王 伟，辛振省，彭加强

(1.浙江建设职业技术学院，杭州 311231;2.中铁三局集团有限公司，太原 030001;3.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州 300014)

1 概述

针对盾构下穿江河施工的案例并不缺乏，但均为泥水盾构下穿江河施工，土压平衡盾构由于自身特点，一般不用于下穿河流施工，但是综合地层等因素，不可能由于局部小型河流而改变盾构的原定的型式;再者，大型河流的下穿造价巨大，本工程不可能采用和参考，本标段选择了土压平衡盾构施工，而本工程下穿河流采用土压盾构施工。

本工程地铁标段需下穿市内河流(图1)，该处盾构隧道最小埋深约5.6 m，盾构开挖直径为6.2 m，属于超浅埋盾构隧道施工。河水深3～5 m，水位高程394.8 m，河水流速不大，流量较大，在下游侧有一水闸截水，盾构范围内的主河道的水闸关闭后造成河道水位上升，故在施工前需将此闸开启泄洪，将主河道水位降低。河道是人工开挖的河道，河床及边坡采用混凝土砂浆块石砌成，浆砌石下部水底约有0.5 m厚的淤泥层。

图1 盾构需穿越的城市河流

经过补充勘察，此段地质情况自上而下依次为:人工填土层、淤泥质粉质黏土、粉土、粉细沙、中细沙，地层呈斜向参差分布。

2 数值计算分析

2.1 模型建立及参数选取

根据圣维南原理，在距离开挖扰动区一定远处的扰动应力为零，此边界上的位移也为零，所以取模型足够大，以保证边界位移基本为零，减小计算的误差。故取模型长度200 m，宽度60.8 m，模型高度为46 m，建成隧道的直径为5.2 m，由于管片部分和压浆的需要，需要盾构开挖直径为6.2 m，模型尺寸及地层分布如图2所示，计算土体参数及管片参数如表1、表2所示。

图2 模型尺寸及地层分布(单位:m)

表1 工程岩土力学参数

表2 管片参数

2.2 数值计算结果及相关分析

由于开挖对河床产生影响，河床和两河岸都将发生不对称偏移，位移在开挖一端较大，而在对岸较小。待第二台盾构隧道穿过河底后，其位移基本达到对称。开挖段由于2条隧道开挖的影响，盾构隧道在中途暂停处位移量较大，虽然两河岸处总位移量具有较强的不对称性，但是竖向位移量差别并不大，说明在盾构推进的过程中，地层水平向位移有较大的不对称性。开挖明显会使两边河岸处土体发生较大滑移下沉，在河床两边会发生反拱现象，此时的位移量都很小，均在10 mm以内。在两隧道接头处位移会有所增加，其综合位移值也不会超过15 mm。竖向位移都在10 mm以内，但在河岸处达到15 mm。

随着盾构的推进，特别是推进至河底的过程中，由于上覆土厚度变化较为剧烈，在施工的过程中很难及时调整土压力以适应土层的变化，所以在推进的过程中，如果没有相应的措施，此处的河底破坏较为严重，而且这种破坏会迅速的扩展到两岸，从模拟结果分析，这种破坏会延伸至盾构前方30 m左右，并且位移并不收敛。

由于开挖的影响和河底渗流的发生，将对河床底部产生平面剪切破坏和法向剪切破坏，由于河床下部土质较差，大部分是淤泥质土，而且含水量大，所以在河床下部，掌子面前方会发生一定区域的破坏。在开挖隧道的周围，由于开挖扰动的影响，也会发生不同程度剪切破坏，但是由于盾构的支撑作用和管片安装及时，隧道周边剪切破坏区很小。从图3可看到，对河床的破坏在横向是很有限的，影响范围在距离隧道20 m以内。以外的区域河床在两岸边附近发生局部轻度的剪切破坏，但是河床的破坏会对整个工程产生重大不利影响，盾构下穿过程中，上覆土厚度急剧变化造成土压力变化剧烈，河岸处破坏严重，所以上述情况为施工注意的重点，有必要实行特殊施工方法，以减小河床及河岸的位移和破坏区域。

图3 盾构下穿河流过程中力学场分布

3 下穿河流施工措施

3.1 围堰施工

施工前首先进行对护城河加固区段围挡施工，围挡分东西两侧，东侧的围挡面积为392 m2，其周长为84 m;西侧的围挡面积为371 m2，其周长为82 m。

在两侧做好砂袋围堰，并抽干施工区域内的河水后，对河床底沉积的淤泥进行清理。

围堰取双层草(麻)袋，中间设黏土心墙，草(麻)袋围堰的主要填料为黏性土。草(麻)袋围堰填筑前应清理堰底处的树根、草皮、石块等杂物。填筑时先施工上游的围堰后施工下游围堰，并且先施工外圈围堰，后施工内圈围堰。

外圈码成后，先行抽水，掏挖去内圈围堰位置处的透水层土体，堆码内圈围堰土袋。施工期间围堰内挖积水坑，随时将水抽干，内外堰之间填筑1 m宽的黏土心墙，防止河床漏水。堰顶宽2 m，堰底宽9.5 m，内侧边坡坡率取1∶0.3，外侧边坡坡率取1∶0.75。草(麻)袋盛装松散黏性土，装填量为袋容量的1/2～2/3，袋口用细麻线或铁丝缝合，施工时将土袋平放，上下左右互相错缝堆码整齐，水中土袋用带钩的木杆钩送就位。

围堰应尽量做到防水严密，减少渗漏。水流流速较大时，外围草(麻)袋可用小卵石或粗砂装袋，以免流失，必要时也可抛片石防护、或用竹笼或柳条筐盛装砂石在堰外防护。

3.2 砂袋反压

由于盾构通过河流岸边时，上覆土厚度突然变薄，上覆土压力变小，导致切口压力的突变，盾构土仓压力很难适时调整，造成土压力不能保持平衡而失稳，直接导致河岸及其上建筑物的破坏，所以必须在河底进行填土反压，如图4所示，以降低土压力变化的幅度，易于及时调整土仓压力，保证施工的安全。基于环境保护和清理方便的考虑，本工程采用河底填筑塑料砂袋的施工方法。

图4 河底填筑砂袋反压

3.3 对河岸及河底的注浆加固

(1)根据计算分析结果对河流两岸边坡进行注浆加固，以增强河岸土体抵抗地层扰动的能力。

(2)在河床底盾构通过区采用旋喷加固，形成抗浮板，加固深度为从河床底到盾构底以下2 m。

(3)桥涵底板以下部分采用垂直袖阀管注浆加固，在桥涵基础部位采用袖阀管斜插注浆，达到改善河底及桥涵下土体的目的，且桥基下第一道袖阀管注浆要充足，保证桥基下土体达到强度要求。

本区段采用双重管法施工，旋喷桩直径为φ600 mm，间距为500 mm，喷注浆的材料用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥，注浆参数及注浆设备见表3。

表3 双重管注浆法施工机具的选用及技术参数

3.4 盾构掘进参数控制

(1)在盾构通过河岸施工过程中，由于上覆土厚度突变，引起掌子面压力的突变，在施工过程中及时调整土压盾构切口压力，确保土压平衡，在土压平衡状态下匀速通过，通过河岸前土仓压力为0.23 MPa，推进速度降低至10 mm/s，进入河岸时，盾构土仓压力在1 min内调至0.1～0.05 MPa，盾构进入反压区后再次把土仓压力调回到0.15

～0.2 MPa，盾构推至对岸时，加大土仓压力至0.2～0.25 MPa，整个过程的推进速度均控制在 5～10 mm/s。

(2)及时注浆减少地层损失，严格控制同步注浆量和注浆压力，注入量一般为150% ～200%的理论盾尾空隙量，注浆压力一般略大于隧道底部的土压力。

(3)采用二次注浆辅助施工法，二次注浆压力以0.4 MPa为控制压力，接近此压力，立即停止注浆。

(4)对同步注浆及二次注浆的浆液质量、注浆量、注浆压力、速度严格控制，防止注浆引起土体隆起，在施工中对地上地下进行跟踪监测，路面沉降报警值为+10 mm和－30 mm，并根据反馈数据及时调整施工参数，达到动态施工。

(5)在到达河流岸边前选择一开挖面自稳性较好的地段对盾构机进行全面检修，减少在下穿河流段停机检修的风险。

4 监测结果分析

为了及时反映地面河流及附近附属构筑物的沉降情况，进而适时调整推进参数达到动态施工，沿盾构推进方向在河底及对称两侧布置监测点(河底为0点)，监测每个监测点的位移量及位移速度(图5)，从施工情况和监测结果分析，整个施工过程，河岸与河底的位移量较大，位移速度变化较为剧烈，但是通过预先的加固处理及盾构推进参数的优化，最大位移量均控制在20 mm以内，整个施工过程未对河流及岸边构筑物造成破坏，充分说明先前的分析是正确的，加固方案是成功的。

5 结语

图5 监测结果曲线

土压平衡式盾构在配合适当的辅助加固措施的情况下完全可以下穿城市景观河流;其间主要的施工辅助加固措施有河岸的加固、河底填土反压及适当注浆加固、盾构推进参数及注浆参数的适时调整;在此过程中，要加强地面的监控量测，及时分析地层位移规律，根据位移规律及时调整盾构推进的各项参数及同步注浆参数，达到动态施工的效果。本研究拓宽了土压平衡式盾构的适用范围，解决了盾构按照地质条件选型与按照地面河流选型的矛盾。

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