盾构隧道穿越河流施工控制技术
摘要：在采用盾构施工城市地下软土隧道时，常常会需要穿越河流，其中盾尾及铰接处涌水涌砂、河水倒灌进入土仓和螺旋输送机或发生河底冒顶作为穿越过程中的主要风险，是施工过程中的控制重点。本文以天津地铁某隧道区间盾构穿越海河施工为例，阐述了盾构穿越海河的技术控制措施，为类似工程提供可资借鉴的工程经验。
关键词：盾构;穿越海河;技术控制措施
引言：随着城市化建设步伐的加快，轨道交通建设的紧迫性也在增加。城市地铁工程盾构法施工对各种地形的适应性也在施工中日益突显，如何把对环境的影响减小到最低限度，便成为了盾构施工中的核心问题。自天津地铁开工以来，盾构法施工在穿越海河过程中尚无成熟的经验。本文结合某区间隧道成功下穿海河为例来探讨穿越过程中盾构施工技术措施控制，以促进盾构穿越河流施工技术进一步发展。
1.工程简述
天津地铁3号线某区间右线全长630.945米，区间右线采用一台φ6340日本小松复合式土压平衡盾构机施工，装配式钢筋混凝土管片衬砌，管片环宽1.2m。盾构机从A站大里程盾构井始发，穿越海河右岸张自忠路下沉隧道、海河、天津站前广场，之后下穿天津站铁路股道群，最终到达天津站后广场小里程盾构接收井。隧道埋深21.1～25.0m，最大坡度为30‰，主要穿越粉质粘土、粉土、粘土、粉砂。
2.地质情况
2.1工程水文地质
从地质资料看，盾构穿越海河水域的土层为⑦1粉质粘土、⑦2粉土、⑦4粉砂。根据勘测结果隧道范围内主要为微承压水，该层以⑥1粉质粘土为隔水顶板，⑦2粉土、⑦4粉砂为主要含水地层。⑦1粉质粘土介于硬塑～软塑之间，弱透水，承载能力为160MPa，便于盾构掘进。⑦2粉土中密～密实，弱透水，承载能力为170MPa，便于盾构掘进。⑦4粉土密实，中等透水，承载能力为220MPa。
2.2盾构穿越海河概述
区间在右线DK13+807.99～DK13+902.998处盾构将穿越海河；海河宽约98m，深约2.5～6.0m，河底距离隧道顶部距离为12.6m，平面位于817米圆曲线上，纵坡由2‰变为28‰。在此段隧道处在⑦4粉砂层中易引起盾构机螺旋机喷涌和盾尾漏水漏砂。
3.盾构穿越海河施工技术控制措施
3.1 土压设定
盾构在切入海河前后由于覆土有一个突变，因此在盾构掘进前根据覆土深度的变化，必须对平衡压力设定的差值有一个理论上的认识，在盾构穿越护堤墙前后，及时对设定平衡压力进行调整，根据计算土压暂定为0.22MPa。
3.2 推进速度
在穿越海河的过程中，为了保证护堤墙的安全，因此盾构推进速度不宜过快，以3～5cm/min为宜，避免由于推进速度过快造成对土体的过分挤压，从而导致护堤墙发生位移和倾斜。盾构推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，减少对护堤墙的影响。
3.3 土体改良
由于此段隧道处在⑦4粉砂土层中，水分易流失，为确保盾构的正常出土，在盾构的刀盘正面压注泡沫或膨润土来改善开挖面土体的和易性，从而降低刀盘扭矩保证盾构穿越时有均衡的推进速度。同时改良土仓内的土体，有助于螺旋机顺利出土。
加泡沫或膨润土时必须严格控制注入量和压力，避免土体在过多的泡沫或膨润土量和较高的压力下形成定向贯通的介质裂缝，造成渗水通道，严重影响到隧道的安全状况。压注泡沫剂与土体的体积比关系暂定为0.175。
3.4 同步注浆
一般情况下，每环的压浆量一般为建筑空隙的100％～150％（3m3），在盾构穿越海河过程中，同步注浆量不宜过大。同步注浆配比如下（每方）：
水泥（kg） 细砂（kg） 膨润土（kg） 粉煤灰（kg） 水（kg） 165 779 56 341 413
水泥采用P.O.42.5，投料顺序按砂、水、膨润土、水泥、粉煤灰依次进行，搅拌时间（投料完毕后）控制在3分钟左右。初凝时间：<6h，稠度：<10h cm.s
同步注浆压力下部为0.35MPa，上部最大不超过0.25MPa。另外在盾尾脱出护堤墙，整体进入海河底后，必须严格控制注浆压力，避免由于注浆压力过高顶破上覆土层。上覆土层被顶破后，海河水与正在施工的隧道之间形成一个通道，海河水可能通过盾尾、管片接缝进入隧道，给隧道施工带来危险。
3.5 盾尾密封
在盾构进入海河底后，必须切实保证盾尾内充满油脂并保持较高的压力，以免海河水通过盾尾进入隧道，盾尾油脂注入量暂定为25Kg/环。
3.6 盾构姿态控制
每环纠偏量不得大于4mm。
3.7 螺旋机防喷
为了确保施工安全，防止紧急情况下螺旋机闸门由于被异物卡住或机械原因无法正常启闭，因此在螺旋机外加设一道闸门，与原有闸门组成双保险，在河中段施工时，一旦发生喷涌现象，立即关闭闸门。如图所示：
防喷装置示意图
3.8 穿越海河段施工监测
3.8.1沉降监测 海河两岸为人工加固混凝土片石堤岸，在堤岸上分别布设监测点，监测沉降变化。左右两条线共布设4个沉降观测断面，每个沉降断面布设7个观测点，在盾构机推至之前取得初始值，初始值取两次测量的均值，在盾构机推进时，对其实时监测。
观测方法： 用光学测微法进行观测。测前应对仪器、标尺进行检定，每次测前应对仪器I角进行检测，I<15〃 。控制网及首次观测可采用单程双测站观测，其后可采用单程单测站观测，监测点必须构成闭合环。
3.8.2拱顶变形及收敛变形监测管片拼装完成脱出盾构机后，外部土体将对管片产生压力及管片自重使管片发生变形，管片的受力及其变形的大小将直接影响隧道的安全。因此对拱顶进行沉降和对管片进行收敛监测也是至关重要的。
a 拱顶沉降点的布设：沿隧道走向每隔约12米在管片底用射钉打一个点或选一固定点，周期性的测其沉降值判定拱顶变形情况。
b 收敛变形监测点的布设：在隧道壁的左侧和右侧分别选一固定点作标记，其两点间距约为管片直径。此直径约垂直于盾构区间即可。断面间距为12米。
c 拱顶沉降监测方法；监测方法按不等距几何水准测量方法进行，视线长度＜50米，视线高度＞0.2米,基辅读数差＜±0.5mm, 测站高差之差＜±0.7mm。每次监测从基准点起测，高程引至工作点，从工作点联测各沉降监测点，测点可多次测量取中数即可。隧道沉降点的布设：沿隧道走向每10环一个沉降点。
d 收敛变形监测方法：采用收敛仪按照观测频率，周期性地在隧道壁的左右侧分别量测两标记的距离。根据两标记的距离变化来确定隧道结构侧墙的变形情况。管片变形监测点布设：监测点布设在左右的隧道壁上，沿隧道走向每10环布设一组观测点，用红漆做好标记。管片变形监测点布设
3.9 二次补压浆
当盾构穿越过后，海河河床可能会有不同程度的后期沉降。因此必须准备足量的二次补压浆材料以及设备，根据后期沉降观测结果，及时进行二次补压浆，以便能有效控制后期沉降，确保安全。盾尾与二次注浆之间的管片（一般为5~8环），在不能实现二次注浆之前进行间歇注浆。必须保证从同步注浆开始，盾尾以后的所有管片都能实现即时注浆，以控制地表沉降。
3.9.1注浆材料、浆液配合比
