土壓平衡盾構富水粉砂地層進、出洞常見問題分析

孟海峰，劉江濤，李世君

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

富水粉砂地層是一種自穩能力差，在地下結構施工過程中容易發生水土流失的土層［1］。土壓平衡盾構在該種地質條件下如何保持其自穩性是保證施工安全和質量的關鍵。目前在華東軟土地區，乃至國內其他地區類似地質條件下的隧道盾構施工，始發和到達的端頭加固很多都是采用攪拌樁和高壓旋噴樁進行加固［2］;但多有加固效果不理想的工程實例，給盾構的始發和到達造成了一定的施工風險［3］。如何彌補攪拌樁和高壓旋噴樁加固土體在富水粉砂地層中的施工缺陷，本文將從預防措施、過程控制及問題的處理方法等幾個方面進行具體的論述。

1 工程概況

無錫地鐵1號線7標共有2個盾構區間，廣石路站—江海路站區間和江海路站—無錫火車站區間。廣石路站—江海路站區間長732 m，共2段平曲線，半徑分別為2 000 m和2 500 m，區間最大縱坡為23.86‰，軌面埋深約為10.9 ～15.51 m。

江海路站—無錫火車站區間全長1 300 mm，共2段平曲線，半徑分別為350 m(右線360 m)、410 m(右線400 m)。線路中線間距為13.0～17.3 m，區間最大縱坡為23.67‰，最小縱坡為3.0‰，線路豎曲線在與車站相連段采用3 000 m半徑，其余采用5 000 m半徑，軌面埋深約為14.53 ～24.75 m。

本工程采用1臺φ 6 380 mm的土壓平衡盾構機，在3個車站內4次始發、4次到達，獨自完成2個區間左右線4 064 m的掘進任務。隧道管片外徑6.2 m，內徑 5.5 m，厚 350 mm，采用“3+2+1”形式錯縫拼裝［4］。

2 地質水文

根據地質勘察報告顯示，盾構區間地質情況自上而下依次為:〈1〉1雜填土、〈3〉1黏土、〈3〉2粉質黏土、〈1〉3粉土夾粉質黏土、〈4〉粉砂層、〈5〉粉質黏土和〈6〉1黏土層，隧道范圍內多為〈5〉粉砂層、〈6〉1－1粉質黏土層和〈6〉1黏土層。

上層滯水主要在〈3〉1黏土層以上，補給來源主要為地表水滲流和側向徑流，穩定水位標高在－0.8 m?！?〉1層和〈6〉1層中間有一層微承壓水，常年穩定水位在 －2.4 m。

3 盾構始發端頭加固

3.1 施工方案

3.2 存在的問題

1)水平探孔。第1次對始發洞門水平探孔，洞門探孔直徑50 mm，深度1.2 m，深入到加固土體約50 cm，在水平探孔過程中發現，40 cm夾心層土樣較完整，但深入到三軸加固土體中所取得土樣較差，為檢驗三軸加固土體的效果，再次增加水平探孔，增加的水平探孔深度為3 m，個別孔有水和砂流出，水平探孔位置如圖1所示。

圖1 水平探孔實際情況Fig.1 Horizontal bore hole inspection

2)垂直取芯。江海路站北端頭始發洞門加固范圍內共布設垂直取芯孔4個，1#孔位距40 cm夾縫30 cm處，其余3個孔在盾構隧道兩側及隧道結構中心距夾層3 m處布孔，取芯深度為17.5 m，超過洞門底部2 m。從所取芯樣來看，芯樣不連續，沒有達到設計要求。垂直取芯位置見圖2。

圖2 垂直取芯芯樣情況Fig.2 Core

3.3 原因分析

1)在粉砂層中施工旋噴止水帷幕，成樁效果不好，存在工藝缺陷。經查看廣—江區間地質勘查報告及現場取芯確定，江海路站北端頭加固區域存在〈4〉粉砂層，且地下水具有微壓力等特點。咨詢專家得知，高壓旋噴樁在砂層中施工一般只能形成φ 600@400的樁徑，而設計高壓旋噴樁為φ 800@600，存在設計缺陷［5］。

無錫地鐵其他標段，盾構井端頭加固存在類似缺陷，同樣采用的攪拌樁配合旋噴樁加固，對加固體豎向取芯和水平取芯，芯樣均不完整且水平孔有流水流砂現象。

2)施工過程控制不到位。通過洞門范圍內水平探孔及加固體范圍內垂直取芯的芯樣顯示，三軸攪拌樁在施工過程中成樁的垂直度沒有控制好，出現了斜樁，局部沒有達到狀體咬合250 mm的設計要求，樁間存在滲漏水通道。

3.4 補救措施

為使洞門土體端頭加固能夠達到盾構始發和到達的條件，決定對洞門采用水平注漿進行補充加固。在洞門掌子面全斷面布孔，由內向外呈放射狀打孔注漿，且在0～3 m范圍內孔間距加密。洞門水平注漿補充加固效果見圖3，水平注漿加固后取芯見圖4。

3.5 小結

通過對無錫地鐵1號線7標盾構始發和到達端頭地質情況和加固施工工藝分析，三軸攪拌樁和高壓旋噴樁在〈4〉粉砂層中的加固效果并不能完全達到設計的理想狀態，對于無錫這種地質不均勻性及高透水性決定了盾構端頭加固在設計參數上和施工工藝上還需要進一步的改進。

1)改進施工工藝。①在透水性比較好的砂性土地層中，容易形成透水、跑漿通道，施作攪拌樁時在水泥中加入5%的膨潤土，堵塞通道，防止水泥流失，保證樁體的均勻性;②減小高壓旋噴樁的樁間距(不大于400 mm)，保證其充分咬合。

Research on seismic performance of specially-shaped column composed of concrete-filled steel tubes frame-shear structures

2)補充水平注漿。洞門水平取芯檢測發現三軸攪拌樁和高壓旋噴樁加固效果不理想，有偏樁、開叉的情況，應增加洞門水平旋噴注漿或水平后退式注漿，填補地面攪拌樁和旋噴樁未完全加固的土體。

3)降水井輔助降水。對于以粉土層和粉砂層為主的地質條件，除了采取攪拌樁和旋噴樁等端頭加固措施外，還有必要采用降水井進行輔助降水，降低地下水的壓力，甚至可以把水降到隧道底板以下，保證盾構進出洞的安全。

4)采用冷凍法。對于比較復雜的地質條件可以考慮采用冷凍法對盾構端頭洞門土體進行加固，目前冷凍法施工工藝在華東地區已經比較成熟，而且采用冷凍法加固的地層，加固體比較均勻、安全、環保。

4 盾構到達

盾構在富水粉砂地層到達，關鍵是端頭加固體的質量和盾構機進入車站后洞門漏水的處理。下面就廣—江區間左線盾構到達端頭加固和洞門滲漏水情況的處理進行簡單的介紹。

4.1 端頭加固

廣石路站南端頭先后經過2次三軸攪拌樁和高壓旋噴樁加固，第1次于2010年7月加固完成，按照設計圖紙始發端加固長度9 m，到達端加固長度8 m。2011年4月發現廣石路站南端頭洞門水平探孔有漏水情況，不具備接受條件;于是，2011年5月對廣石路南端頭采用攪拌樁和旋噴樁進行了第2次補充加固，始發端和到達端加固長度均為6 m。端頭補充加固見圖5。

圖5 廣石路站南端頭補充加固平面圖Fig.5 Plan of added reinforcement at the south head at Guangshilu station

第2次加固后，對洞門再次進行水平探孔，未發現有滲漏水情況，確認加固效果良好，具備接受條件。探孔孔位按米字型取9孔，孔深4 m(包括0.2 m掛網砂漿層，1 m鉆孔灌注樁圍護結構)，探孔無流水流砂，取芯芯樣完好，見圖6。

4.2 洞門中心破除

為防止盾構機刀盤推開洞門出現大面積涌水涌砂，先將洞門中心破除(見圖7)，露出中心刀(中心刀比刀盤高出400 m，先到達洞門)，中心孔洞直徑為1.2 m，深度貫通圍護結構即可。

4.3 盾構機進站

圍護結構破除過程中，掌子面干爽、無濕漬，樁間土及樁后露出的加固區水泥土干爽無滲水情況，只有車站端墻二次襯砌結構和圍護樁間防水板處有滲水(見圖8)，此時判斷加固體內情況完好，可以掘進推出刀盤。

圖8 圍護結構防水板漏水Fig.8 Water leakage of flashing of retaining structure

盾構機刀盤中心刀到達圍護樁背后，開始割除圍護樁上部連接鋼筋，用刀盤將圍護結構迎土側剩余的鋼筋混凝土推開，刀盤整體推出洞門進入車站(603環)。經檢查，刀盤及刀盤倉內土質干爽，無水、砂從刀盤及側面流出，且洞門簾布橡膠板包裹嚴密、土倉內土質松散，見圖9。

圖9 盾構機推倒洞門圍護樁Fig.9 Retaining pile pulling

4.4 存在的問題

盾構機主機進入車站5 m后，在盾尾外置注漿管露出前停機，收緊鋼絲繩將簾布橡膠板和壓板牢牢的壓在盾殼上，對盾尾處開始注漿，使盾尾后方形成1道封閉環，其目的在于:1)等管片背后的漿液凝固并有一定強度，這樣盾尾脫出洞門后，洞門處的土體不易發生坍塌和噴涌;2)防止盾尾脫出洞門后，洞門處的幾環管片發生下沉和錯臺。

但是盾尾注漿完成并停機1 d后，發現洞門簾布橡膠和盾殼密封處出現滲漏水，水質較清，無砂，沒有壓力，見圖10。

4.5 分析原因

1)端頭井結構墻和圍護樁之間的滲漏水被進站的盾構機和簾布橡膠封堵在洞門內，無處排泄，在洞門腔室內積存后水位升高形成一定水頭壓力，從簾布橡膠封閉薄弱處滲流出來。

2)盾構機進入加固體后，刀盤切削加固體和圍護樁，加固體和圍護樁的土質較硬，刀盤掘進過程中對加固體及周邊的地層產生一定的擾動，特別是刀盤向前推灌注樁對上方土體擾動大，使原本封閉隔水的土體產生了一定的裂隙，從而導致加固體外的地下水有一部分沿破壞的裂隙滲流到洞門內。

3)洞門端頭主要埋置于〈3〉3層粉土層及〈5〉層粉質黏土層中，經過攪拌樁加固后，端頭地層滲透系數大大降低，加固區外的2口降水井的降水效果并不很好，降水井的出水量每天只有10 m3左右，使得洞門周邊裂隙滲流水沒有被降水井完全降掉。

4.6 處理措施

1)對盾尾管片進行二次注漿。盾尾管片背后雖經過注漿填充，但為加強封閉效果，需要再次對盾尾及盾尾后方3～4環管片進行二次補強注漿，注水泥－水玻璃雙液漿加強盾尾止水效果。盾尾注漿封閉后，洞門處滲漏水量變化不大(見圖11)，說明水源不是從盾尾后方滲出，主要還是洞門結構防水板處的滲漏水。

圖11 盾尾注漿后洞門滲水變化不大Fig.11 Water leakage at the entrance after shield tail grouting

2)盾尾脫出洞門，對洞門采取封閉注漿。盾尾注漿封閉完成后，將盾構機整體推出洞門。然后對洞門前3環利用預留二次注漿孔向洞門內壓注水泥－水玻璃雙液漿封閉洞門，直到洞門外部周邊有漿液滲出［6］。洞門注漿封堵完成后，洞門周邊已經不再漏水，封堵效果顯著，見圖12。

5 結論與討論

無論是土壓盾構還是泥水盾構，始發和到達都是盾構施工的最關鍵工序，也是盾構施工比較容易出現事故的工序。端頭土體加固又是保證盾構順利始發和到達的重點，尤其是在富水粉砂層地質條件下，必須有效地控制好滲漏水和流砂，所以在盾構始發和到達前必須要有詳細周密的技術保障措施，提前做好洞門和加固體的封閉處理，降低盾構始發和到達的風險。

圖12 注漿后洞門兩側不再漏水Fig.12 Entrance sides without water leakage after grouting

1)盾構機到達前降水，在到達端加固區周邊合理布置足夠數量的降水井，將洞門及加固區周邊的水位降到隧道底板以下。

2)盾構機進入加固區前，加強盾尾管片背后同步注漿及二次填充注漿，使盾尾后方形成封閉環，防止盾尾后方地下水沿盾構機流到刀盤前方。

3)洞門破除前后，若發現盾構井洞門混凝土結構和圍護結構間防水板存在滲水通道，應及時注聚氨酯封堵，這樣盾構機進站后，可防止洞門出現滲漏水。

［1］ 劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

［2］ 施仲衡.盾構機在中國地鐵建設中的應用［J］.建筑機械，2002(5):17.

［3］ 唐益群，宋永輝，周念清，等.土壓平衡盾構在砂性土中施工問題的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(1):52－56.

［4］ 樂貴平.淺談北京地區地鐵隧道施工用盾構機選型［J］.現代隧道技術，2003(3):17 －33.(LE Guiping.Selection of shield machines for Beijing Metro construction［J］.Modem Tunnelling Technology，2003(3):17 －33.(in Chinese))

［5］ 上海隧道工程股份有限公司.國家“863計劃”項目－盾構地層適應性設計理論、方法和模擬試驗平臺鑒定資料［R］.上海:上海隧道工程股份有限公司，2004.

［6］ 袁敏正，竺維彬.盾構技術在廣州地鐵的應用及發展［J］.廣東土木與建筑，2004(8):5 －7，9.