土压平衡盾构下穿堤坝施工风险与控制

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1、专业知识分享版摘要:长沙地铁2号线溁湾镇站—橘子洲站区间盾构隧道下穿湘江堤坝段施工风险高、难度大，本文对其风险进行系统分析，阐述风险产生的原因及造成的危害，提出隧道盾构法穿越堤坝段施工风险控制措施。结合现场施工与监测情况，探讨堤坝的变形规律，对堤坝稳定性进行评价。实践证明风险控制措施效果良好，可供类似工程参考。关键词:地铁土压平衡盾构堤坝风险分析控制措施1工程概况盾构隧道穿越堤坝施工时，上覆土厚度变化大并受高水压影响，施工风险较高，确保堤坝的安全至关重要。长沙地铁2号线溁—橘区间起始于溁湾镇站，在橘子洲大桥西引桥南侧30m位置穿入湘

2、江，过湘江西汊后进入橘子洲站［1］。区间线路起讫里程为DK4+450.900—DK5+444.000，隧道于DK4+965—DK5+015段穿越湘江西岸防洪堤坝，穿越段长约50m，见图1。湘江西岸防洪堤坝由挡浪墙、挡土墙、抗滑桩等结构组成。盾构外径为6m，纵向坡度为－3.5%，隧道依次下穿潇湘中路、沿江人行道、防洪堤坝、河床等，下穿构筑物的结构较为复杂，盾构隧道纵向坡度和覆土厚度变化较大。穿越堤坝段隧道埋深为9～20m，洞身位于强风化板岩地层，下穿湘江大堤的DK4+975典型断面如图2所示。使命：加速中国职业化进程专业知识分享版2施

3、工风险分析与控制措施作为第一条穿越湘江的盾构隧道，长沙地铁2号线湘江隧道地质条件和环境条件复杂。特别是盾构穿越防洪堤坝，风险源众多，盾构施工主要风险源为复杂的地质条件、堤坝结构、盾构掘进参数、施工组织与管理。2.1风险辨识与分析1)复杂地质条件及不利环境复杂地质条件对盾构下穿堤坝产生的不利影响表现在:①地层从上往下分别为细沙、卵石、全风化板岩、强风化板岩，江边地下水位相对较高，地层透水性强，盾构掌子面易受地下水渗流影响，稳定性降低，该地层中掌子面失稳风险较大;②板岩经一定程度的风化，地层存在软硬不均;③风化板岩黏粒较多，易附着在刀盘

4、上，形成泥饼，影响盾构掘进。另外还有其它偶然不利因素等风险源:①使命：加速中国职业化进程专业知识分享版持续降雨。盾构穿越堤坝若遇持续降雨，会对堤坝结构产生不利影响。雨水渗入大堤表层土体，增加了土体重度，降低了土体内黏聚力，易使坡面产生滑动。同时，由于盾构施工引起堤坝土体沉降，土体内部有裂隙产生，雨水沿裂隙渗入，会加速裂隙的贯通，易在坡面土体内部产生潜在的滑动面。②江河汛期。江河汛期时，江河水位升高，进而引起岸边地下水位升高，会加大隧道开挖面水土压力，降低大堤及下卧土体的黏聚力，加大堤坝土体重度的同时降低其抗剪强度［2］;而且，江(河

5、)水直接作用于堤坝迎水坡面时，在堤坝内部产生渗透力，降低堤坝坡面抗滑能力的同时增大其下滑力。2)堤坝结构堤防结构影响:湘江西岸堤坝为碾压式土石堤坝，结构刚度较小，整体性差，局部土体位移之后易引起邻近土体的位移，特别是坡面上土体发生较大位移时，会带动坡面上部土体移动，甚至会在坡面形成滑动面，引发坡面土体的整体滑动，盾构下穿风险相对较大。3)盾构参数盾构参数的影响体现在:①刀盘掘进参数。盾构刀盘掘进参数的控制效果将直接影响掌子面的稳定。掘进参数偏小时，不足以平衡开挖面水土压力，严重时将导致掌子面失稳，地层变形过大，进而危及上部堤坝结构安

6、全;掘进参数过大时，对掌子面挤压过量，引起掌子面前方地表隆起，从而引起堤坝变形过大而开裂。盾构穿越堤坝之前，地表较为平坦，开挖面水土压力的计算自刀盘位置地表算起即可。随着刀盘逐渐靠近堤坝，堤坝对土压平衡盾构掘进参数的选择会有影响，设定时应将堤坝荷载考虑在内［3-4］。②掘进速度。掘进速度应处于合理范围之内，如果掘进速度太快，盾尾同步注浆区还不具备承载能力，将会引起堤坝沉降过大。若掘进速度太慢，盾构机自重对隧道下卧层施压过量，会引起过量的堤坝沉降。因此，应根据现场施工及监控数据，及时合理地调整掘进速度。③同步注浆参数:同步注浆不及时或

7、参数控制不当时，可引起地层变形过大，引起堤坝开裂。盾构隧道施工时，及时充分有效的同步注浆，是控制盾尾沉降的关键。④盾构姿态控制:当盾构姿态控制不好时，会引起管片的受力不均，甚至局部受拉引起破损;同时，还可能引起超挖及增加施工扰动次数。⑤机械故障:盾构发生机械故障时，会引起掘进参数的急剧变化，引起盾构较长时间停机。施工中应尽量避免，尤其是在下穿类似防洪堤坝等重要建(构)筑物时。4)施工组织与管理盾构施工过程中，机组人员的操作熟练程度以及施工经验，对隧道建设质量和施工安全也会产生显著影响。机组人员的业务不精、决策失误或者操作不当，都是盾

8、构穿越堤坝的风险源。综上可知，盾构下穿堤坝风险源众多，施工难度大。堤坝的风险事件主要为堤坝变形过大，包括沉降、隆起，从而引起开裂甚至滑塌。因此，为确保堤坝安全必须采取相应的控制措施。2.2风险控制措施1)针对复杂地质条件及不利环境的应