地铁盾构穿越黄河风险控制

陈志旺杨东增

【摘要】兰州轨道交通下穿黄河段地层以富水卵石层为主，施工中采用泥水平衡盾构法施工，为国内盾构隧道首次下穿黄河，盾构下穿黄河阶段所面临可能出现隧洞涌水、涌砂、掌子面坍塌、河底击穿、隧道管片上浮事故，高承压水、砂卵石地层、盾构穿越黄河过程中可能出现孤石或漂石等重大风险，这些潜在风险可能会在盾构施工中造成高承压下盾尾密封失效、高水压下主轴承密封失效、管片上浮或下沉、管片错台、管片破损、止水条挤压变形破损、漏水、刀盘与刀具的磨损、更换刀具、掌子面压力不稳定造成河底击穿、盾构机不能保压等后果，严重影响盾构正常安全施工。结合兰州轨道交通建设中的实际问题，对盾构下穿黄河过程中如何实现对这些风险的有效管控进行探讨，并提炼出盾构下穿大江大河时可借鉴与实施的风险控制方案，供轨道交通工程建设作为参考。

【关键词】盾构；下穿黄河；风险控制

【中图分类号】U231【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）14-0138-02

1.引言

随着城市轨道交通建设事业的发展，地铁建设中下穿江河的区间隧道工程已屡见不鲜，相比陆域区间隧道，下穿江河的区间隧道所面临的地质条件及边界条件更为复杂，施工中对风险管控的要求更高，本文结合兰州轨道交通1号线一期工程下穿黄河区间隧道工程中特殊的地质、水文条件，对盾构下穿黄河中的风险管控问题进行探讨。

2.工程概况

迎马区间采用两台泥水加压平衡式盾构机，下穿黄河段隧道长度约404m。隧道由迎门滩站方向向马滩站方向掘进，隧道采用双洞布置，从银滩大桥上游同侧绕避银滩大桥。根据详勘资料，穿越黄河段地层主要由上下两层卵石构成。其中2-10卵石层平均厚度7.18m，卵石含量约50%~55%；3-11卵石层平均厚度34.54m，卵石含量约55%~60%。

图2区间平面图

3.迎马区间盾构下穿黄河主要风险源

盾构下穿黄河段施工直接关系到迎马区间整个盾构施工安全，在施工组织上具有工序转换多、未知风险因素衔接多的特点。根据地勘报告可知盾构下穿黄河段地层主要为富水卵石层3-11，卵石粒径和硬度存在不确定性，渗透性较强，埋深较大，开挖仓高承压，赋存的地下孔隙潜水极为丰富，因此在盾构穿黄施工过程中，如何做好盾构洞内良好密封、开挖仓压力稳定、减小地表沉降、防止隧道轴线突变和减少刀具磨损是穿黄的重难点：

本区间隧道下穿黄河段，施工中可能遇到的风险主要有：

（1）穿黄地段水文地质条件复杂，盾构施工过程中可能出现隧洞涌水、涌砂、掌子面坍塌、河底击穿、高承压下盾尾密封失效、隧道管片上浮事故等施工风险；

（2）高水压下主轴承密封失效；

（3）管片上浮或下沉导致管片错台、管片破损、止水条挤压变形破损、漏水；

（4）砂卵石地层对刀盘与刀具的磨损风险，更换刀具的施工风险；

（5）盾构穿越黄河过程中可能出现孤石或漂石风险；

（6）掌子面压力不稳定易造成河底击穿，导致不能保压。

4.施工过程中风险管控方案

兰州轨道交通建设中盾构下穿黄河属于全国首次穿黄施工，必须采取科学有效的施工技术和有效预防及处理突发性事件的措施，保证盾构安全顺利穿过黄河，为后续工作积累宝贵经验。本文将从以下方面对盾构下穿黄河中的风险控制进行说明。

4.1风险源控制原则

（1）加强监控量测。加密监控量测频率，扩大监控量测覆盖面；根据监控量测的结果，不断调整和优化盾构掘进参数，严格控制盾构对地层的扰动，减小地面沉降。施工中做到"勤测量、速反馈"，及时掌握沉降情况，并据此确定是否需采取其他的保护措施。

（2）加强同步注浆。及时根据监控和现场情况进行二次注浆，确保隧道管片壁后间隙填充密实；同步注浆和二次注浆要严格执行“双控”控制（注浆量和注浆压力），二次注浆按照“多点、均匀、少量、多次”原则有序进行，直到土体变形稳定。

（3）保证盾构匀速、连续掘进，减小因推进中刀盘转速和掘进速度改变对前方和周围土体制造成的扰动。

（4）合理选择盾构掘进参数，控制好盾构姿态，注意管片选型和盾尾间隙控制，避免蛇形及驼峰形。

（5）注意盾构覆土深度突变，及时根据图纸计算开挖舱压力，并结合实际，指导压力参数设定。

（6）严格控制管片拼装精度，防止盾尾间隙过小损坏管片及止水条，防止因管片渗漏水造成上方土体沉降。

（7）加强泥水系统调制浆质量，使泥浆比重、粘度、析水率、胶体率、含砂率满足施工要求。

（8）盾构姿态纠偏要做到“勤纠、缓纠”，每环纠偏量（水平和垂直方向）不超过4mm，避免因纠偏量过大造成盾尾间隙过小、管片破损和管片错台。

（9）做好应急预案、加强应急组织。

结合本工程的实际情况，根据分级分部门负责的原则，应成立“盾构应急组织机构”。细化专项施工方案，制定专项动态应急预案。

4.2隧道上浮的风险预防及处理措施

（1）施工期间严格控制隧洞轴线，均匀纠偏，减少对土体的扰动；

（2）提高同步注浆质量，要求浆液有较短的初凝时间与较高的剪切强度；

（3）利用聚氨酯注浆在隧洞周围形成环箍，使隧洞纵向形成间断的止水隔离带，以减缓、制约隧洞上浮，并控制隧洞变形；

（4）当发现隧洞上浮量较大且波及范围较远时，应立即对已建隧洞采取补压浆措施，割断泥水继续流失路径。

5.结论

本文综合兰州轨道交通迎门滩~马滩区间水文地质情况，针对兰州轨道交通建设下穿黄河施工中面临的风险，开展盾构下穿黄河过程中的风险管控工作探讨，得出以下结论：

（1）盾构掘进过程中，通过监控测量、二次注浆、合理选择设定盾构参数、控制管片拼装精度、加强泥水系统调制浆质量、调整盾构姿态等方式可以有效对施工中可能造成的地表沉降、管片错台以及后期可能会凸显的隧道沉降、渗漏水等风险进行管控。

（2）施工期间严格控制隧道轴线、提高同步注浆及二次注浆质量、关键时及时补压可有效预防隧道上浮风险。

（3）选择合适的注浆材料以及合理的注浆方案可以有效应对隧道渗漏水的风险。

（4）合理的盾尾水密封压力、必要的应急设置、有效的过程管控（漏浆时的处理方法、合理的切口水压、盾尾间隙密封）可以有效预防或消除高水压下盾尾密封失效的风险。

（5）准确的地质预报、刀盘良好的工作状态、合理的掘进参数、良好的泥浆性能及合理的泥水苍压力可以有效预防漂石对盾构正常掘进的影响。

（6）合理的盾构类型选择、合理的刀盘配置、刀盘开口位置的有效硬化处理、切实可行的带压换刀技术可有效降低砂卵石地层中刀具磨损带来的风险。

（7）切口水压波动范围及掘进参数的严格控制、河底冒浆的应对方案可有效管控盾构击穿河底的风险。

（8）高效、训练有序的应急组织机构能有效应对施工中各种突发事件。

参考文献

[1]《迎马区间下穿黄河专项施工方案》.中铁十六局集团有限公司.

[2]《迎马区间施工专项风险咨询报告》.上海同是科技股份有限公司.

[3]《兰州地铁TJI-2标泥水盾穿黄专项施工方案》.中铁十六局集团有限公司.

[4]李海峰.卵石含量高、粒径大的富水砂卵石地层中盾构机选型研究[J].现代隧道技术,2009(1):57-63.