富水粉砂地層盾尾密封改造在施工中的應用

文｜中鐵四局集團第二工程有限公司 李海波 李治家 劉曉波

0 前言

我國軌道交通里程在逐年增長，特別是在一線、新一線城市中地鐵線路之間的上跨、下穿越來變的普遍。但面對復雜地層、含承壓水地層環(huán)境中，施工風險依然巨大，要在不影響運營線正常運轉(zhuǎn)的情況下完成施工，對安全控制等級要求非常高，一旦出現(xiàn)事故將造成不可逆的損失。盾構法作為地鐵施工最廣泛使用的工法，其盾尾密封系統(tǒng)是防止地下水的關鍵因素，但是面對長距離粉砂地層掘進中，難免會造成盾尾密封損壞，為保證后續(xù)推進順利，就需要在隧道內(nèi)對尾刷進行更換或增設，而更換尾刷最關鍵的一步便是尾刷更換前的止水。

目前盾構施工過程中尾刷更換前的止水方法主要有凍結法和注漿法。凍結法施工加固效果安全可靠、適用面廣、加固體可控性較好，但存在凍結設備占用空間較大、施工工期較長、成本較高等問題。常規(guī)注漿法方法簡單，工期短，但在富水粉砂層中注漿效果難以保證。

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站盾構區(qū)間隧道，在下穿杭州地鐵1號線前，為保證穿越過程安全順利，在富水粉砂地層中進行了盾尾刷更換及增設，采用的是組合注漿加固的止水方法。

圖1 盾構下穿地鐵1 號線剖面示意圖

1 工程概況

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站盾構區(qū)間左線隧道全長3126.22m，右線隧道全長3126.555m。該區(qū)間左線第2014 環(huán)～2051 環(huán)(環(huán)寬1.5m，共57m)、右線 第2019 環(huán)～2057 環(huán)( 環(huán)寬1.5m，共58.5m)范圍下穿杭州地鐵1 號線隧道（已運營）。該盾構區(qū)間與杭州地鐵1 號線垂直最小間距3.2m，隧道覆土埋深18.5m，主要穿越地層為⑤4 粉砂層，該地層自穩(wěn)能力較差，容易出現(xiàn)涌砂、涌水的情況。

2 組合注漿止水加固

2.1 土倉注膨潤土

為了防止加固的漿液流入刀盤及土倉將刀盤包裹住，影響盾構機的再次啟動，需對在盾構機土倉注入膨潤土進行保護。膨潤土在地面膨潤土罐提前進行拌制，膨化24H 后運至隧道內(nèi)使用。

為提高刀盤前方土體強度，利用到盤上已有的注水孔注入膨潤土泥漿能在土體表面形成保護層。注入過程中注漿壓力超過土倉壓力時停止注漿，待壓力減小后再繼續(xù)注漿直到注滿為止。

膨潤土注入?yún)?shù)為：膨水比1∶4、注入率30%、摻入比16%，粘度29～31s 之間。

2.2 盾構殼體背后注漿

盾尾刷更換前利用克泥效工法注漿填充盾體與土層位置的間隙，防止地面沉降及抑制前方水向盾尾方向流動。盾構機前盾、中盾和盾尾分別配置6 個徑向孔。

克泥效工法采用A、B 液混合，A 液為特殊膨潤土液，配合比為：膨潤土：水=400:825，B 液為水玻璃和水的混合液，比例為水玻璃：水=1∶1（體積比）。A 液：B 液=20∶1（體積比），根據(jù)前期施工總結，注入系數(shù)為280%時，效果較好，即每米需注入量為0.31m3。現(xiàn)場實際注入過程中前盾注入0.68m3、中盾注入0.81m3、盾尾注入1.15m3。

2.3 聚氨酯注入

為確保盾尾止水環(huán)箍效果，同時為防止盾尾刷檢修位置注漿加固體對盾尾的約束，在盾尾后1 環(huán)管片吊裝孔內(nèi)注入水溶性聚氨酯，注入完成后根據(jù)雷達探測結果進行補注。當水溶性聚氨酯遇到地層中的水會迅速分散、乳化、膨脹、固結，形成膠凝體，可以很好的隔斷第三道盾尾刷與地層水之間的水流通道。

圖2 聚氨酯注入示意圖

圖3 增設注漿孔預埋件示意圖

2.4 管片背后注漿

盾尾刷更換期間為減小地層水壓對前方盾尾刷的影響，故對盾尾后10 環(huán)進行全環(huán)注入二次注漿，打設環(huán)箍。因使用的管片未增設注漿孔，施工過程中為確保二次注漿環(huán)箍止水效果，在盾尾后10 環(huán)管片上人工增加注漿孔，進一步增加環(huán)箍止水效果。

（1）管片增設注漿孔

針對未有注漿孔的管片，為確保盾尾后部止水加固效果在管片上進行開孔。管片預留吊裝孔6 個，預計每環(huán)管片增設10個注漿孔，采用鉆機開孔，當開到深度250mm 時停止鉆進，用鋼楔楔斷巖心，取出后安裝預埋件，預埋件安裝采用植筋膠植入取芯孔內(nèi)及使用4 根膨脹螺栓錨入管片進行固定。

（2）二次注漿

二次注漿過程中進行跳孔注入，從上到下跳孔注入，每環(huán)注入5 個孔位，封頂塊不進行二次注漿，注漿過程中觀察注漿擴散范圍，如發(fā)現(xiàn)未注漿的注漿頭位置流出漿液則停止注漿；二次注漿采用壓力與注入量雙控，二次注漿壓力按≤0.9Mpa控制，每孔注漿量不小于0.75m3。

二次注漿的順序應為，純水泥漿注入1min，在注入水玻璃進行混合，其中在終孔應加大水玻璃的濃度。在一個孔位注入完成后需等待5～10min 后將該注漿頭打開疏通，如果仍有水涌出，再次進行注入，當僅有少量清水滲出時，可拆除注漿頭并用雙快水泥砂漿對注漿孔進行封堵，安裝塑料螺旋蓋封堵并進行下一個孔位注漿。

表1 二次注漿漿液配比表(重量比)

圖4 管片壁后雷達探測

（3）注漿效果檢查

二次注漿環(huán)箍打設完成后，采用俄羅斯OKO-2 地質(zhì)雷達探測儀對二次注漿效果進行檢查，探測深度為管片背部30cm，每環(huán)延環(huán)向位置全環(huán)探測兩處，探測過程中對注漿不飽滿處進行標記，待整體探測完成后對注漿不飽滿處進行二次注漿補注，直至填充飽滿。

圖5 降水井布置示意圖

圖6 降水井剖面圖

2.5 增設減壓降水井

為確保盾構機盾尾刷更換期間安全順利，在地面增加4 口應急減壓降水井，如尾刷更換期間出現(xiàn)盾尾漏水漏砂時啟動應急降水井，應急降水井成井用沖擊鉆機。為保證成井質(zhì)量，施工中采用清水護壁鉆機，并進行清孔驗收，在下放井管和濾料后進行洗井。降水井布設在隧道邊線兩側3米處，深度為33m，過濾管15m，降水井底部打入黏土層3m。

3 盾尾密封改造

為保證盾尾密封效果，在距原第一道盾尾刷凸臺160mm 處位置新增一道加強型盾尾刷，同時新增盾尾不影響盾構機管片拼裝機的正常應用，保證推進千斤頂至新增尾刷行程大于1800mm。

新增尾刷與原尾刷之間的腔體油脂填充管路采用外置形式12 路外徑25mm、孔徑20mm 的油脂管，其中8 路延原8 處油脂管外表面布設，另外4 處在盾尾下半?yún)^(qū)對稱位置增設。油脂管尾部與原油脂泵注入管路采用軟管連接，通過球閥進行切換。新增油脂管與兩塊定制尾刷之間插入新增油脂腔體內(nèi)。

新增尾刷與油脂管主要步驟：

（1）位置確定：在盾尾原來兩道油脂管之間畫線，確定油脂管位置和油脂腔中心位置；在距原來第一道尾刷凸臺前290mm處的位置取4 個點位畫環(huán)線，確定新增尾刷限位塊位置。

（2）油脂管和限位塊安裝：油脂管按線路點焊至盾尾外表面，頭部插入油脂腔中心位置，限位塊采用25mm 圓鋼按線路進行滿焊，按油脂管兩側采用定制尾刷，頭部緊貼限位塊，兩側緊貼油脂焊接。按上述方式依次焊接12 處管路。

（3）搭接處密封處理：對2 塊定制尾刷上護板進行焊接，壓在油脂管的上部，同時將尾刷內(nèi)部網(wǎng)片進行連接，鋼絲進行交錯，接縫出塞入鋼絲球。

（4）油脂管路連接：油脂管尾部與原先的油脂泵注入管路采用軟管連接，采用三通形式，通過球閥進行控制，切換油脂注入腔位置。

（5）尾刷焊接：緊貼限位塊，從下往上依次排列其余尾刷進行固定，采用T 型焊接形式進行尾刷滿焊，焊接完成后檢查焊接質(zhì)量。

4 結語

（1）富水砂層中水壓較大，止水較難，通過對傳統(tǒng)注漿法的改進，在非注漿環(huán)管片上增設注漿孔，使用組合注漿止水加固的方法，達到了很好的止水效果，為尾刷更換使用提供了良好的施工環(huán)境，保證了施工的安全。

（2）在刀盤和盾體位置分別注入膨潤土和克泥效材料，同時降低了漿液包裹盾體或漿液流進刀盤的風險。

（3）合理優(yōu)化尾刷更換與增設施工工序，更換與增設逐塊同時進行，縮短了施工工期，降低了施工風險。

（4）新建隧道下穿后既有線隧道道床豎向位移最大值為1.8mm，水平位移最大值為1.2mm，軌間高差最大值為1.2mm，隧道水平收斂最大值為0.9mm。變形量均在控制范圍內(nèi)。

圖7 新增盾尾刷示意圖