大直径盾构机长距离穿越高速公路施工技术

大直径盾构机长距离穿越高速公路施工技术

王 璟

中铁广州工程局集团城市建设工程有限公司   广东 广州   510000

摘要：目前伴随着城市规模的日夜扩大，现今盾构法施工在城市市政工程建设中已得到广泛应用。但是在盾构机进行掘进施工中，不可避免的会穿越高速公路及铁路桥梁，盾构机法施工可以在科学管理及合理的控制下既保证地面交通正常通行而不造成社会影响，能够适应隧道工程复杂多变的地质条件，在盾构隧道施工中有明显的优势。如果采取的施工方案不合理或者考虑不够周全，往往会使工程进度停滞不前、对周边环境产生不良影响甚至造成重大安全事故。如何对其进行施工和控制，成为盾构隧道施工中的一个关键性问题。

关键词：盾构掘进；穿越；高速公路；控制；监测

一、项目概况及设计简介

深圳市共建管廊工程14GL-101标土建四工区位于深圳市龙岗区。本标段共设“四井四区间”即“15#（含）～19#（不含）盾构区间”，拟投入2台直径8830mm复合盾构机。其中16#～15#综合井区间全长1134米，盾构自16#综合井小里程端始发，沿线侧穿中万印刷厂宿舍楼、隆袆鞋业公司宿舍楼、阿宝工业园宿舍楼1栋、下穿水官高速、杭深高铁钢架桥、次高压燃气后到达15#综合井大里程端吊出。

地勘资料显示，16#～15#综合井区间隧道主要掘进的地层为：全风化砂岩（3-1）、强风化砂岩（土状夹碎块状，3-2-1）、强风化砂岩（碎块状为主，3-2-2）、中风化砂岩（3-3）、微风化砂岩（3-4）及局部⑧5粉质黏土等。16#-15#综合井区间于LK14+309-LK14+684（共计375米）穿越水官高速，隧道顶埋深约22.6m-31.2m。（如下图所示）

图116#-15#综合井区间盾构穿越水官高速段航拍图

二、主要施工难点及风险分析

2.1地质起伏大、软硬不均对盾构机长距离穿越高速公路风险大

从该区间地质剖面图可以发现，隧道下穿线路在水官高速下地层波动起伏较大，主要的地层为土状、块状强风化砂岩、中风化砂岩，局部还有断裂带，软硬不均地层给盾构带来较大的风险。同时线路在高速公路正下方勘察难度大，设计勘察提供的地质资料准确度较差。盾构下穿进入高速公路后，施工影响着整个高速公路的行车安全，375米的长距离穿越风险较大。

图216#-15#综合井区间地质剖面图

2.2高速公路位置敏感，沉降控制要求高，施工保护难度大

盾构掘进对双向十车道的水官高速影响范围长达近400米，水官高速公路为深圳市龙岗区东西方向的交通大动脉（时速100千米/小时），一旦中断交通影响极大，高速公路产权方对盾构穿越尤其重视，安全级别很高增加了施工保护的难度。

2.3软硬不均地层使盾构机掘进姿态和出土量控制难度都较大

盾构进入软硬不均地层后，盾构推力、扭矩等掘进参数波动较大，掘进速度慢，扰动大主要是贯入度小，刀盘的转速高。盾构司机本能反应是以出渣换取掘进速度，土压盾构直接体现为超量出渣。超量出渣往往集中在软弱地层，造成地层变形与沉降，严重的话造成地表坍塌。

2.4为维持上部软弱地层的稳定，土仓内常需保持较高的土压，同时因盾构机掘进速度慢，摩擦作用使得仓内土地温度升高，从而容易产生结泥饼的现象

软硬不均地层掘进速度慢，碴土温度高，刀盘刀具切削下来的细小颗粒、碎屑在密封仓内和刀盘区重新聚集而成半固结或固结的块状体。当盾构穿越地层为泥岩、砂岩、黏土等地层时，盾构掘进容易产生泥饼，造成刀具失效从而发生磨损。刀盘结泥饼后掘进速度进一步减慢，刀盘扭矩也会上升，大大降低开挖效率，甚至无法掘进或引起地表变形等次生灾害。

三、盾构长距离穿越高速公路施工控制技术

根据周边环境情况及盾构法施工的特点，施工过程中主要从盾构机掘进参数方面入手减少地表沉降及地下空洞，并配以其辅助措施，降低盾构下穿高速公路的施工风险，确保盾构施工影响范围内的绝对安全。

3.1穿越前准备工作

施工前应对盾构机穿越影响范围内的所有构建筑物进行现场调查及踏勘，收集相关的原始资料，针对穿越风险源进行识别提前做出预案，并准备相应的材料设备。

3.1.1地质补勘

（1）目的：对穿越段进行地质补勘，进一步摸清地质情况，为编制针对性的专项施工方案提供详实基础地质资料。

（2）地质补勘：按20-30m的间距布置补勘孔，若遇不良地层加密补勘，探测出岩面分界线，补勘钻孔取芯期间施工单位、监理单位旁站，做好钻孔取芯记录和芯样照片，完成后出具《地质补勘报告》。

（3）注意事项：①高速公路上需办理手续后方可进行钻孔补勘；②做好补勘孔封孔，防止后期盾构穿越期间补勘孔漏气、冒浆，导致土仓失压。

3.1.2编制方案、应急预案及安全评估

（1）根据设计图纸、补勘地质、现场实际情况，编制专项施工方案、监测方案及应急预案。

（2）结合该项目的现场、设计方案、设计图纸、相关单位资质证照以及该项目的施工方案、施工图纸等有关项目资料，采用标准、规范对照评价，辅以MIDAS/GTS NX有限元分析软件建模分析，找出该项目对所涉公路结构及配套设施影响、公路通行能力影响以及施工过程

的安全风险，作为预防事故的一种重要手段。

3.2穿越过程中施工

3.2.1加强掘进参数管控

（1）制定掘进参数一张表

提前将盾构掘进主要参数汇总在一张表中，并设置掘进参数控制值，粘贴在监控室和盾构操作室，形成“掘进参数一张表”，指导现场施工。

（2）掘进参数曲线图管理

提前设置掘进参数目标值、控制值上限、控制值下限和阈值，在掘进完成后录入实际值，自动生产参数曲线图。根据曲线图走向和变化变化趋势，分析原因并调整参数。

图3刀盘转速控制图

3.2.2渣样分析

（1）判断掌子面目前地质情况、判断渣样是否变化、判断目前地质与勘察报告中的地质是否相符，从而判断是否调整掘进参数，指导下一步施工。

（2）通过渣样粒径大小、形状、占比，判断刀具是否磨损，贯入度是否合理。

（3）每环掘进中或渣样发生变化时，技术员及时对渣样进行分析：

① 从渣样的颜色、性状、块粒的新旧、软硬程度，分析刀盘切口处地质情况。

② 对渣样进行清洗、筛分和称重，计算不同粒径渣样的占比，分析掌子面地质情况和刀具磨损情况。

图4渣样分析图

3.2.3出渣量控制措施

（1）单斗出渣量和油缸行程控制措施。

（1）监控室设2名专职技术人员，负责控制每斗的出渣量和推进行程。

（2）制定出渣量计算控制表，通过残渣量反算每个渣斗油缸行程量，每斗掘进完成后快速核算出渣是否超方，调整下一斗出渣量。

图5 出土量计算样表图

每斗掘进前（每斗预控行程）：龙门吊倒土完成后计算残渣量②，反算推进行程⑤，下达推进行程指令。

每斗预控行程计算式：①斗总量-②残渣体积-③未装满体积（约2方）-④加水加泡沫体积=渣斗可装体积，最后反算推进行程⑤。

每斗掘进后（每斗超方核算）：每斗掘进完成后测计算理论出渣量⑥，同时测量未装渣高度⑦，计算出未装渣体积③，对比出渣量是否超方。

每斗超方核算公式：①-⑥-④-③-②≤2方，将超方控制在2方之内。

在盾构掘进施工中，时刻关注推进行程与出土量，确保不超挖、不欠挖。一旦发现出土量过大，首先应立即减小出渣速度，然后在当前刀盘开挖位置到达盾尾时，适当增大同步注浆量，以填充超挖形成的空隙，避免地面出现较大沉降。

3.2.4盾体通过阶段沉降控制措施

（1）刀盘到达前沉降控制措施

刀盘到达前，导致隧道沉降主要原因是由于土舱内土压力突变或者控制不均，造成渣土超排，从而造成隧道路面沉降。

①掘进模式：采取2/3仓+气压辅助掘进模式，利用“土压平衡” 施工原理，控制地层沉降

②根据监测数据变化情况，及时调整土仓压力至合理值，防止刀盘前方沉降。

（2）盾尾脱出后沉降控制措施

盾尾与管片脱离后，管片与土体间会出现16cm的空隙，及时注入同步浆液填充空隙，以防止盾尾与管片脱离后土体坍塌，从而造成隧道沉降。

同步注浆结束后，浆液在凝固的过程中会有1.4%左右的体积收缩，通过二次注浆的方式弥补空腔，防止土体和隧道沉降。

图6 二次注浆示意图

3.2.5防刀盘结泥饼

（1）做好渣土改良

优先选择分散型泡沫剂来作为渣土改良剂，分散型泡沫主要是通过特殊分子材料来浸入泥土中，降低泥土分子间的黏合力，从而来降低泥饼风险。本区间采用分散型泡沫剂得到了较好的改良效果，具体参数如下：

（2）刀盘中心喷水

刀盘结泥饼初期从中心区开始，随着时间不断向外发展恶化，做好刀盘中心区持续喷水尤为关键。

（3）测渣温

每环测渣温，控制渣温在38℃之内。

（4）匀速、连续掘进

保持匀速、连续掘进，避免长时间停机，可有效防止刀盘结泥饼。

四、下穿高速监测技术

本工程地表监测范围为高速公路路面，由于车流量大、车速块，测点布置及数据采集难度大，无法通过常规手段进行监测。为解决这一难题本工程监测采用全自动化监测数据的采集、传输和处理。

4.1现场实施

地中位移监测：设备型号HD-2ND104单点沉降计

设备性能：适用于测量锚头与沉降盘之间土体的变形位移，可进行长期监测和自动化测量。其锚头设置在相对不动点（基岩），沉降盘设置在监测高程，导线从侧面引出。当地基下沉时，沉降盘与地基同步下沉，使传感器的活动导磁体在其磁通感应线圈内发生相对滑移，通过读数仪测出位移量，实现沉降观测目的。单点沉降计量程要求200mm，精度为0.1mm，灵敏度0.05mm。 安装间距：10~20米，安装完成后利用RTK记录位置坐标。

图7单点沉降计示意图                              图8 16#~15#区间单点沉降计测点布设平面图

4.2测量机器人网格化测量监测

测区划分：将整个测区分成若干个测段，每个测段长度约300米，监测站布设于测段中间合适的位置，使最大测程约为监测站左右约150米。

在设计图纸上提取网格测点的平面坐标。格网布置：4.25m*10m。

通过控制网进行设站，用FMOS软件控制全站仪对网格测点进行逐个放样，并获取高程值。设置监测频率后，仪器自动从休眠转态转入工作状态进行数据采集和传输，并生成报告。

图9测点划分示意图                              图10 格网布置示意图

16#~15#区间设站2个，分别位于厦深高铁跨线桥坡顶和墩台位置。基准点9个，分别位于测区周边，地面网格测点：59个。

图11站点布置图                              图12 测区点位示意图

4.3监测频率

为确保盾构安全顺利的掘进，随时掌握其变形情况，需视具体情况加密监测频率。

掘进面前后＜20米时测1～2次/天，提高至2次/天；

掘进面前后＜50米时1次/2天，提高至1次/天；

掘进面前后＞50米时测2次/周，提高至4次/周；

该区间因沿线均为建构筑物，故采取24小时不间断地面巡查；所有沉降监测均持续至沉降稳定为止，并满足规范要求。本工程穿越完成后的地层沉降最大累计点位DBC14-565-1(505环隧道中线上方)，累计值-4.02mm。

五、结语

综合所述，在盾构穿越高速公路施工中，除了做足事先准备工作外，重点在于过程中的管控及落实。施工前需对全员进行施工安全技术交底，步调统一人人心中有数；过程中做好参数指令下达及参数统计分析，发现异常及时进行调整，必要时停机进行开会讨论，做到不盲目施工；地面监测及巡视工作需持续施工，发现异常及时反馈并进行参数调整。确保盾构穿越建（构）筑物施工的安全性和可靠性。

参考文献

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(4)张亚洲.上软下硬复合地层盾构隧道设计施工难点及对策研究.隧道建设（中英文）.2019年.

(5)黄荣.盾构机下穿建（构）筑物施工探讨.广东科技.2010年.