大直径盾构长距离小角度下穿江河关键技术探究

引言

随着城市化的快速发展，地下空间的开发利用愈发深入，城市轨道交通、水利输水等工程常常需要穿越江河等水域。大直径盾构凭借其高效、安全、对周边环境影响小等优势，在这类工程中得到广泛应用。然而，长距离小角度下穿江河时，盾构施工面临着复杂地质条件、高水压、沉降控制严苛等难题，任何环节的失误都可能引发工程事故，造成巨大损失。因此，系统研究大直径盾构长距离小角度下穿江河的关键技术，对于保障工程顺利推进、提升施工质量、降低工程风险具有重大意义。

一、工程概况与技术难点

（一）工程概况

以某城市地铁建设项目为例，该区间盾构需下穿一条重要江河。江河宽度达 200-220m ，水流常年较为湍急，且水位受季节及上游水利设施调控影响显著。隧道采用大直径盾构施工，内径设定为8000mm，外径 8800mm，管片厚度 400mm ，宽度 2000mm ，采用高强度的圆形装配式钢筋混凝土管片作为单层衬砌结构，以确保隧道的稳定性与耐久性。区间所穿越的地质条件极为复杂，涵盖了杂填土、粉质黏土、粉细砂、卵石层以及强风化、中风化的泥岩和砂岩等地层，部分区域还存在瓦斯气体，属于低瓦斯风险区间，给盾构施工带来了诸多不确定因素。

（二）地质水文条件

工程所处区域地形呈现多样化特征，既有河流冲积形成的平原地貌，地势较为平坦；又有因构造剥蚀作用产生的缓丘地貌，地形起伏相对较大。地下水类型主要包括上层滞水、第四系孔隙水以及基岩裂隙水。其中，第四系孔隙水赋存于砂层和卵石层中，该地层透水性强，水量丰富，在盾构施工过程中，容易导致涌水、涌砂等问题，严重威胁施工安全。同时，复杂的地质结构使得盾构掘进时面临不同地层的交替变化，对盾构机的适应性提出了极高要求。

（三）技术难点

在长距离小角度下穿江河的施工过程中，存在诸多技术难点。首先，复杂地质条件下，盾构掘进时渣土的特性难以控制，易出现渣土流动性差，导致排土不畅；同时，刀盘在软岩与硬岩交替地层中掘进时，极易产生结泥饼现象，影响刀盘的正常运转，降低掘进效率。其次，同步注浆是控制隧道变形和地表沉降的关键环节，但在实际施工中，由于地层的不均匀性和高水压作用，注浆效果往往难以达到预期，容易出现管片变形、错台等问题。再者，掘进参数的精准控制难度极大，需要综合考虑土压、推力、扭矩、掘进速度等多个参数之间的相互关系，以维持掌子面的稳定，防止出现坍塌或隆起。最后，地表及江河沉降控制要求极为严格，一旦沉降超出允许范围，可能引发江河堤岸失稳、周边建筑物开裂等严重后果，对周边环境和工程安全构成极大威胁。

二、土压平衡盾构渣土改良技术

（二）渣土改良的目的与重要性

对于土压平衡盾构机而言，实现安全、高效施工的关键在于使土仓内的土体达到 “流塑性状态”。这要求开挖后的土体具备良好的和易性，能够在土仓内均匀流动；具有较低的剪切性，减少对刀盘和螺旋输送机的磨损；同时具备较大的抗渗性，有效防止地下水涌入土仓。通过渣土改良，可以显著改善土体的物理力学性质，降低刀盘在掘进过程中的扭矩，减少刀盘磨损，提高渣土的排出效率，避免刀盘泥饼的形成，从而确保盾构能够安全、有序、高效地掘进，保障工程进度与施工安全。

（二）渣土改良试验与参数确定

为了确定合理的渣土改良方案，需要进行一系列试验。首先开展泡沫改良渣土试验，研究不同泡沫剂浓度、注水率和泡沫注入率对渣土改良效果的影响。同时进行原状土含水率试验，了解原状土的初始含水情况，以便在改良过程中进行合理调整。坍落度试验则用于评估改良后渣土的流动性。通过大量试验数据分析，当泡沫剂浓度控制在 3%-5% 之间，注水率维持在 30%-40% ，泡沫注入率达到 40%-60% 时，渣土能够达到较为理想的流塑状态，满足盾构施工要求。在实际工程中，还需根据现场地层条件的变化，对这些参数进行实时优化调整。

(≡) ）渣土改良与出渣量控制

添加改良材料后，渣土的微观结构发生改变，大颗粒被小颗粒包裹，形成一种较为稳定的悬浮体系，从而带动大颗粒流动，显著改善了渣土的整体状况。改良后的渣土流动性增强，抗渗性提高，有利于在土仓内均匀分布和顺利排出。在出渣量控制方面，以某型号盾构机为例，每环理论出渣量需要结合地层的实际情况进行精确计算。在试掘进阶段，密切关注出渣量的变化情况，并结合渣土改良效果以及地面沉降监测数据进行综合分析。根据试掘进获得的数据，为后续正常掘进提供科学合理的出渣量控制参数，确保出渣量与掘进进度相匹配，避免因出渣过多或过少而对施工造成不利影响。

三、土压平衡盾构同步注浆技术

（一）注浆目的与方式

同步注浆在盾构施工中具有多重重要目的。其一，能够使管片尽快支承地层，有效减少地表沉陷量，降低因盾构掘进对周边环境的影响；其二，有助于保证管片衬砌的早期稳定性，防止管片在外部荷载作用下发生变形、错台等问题；其三，作为隧道衬砌防水的第一道防线，同步注浆能够填充管片与地层之间的空隙，阻止地下水渗漏，同时增强隧道结构的整体性，起到结构加强层的作用。在施工过程中，通常采用盾尾同步注浆方式，即在盾构推进的同时，通过盾尾的注浆管将浆液注入管片与地层之间的环形空隙中，实现即时填充。

（二）注浆参数与材料

注浆参数的合理选择直接影响注浆效果。浆液的胶凝时间一般控制在 3 - 10h，这样既能保证浆液在注入过程中的流动性，又能使其在较短时间内凝固，发挥支承作用。固结体强度要求一天不小于0.2MPa ，28 天不小于 2.5MPa，以满足隧道结构的长期稳定性需求。注浆压力需根据隧道埋深、地层条件等因素确定，一般控制在 2 - 4bar，确保浆液能够有效填充空隙，同时避免压力过大对地层造成破坏。注浆量通常为理论注浆量的 1.2 - 1.5 倍，以充分填充因盾构掘进产生的空隙。注浆材料多采用水泥砂浆，为了改善浆液性能，必要时可添加早强剂、减水剂等外加剂。在一些特殊地质条件下，如高水压地层，可采用添加黄原胶的新型浆液或双液浆，以提高浆液的抗渗性和早期强度，有效减少管片上浮现象。

(≡) ）注浆施工方案与工艺

浆液在地面的砂浆搅拌站进行拌和，通过管道输送至洞内的储浆罐中储存。在注浆时，由注浆泵将储浆罐中的浆液抽出，通过盾尾的注浆管注入到管片与地层之间的环形空隙中。在施工过程中，要确保注浆的连续性和均匀性，避免出现断浆或注浆不均的情况。注浆完成后，及时对注浆设备和管路进行清理，防止浆液凝固堵塞管路。同时，根据地面沉降监测数据、管片变形监测数据等信息，实时调整注浆参数，如注浆压力、注浆量等，确保注浆效果满足工程要求，有效控制地表沉降和管片变形。

四、土压平衡盾构下穿江河掘进参数控制技术

（一）掘进模式与土仓压力控制

在盾构穿越江河段时，通常采用保压模式掘进。该模式下，在土舱内保留一定量的渣土，并通过注入压缩空气以及泡沫或膨润土等材料，来维持开挖面顶部的土压稳定。土仓压力值的确定至关重要，需根据隧道的埋深进行精确计算。以某工程为例，当穿越段盾构机表覆土厚度约为 10 - 13 米时，土压宜保持在 1.2-1.8bar 。在实际掘进过程中，还需密切关注土压的变化情况，根据地层的软硬程度、地下水压力等因素进行实时调整，确保掌子面始终处于稳定状态，防止出现坍塌或涌水等事故。

（二）出渣量与推进参数控制

严格控制每一环的出渣量是保证盾构施工安全和质量的关键环节。出渣量不仅要进行体积控制，还需进行质量控制。在不同地层中，盾构掘进的单环出土量有所差异。例如，在中风化砂岩地层中，盾构掘进单环出土量约为 180m³ (±5m³) ），理论出土重量约为 300t。同时，推进力、扭矩和推进速度等推进参数也需根据地质情况进行合理调整。一般来说，总推力在 1800 - 2200T 之间，掘进速度控制在 40-60mm/min ，刀盘转速为 1.5-2.0r/min ，刀盘扭矩为 5000 - 6000kN・m。在实际施工中，通过实时监测渣土的性状、出渣量以及盾构机的运行参数，及时调整推进参数，确保盾构机在不同地层中都能稳定、高效地掘进。

（三）盾构姿态与注浆控制

保持盾构的良好姿态对于隧道的施工质量至关重要。在掘进过程中，要严格控制盾构的姿态，尽量减少纠偏次数和纠偏量，每环姿态纠偏量一般不超过 5mm。同步注浆与盾构姿态控制密切相关，需保证注浆量与出渣量相匹配，确保管片背后的空隙得到及时、充分的填充。在盾构穿越江河段时，适当加大洞内同步注浆量，注浆压力一般不超过 3bar，以增强管片的稳定性，减少管片上浮和错台现象。此外，在盾构通过后，还需根据监测情况及时进行二次补浆，进一步填充可能存在的空隙，有效控制地层沉降。

五、土压平衡盾构下穿江河地表及江河沉降控制技术

（一）监测内容与方法

为了有效控制地表及江河沉降，需要进行全面、系统的监测。监测内容主要包括巡视观察、地中沉降监测和地表沉降监测。地中沉降监测通过在盾构穿越河流两边左右线隧道上方各埋设监测点，采用分层沉降仪进行监测，了解不同深度地层的沉降情况。地表沉降监测则沿隧道正线每 5m 布设一个沉降点，每 30m 布设一个横断面，使用水准仪进行测量，实时掌握地表的沉降变化。同时，利用全站仪等设备对盾构机的姿态进行监测，确保盾构机按照设计轴线掘进。此外，还需对江河的水位、流速等水文参数进行监测，分析其对沉降的影响。

（二）沉降控制技术与措施

采用“横穿河底浅覆土小净距隧道盾构掘进施工工法”，通过盾尾注浆、管片开孔注浆以及中盾预留孔注浆的同步饱和注浆技术，及时填充盾构隧道周围的土体空隙。浆液采用速凝、早强的双液浆，能够在短时间内凝固，给予管片环径向有效的约束，从而控制地层沉降和管片上浮。引入无人船测量技术，对河底地形进行实时监测，获取高精度的河底地形变化数据。根据监测数据，及时调整盾构掘进参数，如土仓压力、推进速度、注浆量等，确保盾构施工对河底地层的扰动最小化。同时，在盾构穿越前，对可能影响沉降的周边环境因素进行排查和处理，如对堤岸进行加固等。

（三）监测数据处理与反馈

在沉降控制过程中，对监测数据的及时、准确处理和分析是至关重要的。这一环节依赖于专业的数据处理软件，它能够对收集到的监测数据进行有效的整理和统计分析。通过软件，可以绘制出沉降-时间曲线、沉降-距离曲线等图表，这些图表直观地展示了沉降的变化趋势和速率。一旦监测数据表明沉降值达到预设的报警值，或者沉降变化速率出现明显加快的迹象，应立即提高监测频率，并对数据进行实时跟踪。同时，将监测结果迅速反馈给施工团队，以便他们能够根据这些信息做出快速响应。施工团队会根据反馈的监测结果，采取诸如加强注浆、调整掘进参数等紧急措施，以确保地表和江河的沉降始终控制在安全标准允许的范围内。这样的快速反应机制不仅能够保障工程的安全，还能够维护周边环境的稳定，防止潜在的灾害发生。

结束语

大直径盾构长距离小角度下穿江河技术涵盖了多个复杂且相互关联的技术领域，从渣土改良、同步注浆到掘进参数控制以及沉降监测与控制，每一项技术都对工程的成败起着决定性作用。通过在实际工程中的应用实践，如上述案例所示，这些关键技术的有效实施能够显著提高施工的安全性和效率，成功应对下穿江河过程中面临的各种挑战。这些技术成果不仅为当前工程提供了坚实保障，更为未来类似地质水文条件下的工程建设积累了宝贵经验，具有广泛的推广应用价值。然而，随着工程建设环境的日益复杂，未来仍需持续深入研究和优化这些技术，结合新的材料、设备和监测手段，进一步提升大直径盾构下穿江河的施工技术水平，以适应不断发展的工程建设需求，推动地下空间开发利用技术的持续进步。

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