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摘要：随着城市规模的增大，各大城市中心地带的地铁建设不断增加，沿海城市地铁下穿海域施工将逐步增多，而我国类似的施工经验相对较少，通过对盾构下穿深圳湾海域施工，盾构机选型、推进模式与推进参数的选择、施工遇到的问题及措施、隧道施工的变形规律及控制措施等的研究，以及对盾构下穿海域施工注浆参数设定进行技术总结，效果比对及最终选择确定，形成理论成果，对指导现场施工有一定的指导意义和技术社会效益，以期类似工程提供参考经验。

关键词：盾构;下穿;变形;推进;注浆

1 工程概况

1.1工程简介

红后区间起点为红树湾站，终点为后海站，左线长2597.690m，右线长2456.790m。该线一般显示东西方向，从东到深湾一直向西，到海德三条路的前面。该线由直线段和弯曲段组成。隧道最大纵坡为24.2‰，最小纵坡为2‰，隧道深度为17.4～35.0m。

1.2 工程地质

红色区域下海域原始地貌为沿海滩涂，目前状态为后海（大沙河口）。地层有：海泥，含有机砂，上部补给冲积砂砾砂，中更新世残余砂砾粘性土，全强风化裂隙岩。上覆软弱土层厚度20-25m。

2 海上地质补堪

2.1海上钻探施工程序

（1）用小船和全站仪定位补给孔位置。然后，测量水深，并根据流动方向涡流，风向等确定工程船锚定操作的位置。

（2）当听到锚号时，首先锚定锚然后锚定。锚定时，根据风向流动，首先是顺风和下流锚，当船转向钻孔位置时，它会逆风上升，然后扔掉锚，为领风、领流锚。

（3）抛锚后，锚球和慢旗（夜间的锚灯和交通灯）被抬起，以吸引其他船只的注意。

2.2 封孔

如果地质钻孔侵入隧道区段，并且在钻井完成后填充物不密集，则与河流形成液压连接。盾构通过时易引发喷水，因而钻孔完成后必须进行有效可靠的封堵。

1）水泥浆水灰比为：W / C =0.8，使用P.O32.5普通硅酸盐水泥，早强剂为4%，水泥浆注浆材料为每立方水泥：早强剂：水=879kg：35kg：703kg。

2） 浆液的调制拌浆步骤：

（1）水泥浆液搅拌应在拌和机内进行，根据拌和机容量大小，严格按要求投料。

（2）搅拌投料的顺序为：在放水的同时，将外加剂一并加入搅拌，待水量加足后，继续搅拌1min，并将水泥投入，搅拌时间应小于3min，并在注浆过程中不停搅拌浆液。

（3）封孔过程中应注意水泥浆的流失，直到钻孔溢浆为止，若水泥浆流失严重，可用双快水泥替代普通水泥进行注浆封孔。

3）盾构下穿海域施工风险分析

（1）由于断裂带岩体裂隙发育，施工中扰动太大，很可能出现掌子面坍塌，海水涌入隧道的情况。掘进过程中应保持开挖面压力平衡，通过对参数及盾构机姿态的控制，减少对地层的扰动，做到平稳掘进、快速通过。红后区间穿越深圳湾全风化断裂带，区间范围内有断层。受构造影响，断裂带附近的岩体裂隙极其发育，风化程度加剧，基岩风化界面加深，区段内基岩整体上完整性较差，岩体较破碎，地下水含量增多，盾构掘进将变得极为困难。

（2）覆岩层有大的起伏，局部裂隙发育，连通性好。盾构掘进控制不好将导致从螺旋输送机的螺旋钻喷射大量的水。当发现挖掘面中的水较大时，挖掘模式更改为土压平衡模式，建立土仓压力以避免涌出。

3 盾构下穿海域掘进施工

3.1 下穿前盾构检查

1）主要检修内容

为保证盾构顺利过海，左右线盾构机过海之前，停机进行设备的全面检查，对可能出现问题的部件进行维修和更换，主要检修内容如下：

（1）刀盘驱动系统。

（2）刀具的磨损情况及刀具更换。

（3）盾尾尾刷的损坏情况。

（4）螺杆机及其闸门的操作和密封。

（5）人闸及压气作业系统能否正常工作。

（6）铰接千斤顶的密封。

（7）推进千斤顶及其驱动器的操作。

（8）盾构机自动导向系统。

（9）配套设备，包括电瓶车，渣土车等。

2）进入海域前的刀具检查与更换

正常掘进情况下，刀具检查及更换地点的选择应在地层稳定、无地质钻孔地区，按刀具检查原则进行定期检查。根据以往的施工经验，在没有遇到孤石的情况下，每掘进200米左右应开仓检查一次刀具。根据地质情况以及地质钻孔情况，过深圳湾海域前在红后区间3#联络通道进行检查换刀，3#联络通道已进行地面加固情况比较稳定，且地面无建筑物，可以进行刀具检查及更换。

3.2 下穿海域掘进控制

3.2.1 盾构掘进控制

（1）定期定量均匀注入屏蔽尾油脂，确保尾部密封牢固。

（2）密切关注出土情况。增加推力和土仓压力，加入高浓度膨润土，提高推进速度并快速通过。

（3）通过密封土仓壁上的注入机构，将高浓度膨润土泥浆和泡沫注入土仓前方的土壤中，以改善土壤性质，减少工具磨损量，防止地下水渗透。

（4）推进过程中必须保证注浆压力和注浆量，提高同时注浆质量，并要求浆液的初凝时间较短。防止随后的地面沉降，但注浆压力不宜过大，以免造成地面隆起。

（5）发生飞溅时，关闭螺旋输送机卸料门并适当地向前推动防护罩。加入高浓度膨润土。

（6）与地面监测人员保持密切联系，保持通信畅通，快速应对地面意外情况。

3.2.2 盾构掘进参数

（1）掘进过程中土仓压力根据埋深合理控制，为避免出现涌水、涌砂、塌方等事故，确保土仓土压力大于外界水土压力。

（2）盾构机推力满足克服盾构机外壳与围岩、管片等的摩擦力及前方水土压力的水平侧向力，使盾构机能够以30～50 mm/min 速度向前推进。

（3）刀盘转速控制在1.5～2.5rpm，推力1400T～1700T。

（4）在过海前清理刀盘并调整泡沫和水的注入量和压力，将扭矩控制在1600kN·m 以内。

（5）掘进速度稳定在30～50 mm/min 左右，以避免泥饼形成，保证掘进的持续性。

（6）注浆压力是在注浆处的水土压力的基础上适当提高。

（7）每环注浆量约4.0 m3，同步注浆应采用注浆量、注浆压力双重参数控制。

（8）发泡剂浓度3%，泡沫的注入量按开挖方量计算：300ml/m3-600ml/m3。

（9）每环出碴量控制在64 m3 左右，并根据土压合理调整出土量。

3.2.3 同步注浆及二次注浆

同步注浆和二次注浆按照“及时同步注浆，参数控制，二次注浆适当补给”的原则进行。盾构尾部的同时注浆必须与护罩同时进行，使用双泵四个管道（四个注入点）对称同时注浆。每圈同步注浆量不小于6 m3，合理调整和控制同时注浆压力，同步注浆量和注浆压力双参数控制。为了弥补浆液的损失和注浆压力不足，同时注浆不充分。通过使用纯水泥浆和水玻璃溶液制备双浆液（水泥浆的水灰比为1：1，水玻璃溶液的体积比为水：水玻璃= 1：1）。注浆压力控制在约2.5至3.5bar，二次注浆的最终浆液压力控制在3bar。

4 同步注浆

4.1 同步注浆作用

刀盘开挖半径大于管片外径，盾构推进过程中，为了填充这些间隙，推进的同时，保持一定压力（综合考虑注入量）不间断地从盾尾直接向壁后注浆，当盾构机推进结束时，停止注浆[1]。同步注浆填充建筑间隙，同时起到控制地面沉降，增强管片拼接缝防水功能，改善管片受力的作用。

4.2 同步注浆材料

（1）同注浆材料

河沙：浆体中的填充料 。

水泥：胶结剂，采用PO42.5水泥，提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间。

膨润土：减缓浆液的材料分离，降低泌水率，还具有一定的防渗作用。

粉煤灰：改善浆液的和易性（流动性）。

水玻璃：凝结剂，使浆液迅速固结。

（2）同注浆浆液特征

1）收缩率要小。浆体凝固时产生的体积收缩要小，其目的也是为了减少地表变形。

2）凝结时间要合适。初凝要快，即压出去的浆体在短时间内达到初凝，使浆体不易流失，保证压浆质量[2];终凝要慢，即要求压出的浆体在较长时间内应具有塑性，这样可防止破坏盾尾密封装置。

3）要有一定的强度。压浆的作用之一是支护地层，不使地层产生沉降变形，所以要求浆体在凝固前有一定的早期强度，而凝固后的强度要略高于原状土。

1）物理性质：

①胶凝时间：一般为初凝3～5h，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[3]。

②固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.0MPa。

③浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。

④浆液稠度：8～12cm。

⑤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%。

4.3 浆液配比

同步注浆浆液主要分为惰性浆液和可硬性浆液，性质对比如下表所示。有可知惰性浆液施工难度小，成本低，而下穿海域盾构施工对地表沉降要求低，因而惰性浆液更适用于盾构下穿海域施工。

本工程设计了六种浆液配比，并对同步注浆浆液进行了验证，性质如下表所示。

同步注浆浆液为盾与管片空隙填充材料，对强度要求不高，综合考虑成本，下穿海域盾构施工选择了4号配比，根据地层的透水性加入助凝剂调整凝结时间，强透水地层加入助凝剂缩减凝结时间，提高早期强度。同时，配合比2#、1#备用，根据盾构掘进情况选用，主要用于软弱地层。

4.4 同步注浆参数

（1）注浆压力

注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力，同时避免浆液进入盾构机的土仓中。如果注浆压力过大，会导致地面隆起和管片变形，还易漏浆。如果注浆压力过小，则浆液填充速度赶不上空隙形成速度，又会引起地面沉陷。注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，最大不超过3.0～4.7bar[4]。

1）A1、A4点处注浆压力理论计算值=拱顶水土压力+管道中的压力损失

最大注入压力为=A1、A4点注浆压力理论计算值×1.25

最小注入压力为=A1、A4点注浆压力理论计算值×0.75

2）A2和A3点注浆压力理论计算值=拱顶水土压力+管道中的压力损失+侧压力系数×γ’×H+γ水×H

最大注入压力为=A2和A3点注浆压力理论计算值×1.25

最小注入压力为=A2和A3点注浆压力理论计算值×0.75

（2）注浆量

代入相关数据，可得：标准盾构：V=π/4×（1.5～2）×1.5×（39.4-36）=6～8m3/环

在施工过程中由于下穿海域水土压力较大，注浆压力较大易导致管片错台、破损，因而注浆系数往往波动较大，注浆系数不足1的情况较多，因而在施工过程中以控制注浆压力，及时跟进二次注浆为主。

（3）注浆时间和速度

在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到“掘进，注浆同步，无注浆，不掘进”，注浆时间通过控制同时注浆压力和注浆量的双重标准来确定。注浆量和注浆压力达到设定值后停止注浆，否则需要补充浆液，同步注浆速度与掘进速度相匹配[5]。

5 结语

选择合适的浆液性能，在选择浆液性能时，应确保浆液的填充，难以被水稀释，初始凝固时间和早期强度，以及防止损失的有限范围（浆液稠度）。为了确保隧道管片和围岩形成一体化结构。盾构隧道背衬注浆的浆液比应动态管理，浆液性能应根据不同地质，水文，隧道深度等的变化不断调整。

参考文献

[1]崔玉章.盾构法隧道壁后注浆技术[J]，建筑工程技术与设计.2017.

[2]张英婵.土压平衡盾构机的同步注浆[J].山西冶金.2018.

[3]王宏升.盾构施工同步注浆技术[J].城市建设理论研究（电子版）.2013.

[4]崔玉章，盾构法隧道壁后注浆技术[J].建筑工程技术与设计.2017.

[5]王瑛辉，关于地铁盾构施工中注浆技术的研究[M].科技视界.2014.