軟土地層盾構進出洞滲漏水來源分析及預防措施

張子敏

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

盾構進出洞施工既是盾構法隧道施工中的關鍵環節，也是一道風險性較大的工序，其中進出洞主要的風險來自盾構進出洞過程中產生的滲漏水，若處理不當，易造成洞門的涌水涌砂，帶來難以預估的后果。洞門滲漏水的產生通常為突發情況，需及時進行應急處置，應急手段是否有效取決于是否對癥下藥，所以在盾構進出洞施工前進行事前管控，通過對地質情況、環境情況、結構情況等可能產生滲漏水的狀況進行預判，并制定針對性應急預案顯得尤為重要[1-5]。

在上海地區，軟土地層本身地質條件不利，加之近年來的工程建設發展迅速，地鐵建設埋深越來越大，工況越來越復雜，所以盾構進出洞面臨的風險也越來越大。

本文結合上海軌道交通工程盾構進出洞施工實際，對其作業過程中出現滲漏水的原因進行分析，并探索相應的預防措施。

1 盾構進出洞滲漏水的常見形式

在盾構進出洞的整個施工作業過程中，滲漏水的產生可能發生在2個時間段。

第1個時間段為洞門鑿除時。洞門鑿除常規作業方式為通過人工由洞圈頂部往底部逐步鑿除洞圈內地下連續墻混凝土，最后僅保留外排鋼筋及混凝土保護層抵擋外部土體。整個鑿除過程中，洞圈位置面對的圍護結構水平力逐步減小，且混凝土保護層在鑿除過程中易產生裂縫，若此時外部土體內存在動水，會通過混凝土保護層裂縫進入端頭井。第2個時間段為盾構進出洞過程中，盾構機穿越加固土體時產生的滲漏水。此時的滲漏水通常為2種表現形式，一是通過盾構機殼體與洞圈鋼板間隙產生滲漏水情況，二是通過盾構機螺旋機的通道產生滲水情況。

2 盾構進出洞滲漏水來源分析

根據近期上海軌道交通工程建設中的實際案例，對盾構進出洞階段出現的滲漏水情況進行了分析總結，滲漏水的產生主要受以下3個因素影響：盾構進出洞區域復雜地層影響、盾構進出洞區域外部環境影響、盾構進出洞加固土體與地層因素綜合影響。

2.1 復雜地層影響

上海地區的地層為軟土地層，地層中含水量較高，且不良的地層覆蓋面較廣。對工程地質不利的既有淺層的②、③層粉土層，又有常規深度的⑤2層微承壓含水層，還有深層的⑦層承壓含水層。無論如何進行線路位置、標高優化，都無法完全避開不良地層的影響。盾構進出洞施工過程中對土體擾動的同時，洞門位置存在壓力釋放點，不良地層內的水源通過盾構機殼體間隙進入端頭井內，引起施工風險。

2.2 外部環境影響

2.2.1 進出洞區域存在上部既有結構

鑒于城市地下交通發展的趨勢，市內、城際交通走廊尚需面對軌交網絡與地下快速通道網絡在地下空間使用上的沖突。在城市軌交、地下快速路網絡日益發展的當前，將兩者有機結合，進行一體化的建設模式，較好地解決了城市地下空間局限性的難題。

解決難題的辦法就是將城市快速路地下通道結構與軌道交通工程在同一位置、同一線路呈上下疊交的方式進行施工，軌道交通區間隧道常規位于地下通道結構下方。按照上述設計結構布局，正常的施工流程為：先進行地鐵地下車站施工，后進行地下車站之間的地下立交通道施工，最后進行地鐵區間隧道施工。

按照常規施工流程，地下車站結構完成后即開始區間盾構推進施工，基本無時間間隔。但若考慮上下疊交的工況，地下車站結構完成后還需進行地下通道施工，方可進行盾構始發，時間間隔近1年。

該工況下實施盾構進出洞施工，排除復雜地層的因素，仍存在以下2種滲漏水通道的可能：

1）地下車站結構、地下立交結構以及后澆帶先后施工完成，相鄰結構施工段時間間隔長、沉降穩定周期不一致，地下立交結構與地下車站結構施工縫位置質量不可控，施工縫本身受差異沉降或外力影響易產生裂縫，出現滲漏水通道。

2）地下立交通道為地下1層結構，圍護結構深度通常為15～20 m；而地鐵車站通常為地下3層結構，盾構于地下3層結構出洞推進，盾構中心標高深度一般在20 m以下，此時地下通道圍護結構深度無法超過區間隧道底埋深，無法起到隔水帷幕的作用（圖1）。

圖1 盾構與上部既有結構關系示意

但由于圍護結構底部位于區間隧道兩側甚至頂部，導致圍護結構與周邊土體的交接縫易形成滲水通道，將淺層水、地表水引至區間斷面內，造成施工時滲漏水。

2.2.2 進出洞區域存在雨污水管線

城市內進行地鐵工程施工，地下車站不可避免需設置在現有道路上，施工前需進行道路翻交、管線搬遷。尤其是大口徑的雨污水管，設計流量大，在管線搬遷后，需做好管口的封口處理。

由于管口封堵質量涉及人為因素較多，一旦封堵質量不佳，封堵口仍有水流通道，管內正常排放水流或積水會通過斷管位置流入土層，在土層內形成水團積聚。一旦盾構施工擾動土體，打破土體應力平衡后，積聚在土層內的水會從洞口流入盾構結構，引發滲漏水。

2.3 進出洞加固體與土層的綜合影響

盾構進出洞區域為保證風險可控，常規應采用水泥系進行加固，水泥系加固工藝通常采用三軸攪拌樁及高壓旋噴樁施工工藝，再根據原狀土層的情況選擇是否應用凍結法加固。水泥系加固的范圍一般為洞圈上下左右各3 m的范圍，長度一般為6～10 m。以下結合具體案例進行分析。圖2為某區間盾構出洞端頭井地質剖面示意。

圖2 盾構始發井剖面示意

該盾構出洞加固區原方案全部采用高壓旋噴樁工藝進行加固施工，因加固區域內有1組寬約1.1 m的電力排管，中心深度約2 m，所以電力排管兩側加固方式調整為各1排MJS工法樁加固，其余位置仍為高壓旋噴樁。另考慮地層因素，洞圈范圍內存在⑤1t灰色砂質粉土層，該土層滲透性較強，且與⑤2a微承壓含水層相連，故在水泥系加固基礎上增加了水平冷凍法加固，其凍結板塊長度為2.21 m，外圈凍結壁長度為3.7 m。

該工程盾構出洞施工所出現的情況為：盾構機刀盤在切削凍結杯底時一切正常，當刀盤擊穿凍結壁杯底后進入高壓旋噴樁加固區時，螺旋機出土口出現噴水噴砂情況；盾構機刀盤進入MJS工法樁加固區后，螺旋機出土恢復正常掘進狀態；盾構機刀盤再次進入高壓旋噴樁加固區后，盾構機與洞圈鋼板間隙出現少量滲水情況；盾構機刀盤完全進入原狀土層后，施工恢復正常。圖3為某區間盾構進洞端頭井地質剖面示意。

圖3 盾構接收井剖面示意

該盾構進洞加固區原方案采用三軸攪拌樁結合高壓旋噴樁工藝進行加固施工，長度12 m（攪拌樁加固11.5 m，高壓旋噴樁加固0.5 m），寬度22.701 m。

其中，三軸攪拌樁分為加固1區（弱加固區）、加固2區（強加固區）。施工前考慮盾構進洞區域距區間隧道底部約1 m存在⑤2a層微承壓含水層，故在原水泥系加固基礎上增加了水平凍結法加固，其凍結板塊長度為2 m，外圈凍結壁長度為10 m。

該工程盾構進洞施工所出現的情況為：盾構機刀盤自原狀土層進入水泥系加固區之后，螺旋機出現噴水噴涌的情況；盾構機刀盤進入凍結杯底后，螺旋機出土恢復正常；盾構機刀盤擊穿杯底進入井內時，洞圈底部出現滲漏水情況。

綜合上述實際案例分析，盾構機出洞時穿越加固土體后、進洞時進入加固土前、盾構機位于原狀土層時，均未發生滲漏水情況。盾構一旦經過加固土層與原狀土層交界面，滲漏水情況即發生，且在類似土層條件下，不同加固工藝施工的加固體施工效果也有較大差異。滲漏水來源判斷為加固體深入微承壓含水層后，水源通過加固樁體與原狀土層間隙進入盾構作業面產生。

因此，滲漏水的產生原因均取決于加固體與地層的綜合影響，主要的因素有如下幾個：加固體的工藝選擇、加固體的深度、復雜地層的深度、加固體深度與復雜地層深度的關系。

3 預防措施

3.1 水泥系加固工藝選擇

根據地質情況，決定采取水泥系加固施工工藝，若進出洞區域存在不良地質條件，例如⑦層承壓含水層、⑤2層微承壓含水層，建議優先選擇MJS工法樁或三軸攪拌樁進行加固施工，成樁效果較好。

3.2 水泥系加固深度選擇

水泥系加固常規加固范圍為洞圈周邊3 m，若加固范圍內存在不良地層，且距離洞圈底部1 m以上，建議水泥系加固深度不進入不良地層，避免將地下水引入隧道斷面。

3.3 水平凍結加固范圍選擇

涉及復雜地層的盾構進出洞加固，建議在水泥系加固的基礎上增加水平凍結加固，采用杯形凍結加固，杯壁長度大于盾構機長度。

3.4 盾構進出洞施工過程中的注漿優化

施工過程中良好的環箍注漿質量能有效避免出現洞門滲漏水的情況。

1）盾構出洞環箍建議不少于3道，應在圍護結構與地層交界面、加固區土體與未加固區土體交界面分別設置1道有效環箍，其他位置環箍需根據實際情況確定。

2）盾構進洞時，在盾構機刀盤接觸圍護結構時，在盾尾位置及時進行環箍注漿，建議采用滿堂環箍。

3.5 其他注意事項

若盾構進出洞施工區域上部存在既有結構、雨污水管線，應注意以下事項：

1）水泥系加固時間盡可能提前，確保主加固區有足夠的養護時間。

2）洞門探孔在盾構進場前提前打設，觀察探孔情況，如有異常考慮增加凍結，避免因盾構機下井后再增加凍結，導致盾構機需平移后退及工期延誤等問題。

4 結語

上海地區軟土地層實施盾構進出洞時，若發生滲漏水情況，是極其需要重視的風險情況。但是滲漏水的產生可能是由多方面原因共同造成的，既有可能是土層內的水源，也有可能是地表水源。土層內的水源比地表水源的施工風險要大得多，所以根據施工位置的地層情況、周邊環境情況預判可能發生滲漏水的原因，提前采取針對性措施，對降低施工風險能夠起到決定性作用。