1 前言
過(guò)江水底隧道有五種主要的施工方法：圍堤明挖法、氣壓沉箱法、巖鉆法、盾構(gòu)法和沉管法。盾構(gòu)法是修建隧道的一種重要施工方法，尤其是在軟上地層中。自從1843年第一條盾構(gòu)法隧道在倫敦泰晤士河下建成以來(lái)，盾構(gòu)法隧道的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)得到了很大發(fā)展，出現(xiàn)了泥水加壓式和土壓平衡式盾構(gòu)，襯砌由鑄鐵轉(zhuǎn)向鋼筋混凝土或鋼材組成。
盾構(gòu)法施工的主要特點(diǎn)：可在盾構(gòu)的掩護(hù)下安全地進(jìn)行土層開挖和襯砌的支護(hù)工作；進(jìn)行水底隧道施工時(shí)，不影響航道通航；盾構(gòu)推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進(jìn)行，施工易于管理，施工人員也較少；施工不受風(fēng)雨等氣象條件影響。
盾構(gòu)法存在的一些問題是：當(dāng)隧道曲線半徑過(guò)小時(shí)，施工較為困難；在水下作業(yè)時(shí)，覆土太淺則不夠安全；盾構(gòu)施工中采用全氣壓方法以疏干和穩(wěn)定地層時(shí)，對(duì)勞動(dòng)保護(hù)要求較高，施工條件差；在飽和含水層中，盾構(gòu)法施工所用的拼裝襯砌，對(duì)達(dá)到整體結(jié)構(gòu)防水性的技術(shù)要求較高。
2 淺覆土區(qū)域盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)存在的安全問題
2.1 淺覆土易產(chǎn)生冒頂通透水流
為了減少線路的坡度，一般河底段覆土極淺。在淺覆土區(qū)域，在高水頭壓力情況下，大刀盤前方土壓平衡不容易建立。河水常從擾動(dòng)土體的裂縫中經(jīng)大刀盤開口及盾尾進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)，造成盾構(gòu)淹水。這種機(jī)損人亡事故時(shí)有發(fā)生。
2.2 隧道上浮
水域下淺覆土中推進(jìn)的盾構(gòu)，上下受到的力不均衡，盾構(gòu)姿態(tài)上揚(yáng)，壓坡困難、隧道上浮，軸線難以控制。拼裝完成的隧道環(huán)脫開盾尾后，由于上部壓載及自重?zé)o法抵抗地下水引起的浮力使隧道上浮。如果不采取相應(yīng)加固對(duì)策，極易引起隧道局部開裂、漏水。
隧道穿越飽和土層，會(huì)受到水的浮力，當(dāng)浮力超過(guò)隧道上覆土重量和隧道及隧道內(nèi)設(shè)備自重時(shí)，隧道將上浮。當(dāng)管片脫離盾尾時(shí)，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，受到漿液的浮力比在飽和土中受到的浮力要大得多。同時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)挖出土方導(dǎo)致地基卸載，拼裝好的隧道會(huì)受到地基回彈的作用向上偏離中心軸線。在浮力和地基回彈共同作用下，隧道上覆土產(chǎn)生隆起，若最大隆起值得不到有效控制，覆土層將被頂裂，產(chǎn)生透水裂縫，河水沿透水裂縫涌入盾尾將嚴(yán)重影響隧道和隧道施工的安全。
3 廣州地鐵三號(hào)線瀝～大區(qū)間盾構(gòu)淺覆土區(qū)域施工難點(diǎn)
廣州地三號(hào)線瀝滘～大石北盾構(gòu)區(qū)間工程，共分為2個(gè)區(qū)間段構(gòu)成：大石北始發(fā)井～廈滘站、區(qū)間隧道長(zhǎng)1429.791m；廈滘站～瀝滘站，區(qū)間隧道長(zhǎng)1621.75m.共有2次過(guò)江。
其中，隧道在YCK13＋780～YCK14＋098處過(guò)三枝香水道，水道河面寬度約為300m.隧道包括左、右線各一條，采用2臺(tái)泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，先施工隧道右線，盾構(gòu)機(jī)由三枝香水道南岸往北岸方向推進(jìn)，當(dāng)右線盾構(gòu)推過(guò)江后，隧道左線由三枝香水道南岸往北岸方向推進(jìn)施工。
隧道在過(guò)三枝香水道的斷面內(nèi)存在著強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化和微風(fēng)化等粉砂質(zhì)泥巖的復(fù)合地層，拱頂以上主要為淤泥、淤泥質(zhì)細(xì)砂和粘土。過(guò)江段隧道總長(zhǎng)約為312m，存在風(fēng)化夾層，強(qiáng)度較高，巖體較為破碎，地表水與砂層及基巖裂隙水聯(lián)系較為密切，且隧道上方存在軟弱地層，對(duì)盾構(gòu)破巖能力及防冒漿的能力要求較高。盾構(gòu)機(jī)穿越三枝香水道，隧道洞身圍巖水文地質(zhì)條件受其影響較大。三枝香水道的水位主要受北江洪水和潮汐的影響，而且兩個(gè)相鄰的高潮或低潮的潮位和潮流歷時(shí)均不相等，一般歷年最高潮位多出現(xiàn)在汛期，最低潮位則出現(xiàn)在枯期，漲潮歷時(shí)短，落潮歷時(shí)長(zhǎng)，高潮平均水位為5.85m，低潮平均水位為4.33m.
隧道過(guò)三枝香水道是在YCK13＋780～YCK14＋098處，河面寬約312m隧道洞身巖層全部為巖石全~微風(fēng)化帶，地質(zhì)均勻，地下水亦較為豐富，且過(guò)江段覆土厚度較薄，土層軟弱，江中水壓較高，故盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大。
三枝香過(guò)江段地質(zhì)條件復(fù)雜多變、風(fēng)險(xiǎn)極大，過(guò)江段覆土厚度較�。▋H為7.4m），江底780環(huán)到840環(huán)覆土厚度一般都在6～7m的范圍內(nèi)，即使是最厚處也僅有8.6m，略大于1倍盾構(gòu)直徑，地質(zhì)條件極差，上部為透水性差的砂質(zhì)土；840環(huán)附近風(fēng)險(xiǎn)最大，隧道頂部全部為穩(wěn)定性極差的淤泥層，容易塌方，盾構(gòu)機(jī)容易抬頭，稍有不慎，將導(dǎo)致噴涌，江底塌方、江水灌入隧道等重大安全事故，后果不堪設(shè)想。而且受潮汐等影響，隧道穩(wěn)定難度大。過(guò)江段是關(guān)鍵地段，直接影響到盾構(gòu)施工的成敗，為了保證盾構(gòu)機(jī)順利穿越難度極大的三枝香水道，在整個(gè)施工過(guò)程中必須運(yùn)用信息化施工，控制隧道變形，并對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)中的各類施工參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。
為確保過(guò)江成功，避免重大事故的發(fā)生，地鐵總公司多次組織國(guó)內(nèi)外著名地鐵盾構(gòu)施工方面的專家對(duì)《盾構(gòu)過(guò)江專項(xiàng)方案》的安全性進(jìn)行審查、論證、分析和研究。經(jīng)過(guò)與會(huì)專家科學(xué)、嚴(yán)肅、認(rèn)真地論證，提出了“護(hù)頭保尾”、“過(guò)江監(jiān)測(cè)”、“作業(yè)預(yù)案”、“管片不浮監(jiān)測(cè)”等有針對(duì)性的意見。
施工單位在過(guò)江前對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了檢修保養(yǎng)并更換了刀具，避免了江底換刀的風(fēng)險(xiǎn)。在施工過(guò)程中，采用感應(yīng)器法和聲納法的監(jiān)測(cè)技術(shù)，保護(hù)了河道的安全。此外，還結(jié)合實(shí)際制定了過(guò)江應(yīng)急預(yù)案，確保萬(wàn)無(wú)一失。 4 江底淺覆土區(qū)域盾構(gòu)掘進(jìn)安全防范措施
4.1 防止盾尾漏漿（防漏）措施
（1）提高同步注漿質(zhì)量與管理
每環(huán)推進(jìn)前，對(duì)同步注漿的漿液進(jìn)行小樣試驗(yàn)，嚴(yán)格控制初凝時(shí)間，初凝時(shí)間為13～15s.在同步注漿過(guò)程中，合理掌握注漿壓力，注漿出口壓力＝切品水壓＋60～100kPa，使注漿量，注漿流量和推進(jìn)速度等施工參數(shù)形成最佳匹配。
（2）加強(qiáng)盾尾艙的管理
在推進(jìn)過(guò)程中，因設(shè)備故障和操作失誤往往引起切口水壓的波動(dòng)，在每次調(diào)高切口水壓后，必須進(jìn)行試推進(jìn)，并安排專人觀察盾尾漏漿情況，確定無(wú)漏漿后再正式調(diào)高切口水壓，進(jìn)行正常掘進(jìn)。同時(shí)還應(yīng)注意盾構(gòu)機(jī)本身要增加盾尾刷保護(hù)及其嚴(yán)格控制盾尾油脂的壓注；在使用時(shí)對(duì)盾尾艙進(jìn)行定期檢查，平均每30環(huán)全面檢查一次；并且在管片拼裝前必須把盾殼內(nèi)的雜物清理干凈，以防對(duì)盾尾刷造成損壞。
（3）盾尾漏漿對(duì)策
發(fā)現(xiàn)盾尾漏漿情況比較嚴(yán)重時(shí)，則配制初凝時(shí)間較短的雙液（A、B液）進(jìn)行襯砌（管片）壁后注漿，壓漿部位為后5～8環(huán)，并適當(dāng)調(diào)低切口水壓，但調(diào)整量不大于0.5kg/cm2.若此時(shí)漏漿情況仍得不到有效控制，則在后6～8環(huán)處用聚氨酯進(jìn)行壓注予以封堵。為了防止在隧道內(nèi)的漏漿和漏水、積水情況的發(fā)生，在隧道內(nèi)加大型抽水水泵，以備必要時(shí)使用。
4.2 防止江底地層沉降措施
（1）控制切口水壓穩(wěn)定性
在推進(jìn)過(guò)程中，按設(shè)計(jì)值設(shè)定切口水壓，更重要的是還要根據(jù)推進(jìn)時(shí)潮位的不斷變化情況對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。因此，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，要嚴(yán)格控制好切口水壓的波動(dòng)范圍，一般控制在設(shè)定值的±5％以內(nèi)，以保證切削面穩(wěn)定。特別是在盾構(gòu)機(jī)穿越覆土厚度僅為7.48m的江中段時(shí)，應(yīng)采用手動(dòng)控制切口水壓，并設(shè)定切口水壓值為120kPa.必要時(shí)采用人工調(diào)整施工參數(shù)，對(duì)開閉VE閥、轉(zhuǎn)旁路狀態(tài)時(shí)的切口水壓上、下限控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并做好記錄。每天推進(jìn)施工前，先檢查VE閥開，閉情況和PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)。在確定系統(tǒng)對(duì)切口水壓上、下控制的工作情況良好的前提下，再進(jìn)行掘進(jìn)。同時(shí)擬定在設(shè)計(jì)隧道線就近進(jìn)行潮位測(cè)量，平時(shí)每隔20min記錄一次潮位，在潮位變化較快的漲急、落急時(shí)段加密至10min，以保證潮位資料的準(zhǔn)確性。
（2）提高注漿量
若發(fā)現(xiàn)江底沉隆量較大（>5cm）時(shí)，則適當(dāng)?shù)脑黾油阶{量，必要時(shí)更要進(jìn)行襯砌（管片）壁后襯注漿，注漿量爭(zhēng)取達(dá)到理論建筑空隙的130％以上。
4.3 防止隧道上浮措施
（1）嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)和管片姿態(tài)
在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，加強(qiáng)隧道監(jiān)測(cè)是防止隧道上浮的積極措施，對(duì)盾構(gòu)機(jī)和管片進(jìn)行姿態(tài)控制，能夠有效地控制隧道上浮：
a 對(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向進(jìn)行自轉(zhuǎn)測(cè)量，自轉(zhuǎn)角度控制在0.3℃； b 利用千斤頂行程儀對(duì)千斤頂行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)作演算處理、方向修正值的解析和對(duì)千斤頂?shù)倪x擇；
c 測(cè)量垂直、平面位置，為了能準(zhǔn)確測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的位置，在每推進(jìn)2環(huán)進(jìn)行一次檢查和修正，不斷將現(xiàn)行的位置設(shè)置在新坐標(biāo)的已知點(diǎn)上。盾構(gòu)機(jī)的垂直、平面偏差控制在±50mm以內(nèi)，盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過(guò)大、過(guò)頻，推進(jìn)時(shí)不急糾、不猛糾，多注意觀察管片與盾殼的間隙，以減少盾構(gòu)施工對(duì)盾尾密封效果的影響；
d管片姿態(tài)須嚴(yán)格控制，高程和平面偏差控制在±50mm以內(nèi)，每環(huán)相鄰管片平整控制在4mm以內(nèi)，縱向相鄰管片平整度控制在5mm以內(nèi)。
（2）管片選型具體責(zé)任化
利用盾構(gòu)機(jī)的導(dǎo)向系統(tǒng)以及人工測(cè)量的方法，精確地測(cè)量出盾尾和最后一環(huán)管片之間的間隙值。該盾尾間隙值分別從上、下、左、右四個(gè)方向測(cè)出，在盾構(gòu)過(guò)江時(shí)，嚴(yán)格控制每一個(gè)值均在<40mm，然后把測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)合導(dǎo)向系統(tǒng)的隧道線路數(shù)據(jù)，從而選擇下一環(huán)的管片類型，確保管片姿態(tài)跟隨盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，并與盾構(gòu)機(jī)盡可能地在同一條軸線上。
（3）提高同步注漿質(zhì)量
提高注漿與盾構(gòu)推進(jìn)的同步性，使?jié){液能及時(shí)充填建筑空隙。同步注漿的位置在第四環(huán)管片的11點(diǎn)和5點(diǎn)、1點(diǎn)和7點(diǎn)的位置，具體注漿的順序可根據(jù)對(duì)管片測(cè)量的結(jié)果來(lái)確定。當(dāng)注漿充填量<110％時(shí)，采用二次補(bǔ)壓雙液注漿的措施。補(bǔ)壓漿要求均勻，壓漿后漿液成環(huán)狀，注漿范圍5～8環(huán)。
4.4 防止形成泥餅
（1）中央控制室人員強(qiáng)化責(zé)任制
通過(guò)現(xiàn)有的地質(zhì)資料，詳細(xì)預(yù)先分析泥餅形成的可能地段，并在盾構(gòu)掘進(jìn)至該地段時(shí)，要求中央控制室人員嚴(yán)格監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的各種參數(shù)，若發(fā)現(xiàn)有異常情況（排泥比重增大、流量減少，送泥壓力增加和推力、扭矩的變化情況），及時(shí)判斷有無(wú)形成泥餅。
（2）嚴(yán)格控制操作規(guī)范
嚴(yán)禁單純?yōu)榱诉M(jìn)度，實(shí)行野蠻操作；嚴(yán)格按操作規(guī)范科學(xué)合理地進(jìn)行中央操控；在掘進(jìn)時(shí)，特別是在泥餅形成的可能地段，需控制好泥漿的比重，以防止或降低泥餅的形成。
（3）技術(shù)措施
如發(fā)現(xiàn)有異常苗頭，應(yīng)及時(shí)降低泥漿比重并利用高壓水進(jìn)行沖擊，及時(shí)降低泥餅形成的機(jī)會(huì)，并化解已初步形成的泥餅。
5 結(jié)束語(yǔ)
淺覆土區(qū)域施工是盾構(gòu)過(guò)江隧道工程成敗的關(guān)鍵，制定嚴(yán)密的施工方案，加強(qiáng)施工過(guò)程的信息化管理，并重點(diǎn)控制防漏、防沉、防浮和防磕等四個(gè)方面，可以確保淺覆土段施工的安全。2004年7月17日廣州地鐵三號(hào)線瀝滘～大石北搟構(gòu)區(qū)間工程順利穿過(guò)三枝香水道，近30天的施工過(guò)程中沒有出現(xiàn)重大安全問題。此次盾構(gòu)穿越三枝香水道難度之大、速度之快實(shí)乃全國(guó)罕見。瀝——大區(qū)間盾構(gòu)工程左線和右線要兩次過(guò)江，此次成功過(guò)江為下一階段盾構(gòu)穿越517m寬的南珠江水域打下了良好的基礎(chǔ)，也對(duì)三號(hào)線2006年全線開通具有十分重要的意義。 |
