西安地铁盾构穿越砂卵石层施工技术
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中图分类号：TU74 文献标识码： A
1.概述：
1.1西安地铁一号线一期工程长-浐区间均为盾构法隧道，左、右各长980m。其中，于里程YDK28+673～YDK28+825段，盾构穿越浐河，河床跨度152m，浐河最低冲刷线距离结构顶板9.5m，设计坡度为-2‰，平曲线半径为400m，穿越浐河河道的环数为左线60～160环（右线60～161环），其中盾构穿越浐河河道的环数为左线116～140环（右线116～135环）。
1.2地质情况描述：
本段第四系孔隙水含水层主要有2-6粗砂、2-9卵石、4-8粗砂、4-9圆砾和4-11卵石层。根据区域地质资料，本区潜水含水层厚度约在20～80m。地下水埋深为0.5～30米，地下水高程为393.33～402.12米，地下水位线与河床底基本持平。
浐河平面示意图
浐河地质示意图
2.盾构机穿越河流施工机理分析
2.1 土压平衡盾构机工作原理
土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机在推进掘削开挖面土体的同时，使掘削的碴土充满土仓内，并且使土仓内的碴土密度尽可能与隧道开挖面上的土壤密度接近。由于在推进油缸的推力作用下，使土仓内充满的碴土具有一定的压力，土仓内的碴土压力与隧道开挖面上的水土压力实现动态平衡，隧道开挖面上的土壤就不会坍落，而且隧道结构管片在盾构机每循环推进后即行安装，推进过程中，同步注浆又及时填充了结构管片与地层间的空隙，从而同时完成掘进与隧道的主体结构又不会造成开挖面与周围土体的失稳，引起地面沉降就能被减至最少。
2.2盾构穿越河岸的机理分析
2.2.1 河岸处土体加固机理分析
盾构开挖到接近江河岸边的时候，上覆土会突然变薄，即上部压力突然变小，此时其余方向上的力几乎没有变化，所以盾构正前方土体会向上偏移而发生剪切破坏，盾构机将会发生突然抬头，前进轴线方向难以控制，掌子面上方土体在盾构机抬头上顶力的作用下亦将发生破坏，这样就在掌子面前方和上方产生大面积的破坏区或者松动区，此部分土体中的裂隙加大。而此时掌子面的上前方正好为地表水方向，所以江河水就会加沿着土体中的裂隙向着盾构隧道加速侧渗，侧渗的水流将进一步降低驳岸处的土体强度，这样就形成恶性循环，严重时会通透江、河底形成江、河水倒灌或江河的驳岸地表达面积上拱破坏造成难以弥补的损失，其示意图所示。
在盾构隧道到达江河驳岸之前，其开挖前进都处于稳定状态，以土压平衡盾构为例，在开挖方向盾构千斤顶的顶推力处于静止土压力和被动土压力之间，即P0
（4-1）
式中：——盾构机的顶推力向上的分力
——管片隧道受到的上浮力
——上部土体的重度（水位线以下的取有效重度，水位线以上的取自然重度）
——水的重度
——天然水位线到隧道顶部的距离
而在接近江河的驳岸处上覆土厚度会变小，如图4-4所示，上覆土厚度将从H变为h。而盾构顶推力不可以随之变小，因为如果顶推力变小将不能克服前方土体的阻力，盾构机将不能前进。这样就有一个向上的不平衡力F，无须知道盾构机的顶推力，即可以求出向上不平衡力F的大小。
（4-2）
其中：——土体的饱和重度。
在这样一个不平衡力F的作用下，盾构前进轴线方向不容易控制，导致盾构姿态的突变。再者，岸边护坡土体处盾构施工扰动土体范围加大，土体的渗透性增强，渗流加强，此时的盾构隧道排水量增加，而且排水的影响半径会进一步增大，然而在驳岸处距离江河地表补给水越来越近，这样侧渗流量就会加大，如果不加以控制，很容易通透江底形成江河水倒灌，造成灾难性后果。
为了防止以上现象的发生，对岸边护坡进行相应加固。一方面增加此处土体的重度，抵消不平衡力；另一方面，加固岸边边坡土体，以防止岸边边坡的大面积破坏。同时及时调整盾构推力，以减小向上不平衡力F的大小。
3.可能发生的施工风险、预案及处理措施：
3.1地表沉降超标、地面沉陷
3.1.1预防措施
1）区间全线雷达探测，查明地基隐患；
2）加强监控量测，实行“三级预警机制”；
3）根据前期沉降规律，调整土压力设置；
4）根据瞬时沉降规律，调整同步注浆和二（多）次补浆量和压力；
5）加强对河堤、河床的巡逻。
3.1.2河堤、河床沉陷应急措施
1）及时向项目部值班领导汇报，由项目经理向总监办和地铁公司工程处报告，同时向交通管理部门汇报工作。
2）及时疏散沉陷地点周围的群众、车辆，避免群众的安全、财产受到损失。
3）通知项目部安全部门带好临时围挡、交通导改标志，比如锥桶与警戒线，交通指挥棒等，组织现场施工人员立即采取措施，竖立临时围挡，拉起警戒线，做好交通导改工作，防止造成交通拥堵。
4）通知隧道内施工人员加大同步注浆量，同时在沉陷部位相应的管片壁后采取二次补浆措施。
5）采取在地面向沉陷部位注浆措施。如果沉陷范围、程度较大，则从混凝土搅拌站运送水泥砂浆进行填筑，同时用凝固较快的双液浆直接向洞内注入。如果塌方程度较小，则采用花管注双液浆法进行加固。
6）对沉陷部位加固完毕后，在沉陷部位表面进行硬化处理，撤销警戒线，恢复交通，同时加强巡逻、观察的密度。
3.2 建（构）筑物沉降超标、结构变形、裂缝
3.2.1预防措施：
1）预先采取加固措施；
2）加强监控量测，实行“三级预警机制”
3）根据前期沉降规律，调整土压力设置；根据瞬时沉降规律，调整同步注浆和二（多）次补浆量和压力；
4）加强对建筑物基础、台座、墙角、变形缝位置的巡逻。
3.2.2应急措施
1）及时向项目部值班领导汇报，由项目经理向总监办和地铁公司工程处报告，同时向交通管理部门汇报工作。
2）及时疏散周围的群众、车辆，避免群众的安全、财产受到损失。
3）通知项目部安全部门带好临时围挡、交通导改标志，比如锥桶与警戒线，交通指挥棒等，组织现场施工人员立即采取措施，竖立临时围挡，拉起警戒线，做好交通导改工作，防止造成交通拥堵。
3）通知隧道内施工人员加大同步注浆量，同时在沉陷部位相应的管片壁后采取二次补浆（环箍注浆、花管注浆）措施。
4）在建筑物四周地基下进行地面跟踪补偿注浆
5）对变形破坏的结构、裂缝部位加固完毕后，撤销警戒线，恢复原貌，同时加强巡逻、观察的密度。
3.3 河床冒浆、冒泡沫
3.3.1预防措施
1）地质雷达探测，排查地基隐患；
2）对沿线地质勘察孔进行调查，回填密实；
3.3.2应急处理措施
1）及时向项目部值班领导汇报
2）及时疏散冒浆、冒泡沫地点周围的群众、车辆。
3）通知项目部安全带好临时围挡、交通导该标志，比如锥桶与警戒线，交通指挥棒等，组织现场施工人员立即采用措施，竖立临时围挡，拉起警戒线，做好交通导改工作，防止交通拥堵，并阻止无关人员进入事发现场。
4）通知施工队带好铁锹等工具，及时、干净地对事发现场进行清理、冲洗。
5）通知隧道内技术人员、施工人员对盾构掘进参数作相应的调整。
6）清理完毕后，撤销警戒线，恢复交通，同时加强巡逻、观察。
3.4 盾构机设备出现故障
3.4.1预防措施
1）加强盾构操作室与外界的通讯联系；
2）零配件齐全，经常进行设备维护和保养；
3）请盾构制造公司专家保驾护航；
4）联系有相同设备的兄弟单位等作为配件紧急供应单位。
3.4.2应急处理措施
1）隧道内进行多次补浆；
2）地面派人巡视、警戒；
3）隧道内机电工程师立即进行抢修；
4）请小松公司专家协助。
7.5砂层涌水、涌砂
3.5.1预防措施
1）针对砂层段盾尾密封采用进口油脂，提高密封效果；
2）对铰接密封进行检查，保养；
3）采用对刀盘前方加膨润土起堵水的作用
3.5.2应急处理措施
盾构司机灵活运用螺旋送机的第二道仓门，如有涌水关闭第二道仓门，再在螺旋输送机内加膨润土。
4．监控量测
4.1监测项目
根据设计图纸及现场实际情况，进行日常的常规监测项目主要有：河堤的地表沉降。辅助监测项目：地面河床巡视观察、河堤墙体裂缝观察、相机摄像对比。实时监测：一级风险源
4.2测点布置：在河堤墙体布设测点即可，在一级风险源位置适当加密测点
4.3监测实施方案
采用精密电子水准仪进行观察，观察时各项限差应严格控制在规定额度之内，超过时应重读后视点读数，以作核对。首次观测应对测点进行连续三次观测，三次高程之差应小于±0.5mm，取平均值作为初始值。
4.4辅助监测项目
地面巡视观察：每天派人沿一级风险源四周巡视观察，发现异常情况立即上报。
河堤裂缝观察：根据裂缝分布情况，可以对重要的裂缝，选择在有代表性的位置与裂缝两侧各埋设一个标志。标志系直径为20mm，长约80mm的金属棒，埋入混凝土内60mm。外露部分为标点，标点上各有一个盖。两标点之间的距离不得少于150mm，用游标卡尺定期地测定两个标点之间距离的变化值，以此来掌握裂缝的发展情况。对于比较整齐的裂缝（如伸缩缝），则可用千分尺直接量取裂缝的变化。