盾构过江方案

目录１．编制依据1２．工程概况1３．工程地质条件和水文地质条件33.1过江段工程地质条件33.2过江段水文地质条件3４．过江段施工重点和难点34.1隧道上方管路保护34.2隧道覆土厚度小34.3盾构过全断面软弱富水地层44.4隧道施工质量的保障4５．施工方案45.1过江刀具的配置45.2盾构掘进控制55.3开挖量控制55.4泥浆质量控制65.5注浆控制75.6姿态控制75.7盾尾密封管理75.8铰接密封管理85.9过江监测95.10过江管路的监测及保护105.11联络通道地层加固11６．施工质量保证措施126.1施工掘进管理126.2盾构机的轴线控制管理126.3注浆管理136.4管片拼装的管理13７．应急预案137.1成立应急小组147.2突发停电的应急措施157.3盾尾漏水的应急措施157.4铰接漏水的应急措施167.5江底冒浆和塌方应急预案167.6盾尾保护预案167.7管路破坏应急预案17盾构过三枝香水道施工方案１．编制依据（1）广州市轨道交通二、八号线延长线工程施工图设计南浦～洛溪区间平纵断面、设计总说明设计图（2）广州市轨道交通二、八号线拆解工程南浦～洛溪区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告（3）广州市轨道交通二、八号线延长线工程南浦～洛溪区间详细勘察阶段补充岩土工程勘察报告（4）我司在三号线沥～大区间、五号线大～西区间泥水盾构过江施工经验２．工程概况广州市轨道交通二八号线延长线工程盾构3标【南浦站～洛溪站区间】盾构工程从南浦站始发，区间长度920m，始发里程为YDK6+537.730（ZDK6+537.730），在里程为YDK7+013.386（ZDK7+013.209）处设计一联络通道，然后继续掘进大约12m，在里程为YDK7+025处开始下穿三枝香水道，三枝香水道宽度约为180m，盾构穿越三枝香水道后继续掘进至洛溪站，到达里程为YDK7+459.100（ZDK7+459.100）。盾构在穿越三枝香水道的同时，从南浦大桥东侧通过，左线盾构隧道与南浦大桥桩基础净距离在1.6～5m之间。该段工程概况如图1所示。根据原设计线路，隧道过江埋深最小处约为12m，隧道处于典型上软下硬地层中，上部为砂层和淤泥层，下部为硬岩，该类地层中盾构刀具配置困难，极易出现刀具磨损，且一旦在江底出现刀具损坏等异常情况，将无法进行开舱检查和更换刀具作业，因此把设计线路适当向上调整，使盾构隧道几乎全部处于全断面软土地层中，避免刀具的磨损情况，采用一次性掘进，中间不更换刀具，降低风险。调整线路前后过江段隧道纵剖面如图2所示。图1盾构过江平面示意图图2盾构过江地质断面示意图３．工程地质条件和水文地质条件3.1过江段工程地质条件根据地质资料显示，隧道洞身地层主要为<3-1>粉细砂层、<3-2>中粗砂层，局部有少量<2-2>淤泥质细中砂层。隧道上覆土层为<3-1>粉细砂层、<3-2>中粗砂层，局部有小范围<2-2>淤泥质细中砂层，而在砂层上则是厚层的<2-1A>淤泥层和<2-2>淤泥质细中砂层。隧道地质条件显示为典型的富水砂层地质条件。过江段地质条件如图2所示。3.2过江段水文地质条件珠江广州河道为感潮河道，珠江水位受潮汐的影响，基本受潮汐控制，即使在汛期，潮汐影响仍显著。潮汐类型为不规则半日潮，每日有两涨两落，往复流明显。一般历年最高水位多出现在汛期，历年最高水位为7.62m，最低水位则出现在枯期，多年平均潮水位7.02m（1950-1990）。三枝香水道宽约180m，勘察期间水面标高4.37m～5.06m，河床底部标高0.14～4.22m，根据区域珠江水系资料，珠江水潮差2m左右。根据大石水文站历年统计资料，最高水位为7.52m，高潮平均水位5.85m，低潮平均水位4.33m。勘察报告显示，隧道地层及隧道上覆地层均为渗透性地层，渗透系数分别为：<3-1>粉细砂层2.5m/d；<3-2>中粗砂层4m/d；<2-2>淤泥质细中砂层1.8m/d。由于地层渗透性强，隧道开挖面地下水与三枝香水道地表水有直接水力联系。４．过江段施工重点和难点4.1隧道上方管路保护根据管线调查结果，盾构在过江前至整个过江期间，在隧道上方均有大量管线通过，主要是3条过江供水钢管，管线分布范围广、对变形敏感，盾构掘进若造成地表沉降，则极易使管线遭破坏。4.2隧道覆土厚度小在盾构穿越三枝香水道区间，隧道覆土厚度较小，最小部位约为6.5m，地层渗透性强，且地下水富集并与地表水系有直接水力联系，在掘进过程中需合理设定切口压力，并应随时根据实际情况进行调整，否则容易造成江底地层被击穿或因切口压力过小导致江底塌方等事故。4.3盾构过全断面软弱富水地层盾构过江段隧道洞身范围多为全断面砂层，砂层渗透性强，自稳性差，对扰动敏感，施工时容易产生击穿地层或塌方的风险。4.4隧道施工质量的保障由于过江段地层属不稳定地层，在不稳定地层中掘进时，应考虑快速通过，以减少风险，但是这样就容易影响隧道成型质量。因此，如何在保证进度的情况下保障隧道施工质量也是施工的难点之一。５．施工方案5.1过江刀具的配置盾构从始发到穿越三枝香水道，隧道地质条件均属全断面软土地层，局部在隧道底部有极少量风化岩层，因此始发时刀具配置以软岩刀具为主，边缘配以滚刀保证开挖半径及破除侵入隧道范围的风化岩层。滚刀盾构始发后，在软弱地层中掘进约480m后进入三枝香水道江底，软岩掘进距离较长，因此对刀具耐磨性要求较高，而针对软土地层，刀具的破岩能力无须考虑。根据我司在三号线沥～大区间、五号线大～西区间、珠江新城旅客自动输送系统天～林区间施工经验，使用先行刀可以实现在软土地层中的长距离掘进，同时能保证掘进效率。滚刀先行刀由于考虑了刀具的耐磨性，过江前及过江期间不考虑更换刀具，但是为了确保顺利穿越三枝香水道，利用联络通道加固体，拟在过江前对刀盘刀具进行全面检查，必要时对部分刀具进行更换，以确保穿越三枝香水道先行刀期间不进行刀具更换。刀具配置如图3所示。图3过江段刀具配置5.2盾构掘进控制盾构过江时，掘进控制尤为重要，由于过江地质条件及水文条件特殊，容易产生江底塌方或泥水击穿江底等事故，因此控制好泥水压力显得尤为重要。开挖面是一种动态的平衡，盾构在江底施工时，无论是掘进阶段还是停止掘进阶段，必须动态设定切口压力并防止切口压力的波动，保证土体稳定的同时又不击穿覆土层。具体考虑如下：切口压力大于开挖面土体静止侧压力：P0=[H2×γw＋H1×(γ-γw)]K；H1：河床底至隧道轴线高度；H2：水面至隧道轴线高度；γw：水的重度；γ：土体天然重度。根据三号线和五号线类似地层的经验，设定切口泥水压力P切=水土压力＋附加压力，附加压力设定为10～20kPa。在掘进过程中，对切口泥水压力的管理应该是动态的，具体注意以下几点：（1）切口压力的设定，最直接影响因素是江面水位的潮起潮落，因此掘进过程中要密切监测水位变化，每变化10cm要向中控室报告，以修正切口压力的设定；（2）由于地层对压力变化敏感，掘进过程中应控制好环流系统，保证环流的顺畅，尽量保持切口压力稳定，控制切口压力波动范围在±5kPa以内。由于地层稳定性差，掘进时考虑快速通过，过江期间避免长时间清洗土舱和长时间停机。5.3开挖量控制开挖量是判断掘进是否超挖的标准之一，盾构操作人员随时注意环流运行情况，加强与地面泥浆处理设备人员的联系，一旦发现超挖，则应调整掘进参数后继续掘进。根据理论计算，盾构掘进一环（1.5m）的干砂量G=π·R2·1.5=3.14×（6.28/2）2×1.5=46.43m3实际单环干砂量G’根据仪器测定送泥水和排泥水的差，通过计算求出实际土粒子量（干砂量）。将γ线密度计安装在送泥管和排泥管途中，测量管内的流量和密度。根据土粒子比重值算出土粒子量，从排泥量和送泥量的差值上计算出土粒子量，然后根据g=(G’-G)/G得出超挖率g，当g>10%，且计算机屏幕上显示排土体积的有迅速、明显的变化，则开挖面有可能塌方或土层出现变化，此时应及时掌握切口正面土体稳定的情况。5.4泥浆质量控制优质的泥膜是开挖面稳定的重要因素之一，高质量泥膜可以防止土舱内泥浆流失，维持开挖面泥水压力的稳定，从而保持开挖面稳定。而泥膜的形成质量与泥浆质量有很大关系，因此在掘进过程中应调配高质量的泥浆，以确保形成优质泥膜。（1）泥浆的密度为保持开挖面的稳定，即把开挖面的变形控制到最小限度，泥水密度应比较高。在选定泥水密度时，必须充分考虑土体的地层结构，在保证开挖面的稳定和下带渣土能力的同时也要考虑设备能力。根据过江段地质条件，隧道地层以纱层为主，砂层渗透性强，因此应加大泥浆密度，以利于泥膜的迅速形成，根据我司相关施工经验，在砂层中掘进时，泥浆密度控制在1.2～1.3g/cm3之间，一方面有利于泥膜形成质量，另一方面可以比较顺利带出开挖下来的砂土。（2）泥水的粘性泥水必须具有适当的粘性，以收到以下效果：①防止泥水中的粘土、砂粒在土仓、气仓及泥浆管路的沉积保持开挖面稳定；②提高粘性，增大阻力，增大携带渣土能力；在不同的地层中推进时，要求泥水具有相适应的粘度，以满足施工要求。在砂土中掘进时泥浆粘度控制在25～30S。（3）含砂量在砂层中掘进时，应保持泥浆中有适当的含砂量，以达到填充地层空隙的作用，但是含砂量太高容易使泥浆密度迅速增大，但是同时使泥浆粘度下降，使其携带渣土能力下降，不利于环流的运行，因此应适当控制泥浆含砂量，随时作出适当调整，调配既满足密度要求，又满足粘度要求的优质泥浆。5.5注浆控制壁后注浆是控制地表沉降、管片上浮和管片错台的重要措施。由于盾构机外径比管片外径大，管片被推出盾尾后管片与围岩之间形成施工空隙，壁后注浆即为达到填充施工空隙的效果。根据理论计算，管片和围岩间的施工空隙体积为4.05m3，根据以往施工经验，要达到较好的填充效果，至少应保证注浆量在120%～150%之间，即每环注浆量在4.86～6.08m3之间。注浆量还应结合注浆压力进行控制，注浆压力一般控制在切口压力+60～80kPa之间，若压力明显增大，则暂时停止注浆，以免注浆压力击穿地层。海瑞克泥水盾构机采用单液浆方式进行注浆，单液浆凝固时间长，由于江底地下水丰富，可能导致注浆效果不理想，因此，拟定在掘进一段后集中时间对盾尾后3～5换进行补充双液浆，采用水玻璃和水泥浆，浆液初凝时间设计为13S。5.6姿态控制由于盾构机前体较重，过江段隧道底部为砂层，属于软弱地层，盾构在砂层中掘进容易出现“掉头”现象，因此在掘进过程中，姿态始终保持为稍微抬头趋势，俯仰角控制在3～5mm/m之间。同时保持盾构机轴线与设计轴线在水平方向和垂直方向偏差在±20mm之内，一旦出现姿态偏差过大，立即进行调整，但应避免紧急纠偏，纠偏操作逐步进行。5.7盾尾密封管理油脂管盾尾刷油脂管盾尾刷盾尾仓图4盾尾密封系统盾尾密封是盾构掘进的重要保障，在盾构始发前全面更换三道盾尾密封刷，并确保每道盾尾刷手抹6层盾尾油脂，油脂采用进口高质油脂。在过江前对盾尾舱进行全面检查，必要时击穿管片吊装孔，逐步打入油脂更换出盾尾舱内原有油脂，确保盾尾舱内油脂质量。在过江期间，平均每20环进行一次全面检查。在盾构掘进时，加强油脂注入，保证注脂压力大于16bar，并每隔4环采用手动模式补注一圈油脂。在掘进过程中，根据盾尾密封情况随时调节注脂速度，对漏浆窜浆的部位加强油脂注入。盾尾密封效果与切口泥水压力和江面潮水的升降有一定关系，当外界压力增大时，可能导致密封局部出现漏浆漏水等不良后果，因此每次切口水压调节或者涨潮时，应加强盾尾的观察，一旦出现泄漏立即采取措施，加强油脂注入。盾尾密封还与盾构机姿态有一定关系，盾构掘进尽量保持四周盾尾间隙均匀，减少管片对盾尾刷的挤压。在掘进过程中应随时把残留在盾尾的渣土和异物清理干净，防止渣土和异物进入盾尾舱，损坏盾尾密封。5.8铰接密封管理盾体中体和盾尾的连接采用铰接连接，盾尾套入中体内，属于活动连接，连接之间的密封即铰接密封装置，由2道密封组成，分别为橡胶密封圈和带空腔的气囊密封。密封装置盾尾中体密封装置盾尾中体图5铰接密封铰接属于活动连接，由于盾构掘进纠偏使铰接经常性反复运动，可能造成部分损坏或磨损，因此在始发前对铰接进行全面检查，对有磨损的部件进行更换。在掘进过程中尽量避免紧急纠偏，减少铰接的磨损。为了保证密封效果，在掘进时控制铰接伸出长度，控制在10～100mm之内，若超出100mm，则立即手动调节，使铰接缩回。铰接密封效果还与盾构机和管片姿态有关，纠偏过急和管片姿态不好都容易造成铰接伸出量差别大，从而容易挤压铰接密封装置。因此在掘进时控制好盾构姿态，避免频繁纠偏和紧急纠偏。5.9过江监测根据我司在广州市轨道交通三号线中过312m三枝香水道和500m南珠江水道以及在五号线过260m的珠江的监测经验。我司决定采用声纳法或压力感应器法对盾构三枝香水道时江底沉降进行监测。（1）声纳法宽180m主要是通过利用超声波声速测深仪测量水深，并进行自动化成图，绘制平面水深图和断面图，其测点布置方法为：沿隧道轴线方向在每孔的中轴线上布设一条中轴测线，然后左右两边每相隔5m布设一条测线，共布设计4条平行于中轴线的测线；垂直于中轴线方向为两轴线间距离加上从轴线往外测出15米宽度，测线间距为3米。测点布置详见图6所示。宽180m图6声纳法监测点布置示意图（2）压力感应器法主要是通过测量江底水压力的变化来反映江底沉降的大小，其测点布置方法为：沿隧道中线每隔10米布置一个传感器测点（测点布置详见图7），并采用专用信号接收仪能够自动实时获取每个测点的水底压力，通过设定水位基准，以改正潮水涨落的影响，最终换算成每个测点的标高，作为数据处理的基本参数，同时应用相应软件进行图形处理，以便能够直观的描述水底各个测点水压力和沉降。宽180米宽180米图7压力感应器法监测点布置示意图为取得原始数据，在盾构过三枝香水道前，就布置好监测点，并收集这些监测点的原始数据，取得江底初始标高，盾构掘进时及时处理采集的数据，与原始数据对比，并及时把监测结果报告中控室，中控室操作人员根据监测结果进行掘进的控制。5.10过江管路的监测及保护在盾构穿越的三枝香水道江底有3条给水管通过，基本沿隧道掘进方向分布，距离隧道3～6m。图8过江管路分布示意图管路对地表沉降敏感，因此应严格控制地表沉降，在掘进时注意切口水压的控制，严格按照制定的设定参数掘进，并随时以监测结果指导掘进作业，控制盾构开挖量，保证注浆量，及时进行二次注浆，必要时进行多次补充双液浆，确保控制地表沉降量。过江水管埋于江底对设点布测难度较高，而且潮汐的影响对监测结果也会带来较大的误差，故我司打算在江堤处过江水管布置监测点进行监测，监测频率为一天两次，发生沉降较大时加密监测次数。5.11联络通道地层加固1、加固方案的确定（1）该区间联络通道离三枝香水道11.7m，所处地层也为软弱富水地层，因此联络通道的施工必须进行地层加固。（2）盾构过江前，为了保证刀具的完整性，确保一次性掘进通三枝香水道，需开舱进行刀具检查，因此可利用联络通道地层加固体进行开舱检查更换刀具作业。（3）为同时满足联络通道施工和盾构开舱作业，拟定采用旋喷桩或搅拌桩对地层进行加固。2、地质条件联络通道处隧道埋深14.8m，距离三枝香水道11.7m，联络通道处隧道地层为砂层<3-1>、<3-2>和风化岩层<7>，上覆地层为砂层、淤泥层和人工填土层。联络通道处地质条件如图9所示。图9联络通道处地质条件3、加固方案联络通道加固范围为以联络通道为中心沿隧道方向6m，垂直隧道方向比隧道外轮廓线外扩3m，包括两隧道中间的部分，深度为风化岩层顶面至地面，采用旋喷桩或搅拌桩进行加固。加固在盾构到达前进行，加固完成后进行效果检查，若不能满足要求则进行再次加固。加固范围如图10所示。图10联络通道地层加固示意图当盾构到达加固体时，即将进入三枝香水道，为确定刀具的使用情况，可以在该处进行刀具检查，必要时更换磨损的刀具，以确保盾构刀具顺利完成过江段掘进。６．施工质量保证措施6.1施工掘进管理通过开挖面管理（刀盘和密封舱内的泥浆压力和浓度）、添加剂注入管理、盾构进尺管理、泥浆浓度管理和盾构机管理使开挖面泥浆浓度根据地层情况作出合理调整。目前，掘进管理已经实行自动化控制，用智能化系统来频繁调整掘进速度以协调各方面的需要，维护天然地层不受扰动，优化选择泥浆浓度。6.2盾构机的轴线控制管理通过一套测量系统随时掌握正在掘进中盾构的位置和姿态，并通过计算机将盾构的位置和姿态与隧道设计轴线相比较，找出偏差数值和原因，下达调整盾构姿态应启动的千斤顶的模式，从最佳角度位置移动盾构，使其蛇形前进的曲线与隧道轴线尽可能接近。6.3注浆管理通过浆体、注浆压力、注浆开始时间与注浆量的优化选择，达到能及时填满衬砌与周围地层之间的环向间隙，防止地层移动，增加行车的稳定性和结构的抗震性。对浆体的要求：应具有能充分填满间隙的流动性；注入后必须在规定时间内硬化；必须具有超过周围地层的静态强度，保证衬砌与周围地层的共同作用，减少地层移动；具有一定的动态强度，以满足抗震要求；产生的体积收缩小；受到地下水衡释不引起材料的离析等。采用同步注浆时，要求注入的注浆压力大于该点的静水压力和上压力之和，做到尽量填充而不是劈裂。考虑盾构推进过程中纠偏，跑浆和浆体的收缩等因素，实际注浆量争取达到理论值的120％以上。为了防止地层中泥水和注浆的浆液从盾尾间隙中漏入盾构，同步注浆时盾尾密封装置必须完好。定期检查盾尾油脂舱，及时清除壳内杂物，防止凝固的水泥浆块进入油脂舱，延长密封刷寿命。若出现盾尾漏浆时，及时补打油脂，确保盾尾的密封性。6.4管片拼装的管理严格控制管片拼装的垂直度、真圆度、拧紧螺栓的扭矩、曲线地段和修正蛇行时楔形管片或垫块的拼装位置等，防止接缝张开漏水。管片拼装质量直接影响隧道的成型质量，拼装时控制错台量在10mm以内，管片之间的缝隙均匀细小，管片螺栓应拧紧，等千斤顶推力达到一定值后再次进行拧紧。管片拼装之前清理干净盾尾内的渣土，防止渣土遗留在管片缝隙，使管片止水效果下降，造成漏水漏浆。７．应急预案盾构机过江难度较大，施工设备多种繁复。针对施工过程中可能遇到的各种突发事件，必须针对其成因和风险程度进行科学的分析，并制定相应有效的现场应急措施，建立完善的工地现场的有关领导小组，以尽力避免和降低施工作业总突发事故的发生的可能性和因此而引起的不必要损失，保证施工安全顺利进行。具体处理措施如下：7.1成立应急小组过江应急抢险小组过江应急抢险组长：蔡国贤过江应急抢险小组过江应急抢险组长：蔡国贤现场抢险指挥小组：刘玮物资补给小组：凌铁坚后勤协调小组：郑永龙疏散人员、水电供给小组：汤泳抢险方案制定小组：钟志全过江应急抢险总指挥：凌波图11过江应急抢险小组架构图应急抢险小组各机构的职责如下：（1）抢险方案制定小组职责：根据事故的性质、现场的实际情况，及时制定、审查抢险方案，对事故的危害进行预测，对现场应急救援队伍进行技术指导。（2）现场抢险指挥小组职责：组织本项目的事故应急救援队伍的培训工作，加强对队伍人员的救缓知识教育，在事故发生时，能够正确领导各救援队伍进行现场指挥工作。（3）疏散群众、水电供给小组职责：负责指导现场施工人员和危及的群众撤离危险区域，设立警戒线，维护救援现场秩序；对事故造成临近建筑物及其他设施的损坏情况进行摸查；在条件许可的情况下，及时组织恢复水电供给，或根据抢险需要，组织临水临电供应。（4）物资补给小组职责：负责协调、调度救援物资、设备、器材等，并及时组织调运到现场。（5）后勤协调小组职责：负责抢险救灾过程中的各项后勤服务工作，包括饮水、就餐、车辆安排、抢险工作联络、接待工作等，如有人员伤亡，还应协助有关部门做好送院抢救、救治费用协商、探病及家属的接待、安置工作，必要时通知保险公司派人到现场了解情况。7.2突发停电的应急措施施工现场配置好后备电力供应系统（备置一台200KW发电机），以防在施工进行中遭遇因各种外部因素造成的施工区域停电，并在停电后保证电源回路能马上进行切换，以保证隧道内的临时用电，控制切口水压值和开挖面的稳定。其中，隧道内的临时用电就是指在施工过程中遇到停电情况时，除了保证隧道内紧急灯、紧急电铃和各个抽水泵的使用外，还应该能够满足后备的电力系统，启动空压机，在盾尾打入油脂，进行背填注浆，一定要保证盾构设备的密闭性，从而达到较好的保持切口水压的稳定作用。必要时，可在1＃号台车和密封舱之间增加一条自来水管，通入自来水来（2.5Kg/cm2）保持压力稳定。若遇到紧急情况，通过隧道内的通信设备，立即通知所有人员从隧道内撤走。7.3盾尾漏水的应急措施1、堵漏措施（1）停机补充油脂，在漏浆部位进行人工打油脂，先打内孔，再打外孔；（2）发现盾尾漏水出现情况时，则配制初凝时间较短的双液（A、B液）进行衬砌（管片）壁后注浆，浆液的初凝时间约为7～9秒。（3）若盾尾漏水比较严重时，则在相邻盾尾最近的管片处开始注入聚氨酯，形成较好的堵水效果。（4）在保证开挖面稳定的情况下，适当调低切口水压，但调整量不大于0.5Kg/cm2。（5）在盾构机内部的盾尾处，使用10cm厚的海绵条（海绵条均涂满油脂），沿着管片与盾构机之间，塞满整个盾尾间隙。2、抽（排）水措施（1）为了防止在盾构机头内积水，在机头盾尾处接出一条3寸管，并配备一台隔膜泵，必要时利用隔膜泵和排泥泵的功能，从该管直接把机头内的水抽走；（2）除了原有正在使用的废水泵和配备隔膜泵外，另外再在隧道内配备一台抽水泵以作备用，同时在隧道外再备一台泵（共4台）；（3）盾构机过江前，在隧道盾构井口处配备好200个砂包，准备在盾构机盾尾处和后配台车处各设一道砂包挡水墙