广州地铁盾构过江河施工技术

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万事如意!盾构过江、过河施工技术研究广州轨道交通建设监理有限公司广州市地下铁道设计研究院盾构技术研究所魏康林一、盾构过江风险分析

二、工程案例（以广州过珠江为例）

1、工程概况水文地质

2、施工重难点分析

3、掘进模式

4、施工方法及主要技术措施

5、施工管理措施

6、异常情况及处理措施

三、盾构过江的监测方法探讨

四、对于过钱塘江和新塘河的建议汇报的主要问题:一、盾构过江风险分析2、盾构机自身防水系统是最大的风险：（否则即使不在江底，同样也有风险）①盾尾密封失效；②铰接密封失效；③螺旋输送机密封失效；④水压力超过轴承最大密封压力，造成轴承密封压力失效；1、过江出现的种种问题涉及到盾构施工问题的各个方面；3、江底特殊地层（上软下硬、沼气、古河道等）一、盾构过江风险分析3、若要避免盾构过江风险，要把绝大部分精力投入到对盾构机的维修和保养方面，即“保头、护尾、防密封”，要保证过江时盾构机是在完全正常和安全状态下运行；4、基本的施工措施要保证：①盾构机正确的掘进姿态（避免扰动）；②开仓或换刀时必要的保障和地层加固措施；③正确地控制各种施工参数，如出土量、注浆量、泡沫量、油脂量等等；④准备充足的抢险材料和物质；⑤在铰接密封之前的盾壳上预设径向注浆孔。当机头前方塌方时，可以通过这些孔注入化学浆液或者水泥浆力保铰接密封和盾尾密封的完好；⑥成立必要的指挥和决策机构等（突发事件）。区间线路总平面图仑头海盾构始发井盾构吊出井官洲站官洲河

区间从仑头盾构始发井出发经仑头村后底岗通过仑头村穿越仑头海，到达官洲站；盾构过站后再次始发经官洲村穿越官洲河，到达盾构吊出井。二、盾构过江典型案例分析（土压平衡式盾构）1、工程概况区间隧道穿越仑头海

仑头海起止里程为YDK16+790～YDK17+360,全长570m，水面宽度418.87m，最大水深12.55m，隧道顶部距河底最小距离12.68m。

区间隧道穿越官洲河

官州河起止里程为YDK18+100～YDK18+383.5,全长283.5m，水面宽度约182.61m，最大水深9.71m，隧道顶部距河底最小距离7.1m。

2、工程水文地质地质构造

本区地质构造为华南褶皱系湘桂粤褶皱带粤中拗陷增城--台山隆断束的东莞盆地西端，构造格架由近东西向的白垩系红层组成的珠江向斜褶皱南翼及上元古界震旦系变质岩东西向片麻岩理褶皱组成，并被北西向北亭断裂，化龙断裂所切割，广三断层在本区间穿过，破碎带宽4～6m,其直接影响带约150m。

工程地质水文地质本段线路按地下水赋存方式分为第四系砂层弱承压水及基岩裂隙承压水，地下水对钢筋混凝土无腐蚀性。隧道穿越的地层主要为<6Z>、<7Z>、<8Z>地层，渗透系数为0.7m/d。

3、施工重、难点分析根据工程地质情况，盾构掘进通过仑头海、官洲河段掘进有以下几个难点：

1）工程水文地质条件复杂，易出现涌水、涌砂现象，施工难度大；

2）地层软硬不均，对刀具磨损大，合理设定掘进参数、推力、刀具配置等参数；

3）换刀位置选择及换刀作业；

4）粉粒含量高，盾构掘进防结泥饼；

5）盾构机穿过仑头海河堤对沉降的控制。4、掘进模式

1）仑头海段掘进模式

YDK16+790～YDK16+840盾构穿过<6Z>地层，盾构穿越地层单一，该段采用气压平衡模式掘进。

YDK16+840～YDK16+900盾构主要穿过<8Z>、<9Z>地层,施工时采用气压平衡模式掘进。

YDK16+900～YDK17+080盾构主要穿过<8Z>、<9Z>地层，属穿越硬岩地层，采用气压平衡模式掘进。

YDK17+080～YDK17+360盾构主要穿越<7Z>、<8Z>、<9Z>复合地层，洞顶上覆盖<7Z>、<6Z>很薄，最薄处仅为30cm，在ZDK17+210～230段洞顶切穿<3-2>透水砂层。该段既有上软下硬地层，又有洞外水通过透水砂层进入洞内可能。采用土压平衡掘进模式。

2）官洲河段掘进模式

YDK18+100～YDK18+270盾构主要穿过<6Z>、<7Z>地层，隧道顶板以上有<5Z-2>地层出露，采用土压平衡模式掘进，施工时防止结泥饼。

YDK18+270～YDK18+383.5盾构主要穿过<6Z>、<7Z>地层,采用土压平衡模式掘进，施工时防止结泥饼。

5、施工方法及主要技术措施1）施工总体措施概述盾构过仑头海根据仑头海段工程水文地质条件及盾构施工特点：进入仑头海前YDK16+785处开仓换刀→进入仑头海段掘进（260m）→仑头海底YDK17+050处开仓换刀→继续掘进→盾构过仑头海施工结束。盾构过官洲河根据官洲河段工程水文地质条件及盾构施工特点：进入官洲河前YDK18+100处开仓换刀→进入官洲河段掘进（260m）→YDK18+383.5处换刀→盾构过官洲河施工结束。2）具体技术措施认真做好试掘进及进海、进河前掘进的总结工作，摸索出盾构对不同地层的适应情况，总结出不同地层盾构机刀具的合理配置及掘进参数；在过海、过河前对盾构机进行一次全面的保养检修、更换刀具，安装保压泵渣系统（防喷涌）。盾构机在海底、河底掘进中，要每天进行渣土性质分析，严密监视渣土的成分变化，判断前方地层情况，及时调整掘进参数。盾构机在海底、河底掘进中，要建立严格的渣土管理制度。对出渣量进行认真统计，每环出渣量与临近的一个掘进环出土量进行比较。严格控制掘进参数，按设定的压力掘进。为保护刀盘和刀具，在掘进过程中推进速度控制在15～35mm/min，刀盘转速控制在1.7～1.9r/min。盾构过仑头海在半径为800m的曲线上掘进时，严格控制铰接油缸行程及行程差。在过海、过河之前，对盾尾密封刷进行检修并加足油脂，确保盾尾的密封性。

6、施工管理措施1）土压平衡管理

土仓土压力设定是土压平衡掘进模式的最重要的参数，土仓土压力值的设定要充分考虑水头压力及水土压力（及其变化，尤其是涨落潮），并应实时调整，随水头、土层的变化而变化，以保证土仓的土压力足以平衡开挖面的压力。土仓压力设定为0.16～0.24Mpa。

在海底、河底掘进时，由于地层含水量高，水压力高，注浆时遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则。

注浆方式：盾尾同步注浆方式；

注浆材料：选用水泥、粉煤灰、膨润土、砂混合浆液；

初凝时间：初凝时间5小时～8小时。在盾构机掘进过程中对浆液进行动态管理，摸索浆液在不同地层中适应性；

注浆压力：注浆压力控制在0.2～0.3MPa（不可过大）。

注浆量：每环同步注浆量为理论注浆量的150％～180％，Q=6.1m3～7.3m3。注浆量还应根据江底隆陷监测情况随时进行调整和动态管理。

2）同步注浆管理3）刀具配置及更换

仑头海段盾构区间隧道穿越<7Z>、<8Z>、<9Z>地层，以<8Z>、<9Z>地层为主，单轴抗压强度为26.2～90Mpa。此地层采用硬岩掘进刀盘布置。刀盘布置：4把中心滚刀，31把单刃滚刀，64把切刀，8把弧形刮刀，1把超挖刀。

官洲河段盾构区间隧道穿越<6Z>、<7Z>、<8Z>地层，以<6Z>、<7Z>地层为主，单轴抗压强度为8.85Mpa。此地层采用软岩刀盘布置。刀具配置：2把中心滚刀，18把正面齿刀，15把单刃滚刀，64把切刀，8把弧形刮刀，1把超挖刀。地段里程YDK16+785YDK17+050YDK17+350地层情况洞顶自下往上依次为<7Z>、<3-2>、<2-1A>、<1>自下往上依次为<8Z>、<7Z>、<5Z－1>、<2-2>地层<6Z>、<2-2>、<2-1A>、<1>洞身<7Z>地层<9Z>地层<9Z>、<8Z>、<7Z>地面建筑为仑头环村路边隧道上方为仑头海无说明距上个换刀地段约300m，盾构机掘进通过<7z>地层（有少量<8z>地层侵入隧道）后进入预定换刀地段，洞身岩层整体性强，在无气压条件下换刀，此处换刀后盾构机将掘进通过仑头海底，为减小海底换刀机率，防止刀具带病作业，更换整盘刀具。距离上个换刀地段约260米，隧道掘进通过<9Z>、<8Z>、<7Z>地层，<9Z>地层约占1/2，无气压条件下换刀。距离上次换刀地段约300m，盾构机掘进通过<9Z>、<8Z>、<7Z><6Z>地层后进入预定换刀地段，开始换刀作业，把部分正面单刃滚刀换成正面齿刀（16把）、部分中心滚刀换成中心齿刀（2把），以适应盾构机将要掘进通过的<5Z>地层。检查及更换刀具在无压条件下进行。线路坡度4.08‰4.08‰37‰覆盖层厚度约30m。距离仑头海底约15m。约15m。注：右线过仑头海施工共换刀三次，换刀时对设备进行全面检修，检查刀盘、刀具的磨损情况，修补刀盘、更换全部的刀具。在检修刀具的同时，要对盾构机的液压、电气、水循环、润滑、注脂、注浆、泡沫、铰接等系统进行检修，重点内容包括：

—空压机的检测与维修

—螺旋输送机闸门检测与维修

—注脂系统的检测与维修

—管片拼装机的检测与维修

—泡沫系统的检测与维修

—盾尾密封检查与维护

—铰接密封检查

—对液压系统进行进行状态监测

—检查备件情况４）系统检修7、异常情况及处理措施

1）喷涌及处理措施

a、控制好同步注浆，使浆液达到完全封闭衬砌空隙并的目的，避免土仓与管片背后形成水力通道。

b、盾构掘进过程中，严格控制进尺、出土量，保证盾构机连续、均衡、快速通过。

c、向土仓中加入泡沫进行碴土改良。

d、在喷水涌砂不严重时，采用螺旋输送机尾部的双平板闸门，交替启闭，间隔排渣。当喷水涌砂严重时，启用保压泵渣装置排渣。

2）管片上浮及处理措施

a、选择合适的浆液性能。根据注浆效果随时调整浆液配比，不断调整浆液性能。

b.控制好同步注浆压力，在略高于注入面的水土压力下保压注浆，达到浆液保满密实。

c.控制盾构机姿态，发现偏差时应及时逐步纠正，不得过急过猛，以免造成管片环面受力严重不均，使管片错位或上浮。当管片上浮严重时，可将盾构机掘进的洞轴线比隧道设计轴心线降低20～30mm掘进。3）防止盾构机铰接密封渗漏

a、进入仑头海前，对盾构机的铰接密封进行检查，填料磨损严重、通过紧固密封很难恢复时，更换预应力填料。

b、铰接千斤顶的行程应设置在中位（75m）。行程伸出量不大于100mm，同时控制行程差不大于40㎜。以防止千斤活塞接近两端。

c.向铰接密封处注入足够的润滑脂，以保证密封良好。4）刀具磨损量大及防止措施

a、选择适当的掘进参数，保护好刀盘、刀具；

b、在刀盘面板处加入足量的泡沫，以增加渣土流塑性，防止在开口处结饼，同时为刀具降温，减小刀具磨损；

c、选用强度和耐磨性高的滚刀安装在刀盘边缘及刀盘圆弧过度处，以保持掘进直径；强度和韧性较好的滚刀安装在刀盘正面，承担繁重地破岩任务；

d.尽量控制刀盘的振动，也是减小刀具和机器损坏的重要措施；

e、选择适当位置进行刀具检查及换刀作业。

5）泥饼的预防及处理

a在到达易结泥饼地层前，采用软岩掘进刀盘布置，增大刀盘的开口率，减少结泥饼的机率。

b向刀盘切割面注射足够的泡沫,改良渣土,防止在刀盘开口处结饼。

c必要时，可向螺旋输送机内注入泡沫，以减轻碴土的栓塞作用。

d采用2/3仓土加气压模式掘进，以便渣土流动。

e加强盾构掘进时的出土管理，密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。

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一旦产生泥饼，必需尽快开仓清除。三、盾构过江的监测最常用的两种过江监测方法:1、声纳法监测原理：声纳法是一种较普遍用于监测江底沉降的方法，其特征是利用船只和卫星定位系统在江面上的指定监测点上通过声纳仪器对河床水深进行测量，通过比较同一点前后两次测量的数据得出江底的沉降情况。测量精度：定位测量精度为200mm，水深测量精度为100mm。2、传感器法监测原理：传感器法是一种用于隧道过江施工中监测河床沉降的方法，其特征在于通过采集沉入江底固定的水压传感装置的信号，通过比较前后两次所采集到的数据而得到传感器埋设深度的变化，从而得到河床沉降的数据。测量精度：测量精度为20mm。江底检测水位记录仪三、盾构过江的监测3、测点布置测线的布设（每条隧道）有两种：①沿隧道轴线方向布设，即在每条隧道的中轴线上布设一条中轴测线，