盾构穿越江防大堤的沉降分析及其控制 Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｖｅｒ Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｈｉｅｌｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｐａｓｓｉ ｎｇ ｔｈ ｒｏｕｇ ｈ Ｒｉｖｅｒ Ｌｅｖｅｅ 宋伟斌 上海市基础工程有限公司上海２００００２ 摘要：沿江发电厂的循环水取排水隧道的盾构施工最大难点是需穿越防汛大堤，如控制不好会造成防汛大堤局部沉 降，甚至可能造成险情。因此，根据具体的电厂循环水取排水工程特点，通过对不同时期的沉降值进行分析，找出了 沉降的主因。在采取了相应的穿越江防大堤时的沉降控制措施后，有效地控制了大堤沉降，取得良好的工程效益，可 供相关工程借鉴。 关键词：盾构法 江防大堤 循环取排水 沉降控制 中图分类号：ＴＵ９４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００４－１ ００１（２０１ ３）０．５—０４３２—０３ １ 工程概况 本工程２台６６０ Ｍｗ机组的循环水取排水各设１根盾构 法取水隧道及排水隧道，隧道断面呈圆形，内径４．８４ ｍ， 外径５．５ ｍ，管片厚度０．３３ ｍ，环宽０．９ ｍ。取水隧道盾构法 施工以循环水泵房地下结构的进水前池作为工作井，沿途 穿越厂区一输煤栈桥一长江大堤一长江滩地，向取水头方 向推进，隧道长约９０７ ｍ。排水隧道盾构法施工从排水工作 井开始，沿途穿越厂区一长江大堤一脱硫区域一脱硫大堤 一长江滩地，向排水头方向推进，隧道长约４２３ ｍ。取、排 水隧道在大堤下推进时，主要穿越的土层为：②３—２灰色砂 图１地层变形示意 质粉土、④１灰色淤泥质黏土。其中②３—２土层局部深度为 粉砂，较难控制；④１灰色淤泥质黏土，为软弱土层，对盾 构施工较有利。 盾构施工对地面产生沉降的主要原因归结为 。 ： （ａ）地面扰动固结沉降：因施工扰动引起的地面固结 沉降，主要是由于盾构法施工引起的地层损失及土体扰动 固结沉降。 隧道与大堤交叉布置，穿越大堤段的取水隧道中心标 高约为－９．５７ ｍ（吴淞高程，下同），排水隧道中心标高约 为一８．６０ ｍ，地面（滩面）以下埋置深度不小于１Ｏ ｍ。隧道 施工采用在地下暗挖，不需开挖滩面，因此对大堤本体结 构不会造成破坏。 （ｂ）后期固结沉降，盾构法施工完毕后，土体的后 期固结沉降。以上两点是形成地面沉降的２个主要因素。 其中，针对施工期间土体扰动后的固结沉降，可通过 手段加以控制： （ａ）施工前针对该土层的盾构机选型、各种掘进参数 ２盾构施工引起地层变形的力学机理分析 盾构掘进时的地层变形，是指从开挖面的土体切削到 均做了比较性的选择，选取了最为合适的各种工艺参数， 同时在盾构初期掘进期间，分析顶进过程中的各种数据， 管片组装、背面注浆材料为介质的地层管片一体化期间， 进行分析，及时调整地下土层的实际变化。 （ｂ）漏水、管片变形、姿态调整对土层的挤压摩擦 所发生的由于应力释放盾构机体的摩擦、壁后注浆的压力 和因注浆不足等对地层造成的扰动而导致的变形和位移活 动。盾构掘进引起的地层变形的主要原因如图１所示。 对地面产生的沉降可以通过精心组织、精心施工来减轻乃 至避免。 （Ｃ）面板压力与土压力的不平衡引起的崩塌或挤土 作者简介：宋伟斌（１９７５．）’男，本科，工程师。 通讯地址：上海市民星路２３ｌ号（２００４３３）。 收稿日期：２０１３—０２－０６ 对地面产生的沉降可以通过控制盾构推进时的出土量来控 制，一般控制在９８％～１００％，避免欠挖和超挖。 （ｄ）盾尾注浆补充不足对地面产生的沉降可以通过 ４３２ Ｉ ｉ￣ｉ＇ｒ第３５卷第ｓ期 囊 蓦 管内注浆、甚至管内２次注浆来控制。 （ｅ）空隙减少、各种固结对地面产生的沉降可以通 完成后半年，监测数据累计统计如表１一表３所示（由于监 测数据点较多，在此，抽取盾构轴线方向上，沉降值较大 的几个点）。 表１盾构推进前（预加固阶段）大堤沉降值 取水隧道测点 沉降值／ｃｍ 排水隧道测点 沉降值／ｃｍ ＱＣ３ －０．６ ＰＣ３ Ｏ－３ 过外部注浆来控制。 除上述措施外，还可进行大堤土体加固，进一步对大 堤沉降进行控制。对于后期固结沉降，可通过大堤土体后 加固，以及隧道内２次补浆等方式加以控制。 备注 取水隧道先加固 ３ 大堤沉降控制措施 ３．１盾构施工前的控制 在盾构穿越大堤前，对大堤段盾构穿越区域进行高 压旋喷桩和压密注浆预加固，尽可能地对盾构将穿越区域 的土体进行加固，减小盾构周围土体与大堤上部土体的联 系，以防止和减少盾构掘进对大堤段土体的扰动，又可降 低盾构穿越②３—２灰色砂质粉土产生流沙的可能。同时，对 大堤路面两侧进行压密注浆加固，最大化的减小上部土体 的扰动（图２）。 一ｌ２．００ｍ 图２大堤加固剖面 ３．２盾构施工过程中、完成后的控制 在盾构穿越大堤段过程中，注重盾构施工土压力等参 数控制，并做好过堤段的同步注浆和２次补浆工作。在盾 构完全掘进完成后，在大堤堤顶段根据测量数据又进行了 后期压密注浆加固，以控制大堤的后期沉降。 ３．３盾构施工过程中对大堤的监测 盾构穿越防汛海堤前，在海堤上设置沉降观测点和 沉降观测断面（隧道轴线两侧上每隔２ ｍ、３ ｍ、５ ｍ布置 １个沉降测点，每隔２ ｍ设１个监测断面），采用精密水准 仪和数据采集仪进行监控海堤的沉降，估算海堤的残余沉 降，评估海堤残余沉降对隧道的影响。沿轴线方向每５ ｍ布 １个监测断面，每个监测断面设１组７点观测点。每２ ｈ监测 １次，根据需要可进行与施工同步的跟踪监测；同时也加 强了隧道自身的沉降观测，随时掌握隧道的沉降情况。这 些数据经计算机数据处理分析后作为及时调整盾构参数的 依据，并建立沉降报警体系。 ４大堤沉降数据统计 在盾构掘进之前，均按照以上措施进行了施工，从大 堤进行加固期间便开始了监测数据，一直延续至盾构推进 ＱＦ１ —０．４ ＰＦ１ －Ｏ．２５ 表２盾构穿越大堤阶段大堤沉降值 表３盾构穿越大堤后６个月期间大堤沉降值 ＱＦ寻１ Ｉ——卜 — －０ ．１。’—斗 １—— ＰＦ １——＿Ｌ ｌ寺０－． １５停１ ’’止一 时间一致 根据以上抽取的部分监测点，抽取沉降最大值，经统 计后见表４。 表４盾构穿越大堤统计表 累计沉降值／ｃｍ 预加固阶段，０ 穿越大堤阶段 后期阶段／％ ／％ 取水隧道 －２－８ ２１ ４ ７１．４ ７．２ 排水隧道 一２．１ １４．３ ６６．７ １９．Ｏ 根据以上统计，在盾构法穿越大堤期间，对大堤造成 的沉降最主要还是集中在盾构穿越的期间所造成的沉降占 总沉降值的７０％左右。 ５ 大堤沉降数据的分析 ５．１预加固阶段 大堤出现了一定的沉降值，根据监测数据显示，在进 行高压旋喷以及压密注浆施工的前期，大堤出现隆起的迹 象，但是在完成施工后半个月的时间内，大堤出现了由隆 起转变为沉降的过程。其原因有： （ａ）压浆初期大堤隆起是由于压浆压力的原因，填充 了间隙，微微抬高了大堤的局部位置，故表现为隆起； （ｂ）在半个月的加固养护期间，由于压浆材料的凝 固、收缩，且水泥表现出的黏结能力，在压浆促使大堤成 为一块整体的过程中，微量收缩的表现为大堤出现整体的 沉降过程。虽然是沉降，但是大堤却出现密实的过程，对 整个大堤安全质量来说却是有利的。 ５．２盾构穿越大堤期间 大堤出现了占整个沉降值７０％的沉降值，该沉降值的 出现主要有以下５种因素影响： （下转第４３６页） ２０１ ３・５ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃ。ｎｓｔｒｕｃｔｉ。ｎ Ｉ ４３３ 差 薹 垂 誊 善 ｉ ＝ ｉ ３．２．５减阻措施 ４ 结语 经过对硬塑地层地质情况及各类顶管工具头的分析研 究，结合笔者多年的施工经验与心得，新沂地表水厂顶管 注浆减阻技术，目前实现顶管施工的长距离施工的技 术保证措施，除了设置中继间外，更重要的是通过注浆工 艺来减小管材与土壤的摩擦阻力。采用注浆工艺润滑、减 阻，可以使顶力大大减小。 采用的工具头及相应的技术措施不仅按设计要求完成，而 且对周边环境未产生任何影响，取得了成果。通过新 减阻用的主要材料是膨润土和水。在制浆过程中要适 量加一些辅助原料：如纯碱、纤维素ＣＭＣ等。减阻用浆制 沂地表水厂取水顶管工程的实践，证明了硬塑地层中顶管 是可行的，拓展了顶管施工领域，丰富了顶管施工技术。 作以后，关键在于如何注浆，尤其是长距离顶管，注浆步 骤很重要，以下为注浆步骤： （ａ）浆孔布置原则采取前密后疏； （ｂ）注浆压力过大会使地面拱起，压力过小会使注浆 不到位，达不到减阻目的，所以一定要根据管道深度和顶 进距离来控制压力； （Ｃ）注浆过程中不能把所有的注浆阀门打开，如此 ［１］宁文国，谭果祥．顶管施工技术在复杂地质条件下的应用［Ｊ］．山西 建筑，２００８（２６）：１５９－１６０． ［２］尹西敏．砂卵石层中长距离大管径顶管施工减阻［Ｊ］＿市政技术， ２００６（３）：１６８－１７０． 【３］姜春辉，徐玉夏，姚咏川，等．钢顶管穿越块石海堤施工技术［Ｊ］．建 筑施工．２００９（１）：２８—３０． 会使浆液损耗在某个土体薄弱的地方，而不能赶到减阻效 果，所以一定要把注浆阀门关闭后按先头部后尾部或先尾 部后头部的程序逐个进行注浆； ［４】陈志尧．市政工程中顶管施工技术要点分析［Ｊ］＿科技创新导报， ２００９（１ ４１：２５６． （ｄ）注浆时间可分为顶前注浆和顶中注浆，这样才 能起到注浆减阻的最好效果。在新沂地表水厂顶管过程 ［５】梁极，康卫国，颜佩君，等．大直径雨水管顶管及曲线顶管施工技 术［Ｊ］．城市道桥与防洪，２００５（６）：１１３一ｌ１６，１Ｏ一１１． 中，按８４３ ｍ的顶进距离设置了３个中继间，由于注浆效果 较好，实际项进过程中，没有启动１个中继间。 ［６］顾国明，葛金科．多刀盘土压平衡顶管机在长距离三维急曲线顶 管施工中的应用【Ｊ］．中国市政工程，２００４（３）：６７—７０，７５． （上接第４３３页） ６ 结语 通过上述分析说明，在盾构穿堤段虽然大堤产生一定 沉降，但沉降值低于地方部门允许值，说明在采取了一定 （ａ）开挖面沉降，即盾构推进时，引起盾构正前方应 力的变化产生的沉降： （ｂ）尾部沉降，即盾构通过时，盾构机与土体之间产 的施工控制及预加固措施情况下，有效地控制了盾构穿越 江防大堤引起的沉降：同时后期沉降数据情况表明，在结 合后期压密注浆补强等措施后，可进一步对堤面后期沉降 进行控制，确保大堤尽快恢复至稳定状态 。 随着国家电力系统日益发展的大规模建设，沿江、沿 海区域需穿越江（海）防大堤的隧道工程日益增多，通过 生的剪切应力，产生了大堤的沉降； （Ｃ）盾尾空隙沉降，即盾构机通过此测点后，因盾构 机与管片之间的间隙而使得地面的沉降； （ｄ）长期延续沉降，即盾构通过后在相当长的一段 时间内延续的沉降； （ｅ）施工过程中存在主观因素。 因此，盾构法施工引起地层的损失和隧道对土层扰动 后土颗粒的再固结，是产生盾构穿越大堤期间大堤产生沉 降的主要原因。但该阶段的大堤沉降量并未超过堤防部门 本文的介绍，期望可在沿海沿江大型电厂循环水取排水盾 构法隧道施工中提供借鉴。 规定的沉降允许值，说明通过施工控制及前期的预注浆加 固，对大堤本身的结构起到了较好的加固和稳定作用。 ［１］周文波．盾构法隧道施工技术￣－Ｔ－７Ｌ应用［Ｍ】．北京：中国建筑工 业出版社．２００４． ５．３盾构穿越了大堤后 在随后的连续６个月内进行持续监测，发现该阶段的 沉降值很少，其沉降主要表现为土体的固结沉降。统计的 ［２］刘建航，侯学渊．盾构法隧道【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，１９９１． ［３］秦建设．盾构施工开挖面变形与破坏机理研究［Ｄ］．南京：河海大 学，２００５． 【４］白中仁，广州地铁三号线客大盾构区间盾构机选型技术［Ｄ】．广 州：西南交通大学，２００３． 【５］滕丽．基于土体力学特性的盾构隧道施工风险监控系统研究【Ｄ］． 日变化值为：取水隧道平均沉降速率一０．０２ ｍｍ／ｄ；排水隧 道平均沉降速率一０．０３ ｍｍ／ｄ。而大堤自身在施工前的监测 数据显示，大堤自身的平均沉降速率为一Ｏ．Ｏ５ ｍｍ／ｄ。说明 大堤已处于稳定状态。 上海：上海大学，２０１２． ４３６ Ｉ建筑施工第３５卷第５期
