地铁盾构隧道下穿海河施工风险控制

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1、地铁盾构隧道下穿海河施工风险控制 【摘  要】天津地铁2号线东南角站—建国道站区间施工过程中成功地穿越了海河，为天津地铁首次成功穿越。由于无同类工程的经验借鉴，施工前做了大量的探索分析，认为盾构下穿海河过程中自身的安全保证为最大的施工风险，文中主要介绍穿越海河过程中的风险控制措施。【关键词】地铁；盾构隧道；穿越海河；风险控制 1、工程概况     天津地铁2号线东南角站—建国道站区间左线长845.818m，共计705环，右线长859.424m，共计717环；盾构隧道在始发后203～293m（169～244环）穿越海河，穿越段长度90m，河床至区间隧道的顶面最小覆土厚

2、度为7m。见图1。     在海河最低位置主要土层从上到下依次为淤泥（厚度2.7m）、粉土（1.2m）、粉砂（2m）、粉土（1.8m）、粉砂（3.3m）、粉质粘土（3.8m）。隧道撑子面土层主要是粉土和粉砂层。     由于海河流速缓慢，河底淤泥层较厚，据地质勘查成果显示，淤泥层厚度已达到3m，而隧道的最小覆土厚度仅有7m，实际有效最小覆土厚度为4m。另外，隧道断面范围以内主要的土层为⑦2、⑦4粉土、粉砂层，渗透系数大，含水量丰富，对盾构施工极为不利。     盾构下穿河流最大的风险在于盾构自身，过河段与普通段相比主要的特点在于盾构的正上方存在源源不断的水源，如果发

3、生泄漏或者倒灌，海河水将涌入隧道，将整个已完成的线路全部淹没，造成重大损失。在盾构施工之前必须充分分析各种存在的风险，找出有针对性的预防处置措施，做到万无一失。2、主要风险2.1河水倒灌风险     由于盾构掘进断面处于⑦4粉砂层内，含水量丰富、渗透系数大，上部隔水层厚度很薄，极易发生透水事故，导致河水与隧道贯通，因此保证盾构自身安全的关键点在于控制地下水。     根据抗管涌计算公式，临界水头梯度     实际水头梯度为     式中：I———实际水头梯度；     H1———河水水头高度，m；     H2———透水点水头高度，m；     l———深度路径，此

4、处等于覆土厚度，m。     I≥Iα，所以如果盾构机的任何位置发生了透水，都将导致管涌的发生，一旦发生管涌将导致河水灌入隧道内部。2.2抗浮安全验算     盾构隧道在河底施工过程中，管片受到河底水浮力作用，为了防止管片上浮，需对穿越段河底最小覆土厚度计算。     管片所有浮力F浮=ρgV排=1×10×3.14×3.12=301.75（kN）；     管片自重G=24.5×3.14×6.2×0.35=166.94（kN）；     上浮土有效荷载F=γ＇h×D；     抗浮需满足F浮≤G+F；     式中：D———盾构隧道直径，m；     h———隧道覆

5、土厚度，m；     γ＇———浮重度，kN/m3。     故最小覆土厚度应满足         通过计算认为本隧道不会发生上浮的灾害性事故，处于安全深度范围。2.3管片上浮量化分析     采用有限元法进行数值分析，为了简化计算并最直观的得出上浮的具体数值，省略隧道的开挖、管片安装等过程，直接假定管片已安装完成，仅分析管片在浮力作用下的上浮量，选用二维模型。分析的主要步骤如下：     1）建立已拼装完成管片的隧道模型；     2）计算初始应力场，将位移全部去掉；     3）给管片施加向上的浮力荷载，计算管片的上浮量。     考虑到土体、管片均在水底，为此

6、计算时土的重度取浮重度。土体采用D-P本构模型，主要的计算参数见表1，计算结果见图3。     通过计算盾构施工完成后，管片的累积上浮量能达到28mm左右，该计算结果未考虑管片初拼装后在浆液内的上浮。3、主要应对措施3.1出土闸门     通过地层渗透的地下水没有及时与渣土排出从而导致地下水压力不断增大是发生喷涌的主要原因。本区间盾构穿越海河的地层主要以粉土、粉砂层为主，含水量大，渗透系数高，容易形成喷涌现象。     为了确保施工安全，防止紧急情况下螺旋机闸门由于被异物卡住或机械原因无法正常启闭，因此在螺旋机外加设一道闸门，与原有闸门组成双保险，在河中段施工时，一

7、旦发生喷涌现象，立即关闭闸门。见图4。3.2铰接     铰接是容易出现漏水的薄弱环节，因此，施工前在铰接位置设置应急气囊，在施工中应尽量提前调整好姿态，保证在河底不采用铰接调整姿态。3.3盾尾处理     盾构原设计3道钢丝刷，在施工前进行了更新和改造。首先将所有的盾尾刷全部更换为弹性好的优质钢丝刷，然后将第3道（最尾部）更换为采用薄钢板组装而成的盾尾刷。见图5。     根据中铁一局在金鸡湖湖底2km隧道的掘进经验，最后一道改用钢板后的盾尾刷弹性更好，能有效减小塑性变形程度。而前两道仍用钢丝刷可以有效保持盾尾油脂。3.4抗上浮措施     根据理论分析，盾构