地铁盾构隧道下穿海河施工风险控制
2011-07-23 18:45
地铁盾构隧道下穿海河施工风险控制
【摘 要】天津地铁2号线东南角站—建国道站区间施工过程中成功地穿越了海河，为天津地铁首次成功穿越。由于无同类工程的经验借鉴，施工前做了大量的探索分析，认为盾构下穿海河过程中自身的安全保证为最大的施工风险，文中主要介绍穿越海河过程中的风险控制措施。
【关键词】地铁；盾构隧道；穿越海河；风险控制
1、工程概况
天津地铁2号线东南角站—建国道站区间左线长845.818 m，共计705环，右线长859.424 m，共计717环；盾构隧道在始发后203～293 m（169～244环）穿越海河，穿越段长度90 m，河床至区间隧道的顶面最小覆土厚度为7 m。见图1。
在海河最低位置主要土层从上到下依次为淤泥（厚度2.7 m）、粉土（1.2 m）、粉砂（2 m）、粉土（1.8 m）、粉砂（3.3 m）、粉质粘土（3.8 m）。隧道撑子面土层主要是粉土和粉砂层。
由于海河流速缓慢，河底淤泥层较厚，据地质勘查成果显示，淤泥层厚度已达到3 m，而隧道的最小覆土厚度仅有7 m，实际有效最小覆土厚度为4 m。另外，隧道断面范围以内主要的土层为⑦2、⑦4粉土、粉砂层，渗透系数大，含水量丰富，对盾构施工极为不利。
盾构下穿河流最大的风险在于盾构自身，过河段与普通段相比主要的特点在于盾构的正上方存在源源不断的水源，如果发生泄漏或者倒灌，海河水将涌入隧道，将整个已完成的线路全部淹没，造成重大损失。在盾构施工之前必须充分分析各种存在的风险，找出有针对性的预防处置措施，做到万无一失。
2、主要风险
2.1河水倒灌风险
由于盾构掘进断面处于⑦4粉砂层内，含水量丰富、渗透系数大，上部隔水层厚度很薄，极易发生透水事故，导致河水与隧道贯通，因此保证盾构自身安全的关键点在于控制地下水。
根据抗管涌计算公式，临界水头梯度
实际水头梯度为
式中：I———实际水头梯度；
H1———河水水头高度，m；
H2———透水点水头高度，m；
l———深度路径，此处等于覆土厚度，m。
I≥Iα，所以如果盾构机的任何位置发生了透水，都将导致管涌的发生，一旦发生管涌将导致河水灌入隧道内部。
2.2抗浮安全验算
盾构隧道在河底施工过程中，管片受到河底水浮力作用，为了防止管片上浮，需对穿越段河底最小覆土厚度计算。
管片所有浮力F浮=ρgV排=1×10×3.14×3.12=301.75（kN）；
管片自重G=24.5×3.14×6.2×0.35=166.94（kN）；
上浮土有效荷载F=γ＇h×D；
抗浮需满足F浮≤G+F；
式中：D———盾构隧道直径，m；
h———隧道覆土厚度，m；
γ＇———浮重度，kN/m3。
故最小覆土厚度应满足
通过计算认为本隧道不会发生上浮的灾害性事故，处于安全深度范围。
2.3管片上浮量化分析
采用有限元法进行数值分析，为了简化计算并最直观的得出上浮的具体数值，省略隧道的开挖、管片安装等过程，直接假定管片已安装完成，仅分析管片在浮力作用下的上浮量，选用二维模型。分析的主要步骤如下：
1）建立已拼装完成管片的隧道模型；
2）计算初始应力场，将位移全部去掉；
3）给管片施加向上的浮力荷载，计算管片的上浮量。
考虑到土体、管片均在水底，为此计算时土的重度取浮重度。土体采用D-P本构模型，主要的计算参数见表1，计算结果见图3。
通过计算盾构施工完成后，管片的累积上浮量能达到28 mm左右，该计算结果未考虑管片初拼装后在浆液内的上浮。
3、主要应对措施
3.1出土闸门
通过地层渗透的地下水没有及时与渣土排出从而导致地下水压力不断增大是发生喷涌的主要原因。本区间盾构穿越海河的地层主要以粉土、粉砂层为主，含水量大，渗透系数高，容易形成喷涌现象。
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。见图4。
3.2铰接
铰接是容易出现漏水的薄弱环节，因此，施工前在铰接位置设置应急气囊，在施工中应尽量提前调整好姿态，保证在河底不采用铰接调整姿态。
3.3盾尾处理
盾构原设计3道钢丝刷，在施工前进行了更新和改造。首先将所有的盾尾刷全部更换为弹性好的优质钢丝刷，然后将第3道（最尾部）更换为采用薄钢板组装而成的盾尾刷。见图5。
根据中铁一局在金鸡湖湖底2 km隧道的掘进经验，最后一道改用钢板后的盾尾刷弹性更好，能有效减小塑性变形程度。而前两道仍用钢丝刷可以有效保持盾尾油脂。
3.4抗上浮措施
根据理论分析，盾构过后管片会上浮约28 mm，再考虑到管片在未凝固的浆液中也可能存在上浮，综合各类因素之后，在盾构掘进过程中压低姿态约30 mm，以抵抗盾构的工后上浮。另外注浆的过程中，加大上部2个注浆孔的注浆量，尽量将上部空隙填充密实并将管片向下挤压。
根据实测，盾构管片拼装完成后，其垂直姿态均比设计低20～30 mm，但是根据监测，在盾构通过1月后，隧道的竖向姿态已基本接近设计标高。表2为对河底段管片的监测数据。
3.5做好超前注浆应急准备
盾构隧道在河底段掘进时，由于存在砂层，含水量超过液限，受到盾构的扰动极易发生液化。如果盾构机某个部位发生泄漏，就会导致周边土体被抽空，这样盾构机就如同悬在地下一般，由于四周土体无有效支撑，盾构机与管片之间可能产生较大的相对位移，发生管片破损，盾尾漏水等灾害性事故。为此，在盾构过海河地段，做好超前注浆准备，一旦发现盾构机可能存在上述风险，立即进行双液注浆，保证盾构安全。见图6。
4、结论
东南角站—建国道站区间盾构右线穿越海河整个过程自2010年10月24开始，至2010年11月1日结束，平均进度10环/d，最高12环/d；左线穿越海河整个过程自2010年12月5日开始，至2010年12月14日结束，平均进度9环/d，最高13环/d。盾构在河底段掘进过程中未出现任何渗漏、涌水情况，整个穿越过程安全平稳。
在过河段施工最大的风险就是盾构自身的安全保障，除了需采用合理的施工参数外，另一个重要的风险控制措施就是对盾构机进行适当改造或充分利用各种技术手段，使其更适合在河底掘进施工。为了过河而改造的盾尾刷对于保证盾尾安全，防止盾尾漏水意义重大；在螺旋输送机出土口位置加装的手动闸门增加了盾构施工的安全性，降低了喷涌后的风险；以上措施也可在普通地段实施。
参考文献：
[1]马龙.浅覆土段盾构过河研究[J].施工技术，2009(S1)：95-97.
[2]王洋.泥水盾构穿越珠江水下浅覆土区域的施工难点与对策[J].广州建筑，2006，(4)：21-24.
[3]杨志永.城市大直径泥水盾构浅覆土下穿既有河流加固技术[J].黑龙江科技信息，2010，(9)：230.
[4]田金虎.盾构过河隧道超浅覆土层区域施工技术[J].中国高新技术企业，2010，(12)：167-168.
[5]刘国秀.盾构隧道下钻护城河段施工技术[J].铁道勘察，2008，24(3)：81-84.
