摘要：本文主要针对浅覆土透水砂层泥水盾构施工关键技术的研究展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对浅埋地层大直径泥水盾构的始发技术作了详细的阐述，并分析了盾构下穿时铁路桥变形预测和泥水分离系统及适应性改造，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。
关键词：泥水盾构；施工；关键技术
0 引言
泥水盾构施工由于自身具有的优点，在如今的施工建设中有着广泛的应用。而为了进一步促进泥水盾构的施工发展，施工方就需要掌握关键的施工技术，并积极做好相应的工程施工作业。基于此，本文就浅覆土透水砂层泥水盾构施工关键技术的研究进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 工程概况
某地下轨道工程由南、北线隧道组成，其长度分别为1.85、1.8km。本工程采用2台直径为11.65m的泥水盾构从东侧的4#、2#工作井下井始发掘进。隧道纵坡采用“V”字型分布，其最大设计纵坡坡度为5.5%，盾构始发段的最小覆土厚度分别为3.4、6.3m，正常掘进段覆土厚度为1.5～13m，其中盾构下穿东河段河底到隧道顶净距仅2.9m，地下水埋深为1～2m。
1.2 工程地质
盾构隧道主要穿越的地层包括砂质粉土、砂质粉土夹粉砂、淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹砂质粉土、淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土层等，整体属上软下硬地层。始发段纵剖面如图1所示。
图1 盾构始发段纵剖面图（单位：m）.png)
1.3 工程重难点分析
1.3.1 盾构始发
本工程盾构始发端头地层主要为饱和性砂质粉土和粉土夹淤泥质土，渗透性较强，场地地下水丰富、水位高，且始发端头均位于主干道下，埋深均小于1倍洞径，属于超浅埋工况，施工风险极高。盾构始发安全不仅关系到盾构设备和工程的安全，同时也关系到地面的交通安全，因此，如何确保盾构始发安全是盾构施工的重点。
图2 铁路桥箱涵处隧道横剖面图.png)
1.3.2 盾构隧道下穿铁路桥
铁路桥机动车道与非机动车道地面高度差为2.5m，非机动车道与道外地面高度差约为3.5m。地下通道盾构隧道中线位于人行道上，其一半位于铁路桥箱涵下，另一半位于铁路土路基下方（见图2）。盾构下穿铁路桥段地质为粉砂土，而该桥为铁路运输干线，铁路行车轨面对沉降极为敏感，因此，如何确保铁路运输安全既是本工程的重点，也是难点。
1.3.3 泥水处理系统选型配套及净化处理
由于地层颗粒极细，在分离设备运行过程中，旋流器经常被细颗粒土体黏住，无法实现旋流分离，而振动筛只能振动分离泥浆中携带的大块黏土，无法分离泥浆中的细颗粒物质。因此，我们有必要结合该地质条件对原系统进行适应性改造，进而提高细粉砂土或淤泥黏土地层条件下泥水分离设备的泥浆处理效果。
2 浅埋地层大直径泥水盾构始发技术
某地下轨道工程地质条件以粉砂土和淤泥黏土为主，自稳性差，在地下水渗漏情况下极易形成空洞，致使地面塌陷、地下水回灌工作井，从而造成盾构和工作井被淹，危及交通安全。因此，需要从设计方案和施工措施上研究出一整套的大直径泥水盾构始发技术和工艺标准，为盾构施工提供科学依据和技术支撑。
2.1 端头加固方案设计
2.1.1 确定端头加固范围
本项目盾构直径为11.65m，主机长11.6m，与过江隧道工程和过河隧道工程所用盾构均为同一台。由于加固范围及相关施工参数确定不合理等原因，之前一些工程经常出现不同程度的塌陷事故，如图3所示。
图3 盾构始发时不同程度的地面塌陷.png)
为避免之前项目在盾构始发期间出现的问题再次出现，本项目根据盾构的长度、浆液注浆压力和扩散半径等参数，综合考虑，将盾构始发端头加固范围确定为纵向长15m，竖向由地面加固至隧道底以下5m，横向对隧道两侧各加固5m。另一方面，由于南线隧道盾构始发端头覆土厚仅3.4m，增加1个38m长的次加固区，以确保盾构在超浅覆土工况下安全施工，同时使隧道覆土厚度达到6.5m，满足正常建立泥水压力的要求。
2.1.2 施工工艺
（1）北线隧道。北线隧道盾构始发端头均位于项目施工场地内，场地宽阔，地质为粉砂土和淤泥黏土，且加固范围内无市政管线，综合考虑场地、成本和工期等因素决定采用三轴搅拌加固，搅拌桩与工作井围护结构间30cm间隙采用三重高压旋喷桩加固处理。
（2）南线隧道。南线隧道盾构始发端头位于主干道两条路交叉口，并横穿整个路口，受地面交通组织影响，需分10期进行施工。同时，加固范围内存在华数、电信、移动、联通、国防和长途等多种通信管线，且均无法迁改，需就地采取保护措施。综合考虑各施工工法的设备、成本和工期等因素，决定采用三重高压旋喷桩加固。
2.1.3 加固效果检测
根据端头加固的功能，同时确保盾构刀盘能顺利切削，端头加固体强度须达到1MPa以上，抗渗系数满足10－7cm/s。端头加固完成并满足28d龄期后，采用垂直取芯试验检查桩体的加固强度和抗渗性，并在洞门混凝土破除前通过水平探孔试验检查桩体的咬合质量和渗水情况。经钻孔取芯试验（见图4）表明，端头加固后基本满足盾构始发要求。
图4 钻孔取芯试样.png)
2.2 洞门密封优化改造
2.2.1 第1道密封
第1道密封的预埋洞门钢环，采用16mm的钢板焊接加工制作成“L”型（如图5所示），通过锚固钢筋预埋在工作井侧墙内，同时为防止钢环在吊装期间产生变形，在钢环的内弧面设置槽钢，并在槽钢上焊接1加强板进行加固。
图5 预埋钢环设计示意图（单位：mm）.png)
2.2.2 第2道密封
第2道密封的延长洞门钢环采用16mm钢板焊接加工制作成“L”型（如图6所示），通过焊接固定在预埋洞门钢环的面板上，同时为防止钢环在吊装期间产生变形，在钢环的内侧、外侧间距40cm焊接1个加强板。
图6 延长洞门钢环设计示意图（单位：mm）.png)
2.3 始发段掘进参数优化分析
2.3.1 泥水压力
根据理论公式“泥水压p=土压（含水压）p0+加压+余裕压”（加压要根据渗透系数、开挖面松弛状况和渗水量等进行设定，一般标准为0.2kg/cm2；余裕压通常取值为0）计算结果，在始发阶段初步设定的泥水压力为0.18MPa，但在10m范围内，不进行压力设定，仅仅充满刀盘舱满足盾构掘进即可。在施工过程中，根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。
2.3.2 泥水质量控制
在粉砂层和粉土层中掘进时，由于粉砂层稳定性差且含泥量低，为加强对正面土体的支护，防止地面冒浆，故采用重浆推进。泥水体积质量控制在1.15～1.25g/cm3，黏度控制在25～35Pa·s。为确保泥水质量，在推进过程中，要加大泥浆测试频率，及时调整泥浆质量，保证推进顺利进行。
2.3.3 推进参数控制
（1）为防止排泥管路吸口堵塞、控制推进轴线和保护刀具、刀盘，盾构始发切削加固区域时的推进速度控制在20mm/min以内。掘进时，要随时观察刀盘扭矩的变化情况，及时调整推进速度。进入正常掘进阶段，掘进速度控制在30mm/min左右，考虑泥浆循环能力，并与之相协调。
（2）加固区长15m，连续墙厚1m，结构侧墙厚1.2m。盾构停机注浆封堵位置定在加固区13.5m位置处，此时刀盘还有1.5m距离出加固体（如图7所示），即盾构在加固体内掘进13.5m时，盾尾已进入加固体1.5m（盾构底部距洞门最近）且距第1道密封和第2道密封分别为3.6m和4.2m。在该处停机既可降低洞门密封注浆对盾尾的影响，又可在未正常建压情况下确保地面交通安全。
图7 盾构停机位置纵剖图（单位：mm）.png)
（3）在盾构始发掘进时，盾构总推力不宜大于18000kN，且应将推进系统各组油缸的压力控制在7MPa以内。
2.4 注浆技术
2.4.1 同步注浆
当盾尾通过第1道洞门密封后即开始同步注浆，在盾尾通过第2道洞门密封后，由于管片与洞门预埋钢环之间的空隙较大，此时的同步注浆量约为19m3/环。在盾构全部进洞后，开始对管片和土体的间隙采用双泵四管路（四注入点）对称、智能化同步注入水泥砂浆。由于通过地层较为松散，同时结合该工程的洞门止水及漏浆的实际情况，初步将同步注浆量暂定按盾尾与管片之间理论空隙值的150%进行，后期掘进过程中，需根据地表沉降监测结果，合理调整同步注浆量。
图9 铁路桥沉降曲.png)
2.4.2 二次注浆
盾构在加固体内掘进至12m（即刀盘距加固体边缘剩余3m）时停止掘进，此时盾尾距第2道密封约2m，开始洞门封堵注浆。洞门封堵注浆以双液浆为主，洞门封堵二次注浆采用延长洞门和洞门钢环上预留的注浆孔进行注浆，其目的主要是在盾构后边形成封闭环，使盾构建立有效的泥浆压力，以确保盾构出加固体后的地面稳定，避免出现塌陷而影响地面交通安全。同时也可对洞门处各项施工产生的孔隙进行封堵，防止洞门渗漏水。注浆结束的标准为泥浆压力正常建立后洞门不漏浆且盾尾管片二次注浆孔打开后不渗水。
3 盾构下穿时铁路桥变形预测
在确保铁路桥安全的基础上，为降低盾构工程施工成本，有必要对南、北线盾构通过铁路桥时的沉降及铁路桥受力情况等进行分析，进而确定是否需要对地层进行加固处理。本文采用ANSYS有限元软件对铁路桥的沉降及其结构进行受力分析。
3.1 建立仿真模型
根据隧道与铁路桥的关系，建立1个横向长度为130m（边界距隧道边缘的距离均超过了3D，D为隧道直径）、纵向长为140.8m、隧道底部至下边界的距离为10.5m、上部边界取至地表的有限元计算模型。左边2孔为人行桥涵，中间2孔为机动车行驶桥涵，桥涵顶部为某铁路。根据现有成果，满足前述边界条件，可以认为边界的位移为零，因此有限元模型左右边界约束水平位移，下部边界约束竖向位移，上部边界自由，不进行任何约束。桥涵上考虑列车荷载为中荷载，取92kN/m进行计算。
3.2 开挖过程模拟
为了尽量真实地模拟盾构掘进对地面的影响，分析过程中采用了分段掘进的增量法，且考虑了同步注浆压力和盾构掌子面压力等因素。鉴于左右隧道是先后施工，其中后掘进隧道与先掘进隧道工期相隔较长，南线隧道贯通后才施工北线隧道，计算过程采用分步开挖的增量法模拟隧道的开挖，离散化的计算模型如图8（a）所示，其中铁路桥实体模型如图8（b）所示。
3.3 仿真结果分析
3.3.1 铁路桥沉降分析
在未对地层加固情况下，南、北线隧道通过铁路桥后，铁路桥所产生的沉降曲线如图9所示。
线
从图19分析可知，土层未加固盾构掘进施工时：
（1）盾构掘进引起了桥涵的沉降，其中桥面的最大沉降和桥底的最大沉降一致，均为25mm，说明铁路桥的整体刚度是较好的。
（2）南线隧道单独通过后，铁路桥3孔框架两端产生不均匀沉降，分别为12.5、1.5mm，二者的沉降差为11mm，符合铁路桥的沉降差规定。3孔铁路桥长33.6m，沉降斜率为0.03%，满足要求。
（3）北线隧道通过后，铁路桥3孔框架两端产生不均匀沉降，分别为25、18mm，沉降差为7mm，符合铁路桥的沉降差规定。但必须注意的是，北线隧道施工改变了铁路桥两端的沉降变化值大小，铁路桥南端沉降由北线隧道施工的最大沉降点变为次大沉降点，原沉降较小的桥北端变为最大沉降点，因此施工中应密切监控沉降变化，及时调整施工参数并补充道碴，调平轨道。
图8 仿真分析模型.png)
3.3.2 铁路桥受力分析
基于ANSYS软件，对铁路桥既有状态下的第一、第二和第三主应力以及左右线盾构先后掘进通过铁路桥后铁路桥产生的第一、第二和第三主应力状态进行分析，得出：隧道掘进引起桥涵结构的附加应力较小，在结构的安全允许范围内，不会造成其结构的损坏。铁路桥各向主应力如表1所示。
表1 铁路桥各向主应力情况
通过仿真分析可知，在未对地层加固的情况下，南、北线盾构先后掘进通过铁路桥时所引起的沉降符合铁路桥的沉降差规定，且不会对铁路桥的结构造成损坏。
4 泥水分离系统及适应性改造
4.1 泥水分离设备选型
本工程所采用泥水盾构原状土的出土量为213m3/环，淤泥质黏土的体积质量为1.5～1.6g/cm3。根据以往类似工程的施工经验，按照18～20mm/min的推进速度推算，泥浆循环流量在1000～1300m3/h，进出浆体积质量差为0.1～0.16g/cm3。因此，结合项目实际工况及考虑经济适用性，最终选用处理方量为1500m3/h的泥水处理系统，其一级旋流器处理颗粒粒径大于60μm，二级旋流器处理颗粒粒径大于20μm。
4.2 存在问题及适应性改造
盾构隧道断面上层粉砂粉土占比20%～25%，底层黏土及淤泥质黏土占比50%～60%，黏土含量较高，泥浆的颗粒很细微，不利于泥水分离。因此，针对泥水筛分不充分和过流能力不足等工程实际问题，对泥水分离设备进行适应性改造。
4.2.1 泥水筛分不充分
问题分析：泥水盾构在淤泥质黏土占比较高的地层施工时，由于橡胶筛板的弹性和黏性等因素，使得黏土出渣和浆液下溢存在一定困难，进而导致大量黏土块堵塞在预分筛上层，最终无法达到分离效果。
改造措施：在预分筛上层增加棒条，同时增加高压水冲洗管路，并将筛板角度调整为下倾10°，从而起到很好的分离效果。增加冲洗管路后，黏土块会增加运动速率，不易滞留；另外，圆形筛条跟方形筛条相比较，更加圆滑，黏土块不容易粘到筛条的缝隙处；调整筛板下倾角度后，在重力作用下，黏土块的下滑分力更大，往下滑落的趋势更大。实践证明，通过采取针对性改造措施，明显减少了筛板堵塞情况的发生。
4.2.2 过流能力不足
问题分析：在黏土地层，预分筛下层容易出现堵塞漫浆现象。
改造措施：把下层筛板改成竖向，有利于黏土在筛板上滑动，在设备下料口下方的下层筛板留出1m长度，安装一定斜度的棒条。
此外，延伸筛板的长度，目的是延长黏土块及泥浆的运动轨迹，将其运动面均设置为棒条，在棒条的下方设置回浆槽，靠高度差使得泥浆自流入潜流槽，参与下一步的旋流分离。这样做的好处是能够给泥浆的回流提供足够的长度和时间，而不至于有大量的泥浆漫流到设备下方，造成渣土和泥浆混成一体，严重降低渣土的运输效率。
5 结语
综上所述，随着我国城市地下交通的快速建设发展，泥水盾构凭借自身的优点，得到了极为广泛的应用。因此，为了确保地下交通的建设施工质量，施工方需要熟练掌握关键的施工技术，以做好泥水盾构的施工作业，从而为地下交通的建设发展带来帮助。
参考文献：
[1]陈健、黄永亮.超大直径泥水盾构施工难点与关键技术总结[J].地下空间与工程学报.2015（S2）.
[2]尹成虎.浅埋粉细砂层挑高段施工关键技术[J].信息化建设.2016（01）.
论文作者:刘祥东
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/10/13
标签：盾构论文; 铁路桥论文; 泥水论文; 隧道论文; 黏土论文; 泥浆论文; 地层论文; 《基层建设》2016年12期论文;