盾构穿越运河技术研究
1、⼯程概况
本⼯程区间采⽤盾构⼯法。东⽅⼤道站～独墅湖南站区间左线1772.729m、右线1794.2m。盾构区间总长度3566.929m。
1.1东⽅⼤道～独墅湖南站区间
本区间线路始于东⽅⼤道站东端，下穿花泾港河道后线路稍向北偏，下穿独墅湖公园、赏湖路、规划地块（⼀类居住⽤地）及苏州运河后，线路转向北下穿过规划地块（⼆类居住⽤地）后折向启⽉街到达独墅湖南站。区间线路共有两段曲线，半径分别为2000m、450m，左右线路中⼼线间距13.0～16.5m。
区间隧道纵坡呈“V”型，最⼤坡度25‰，最⼩坡度3.5‰，与车站相连端的竖曲线半径为3000m，其余为5000m。隧道埋深10.8～19.1m，下穿苏州运河段隧道最⼩埋深11.6m。
图1.1 东⽅⼤道站～独墅湖南站区间平⾯⽰意图
1.2盾构机概况
区间左右线分别采⽤中铁装备CTE6440⼟压平衡式盾构机与三菱ST6340⼟压平衡式盾构机。盾构机性能参数见表1.2-1所⽰。
表2.2-1 中铁装备CTE6440盾构机参数
表1.2-1 三菱ST6340盾构机参数
1.3苏州运河概况
苏州运河河道宽83m，下穿段长280m，隧道顶最⼩埋深11.6m，河床底标⾼0.4～-3.5m，
⽔⾯⾼程1.08m，⽔深约4.5m。驳岸基础为整板砼基础，厚度为0.5m，宽为3.7m，板底标⾼为-1.5m。砼基础上为浆砌块⽯⾄现有标⾼2.6m，顶部宽0.5m。
1.4苏州运河与隧道相对位置关系
1.4.1平⾯位置关系
盾构区间斜穿苏州运河，穿越段属于直线段。
隧道左线对应苏州运河河⾯的起始环号为：660环⾄890环，计230环；右线对应河⾯的起始环号为：690环⾄870环，计180环。左右线共计410环。
1.4.2纵断⾯相对关系
隧道下穿苏州运河河床，此段隧道沿隧道掘进⽅向为3.5‰的下坡，隧道顶部距离河底最⼩埋深为11.6m。
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1.5 地质勘探孔
盾构穿越运河段，共布设了5个地质勘探孔，分别位于运河两端与运河边⼀堆场内。地质勘探孔分别为：Q27XJ21（对应左线667环）、Q27CJ5（对应右线672环）、Q27XJ22（对应右线环）、Q27XJ23（对应左线714环）、Q27XJ24（对应右线882环）。Q27XJ21孔位于隧道掘进范围内，其余孔位距离隧道边缘距离为2.85m、21.24m、4.89m、4.92m。勘探孔布设平⾯图见图1.5-1所⽰。
图1.5-1勘探孔布设平⾯图
1.6⼯程地质
苏州运河河底⾄隧道掘进范围内的地层分布情况，从上⾄下分别为：③1粘⼟层、③2粉质粘⼟层、④1粉质粘⼟层、④2粉⼟夹粉质粘⼟层、⑤1粉质粘⼟层。具体地层分布见图2.6-1、
2.6-2所⽰，地层主要物理性质见2.6-3所⽰。
图1.6-1穿越运河段地质剖⾯图（左线）
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图1.6-2穿越运河段地质剖⾯图（右线）
表1.6-3 地层的主要物理性质指标
2、⼯程重难点分析及处理措施
(1)④1层和⑤1层粉质粘⼟⼯程性质⼀般，⼟体相对软弱，具有⼀定的触变特性，在动⼒作⽤下，⼟体结构较易破坏，使强度降低、变形增加，盾构施⼯可能产⽣的开挖⾯失稳和⼟体回弹。
处理措施：在盾构隧道掘进过程中采⽤控制速率的措施，避免对⼟体产⽣过⼤的扰动，以减少施⼯后的沉降。
(2)当盾构推进穿越软硬不均的⼟层时，如③2和④1层、④1和④2层、④2和⑤1层交界处，上下⼟层强度不均可能会引起盾构⼯作⾯不稳定，易造成盾构在线路⽅向上的偏离。
处理措施：根据不同地层在断⾯的具体分布情况，遵循硬地层⼀侧推进油缸的推⼒和速度适当加⼤，软地层⼀侧推进油缸的推⼒和速度适当减⼩的原则。同时盾构掘进过程应注意提⾼⼟仓压⼒，控制出⼟量，严禁超挖，保持开挖⾯平衡，减少对⼟体的扰动，盾构施⼯中建⽴严格的监测控制系统，定期进⾏监测，确保隧道盾构结构和周围环境的安全。
(3)结合地质勘查报告，并从前期出⼟特性来看，在盾构穿越苏州运河富⽔地层过程中，易出现螺旋机喷涌及盾构机漏⽔现象。
处理措施：加强软⼟地层⼟质改良，对软⼟层起泥膜作⽤，同时控制螺旋机出渣量，对于盾尾后7环
采⽤全环封堵措施，隔断后部⽔流。
(4)盾构到达苏州运河前，存在⼀处地质勘探孔（Q27XJ21）位于左线隧道掘进范围内。
处理措施：在盾构到达此勘探孔前20天，根据勘探孔坐标，实测放样出该孔位，利⽤⽔泥砂浆进⾏勘探孔灌注。
(5)盾构穿越富⽔地层过程中，岸堤发⽣沉降风险。
处理措施：适当加⼤同步注浆压⼒和同步注浆量，同步注浆以上部两孔注浆为主，同时及时采⽤⼆次注浆进⾏补浆。 3、施⼯计划
小球归位东独区间盾构左右线先后穿越苏州运河，左线穿越运河起⽌环号为660环～890环，计230环/276m，右线穿越运河起⽌环号为690环～870环，计180环/216m。根据前期盾构施⼯平均进度进⾏分析，盾构穿越运河期间按照平均9环/天进⾏统筹安排。根据⽬前盾构施⼯进度情况，左线掘进⾄315环，距离苏州运河345环，右线即将进⾏始发，距离苏州运河690环。考虑盾构穿越运河前盾构机进⾏全⾯检修及维保时间3天，左线计划于2014年4⽉20⽇进⼊苏州运河范围，2014年5⽉15⽇穿越结束，历时26天。右线计划于5⽉25⽇进⼊苏州运河范围，6⽉15⽇穿越结束，历时20天。
4、盾构穿越苏州运河施⼯⼯艺流程
盾构穿越苏州运河施⼯流程图见下图4.1-1所⽰。
图4.1-1 盾构穿越苏州运河施⼯流程图
5、前期盾构施⼯参数总结
盾构左线前期施⼯过程中，主要穿越了公园及公园内⼩河流、农⽥、荒地等地段，穿越的主要地层为④2粉⼟夹粉质粘⼟层，部分④1粉质粘⼟与少许⑤1粉质粘⼟层。与盾构穿越苏州运河段地层情况⼀致。经过前期推进参数的选取、调整，现对掘进参数进⾏总结，作为选取穿越苏州运河掘进参数的基础。参数总结见表5.2-1所⽰。
表5.2-1 盾构前期掘进参数总结
6、施⼯⽅法及技术措施
借鉴前期盾构掘进参数，结合苏州运河段地质、埋深、线型等具体情况，在盾构穿越苏州运河期间主要采取以下措施。
1、推进⼟压及出⼟量控制
（1）隧道穿越苏州运河范围，主要位于粉⼟夹粉质粘⼟地层中，隧顶最⼩埋深11.6m。在盾构到达河床前，对照隧道排版，结合管⽚超前量，推算盾构过河段每⼀环管⽚的实际埋深，并对照地质勘察报告及实测⽔深，计算实际的⽔⼟压⼒；在计算当前环的⼟压时，应特别注意盾构机长度，施⼯时应明确⼑盘、盾尾到达河床与离开河床对应的实际管⽚环号，以便适时调整⼟仓压⼒。
（2）根据前期施⼯出⼟量统计及分析情况，设计出⼟量为39.4m3，实际出⼟量平均约为39.6m3，出⼟松散系数基本为1（前期施⼯中未出现出⼟量异常情况）。盾构每环的出⼟量由跟班技术员根据渣⼟⽃存⽅实际测量得出，保证出⼟量测量精度。
出⼟量的控制通过调整螺旋机转速来实现，与⼟仓压⼒直接挂钩，必须由盾构司机、跟班
技术员针对⼑盘扭矩、总推⼒、掘进速度等参数进⾏综合权衡，最低要求：盾构掘进速度不⼩于35mm/min，⼑盘扭矩不⼤于2500kN?m，总推⼒原则上不⼤于15000kN，主轴承温度不⼤于40℃；在最低要求的基础上，最⼤限度减少出⼟。
2、推进速度、⼑盘转速与扭矩
盾构机过河段，快速均匀推进，推进速度控制在35～45mm/min之间，以保证盾构迅速过河为⽬的。
3、螺旋机控制
盾构过河段相⽐较其他地段，更容易发⽣螺旋机喷⽔现象；因此，在盾构过河期间，螺旋机的开⼝率应降低，以能满⾜出⼟要求即可为控制⽬标。同时，为防⽌螺旋机喷⽔对施⼯带来影响，应提前准备污⽔泵、铁锹、编织袋、⼩⼟⽃等⼯具与材料，保证即使螺旋机涌⽔，也能够迅速处理喷涌的泥浆、泥沙，保证不耽误盾构推进。
4、盾构姿态
盾构穿越苏州运河段，平⾯线型为直线段，纵断⾯线型为3.502‰（右线3.56‰）的下坡段。穿越前，将盾构平⾯姿态控制在±200mm之间，垂直姿态控制在设计轴线以下30mm。穿越过程中，加强对⾃动测量控制点的复测，并控制盾构姿态的纠偏量，确保以既定姿态推进。
5、管⽚拼装
根据设计，本⼯程管⽚采⽤错缝拼装。管⽚的拼装从隧道底部开始，先安装标准块，依次安装相邻块，
最后安装封顶块。安装封顶块时先径向搭接约2/3管⽚宽度，调整位置后缓慢纵向向顶推。管⽚安装到位后，及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管⽚，然后移开管⽚安装机。
安装封顶块前，在K块两侧涂刷肥皂⽔，产⽣润滑作⽤，⽅便K块顺利安装，防⽌K块外弧⾯产⽣破碎，减少对遇⽔膨胀橡胶⽌⽔条的挤压拉伸。
管⽚每安装⼀⽚，先⼈⼯初步紧固连接螺栓；安装完⼀环后，⽤风动扳⼿对所有管⽚螺栓进⾏紧固；管⽚脱出盾尾后，重新⽤风动扳⼿进⾏紧固。
⑴管⽚质量要求
管⽚表⾯不得出现裂缝、破损、掉⾓等现象，根据技术规范要求。
⑵管⽚的运输、堆放
管⽚由运送车辆从管⽚⽣产⼯⼚运⾄施⼯场地，在施⼯场地安装弹性密封条、传⼒衬垫等，
然后根据管⽚运输指令经⼯地门吊垂直运送到编组列车上，再经电瓶车运⾄隧道内⼯作⾯进⾏拼装。
表6.3-1 管⽚拼装允许偏差和检验⽅法
⑶纵、环向螺栓连接
本标段均采⽤M30弯螺栓，每环纵向16根，环向12根，计28根/环。
管⽚连接是保证管⽚拼装质量的重要环节，在施⼯过程中还应加强施⼯控制，做到以下⼏点：
①管⽚螺栓两端连接螺纹露在螺母外侧的长度相差不超过5mm；
②防⽌管⽚拼装时产⽣“错台”，紧固螺栓前认真的进⾏对位；
③拧紧管⽚连接螺栓，螺栓紧固采取多次紧固的⽅式。管⽚拼装过程中安装⼀块初紧⼀块螺栓，拼装结束后应及时对环纵向螺栓进⾏⼆次紧固，盾构掘进下⼀环时，借助推进油缸推⼒的作⽤，再⼀次紧固所有螺栓尤其纵向螺栓。隧道贯通后，必须对所有环纵向螺栓进⾏复紧。
⑷环⾯超前量的控制
定期检查管⽚环⾯超前量，当超前值过⼤时及时调整楔形位置，保证管⽚整环环⾯与隧道轴线的垂直度。
6、管⽚防⽔
(1)粘贴⽌⽔条及弹性橡胶垫板前，管⽚表⾯保持⼲燥，浮灰⽤⽑刷清理⼲净。如遇⾬天施⼯，搭设防⾬棚，防⽌⽌⽔条遇⽔膨胀，导致后期失效。胶粘剂涂刷均匀，密封垫沟槽内应涂满。涂刷后，晾置⼀段时间，待⼿指接触不粘时，在加⽌⽔条及橡胶垫板进⾏粘贴；
(2)⽌⽔条粘贴后，四⾓不得出现耸肩，塌肩现象，表⾯在同⼀个平⾯上，严禁歪斜、扭曲；
(3)在粘贴完成12⼩时内，管⽚不得下井拼装；
(4)为加强管⽚⾓部防⽔，在密封垫外交部粘贴⾃粘性橡胶薄⽚；
(5)拱底90°范围采⽤聚合物⽔泥砂浆进⾏嵌缝，拱顶可不嵌缝，若接缝渗漏⽔，及时进⾏⼆次注浆封堵，确保基⾯⼲燥后，拱顶45°范围采⽤聚硫密封胶进⾏嵌缝；嵌缝作业在盾
构机千⽄顶影响范围之外及隧道隆沉稳定后进⾏。
(6)上半部的管⽚⼿孔不封堵，外露螺栓采⽤喷锌防护后涂刷环氧密封封底涂料，下半部的管⽚⼿孔采⽤AEA微膨胀⽔泥砂浆封孔。
7、做好同步注浆与⼆次注浆
盾构穿越河底时，由于地层含⽔量⾼，⽔压⼒⾼，注浆时必须遵循“同步注⼊，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则注浆。
（1）同步注浆
根据隧道洞⾝穿越地层的特点，为能尽早充填盾尾建筑空隙及时⽀撑管⽚周围岩体，防⽌地层产⽣过⼤变形⽽危及周围环境安全，采⽤盾构边掘进边注浆⽅式，通过盾构机⾃设的同步注浆系统及管⽚预留注浆孔，注浆在盾构尾建筑空隙形成的同时进⾏。
（2）⼆次注浆
同步注浆使盾尾建筑空隙得到及时填充，地层变形及地表沉降得到控制，在浆液凝固后，强度得到提⾼，但可能有局部不够均匀或因浆液固结收缩产⽣空隙，因此为提⾼背衬注浆层的防⽔性及密实度，必要时再补充以⼆次注浆，进⼀步填充空隙并形成密实的防⽔层，同时也达到加强隧道衬砌的⽬的。
⼆次注浆⼀般在管⽚与岩壁间的空隙充填密实性差⽽致使地表沉降得不到有效控制或管⽚衬砌出现较严重渗漏的情况下才实施。施⼯时采⽤地表沉降监测信息反馈，结合洞内探测管⽚衬砌背后有⽆空洞的⽅法，综合判断是否需要进⾏⼆次注浆。
⑶注浆材料、浆液配⽐及性能指标
为保证盾构快速穿越苏州运河，防⽌注浆管堵塞造成注浆不及时，河床沉降，因此在穿越过程中要加强对同步注浆原材料的控制，保证原材料性能达标。注浆浆液要流动性好，便于盾构移动过程中持续不停的注浆，⼆次注浆材料要可注性强，能补充同步注浆的缺陷，对同步注浆起充填和补充作⽤。同步注浆、⼆次注浆初步采⽤的注浆材料及配⽐、性能指标见表5.3-2
浆液配⽐和性能指标表所⽰。
表6.3-2 浆液配⽐及性能指标表
⑷注浆设备
浆液在洞外拌制，采⽤⾃⾏设计的浆液拌合站，拌制好的浆液由砂浆车运到洞内泵⼊盾构机⾃备的储浆罐中待注。
同步注浆采⽤盾构机后配套附带的同步注浆系统，补强注浆采⽤⾃备的KBY-50/70双液注浆泵。
⑸主要参数控制
①注浆压⼒
同步注浆压⼒⼀般为1.1～1.2倍的静⽌⼟压⼒，本标段即0.1～0.4Mpa，⼆次注浆压⼒为0.2～0.4Mpa。
②同步注浆量
注浆量⼀般为理论注浆量的1.5～2.0倍，并应通过监测情况来调节。注浆量按下式进⾏计算：
Q=V2λ
式中：
Q——注⼊量（m3）
λ——注浆率（取1.5～2.0，曲线地段及沙性地层段取较⼤值，其它地段根据实际情况选定）
V——盾尾建筑空隙（m3）
V=π（D2-d2）L/4
D——盾构切削⼟体直径（即为⼑盘直径6.34m）
d——管⽚外径（6.2m）
L——管⽚宽度（1.2m）
V=π[（6.342-6.22）31.2]÷4=1.65m3
则： Q=2.48～3.3m3/环（系数考虑1.5～2）
中铁装备盾构机⼑盘直径较⼤，因此注浆量增⼤：
V=π[（6.472-6.22）31.2]÷4*（1.5～2）=4.83～6.44m3/环
美微乳⼆次补强注浆量根据地质及注浆记录情况，分析效果，结合监测情况，由注浆压⼒控制。
碳海绵③注浆速度及时间
根据盾构机推进速度，同步注浆以每环的总注浆量⽽均匀注⼊，盾构机推进开始注浆开始，推进完毕注浆结束。
7.4施⼯监测
分离式导电滑环7.4.1监测内容
盾构穿越苏州运河期间，除⽇常的洞内管⽚收敛与隧道沉降监测外，要重点监测施⼯影响范围的河堤沉降。
7.4.2监测点布设
1、隧道隆陷监测点布设
按照规范和设计要求，隧道隆陷监测点每5-10m设置⼀断⾯。现场在盾构始发段及接收段各100m范围内，每5m设置⼀断⾯，其余正常地段每10m设置⼀断⾯。隧道隆沉监测点布置图见图5.4.2-1所⽰。
图5.4.2-1隧道隆沉监测点布置断⾯图
2、河堤范围沉降监测点布设
盾构到达前，应在对应隧道轴线位置布设好苏州运河两岸河堤的监测点，并做好初始值的采集。同时，在河堤周边布设测量控制点，包括⾄少2个平⾯导线点、1个⽔准点，⽤以准确
定位盾构机所在位置，便于应急处理。
沉降观测点沿河堤进⾏布设，点横向（沿河堤⽅向）间距3m。河堤宽50cm，监测点布设⾄河堤中部（宽度⽅向居中）。对河堤的沉降监测，测点采⽤钻孔形式穿透河堤表⾯的浆砌⽚⽯，并⽤直径20mm的螺纹钢钉⼊，螺纹钢长度1m，外露0.1m，具
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