泥水平衡盾构机穿越长江大堤施工技术 (1)

泥水平衡盾构机穿越长江大堤施工技术

陈欣

（中铁隧道集团二处有限公司掘进机一公司；北京 101601）

摘 要：本文介绍了如何对AVN2440DS复合式泥水平衡盾构机采取相应的掘进施工技术，采取各种地面沉降控制办法，确保盾构机成功穿越长江大堤。

关键词：盾构机；穿越长江大堤；施工

中图分类号：F293.30 文献标识码：A 文章编号：2132-8089（2011）04-0096-05

Slurry Shield Machine Across the Yangtze River Dam Construction Technology

Chen Xin

(The first branch , TBM Engineering Company of China Railway Tunnel Group-2 Corporation Limited, Beijing 101601)Abstract: This paper describes how to AVN2440DS Composite Slurry shield tunneling machines to take the appropriate construction techniques to a variety of ground subsidence controls to ensure the success of shield machine through the Yangtze River embankment.

Keywords: Shield Machine; Through the Yangtze River Embankment; Construction

1 工程概况

本工程为川气东送安庆长江穿越隧道工程，位于安徽省安庆市境内，始发井位于长江北岸安庆市海口镇南埂村，接收井位于长江南岸东至县大渡口镇杨套村。隧道总长度为2760m，其中始发井距离北岸大堤约200m，盾构机覆盖层厚度8m-10m，接收井距离南岸大堤约200m。工程采用德国海瑞克公司生产的AVN2440DS复合式盾构机施工。

根据地勘资料显示，盾构机穿越长江大堤地段主要地层为⑥⑦层粉细砂地层：灰色至青灰色，饱和，中密至密实，颗粒级配差，主要矿物成份为石英、长石。

2 工程重难点分析

2.1 盾构机通过长江大堤时，防止大堤沉降或隆起，确保长江大堤的安全是本工程的重点。

2.2 盾构机本身开口率（32%）较大，如何避免掘进中出碴量过多是本工程的重点。

2.3 盾构机埋深大，其所承受的水压力和土压力也相对较大，在掘进中所受阻力也相对增大，如何确保盾构机快速通过长江大堤，是本工程的难点。

3 盾构机掘进前的施工准备

① 泥水盾构施工前，配制一定比重、粘度、的泥水供盾构循环使用，在掘进前，在泥浆槽里要制备足够量的施工所需优质泥浆。

② 对盾构机各系统（特别是液压推进系统、各泵站的叶轮泵壳）进行检查，确保盾构机的工作状态，同时对泥水处理系统、空

压机、行吊、电瓶车、装载机、叉车等关系到盾构机掘进的机械设备加强检查，以减少因设备故障造成的盾构机停机时间。

4 掘进技术4.1 对开挖土量管理

在掘进施工过程中应严格控制掘进速度及排浆量。根据现场排浆检测结果，盾构机排浆中，预筛出碴（鹅卵石）含量为0.3%，分筛出碴（砂）含量为16.2%，碴土总含量约为16.5%（即100m3浆中含有16.5m3的碴土）。根据V=A×L计算出盾构隧道的理论出碴量为8.1m3/m（实方），10m3/m（松方）。为确保控制出碴量，掌子面不坍塌，在掘进过程中通过快速推进将2m3的碴土挤压到盾壳外围，实际出碴量应控制在6.1m3/m（实方），8m3/m（松方），故在实际掘进过程中，通过以下公式计算排浆量Q与外循环时间T的关系如下：（实方）6.1m3=排浆量Q×16.5%×外循环时间T，（松方）8m3=排浆量Q×16.5%×外循环时间T，计算Q-T关系如表1所示：

表1 排浆量与外循环时间关系表

掘进一环的平均排浆量Q(m3/h)

220210200190180170160

掘进一环的外循环时间T(min)

13.213.814.515.3161718

4.2 掘进技术管理

根据盾构机穿越地段地层特点，对盾构机掘进做如下安排：每

作者简介：陈欣（1975— ），男，毕业于西南交通大学铁道工程专业，专科，助理工程师，现从事TBM施工管理工作。

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个掘进循环从拼装完管片开始掘进起，操作步骤如下：

① 通知地面打开泥水处理系统；

② 依次打开进排浆系统进行内循环，调节完成后打开推进系统进行硬推进（不开外循环、不转动刀盘），泥水循环如图1所示；

③ 推力继续增大获得掘进速度后，就打开进排浆闸阀，关闭旁通阀，进行排浆作业，此过程中继续推进，刀盘转速为3.4rpm；

④ 掘进时，尽量加大推力以提高推进速度，开始时排浆量Q控制在200m3/h左右，然后根据掘进的情况可降低排浆量，排浆量Q按“4.1对开挖土量管理”所述进行控制；

⑤ 掘进完成后，及时关闭刀盘，转为内循环，同时切入管片拼装模式，管片拼装完成后转入推进模式，进行下一环的掘进。

整幅度原则上控制3以内，保证整个隧道的平直性。根据实际操作情况调节；

⑥ 在掘进过程中要坚持同步在盾壳外注高浓度的膨润土，配合比为膨润土:纯碱:CMC:水=160:3:2:1000。

5 地面沉降控制办法5.1 排碴控制

根据AVN2440DS盾构机自身性能，采取以下措施控制排碴：① 停机前10cm-20cm打开旁通阀，采取硬顶的办法，使刀盘仓充满碴土，避免掌子面坍塌造成排碴量过大；

② 开始掘进前先转动刀盘，避免开启抽取阀时由于刀盘压力过大导致排碴量过大；

③ 在保证不堵管的前提下尽量降低排浆量；

④ 加快推进速度，减少排浆时间。

通过上述方法，排碴量可以得到有效的控制，从而有效控制地表沉降。

5.2 保证掌子面稳定5.2.1 泥水压力的控制

泥水加压盾构是通过加入封闭仓内一定压力、一定质量的泥水，并在掘进过程中始终保持开挖土与排出土量平衡，以保证盾构密封仓内压力P1与作业面正面压力P0（土压力与水压力之和）平衡。在浅埋地段，当P1＞P0很多时，地面可能隆起；当P1＜P0很多

图1 泥水循环示意图

时，地面可能超沉，超限的隆起或超沉可能引起地表的开裂或地面水和地下水的连通从而增大盾构的压力。一般控制在P1＝P0＋20

泥水通过进浆泵、旁通阀和各排浆泵的循环为内循环，而泥水通过进浆泵、环形喷嘴进浆阀、抽取阀1和各排浆泵的循环为外循环。操作时注意事项如下：

① 掘进开始时，若遇到旁通阀至刀盘舱段的排浆管堵塞，可停止推进，利用进浆压力反冲，待冲通后进行排浆作业的同时立即进行推进；

② 掘进过程中如果排浆量降为150m3/h时，需要进行内循环时，关闭刀盘和进排浆阀，进行内循环，管内碴土循环干净后，开启推进系统进行硬推进，待达到一定的推力和速度后，打开排浆闸阀、转动刀盘，进入掘进模式，此过程中继续推进；

③ 快要掘进完成时，可以进行内循环硬掘进，硬掘进的距离要根据掘进情况（推力、出碴量、刀盘扭矩等数据）及实际经验确定；

④ 盾构司机、泥水处理系统司机、地面沉降监测组必须保持联系，及时反映出碴变化情况、地质沉降数据等，盾构司机根据地面反馈信息对盾构掘进参数做适当的调整；

⑤ 由于砂层无稳定性，无法承载盾构机的重量，使得盾构机在停机的过程中自然下沉，对此要将导向油缸始终控制为“抬头”趋势，其具体控制参数则根据实际的偏差量进行调整，导向油缸的伸出长度保持50mm左右为宜。盾头、盾尾的水平偏差和垂直偏差的调

（Kpa）左右。因此，在盾构推进过程中应量测P1与P0，并利用监测信息技术指导掘进管理，根据量测数据及时调整泥水压力。泥水压力控制程序如图2所示。

图2 泥水压力控制程序图

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5.2.2 泥水质量控制

泥浆控制参照地下连续墙稳定液体管理标准，不同之处在于泥水式盾构原则上使用开挖粘土泥浆，泥浆密度大，循环泥浆量大，对开挖面稳定而言，高稠度、高粘性的泥浆较理想，但因输送和处理设备易超负荷，故应对于不同围岩加以控制。而且泥浆性状受开挖面土体影响大，特别是在渗透系数大、细粒含量少的砂砾石地层，更须慎重对待。泥浆控制，除保持开挖面稳定外，对泥浆稳定、泥浆中土粒保持也很重要。以某一种泥浆物理性为边试验，了解其主要特性，由于泥浆性状随开挖地基的变化而变化，根据管理标准值进行控制以保持适当泥浆压力很重要。

为了控制泥浆性状，应测试的项目如下：

② 凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水能力；

③ 为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，有利于盾构掘进方向的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。

5.3.2 注浆方式：

在盾构掘进过程中采取以下两种注浆方式：① 掘进的同时进行注浆的同步注浆；② 掘进完成后进行补强的二次注浆。5.3.3 同步注浆

同步注浆能及时填充管片与地层间环形空隙、控制地层变形、稳定管片结构、控制盾构掘进方向，加强隧道结构自防水能力，对空隙进行同步注浆。

表2 泥浆试验表

项目调整槽密度试验漏斗粘性泥浆含砂量

测定值泥浆量密度FV含砂量

单位mg/cm3

s%

3

5.3.3.1 注浆配比

时间

掘进前

掘进后

由于盾构隧道大部分穿越粉细砂层，且过江段隧道通过砂层和江水直接连通，结合国内小断面泥水盾构施工事例，同步注浆采用水泥砂浆。

表3 掘进数据及泥浆调整

表4 同步注浆配合比（1m3）

加水量（m3）

水泥250kg

粉煤灰150kg

膨润土100kg

细砂450kg

水1125kg

开挖土量（t）累计偏差流量（m3）

抽泥浆量（m3）

序号12合计

5.3.3.2 浆液主要性能指标

胶凝时间：一般为3h-10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。固结体强度：一天不小于0.2MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28天不小于2.5MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。

浆液稠度：8cm-12cm，浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。

5.3.3.3 主要参数

注浆压力：同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不宜劈裂。注浆压力过大，隧道将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆；而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，会使地表变形增大，本工程同步注浆压力根据监控量测结果作适当调整。注浆量：同步注浆量为间隙的130%-180%，即为1.7m3/环-2.3m3/环。注浆时间及速度：盾构机向前掘进的同时，进行同步注浆，同步注浆的速度与盾构机推进速度相匹配。

5.3.3.4 注浆结束标准和注浆效果检查：采用压力控制，即注浆压力达到设计压力即可停止注入。由于盾构掘进采用本方案所述掘进技术是可能造成地层挤压，盾构机刀盘通过地层后地层反弹，盾壳上的地层压力将增大，为防止盾构机抱死，必要的时候

泥浆密度：泥浆密度是与粘性、过滤特性等有关的基本物理量，就流体输送、泥水处理而言也必须注意泥浆的变化。泥浆试验中是用泥浆天平测量。原则上是用基本泥浆密度（除去砂粒成分的泥浆密度）判断与粘性、过滤特性有关，作为泥浆稳定性、土粒保持能指标的泥浆密度。

粘性：泥浆的粘性可以用马氏漏斗粘度计测量。

含砂量：透水系数大的岩土体，泥浆中的砂粒对岩土体孔隙有堵塞作用，故泥膜形成与泥浆中砂的粒径及含量有很大关系。含砂量可用筛分装置测定，也可用砂仪代测。

为保证泥浆的最佳护壁性能及携带碴土能力，泥浆参数应控制在密度1.1g/cm3-1.2 g/cm3，粘度30s左右。由此确定的泥浆配比为：水:膨润土:纯碱:CMC=1000:40:3:2(重量比)。上述配合比采用湖南澧县湘北膨润土厂生产的膨润土，采用任丘市北方化工有限公司生产的CMC。

5.3 注浆

盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结以及地下水的渗透，是导致地表及管线沉降的重要原因。为了减少和防止沉降，在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形空隙并及时进行二次补强注浆，确保大堤的安全。

5.3.1 注浆目的：

① 及时填充盾尾空隙，支撑管片周围岩体，有效地控制地表沉降；

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采取盾构机外壳外注膨润土，膨润土配合比如下：水:膨润土:纯碱:CMC=1000:240:5:2(重量比)。

5.3.4 二次补强注浆

同步注浆后使管片背后环形空隙得到填充，多数地段的地层变形沉降得到控制。在局部地段，同步浆液凝固过程中，可能存在局部不均匀、浆液的凝固收缩和浆液的稀释流失，为提高背衬注浆层的防水性及密实度，并有效填充管片后的环形间隙，根据检测结果，必要时进行二次补强注浆。施工时采用地表沉降监测信息反馈，结合洞内超声波探测背衬后有无空洞的方法，综合判断是否需要进行二次补强注浆。二次补强注浆材料以水泥、粉煤灰和膨润土等材料为主，其配比（重量比）如表5所示。

表5 二次注浆配合比（1m3）

水泥300kg

粉煤灰150kg

膨润土150kg

细砂480kg

水1155kg

二次补强注浆采用KBY-50/70注浆泵。二次补强注浆注浆管路自制，能够实现快速接卸以及密封不漏浆的功能，并配有止浆阀。二次补强注浆的注浆压力选定1MPa-1.5MPa。注浆量根据监测到的空隙和监控量测的结果确定。注浆时主要以注浆压力控制。

5.4 监控量测5.4.1 监测目的

在长江汛期对大堤的沉降进行动态监测，对观测的数据与允许值、理论值进行比较，使之能够及时可靠的反映出大堤变形情况，确保大堤的安全。

5.4.2 监测内容

根据本工程的具体情况，依据有关规范的规定及我方对施工监测工作的要求，对大堤进行沉降监测，每道大堤各布设观测点。其平纵断面图如下：

变形速率（mm/d）

>1010-54-1<1

图4 施工监测图框

5.3.4 监测工期与监测频率

在施工前做好大堤监测点的布置并取得原始数据，沉降稳定后结束现场监测工作。

表6 沉降测量频率(次/天)

施工状况距工作面1倍洞径距工作面1-2倍洞径距工作面2-5倍洞径距工作面>5倍洞径

测量频率（次/天）

3/12/11/11/7

5.3.5 监测资料整理与成果分析5.3.5.1 成果整理

每次量测后,将原始数据及时整理成正式记录，并对每一个量测断面，均进行以下资料整理：原始记录表及实际测点图；位移值随时间及随开挖面距离的变化图；位移速度、位移加速度随时间以及随开挖面变化图。

图3 监测点布置平面图

5.4.3 测点埋设

隧道对环境的影响范围为中线两侧各10m，因此，沉降观测所选的后视点应选在施工的影响范围之外，且后视点不应少于三点。在大堤观测点处先挖宽20×20cm深40cm的坑，在坑内浇注混凝土，中间预埋一根直径为20mm的钢筋，一端弯成90度角，一端制成燕尾形埋入混凝土内，混凝土上部抹平、标记，钢筋露出混凝土表面2cm-3cm。观测点的外露部分涂银粉作除锈处理。

图5 时间—位移曲线图

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5.3.5.2 数据处理每次量测后,对量测面内的每个量测点(线) 分别进行回归分析,求出各自精度最高的回归方程，并进行相关分析和预测，推算出最终位移和掌握位移变化规律, 并由此判断大堤的稳定性。利用已经得到的量测信息进行反分析计算,预测未来动态,以便提前采取技术措施,验证施工方法。5.3.5.3 反馈方式监测数据全部输入计算机,由计算机计算并描绘出测量对象的变化曲线,然后反馈给盾构机司机。6 结束语在本工程盾构机穿越长江南岸大堤时，运用此种掘进施工技术，盾构机顺利通过长江大堤，没有对其造成任何影响，保证了长江大堤的稳定。同时也积累了丰富的施工经验。为以后在同类工程施工奠定了基础。在运用此掘进施工技术时要注意以下几点：① 在掘进过程中严格控制掘进技术参数，穿越大堤期间停机时间不宜超过两小时。② 加强盾壳外注膨润土工作，减小盾构机与地层的摩擦力从而减小推进阻力。③ 严格控制每环出碴量。④ 进行同步注浆，及时进行二次补强注浆。⑤ 将每环出碴量、大堤的沉降量信息及时返回给盾构机司机，盾构机主司机根据返回信息及时调整盾构掘进参数。开发如太阳能、风能、海洋能等可再生新能源。这也是我国必须解决的难题。参考文献：[1] 中铁隧道集团.川气东送安庆长江穿越隧道施工方案.深圳,2007(6).[2] 德国海瑞克公司.AVN2440DS泥水盾构机技术文件,2003(5).[3] 项兆池,楼如岳.最新泥水盾构技术[M].上海隧道股份施工技术情报室,2001.随着世界经济发展步入新阶段，促进社会可持续发展成为共识。为此，各国纷纷推出促进可再生能源发展的战略规划。理论上讲，太阳能、风能这些自然资源看似用之不尽，但是，高效利用可再生能源面临诸多挑战。在可再生能源所占能源消费比重逐步提高的情况下，需要及早研究如何高效利用这些能源。德国的一些做法值得借鉴。石油、煤炭等目前大量使用的传统能源逐渐枯竭，根据经济学家和科学家的普遍估计，到2050年左右，石油资源将会开采殆尽，能源危机将席卷全球。极大依赖于传统能源的发达国家受害将非常严重，可能导致工业大幅度萎缩，或甚至因为抢占石油资源而引发战争。为了避免这些窘境，目前德国、美国、加拿大等国都在积极德国利用可再生能源的措施与启示郑慧摘 要：石油、煤炭等目前大量使用的传统能源逐渐枯竭，根据经济学家和科学家的普遍估计，到2050年左右，石油资源将会开采殆尽，能源危机将席卷全球。极大依赖于传统能源的发达国家受害将非常严重，可能导致工业大幅度萎缩，或甚至因为抢占石油资源而引发战争。为了避免这些窘境，目前德国、美国、加拿大等国都在积极开发如太阳能、风能、海洋能等可再生新能源。这也是我国必须解决的难题。关键词：德国；可再生能源；可持续发展中图分类号：F293.30 文献标识码：A 文章编号：2139-8089（2011）04-0100-03一、德国促进可再生能源利用的做法（一）不断完善法律法规体系，明确可再生能源利用目标德国可再生能源利用法律法规涵盖了供电、采暖、交通、建筑等各个领域，并在法律法规中明确可再生能源利用的目标和任务。如供电领域的《可再生能源法》明确了可再生能源发展目标，即到2020年利用可再生能源发电比例至少达到35%，2050年达到80%。同期可再生能源占最终能源消费从18%提高到60%。《可再生能源发电并网法》规定电网运营商必须以法律规定的固定费率收购可再生能源供应商的电力。采暖方面的《可再生能源热能法案》，规定了利用可再生能源供热在各个阶段应达到的目标，如到2020年可再生能源供热占全部供暖的14%（2009年为8.8%）。《生物燃料配额法》规 – 100 – 2011年第10卷第4期