盾构法穿越河堤的施工技术
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摘要：在长江中下游地区地铁施工中，由于河道网复杂，经常会有盾构法施工需要穿越河堤的情况，过江隧道盾构掘进时不可避免地引起地层扰动，引起地层变形及地面沉降；土体扰动导致土体强度和压缩模量的降低。当地层变形超过一定范围时，会严重危及周围建筑物、结构物的安全。因此，掌握地层沉降规律并预先评估其影响程度，对盾构施工的安全极为重要。
关键词：盾构法；地表沉降。
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：
近几年来，全国各大城市相继大规模投入修建城市地铁工程。地铁工程多在闹市区修建，为了不影响地面建筑和交通，盾构法施工的应用也越来越广泛，而在长江中下游流域，地面河流网比较密集，往往在施工的过程中会有穿越河堤的施工，因此，盾构穿越河堤时的技术参数确定对于整个挖掘施工安全就显得尤为重要。
盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
盾构法施工的基本条件：（1）线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；（2）隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m；（3）相对均质的地质条件；（4）如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m；（5）从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。盾构机的组成：盾构机主要有无部分组成，壳体、排土系统、推土系统、衬砌拼装系统和辅助注浆系统。 盾构机的壳体由切口环、支撑环和盾尾三部分组成，并与外壳钢板连成一体； 排土系统主要是由切削土体的刀盘、泥土仓、螺旋出土器组成、皮带传送机、泥浆运输电瓶车等部分组成。盾构施工示意图如下图所示：
在长江中下游地区地铁施工中，由于河道网复杂，经常会有盾构法施工需要穿越河堤的情况，过江隧道盾构掘进时不可避免地引起地层扰动，引起地层变形及地面沉降；土体扰动导致土体强度和压缩模量的降低。当地层变形超过一定范围时，会严重危及周围建筑物、结构物的安全。因此，掌握地层沉降规律并预先评估其影响程度，对盾构施工的安全极为重要。 （1）地表沉降的分类 ①根据盾构隧道引起土层变形的发展过程可将盾构推进引起的地面沉降分为 5 个阶段：
②初期沉降: 即盾构开挖面到达某一位置之前， 在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。因初期沉降量较小，所以一般不被人们觉察。③盾构到达时的地面变形: 为在开挖面靠近观测点并到达观测点下方过程中所产生的沉降或隆起现象。当盾构机的正面土压力等于开挖面静止土压力时，掘进对土体影响最小; 当盾构机推力不足，其正面土压力小于开挖面的静止土压力时，开挖面土体下沉; 当盾构机推力过大则会引起开挖面土体的隆起。④盾构通过时的地面变形: 为盾构机开挖面到达观测点至盾构机尾部通过观测点这一过程所产生的沉降。该沉降主要是由于盾构机的通过破坏了原来的土体状况，造成土体的扰动所致。⑤盾尾空隙沉降: 由于盾尾通过时会产生一个盾尾间隙，这个盾尾间隙的上方及周围土体应力释放引发了弹塑性变形。⑥长期延续沉降: 由于盾构通过时对地基土产生了扰动，再加上上面的各种残余影响，在相当长的一段时间内，地基将继续发生固结沉降和蠕变沉降
地表沉降的规律
①盾构隧道开挖引起的地面沉降受多种因素的影响，主要有隧道覆土厚度、盾构隧道外径、开挖面压力、盾尾注浆填充率、地层物理力学性质、施工条件等。 ②土移规律为: 盾构通过后，隧道左右土体有靠近盾构的水平移动的趋势; 土层沉降对称分布，最大沉降出现在隧道中心轴线处， 隧道上方的地层沉降随深度增加而增加， 在接近隧道衬砌顶端位置达到最大，在隧道下方土体出现向上的位移，在隧道衬砌底端达到最大。③纵向地表沉降。纵向地表沉降分为 5 个阶段，即初期沉降、盾构到达时的地面变形、盾构通过时的地面变形、盾尾空隙沉降和长期延续沉降，其中盾尾空隙沉降和长期延续沉降占总沉降的比例为 50%～80%。 ④横向地表沉降。通过经验得出隧道开挖过程中地表横向沉降规律: 地表沉降呈对称分布， 隧道轴线正上方地表沉降最大，向左右沉降分别逐渐减小。
在施工过程中，对地下水位深度、土压参数进行连续测量，同时结合地形变化规律，以便及时调整掘进参数盾构穿越河堤盾构掘进参数控制。由于盾构机在穿越河堤前后覆土厚度、水位深度有较大的变化，因此土压平衡式盾构机的掘进参数需要做较大的调整，才能保证盾构机能顺利通过河堤进入河床施工；或者是能够保证盾构机从河床段施工较平稳地进入穿越河堤的施工，达到地表沉降少、避免江底坍塌造成隧道渗漏水及喷涌等现象的发生。
（1）盾构机由河堤段进入河床施工：推力、扭矩、土仓压力、推进速度的变化规律：
刀盘推力要求平稳、成减少的趋势；刀盘扭矩成加大的趋势；土仓压力成减少的趋势；推进速度较平稳成减小的趋势。
（2）盾构机由河床施工进入河堤段施工：
推力、扭矩、土仓压力、推进速度的变化规律。刀盘推力要求平稳、成加大的趋势；刀盘扭矩成减少的趋势；土仓压力成加大的趋势；推进速度较平稳成减小的趋势。
（3）推进油缸的控制推进油缸的行程：
原则上控制在1700～1800 mm 之间，行程差控制在 0～50 mm。若行程过大，则盾尾刷容易露出，管片脱离盾尾较多，管片与盾尾之间的约束力较小，易导致管片姿态变化。而行程差过大，易造成盾体与盾尾之间夹角增大和铰接油缸行程差加大，致使盾构机推力增大，同时造成管片选型困难。铰接油缸行程为40～80mm，行程差为 0～30 mm。为防止铰接漏水，在直线段过河堤、江底掘进时，可将铰接油缸行程调整为10～40 mm，在曲线段过河堤、江底掘进时，可将铰接油缸行程适当增加。
（4）螺旋机的调整：
螺旋机的转速应与掘进速度相适应。具体原则是与土仓压力相结合，以保证土仓压力，一般敞开式为 0～0.02 MPa，半敞开式为 0.05～0.07 MPa。同时，扭矩大小也反映了土仓内土质的干湿程度，一般在 24.5～35.0kN·m之间时，表明土体干湿合适;如果>35 kN·m，表明土体较干，需要多加泡沫并在土仓内加水，以改善土质，保证出土顺畅。
工程的复杂程度和施工环境都不是一成不变的，只有在施工中勤观测、及时纠偏，采取动态管理的方式，才能保持施工参数的合理性和有效性，从而保证工程安全顺利地进行。
参考文献：
[1] 地铁设计规范 GB50157-2003
[2] 张凤祥、傅德明、杨国祥、项兆池. 《盾构隧道施工手册》人民交通出版社2005(6)