面：①管片混凝土自防水：管片混凝土采用高抗渗等级的混凝土（S12）；②衬砌管片外防水涂层；③衬砌接缝防水：主要采用弹性密封垫防水、嵌缝防水；④螺栓孔防水：螺栓孔采用遇水膨胀橡胶垫防水；⑤盾尾充填注浆。5.2.6地层充填饱和注浆1.盾尾注浆引入力信RMS盾尾间隙自动测量系统，可实现对盾尾间隙量的实时监测，得到精确的注浆量值。注浆浆液根据现场施工需要配置具备速凝、早强特点的双液浆，具体配合比详见下表：表5.2.6.1-1自动同步注浆A液单位：kg材料水泥水8%泥浆缓凝剂配合比用量80080024010表5.2.6.1-2自动同步注浆B液单位：L材料水水玻璃配合比用量13表5.2.6.1-3自动同步注浆A、B液用量单位：L材料A液水泥浆B液水玻璃配合比用量101在掘进过程中注浆量以出土量和监测结果为依据进行调整，双液浆初凝时间短，结实率高，配合同步注浆压力，控制注浆量，要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到填补而不劈裂土体，同时同步注浆压力不得大于0.5MPa。2.管片开孔注浆在盾构通过段影响范围内的管片上增设注浆孔，根据地质及掘进情况，盾构通过后，从洞内对隧道周围土体进行二次注浆，加固土体。注浆位置不宜距离盾尾过近，避免浆液窜至土仓内形成泥饼，一般距离盾尾6m位置。二次注浆同样采用双液浆，补浆量为同步注浆量的10%-15%，注浆利用低压、少量、多次注浆的方式及时补充因原有浆液固结收缩所产生的空隙，防止地表沉降，注浆压力需要根据实际地质情况、地面监测情况及时进行适当调整，一般控制在0.3MPa之间，同时控制稳压时间不少于30min。图5.2.6.2盾构管片注浆3.中盾预留孔注浆利用盾构机中盾预留孔接50mm的单向球阀，用一根同步注浆管接在球阀上，在球阀上安装压力传感器，在此位置注浆时，注浆压力应大于此位置的水压力加土压力之和，同时小于土仓压力，做到紧密填充的同时又不会使浆液流入土仓，腰部以上注浆加固深度大于3m，腰部以下注浆加固深度不小于0.5m。三个部位注浆均利用盾构机自带的同步注浆泵分管路到盾尾、中盾、管片预留孔，在盾构机顶进过程中通过操作室总控台发布指令同时进行充填注浆。上部土层注浆填充饱和后，准备下一循环施工。6.材料及设备6.1材料主要施工材料如下表6.1所示：表6.1主要施工材料表序号材料牌号/规格单位用途1钢筋砼管片L=1.8m环隧道衬砌封闭2管片螺栓/套隧道管片固定3三元乙丙止水条1.8m环止水4丁腈软木衬垫/环防水5分散式泡沫剂/t渣土改良6水玻璃巴士夫t配置注浆液7单向球阀50mm个中盾注浆6.2机械设备主要施工机械设备如表6.2所示：表6.2主要施工机械设备表序号设备名称规格、型号单位用途1盾构机Φ6840mm台隧道掘进2盾尾间隙自动测量系统力信RMS套盾尾间隙量监测3压力传感器PC11B套注浆压力控制4双液注浆泵UB3台注浆填充5无人测量船华微6号台监控量测7.质量控制7.1工程质量控制标准本工法主要遵照执行的现行规范、规程、标准主要有：7.1.1《盾构法隧道施工及验收规范》（GB50446-2017）7.1.2《地铁设计规范》（GB50157-2013）7.1.3《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）7.1.4《地下防水工程质量验收规范》（GB50208-2011）7.1.5《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）7.1.6《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2018）7.1.7《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-2018）7.2质量保证措施7.2.1.测量监测正式施工前，预先对无人监测船进行试验段测量，确保其施测精度能满足盾构隧道沉降量监测精度要求；同时无人监测船每隔5天须进行一次调试，保持其测量精度维持在一个较高的水平。7.2.2掘进参数控制盾构掘进过程中根据水上无人监测船采集分析的数据对盾构掘进模式、土仓压力值、出渣量、推进力、扭矩和推进速度、盾构姿态、注浆等进行实时调控，确保隧道施工精度。表7.2.2盾构穿越河道浅覆土地层结构掘进参数控制表序号参数名称大小1总推力1600～1800T2掘进速度45～55mm/min3刀盘转速1.5～1.8r/min4刀盘扭矩4500~5500kN.m5土压力1.0～1.5bar7.2.3注浆控制1）注浆所用材料必须满足设计的规定要求，物资部进行材料进场验收时须严格把关，同时场内的过期浆液应立即处理，不可用于现场注浆施工。2）注浆浆液的配比需在设计的基础上，根据现场实际情况进行微调，浆液拌制时允许的最大误差不得超过±3%。3)浆液拌制过程中要充分搅拌，搅拌至浆液完成混合为止，不允许浆液有结块或者沉淀，池内浆液禁止使用。4）在采用饱和注浆时，注浆过程中，需要时刻控制注浆压力，中盾预留孔注浆压力不得高于土仓内部压力，避免浆液顺流至土仓内；盾尾和管片处注浆时同样需要时刻注意注浆压力变化情况，宜采取间断性的注浆方式，防止浆液乱串。5）多个泵同时注浆，应提前做好标记，防止记混；注浆须严格以设计及方案要求为前提进行，切不可仅凭经验施工。7.2.4管片拼装1）采用特殊配筋的管片，同时管片增加注浆孔，已根据穿越长度，储备足量的1.8mA型加注浆孔管片。2）管片安装需遵循一定的顺序，从底部开始，依次安装相邻块，最后安装封顶块。3）管片均采用错缝拼装的形式。7.2.5防水材料铺装1）防水材料粘贴前，清理管片表面，确保无附着物。2）粘贴完成后的密封垫，四个角部的密封垫不得出现耸肩、塌肩现象，密封垫表面应在同一平面上，严禁歪斜、扭曲。3）衬垫粘贴后在管片上应牢固、平整、严密、位置准确，不得鼓起，严禁敲破止水条。8.安全措施8.1盾构掘进前，充分了解工程地质，水文地质等勘探资料，加强开挖面管理与掘进参数控制，提前制定专项施工方案及应急方案。8.2提前做好盾构机的检修保养工作，及时更换磨损的零部件，保证各项施工辅助材料注入通道和同步注浆系统的完好及畅通，保证盾构机的高效性，避免出现在穿越过程中由于设备原因造成的停机。8.3盾构穿越期间，需加强地表沉降以及隧道成型管片的监测频率，一旦监测数据异常，应立即暂停掘进施工，分析原因，采取合理的措施。8.4管片拼装时，管片拼装机旋转范围内严禁站人。8.5对垂直运输起重设备的索具、钢丝绳、土箱、管片吊钩等做到定期检查，安全使用各种安全装置，及时维修。井口吊装作业时配置声控闪光信号装置作警示。8.6水底掘进中密切关注土仓中的压力变化，一旦发生喷涌及时关闭螺旋输送机停止掘进，注满盾尾油脂，在螺旋出土器和土仓中加入膨润土，以达到止水的效果。8.7坚持做到岗位交接班制度，保证岗位24小时有工作人员在场，不得擅自离岗缺勤，有事必须提前请假，以便人员的调整。8.8隧道内水泵完好，隧道内的排水管路畅通，保证积水能以最快速度排出隧道。8.9隧道内人行通道保证完好，电路、水路供应充足，并安排专人进行电气设备的保养及维护。9.环保措施9.1将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.2优先选用先进的环保机械。采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。9.3避免材料运输对邻近区域路面及交通影响，大型材料运输尽量安排在夜间进行。9.4设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。9.5在盾构掘进施工过程中，铺设良好的管道排水、排污系统，所有生活和生产中产生的废水及水泥浆液均经过过滤、沉淀等方式集中处理后排出，未造成水污染。9.6盾构正常掘进时各施工现场设置的集土坑能够满足临时堆土需求。并采用加盖封闭式载重车进行弃土晚间运输。为了防止土方运输车辆污染道路，运土车辆出去时在洗车台处将车辆轮胎冲洗干净，防止带泥上路。9.7定期清运沉淀泥砂，做好泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。9.8避免材料运输对邻近区域路面及交通影响，大型材料运输尽量安排在夜间进行。10.效益分析10.1经济效益本工法相较于常规盾构施工工艺，通过创新注浆工艺、增设无人船监测、优化掘进参数，保障了盾构施工轴线控制要求，提高了河床沉降监测精度与管片拼装及防水质量，节约了大量隧道渗漏水处理费用以及盾构机栽头或上浮、隧道管片上浮位移以及地表沉降（冒顶）的纠偏处理费用，具体经济效益分析详见下表10-1：表10-1经济效益分析表序号横穿河底浅覆土小净距隧道盾构掘进施工工法1增加费用无人船监测设备约120万元2渣土改良约20万元3创新注浆工艺约80万元4减少费用渗漏水处理约140万元5纠偏处理约350万元合计节约费用170万元本工程采