盾构在富水粉砂地层进、出洞常见问题分析

盾构在富水粉砂地层进、出洞常见问题分析

【摘要】盾构在富水粉砂地层进、出洞施工中常常存在流砂、涌水等问题，本文以某工程为例分析了盾构在富水粉砂地层进、出洞常见问题，并介绍了此工程采取的预防措施，望对类似施工有所帮助。

【关键词】盾构；富水粉砂地层；进、出洞

一、工程概况

某市轨道交通1号线土建I-TS-05标土建工程A站～B站区间，B站盾构到达井处洞身穿越富水粉砂层，盾构到达端头地质情况差，周边建筑物、地下管线复杂，存在盾构到达端头加固范围管线拆改困难、加固质量和加固区长度难以保证等问题。区间全长1 568.7单线米，起终点里程为DK6+190.600～DK6+974.950，左线长均为784.35 m，拟合管片环数653环。在DK6+502.496处设一处联络通道兼泵房。区间隧道A站始发向东至B路站，全程均为直线段，两线路平行，线间距均为13.0 m，线路埋深范围8.9～13.5 m。本工程区间隧道采用两台小松PMX6340土压平衡式盾构机施工。衬砌采用预制装配式钢筋混凝土衬砌拼装而成，衬砌内、外直径分别为Ф5.50m和Ф6.20m，衬砌宽度1.2m。衬砌拼装为错缝拼装。

二、盾构进、出洞常见问题

盾构进出洞时存在流砂、涌水的风险，若此风险变为现实将造成建筑物、地面的严重变形，严重者将造成周围建筑物的倾斜、坍塌，严重威胁端头附近管线的安全，同时影响后续的盾构安全拆除和吊装。盾构机在粉砂层中出洞风险巨大，事故后果相当严重，风险的具体来源体现在以下几个方面：（1）地表和地下水系较发育，地下水位高，极易产生涌水、涌砂现象；（2）粉砂层遇水的流动性大，一旦发生渗漏水，粉砂会随水流出而产生涌水、涌砂现象，严重威胁地面、建筑物沉降；（3）吊出井端头场地狭小，距离市政道路3m，周边为高密集居民区，吊出井附近建筑物密集且距离最近建筑物仅9 m余；（4）地下管线多而杂，对地基加固干扰大，盾构到达施工中，端头井处的燃气、煤气、天燃气管线对施工安全及周边环境的威胁巨大。

产生风险的原因：（1）洞口土体加固质量不好，强度未达到设计或施工要求而产生塌方，或者加固不均匀，隔水效果差，造成漏水、漏泥现象。（2）在凿除洞门混凝土或拔除封门钢板桩后，盾构未及时靠上土体，使正面土体失去支护，造成塌方。（3）洞门密封装置安装不好，止水橡胶帘带内翻，造成水土流失。（4）洞门密封装置强度不够，经不起较高的土压力，受挤压破坏而失效。（5）盾构外壳上有突出的注浆管等物体，使密封受到影响。（6）进洞时未能及时安装好洞圈钢板。（7）进洞时土压力未及时下调，致使洞门装置被顶坏，井外大量土体塌入井内。

三、盾构在富水粉砂地层进、出洞时采取的措施

（一）端头进土体加固

为保证盾构机安全进、出洞，隧道进、出口土体必须具有良好的自立性及密实性，为确保盾构机在经过洞口时土体不坍塌，地下水不涌入，因此必须对洞口土体进行加固。端头井土体加固采用φ900三重管旋喷桩进行加固，三重管桩的特点是设备简单，施工方便，适用于特殊和复杂地基处理，具备增加地基强度、提高地基承载力、止水防渗。本工程旋喷桩采用Po42.5级复合硅酸盐水泥，水泥掺入量按照规范要求，并针对各端头处场地地质情况进行调整，暂定水泥掺入量为18%，折合201kg/m，水：灰=1：1，水泥浆压力为25～32Mpa，空压机压力为0.7Mpa，高压水压力为25～30Mpa旋转速度为10-15r/min，提升速度为10-20cm/min，喷浆量267L/m。注浆管分段提升的搭接长度必须大于100mm。

为确保旋喷桩质量，施工中严格控制提升速度、水泥浆量和浓度、高压泵压力、空压机压力和流量，浆液中加入适量添加剂，缩短成桩时间，并做好原始施工记录。

A站东端头井：加固深度均为17.6m，其中有效旋喷深度为12.2m，空钻5.4m，桩径：90cm，桩距：65cm，搭接长度25cm，总桩数548根。沙沟尾站东端头井：加固深度均为17.95m，其中有效旋喷深度为12.2m，空钻5.75m桩径：90cm，桩距：65cm，搭接长度25cm，总桩数548根。

加固要求：左、右线加固长度都为9m，加固范围为洞圈上下左右各外扩3米。加固土体强度28天无侧限抗压强度到达1MPa，渗透系数不大于10-7m/s。

（二）强化洞门止水措施

土体bn固强度在1.2MPaVd。但水平探孔有少量清水渗流，在开凿洞门钢筋混凝土过程中，洞门中心处出现大量流砂涌人，后又从洞门两侧发生大量流砂，洞门开凿被迫停止。经过方案比较，拟用人工地层冻结法对注浆区实施加固。冻结方案如下：

（1）冻结方式：采用单排垂直全深冻结方式，冻结深度19.5m（控制范围：位于盾构推进断面上部4.0m，下部4.0m）。

（2）冻结孔布设：①冻结孔布设区域：盾构推进断面左右两侧各3.5m。②冻结孔间距：400mm。

（3）积极冻结期：20d。

（4）冻结管解决方式：通过强制解冻后拔出地面。

根据温度监测结果，经过20天积极冻结，预测已形成深度19m，宽度12m，

厚度0.65m的冻结加固体。后打开洞门钢筋混凝土墙，洞门内冻结土体自立性好，未见渗水现象，封水效果也较理想。随即进行隧道断面冻结管解冻和起拔工作，解冻时间17小时，待冻结管起拔结束后推进盾构，从而保证了盾构安全、顺利出洞。地层冻结法在该工程中遇到了极大挑战。其一，地层已被大规模扰动，而且地层因大量流砂而产生空洞，不利于冻土墙的形成；其二，由于前期较短时间内已在地层中注入了大量水泥浆液，其水泥水化热对冻结效果产生影响。

（三）洞门封堵

由于洞门直径大于盾构机直径，为了消除盾构与洞门钢圈之间的间隙，在洞门钢圈上焊接两道5mm厚圆环形钢板。圆环形钢板的内径小于盾构直径，为保证盾构机能顺利通过圆环形钢板，在圆环形钢板上沿内弧侧每隔200mm顺直径方向割160mm长缝，以便盾构机通过时能使钢板弯折。

本工程盾构接收采用二次接收工艺进行作业。洞门混凝土凿除后，尽快推进盾构和拼装管片，尽量缩短盾构进洞时间。在盾构刀盘出洞圈约2400mm时，进行第一次封门。松开双头螺栓，推进洞门翻板，使翻板与盾构机外壳贴紧，并旋紧洞门翻板螺栓，随后焊接翻板与盾构机外壳以及翻板与钢圈，封闭各处缝隙，形成完好密封。此时，采用盾构壳体、洞门外侧斜孔、洞门翻板上的注浆孔进行双液注浆，使咬合桩与加固土体形成密封防水帘幕，达到封堵洞门的效果。同时，利用同步注浆系统进行单液注浆，充分填充盾尾后管片与加固体之间的建筑空隙。

待第一次封堵洞门所压注浆液基本凝固后，开始二次进洞。解除洞门翻板与盾构机外壳的连系，割除洞门翻板与洞门钢圈之间的焊缝，松开双头螺栓，拉回洞门翻板，推进盾构机千斤顶。此时，须尽快推进盾构和拼装管片，尽量缩短盾构二次进洞时间。当盾尾脱离进洞环后，立即推进翻板使得翻板与进洞环密封，焊接洞门翻板与进洞环外壁钢板，旋紧洞门插板螺栓，焊接洞门翻板与洞圈，使得洞门形成密封，再根据实际情况对洞门处进行注浆封门。

（四）出洞时的间隙密封

气囊环密封是在洞口的圈板面上安置气囊，当盾构进入洞口，向气囊内加充压力气体，使气囊膨胀，嵌于盾构与洞圈之间，封堵间隙，密封洞口。气囊用橡胶浇制，一块圈板上可设多道环形气囊，提高密封效果。气体的压力应根据洞口处土体侧向压力通过计算设定。当盾构脱出气囊环，则气囊环嵌于衬砌与洞圈间，成为施工间隙的临时密封设施。

四、结束语

盾构进洞居于盾构法隧道施工中的高风险工序，在富水粉砂地层施工，要考虑它的地质特征，分析存在的风险，预防常见问题的发生，从而使施工风险降至最低，为市政建设奉献优质工程。