泥水盾构机过φ1800压力污水管技术总结
广州地铁六号线盾构一标
李世佳
1工程概况
广州市轨道交通六号线高架线入洞口～大坦沙站（含明挖段）工程，位于大坦沙岛，线路走向为南北走向，南与大坦沙站相连，北与高架区间交接。右线里程：YCK3+230.00～YCK3+988.050，右线长度：758.05m，左线里程：ZCK3+234.227～ZCK3+988.050，，左线长度756.885m。隧道掘进主要包括：入洞口～河沙站、河沙站～大坦沙站两个盾构区间的隧道工程。本标段1台泥水盾构机从高架线入洞口端左线始发，掘进至河沙中路附近时，在隧道掘进环数185环至222环之间，里程YCK3+459-YCK3+525约70米范围内，有一条Φ1800mm的压力污水管与左线隧道平面呈斜交关系，从隧道上方通过，具体平面位置见下图：
图1 隧道线路与污水管道相交平面示意图 上图可知，污水管与左线隧道斜交完全重合的长度约为53m。管道与隧道相交处，污水管道顶部埋深约3m，管底离隧道顶最小距离约2.1m。污水管道及隧道均处于砂层中，具体情况如下图可知，隧道主要经过海陆交互沉积层，深灰色、灰、灰黑色，呈饱和，松散～稍密状态，组成物为粉砂、细砂，局部为中粗砂，含淤泥质及少量有机质，局部有贝壳碎片；中粗砂层，灰白、浅黄、灰等色，城饱和状，稍密～密实状，组成物主要为中砂、粗砂、砂砾，含少量粘粒，土质松软。 本标段掘进区间位于珠江江心岛上，四面环水，地下水丰富，补给来源充沛，且水位埋藏较浅，尤其是过压力污水管盾构区间为全断面、砂层，透水性极好。 1800压力污水管185190195200205210215220225230
图2 污水管与隧道斜交完全重合处纵断面图 从调查可知，该压力污水管为玻璃夹砂管，承插式接头，每节为12m，污水管允许变形挠度为2～3度。 2盾构机过压力污水管风险分析及保护方案
根据现场实际情况以及对污水管道补充详细勘测后，一方面由于污水管道底部离开隧道太近，距离仅为2.1m。如果控制不当，很可能造成污水管破裂,而且由于破裂后漏水将造成地层塌陷，酿成灾害。
按原计划，对Φ1800压力污水管与隧道相交范围的地层进行加固，对隧道（左、右线）外侧影响范围内的管线采用搅拌桩隔断的方法来进行加固，对隧道上方管线，每隔5m做倾斜交叉的旋喷桩，保护隧道上方管线，搅拌桩起隔离作用。目前，现场实际情况以及对污水管道补充详细堪察后，考虑如下：
采用打斜桩的方法加固不可行，因为斜桩（旋喷桩）很可能会打到隧道范围内，起不到加固的作用，反而加固后的水泥块会令盾构掘进时的切口水压产生波动，另外加固过程中也可能对管道本身产生挤压破坏等影响。从另一方面讲，由于污水管所处的地质为淤泥及砂性软弱地层，根据类似地层的掘进情况发现：盾构机推力及扭矩小、切口水压波动小、对地表的控制较理想。
综合考虑，决定在隧道正上方的污水管不采取加固措施，主要通过对盾构机掘进参数的控制来达到对压力污水管线的保护。
3盾构机掘进控制及效果
盾构机自2008年2月1日至2008年2月8日顺利通过压力污水管，掘进环数平均为5环/天，掘进过程没有发现压力污水管破损、渗漏现象。期间，主要对以下掘进参数进行了重点控制与监测：
3.1推进速度的控制
在穿越污水管的过程中,盾构机推进速度不能过快,经计算分析,控制在20.0~25.0cm/min为宜。推进过程中速度要保持稳定,盾构应均衡、匀速地穿越原水管渠,以减少变速推进对前方和周边土体造成的扰动,减少对污水管的影响。
3.2切口水压的控制 切口水压是用泥水使开挖面保持稳定的作用力，通常应与作用在开挖面上的土体在对抗中保持平衡，水压与开挖面上含水土体的垂直作用的重力及图的内摩擦角大小有关，其理论计算为： 切口水压上限值：P上=P1＋P2＋P3=γw·h＋K0·[(γ-γw)·h+γ·(H-h)]＋20 P上：切口水压上限值(kPa)； P1：地下水压力(kPa)； P2：静止土压力(kPa)； P3：变动土压力，一般取 20 kPa； γw：水的溶重(kN/m3)； h：地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）(m)； K0：静止土压力系数，本次施工取0.85；γ：土的溶重 (kN/m3)； H：隧道埋深（算至隧道中心）(m)。 切口水压下限值： P下=P1+P\'2+P3=γw·h+Ka·[(γ-γw)·h+γ·(H-h)]-2·Cu·sqr(Ka)+20 P下：切口水压下限值(kPa)； P\'2：主动土压力(kPa)； Ka：主动土压力系数，本次施工取0.4； Cu：土的凝聚力(kPa)。 开挖面是一种动态的平衡，盾构在污水管底施工时，无论是掘进阶段还是停止掘进阶段，都应该随时注意泥水压力的变化，使其略高于地层土压力，设计泥水压力=土压力+水压力+加压，此段加压值控制在0.1～0.2Kg/cm2。 过污水管时注意对切口水压的控制，尤其是切口水压的波动值应控制在10％的范围内，并可利用前100m的掘进参数来试探掘进速度的控制，适当时可稍微进行欠挖掘进。我们采用盾构机正在过1.8米压力污水管的切口水压数据与过压力污水管前一百环的掘进切口水压数据对比，发现过压力污水管时切口水压有明显增大，如图
1、图2。其原因主要有两方面：
1、不同的地层条件导致实际值比理论计算值偏大；
2、在掘进施工中采用保险施工工艺，防止地面沉降造成对压力污水管的损坏。根据压力污水管材料性质，允许变形挠度为2～3度，加大切口水压造成地层约微上浮，待盾尾间隙已经注浆饱满，盾构机向前推动后，地层会逐渐下降，对压力污水管的影响不大。
图3
过压力污水管前100米切口水压控制数据
图4 过压力污水管时切口水压控制数据 3.3切削干砂量管理及控制
计算理论干砂量可与中央控制室监视盘显示的掘削干砂量（即实际掘削干砂量）作比较，根据两者之间的差距，判断开挖面超挖量和地质变化情况。 在过污水管道时的浅覆土段其单环（1.5m宽）理论干砂量： G = (πD2L/4)×(1-25/100) = (3.14×6.262×1.5÷4) ×(1-25/100) =46.143×0.75 =34.61 m3 实际单环干砂量G’，根据仪器测定送泥水和排泥水的差，通过计算求出实际土粒子量（干砂量）。 根据g=(G’-G)/G得出超挖率g，当g>20%，且计算机电视屏幕上显示弃土体积的有迅速、明显的变化，则开挖面有可能塌方或土层出现变化，此时应及时掌握切口正面土体塌方的情况。 图5 干砂量控制数据 采用实际干砂量与理论干砂量比较可知，从一定程度上采取了欠挖的施工工艺，主要是为了避免注浆时压力过大，而造成对压力污水管的挤压而损坏。 3.4泥浆的管理及控制
由于该地层自造浆能力较差以及在砂层中掘进泥浆损失量较大，应该加大泥浆的粘度，把泥浆比重控制在1.10g/cm3左右，泥浆粘度控制在23s以上。
另外，预备足够多的人造优质泥浆，防止泥浆供应不够，尤其是过压力污水管时，更应该加强泥浆的调整及管理工作。
3.5注浆参数控制 3.5.1注浆方式
盾构机在过压力污水管注浆采用的背填注浆方式主要有
①、同步注浆方式：同步注浆与盾构掘进同时进行，通过注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾形成间隙的同时，采用螺杆泵二管路（四注入点）同时注浆。由于通过压力污水管地层为软弱地层，土体流动性较大，应该及时调整AB液的初凝时间，一般加快至8～10s，并且加大注浆量。
②、即时注浆方式：即时时注浆是在每一环掘进完成后，从盾尾的管片注浆管实施的背填注浆，以尽量缩短尾部空隙的发生和盾尾填充时间，通过即时注浆，有利于控制注浆量的饱和，避免因主讲不饱和造成地面沉降对压力污水管的影响。
③、补充注浆方式：根据测量反馈数据及实际施工情况，采取在盾尾数环后的管片注浆孔进行二次（或多次）背填注浆，以控制滞后沉降，减轻隧道及压力污水管道的防水压力。
3.5.2注浆压力及注浆量
注浆压力一般指注入口处的压力，是由地基条件，水泥强度及盾构形式和使用材料特性综合决定其适当量，保证能够充分填充所需要的压力，同时还要考虑管片强度、水压、土压本盾构机采取两套注浆系统注浆，一套进行盾尾同步注浆，一套进行衬砌（管片）壁后补注浆。注浆量争取达到理论建筑空隙的130%～180％（即取注浆率α=130%以上）： 得：Q ≥α×S×V= 130%×(π/4)×(D12-D22)×1.5
=1.3×(3.14/4)×(6.262-62)×1.5=4.88m3/min
其中,Q-注浆设定量的范围；S-盾尾空隙面积；D1-盾构机外径；D2-管片外径
根据经验计算公式，注浆量取环行间隙理论体积的1.2～1.6倍，则要求每环（1.5m）注浆量Q=4.5～6 m3。为了保证对环向空隙的有效填充，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据计算和经验，注浆压力取值为0.2～0.5Mpa。
采用注浆压力和注浆量的双重指标控制标准，即当注浆达到设定值，注浆量达到设计值的85％以上时，即可以认为达到了质量要求。
图6
实际注浆量数据
3.6监测控制 施工监测数据的及时反馈对盾构机过压力污水管的掘进控制起着至关重要的作用，应该重点地面沉降监测控制工作。
地面沉降监测点应根据隧道通过的围岩条件和压力污水管情况来布置，一般来说，监测范围为：沿隧道中线方向每隔5米布设一个测点，检测范围为前30m后50m；其中每隔20m布设一个监测横断面，横断面方向测点间隔，一般为5米，在一个监测断面内设值6个测点；外加隧道及污水管上方的建筑物沉降点。但由于盾构隧道距离Φ1800压力污水管最近距离约为3m；其控制值为30mm，警戒值为24mm。在正常监测范围的前提下，应该并加强监测，监测范围覆盖本区间隧道外向污水管方向5倍隧道深度的距离（约40米）内的污水管，沿长度方向每5m布设一个监测点。
另外，还应在污水管两侧（每隔5m）上方设置深度测孔直接监测管线沉降，深度测孔用洛阳铲人工挖孔，并埋下Φ100钢管，管外注浆填充。测管线时，每次在钢管内放入定长钢筋，土体深度测点中，在钢管内固定打入一钢筋至钢管底部土体中约500mm，测量钢筋顶部标高，即可算出深层沉降。
图7 深度测孔示意图
深度测孔可预先布置一部分(每隔15m布置上图所示的三个测孔)，通过监测点与深度测孔的使用，形成更加准确的管线沉降监测，观测方法、监测仪器与地表隆陷观测。盾构掘进时，对刀盘正上方的管线，保持专人24小时连续监测，并在一小时内整理出数据。一旦发现土体沉降超过警戒值后，可及时反馈中控室，通过加压填充注浆来处理。
图8 盾构机过压力污水管时隧道内管片检查图
图9 过压力污水管时演索道中心线地面沉降数据（Y轴为负值）
4、小结
本次盾构机过压力污水管，主要通过盾构机控制掘进参数来保证掘进质量，这样，对各施工工艺、施工人员的技术素质、工种之间配合要求很高。应提前对控制人员做好质量、安全等方面的技术交底，完善施工风险预案、并加强对施工人员的管理。
每拼装一环后，必须对每环管片进行错台、碎裂、渗漏、裂缝等质量检查，整理各掘进参数，结合隧道内管片姿态控制检测数据与地面沉降数据予以分析，确保掘进施工达到设计要求。
