土压平衡盾构富水粉砂地层进、出洞常见问题分析

孟海峰，刘江涛，李世君

(中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201)

0 引言

富水粉砂地层是一种自稳能力差，在地下结构施工过程中容易发生水土流失的土层［1］。土压平衡盾构在该种地质条件下如何保持其自稳性是保证施工安全和质量的关键。目前在华东软土地区，乃至国内其他地区类似地质条件下的隧道盾构施工，始发和到达的端头加固很多都是采用搅拌桩和高压旋喷桩进行加固［2］;但多有加固效果不理想的工程实例，给盾构的始发和到达造成了一定的施工风险［3］。如何弥补搅拌桩和高压旋喷桩加固土体在富水粉砂地层中的施工缺陷，本文将从预防措施、过程控制及问题的处理方法等几个方面进行具体的论述。

1 工程概况

无锡地铁1号线7标共有2个盾构区间，广石路站—江海路站区间和江海路站—无锡火车站区间。广石路站—江海路站区间长732 m，共2段平曲线，半径分别为2 000 m和2 500 m，区间最大纵坡为23.86‰，轨面埋深约为10.9 ～15.51 m。

江海路站—无锡火车站区间全长1 300 mm，共2段平曲线，半径分别为350 m(右线360 m)、410 m(右线400 m)。线路中线间距为13.0～17.3 m，区间最大纵坡为23.67‰，最小纵坡为3.0‰，线路竖曲线在与车站相连段采用3 000 m半径，其余采用5 000 m半径，轨面埋深约为14.53 ～24.75 m。

本工程采用1台φ 6 380 mm的土压平衡盾构机，在3个车站内4次始发、4次到达，独自完成2个区间左右线4 064 m的掘进任务。隧道管片外径6.2 m，内径 5.5 m，厚 350 mm，采用“3+2+1”形式错缝拼装［4］。

2 地质水文

根据地质勘察报告显示，盾构区间地质情况自上而下依次为:〈1〉1杂填土、〈3〉1黏土、〈3〉2粉质黏土、〈1〉3粉土夹粉质黏土、〈4〉粉砂层、〈5〉粉质黏土和〈6〉1黏土层，隧道范围内多为〈5〉粉砂层、〈6〉1－1粉质黏土层和〈6〉1黏土层。

上层滞水主要在〈3〉1黏土层以上，补给来源主要为地表水渗流和侧向径流，稳定水位标高在－0.8 m。〈3〉1层和〈6〉1层中间有一层微承压水，常年稳定水位在 －2.4 m。

3 盾构始发端头加固

3.1 施工方案

3.2 存在的问题

1)水平探孔。第1次对始发洞门水平探孔，洞门探孔直径50 mm，深度1.2 m，深入到加固土体约50 cm，在水平探孔过程中发现，40 cm夹心层土样较完整，但深入到三轴加固土体中所取得土样较差，为检验三轴加固土体的效果，再次增加水平探孔，增加的水平探孔深度为3 m，个别孔有水和砂流出，水平探孔位置如图1所示。

图1 水平探孔实际情况Fig.1 Horizontal bore hole inspection

2)垂直取芯。江海路站北端头始发洞门加固范围内共布设垂直取芯孔4个，1#孔位距40 cm夹缝30 cm处，其余3个孔在盾构隧道两侧及隧道结构中心距夹层3 m处布孔，取芯深度为17.5 m，超过洞门底部2 m。从所取芯样来看，芯样不连续，没有达到设计要求。垂直取芯位置见图2。

图2 垂直取芯芯样情况Fig.2 Core

3.3 原因分析

1)在粉砂层中施工旋喷止水帷幕，成桩效果不好，存在工艺缺陷。经查看广—江区间地质勘查报告及现场取芯确定，江海路站北端头加固区域存在〈4〉粉砂层，且地下水具有微压力等特点。咨询专家得知，高压旋喷桩在砂层中施工一般只能形成φ 600@400的桩径，而设计高压旋喷桩为φ 800@600，存在设计缺陷［5］。

无锡地铁其他标段，盾构井端头加固存在类似缺陷，同样采用的搅拌桩配合旋喷桩加固，对加固体竖向取芯和水平取芯，芯样均不完整且水平孔有流水流砂现象。

2)施工过程控制不到位。通过洞门范围内水平探孔及加固体范围内垂直取芯的芯样显示，三轴搅拌桩在施工过程中成桩的垂直度没有控制好，出现了斜桩，局部没有达到状体咬合250 mm的设计要求，桩间存在渗漏水通道。

3.4 补救措施

为使洞门土体端头加固能够达到盾构始发和到达的条件，决定对洞门采用水平注浆进行补充加固。在洞门掌子面全断面布孔，由内向外呈放射状打孔注浆，且在0～3 m范围内孔间距加密。洞门水平注浆补充加固效果见图3，水平注浆加固后取芯见图4。

3.5 小结

通过对无锡地铁1号线7标盾构始发和到达端头地质情况和加固施工工艺分析，三轴搅拌桩和高压旋喷桩在〈4〉粉砂层中的加固效果并不能完全达到设计的理想状态，对于无锡这种地质不均匀性及高透水性决定了盾构端头加固在设计参数上和施工工艺上还需要进一步的改进。

1)改进施工工艺。①在透水性比较好的砂性土地层中，容易形成透水、跑浆通道，施作搅拌桩时在水泥中加入5%的膨润土，堵塞通道，防止水泥流失，保证桩体的均匀性;②减小高压旋喷桩的桩间距(不大于400 mm)，保证其充分咬合。

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

2)补充水平注浆。洞门水平取芯检测发现三轴搅拌桩和高压旋喷桩加固效果不理想，有偏桩、开叉的情况，应增加洞门水平旋喷注浆或水平后退式注浆，填补地面搅拌桩和旋喷桩未完全加固的土体。

3)降水井辅助降水。对于以粉土层和粉砂层为主的地质条件，除了采取搅拌桩和旋喷桩等端头加固措施外，还有必要采用降水井进行辅助降水，降低地下水的压力，甚至可以把水降到隧道底板以下，保证盾构进出洞的安全。

4)采用冷冻法。对于比较复杂的地质条件可以考虑采用冷冻法对盾构端头洞门土体进行加固，目前冷冻法施工工艺在华东地区已经比较成熟，而且采用冷冻法加固的地层，加固体比较均匀、安全、环保。

4 盾构到达

盾构在富水粉砂地层到达，关键是端头加固体的质量和盾构机进入车站后洞门漏水的处理。下面就广—江区间左线盾构到达端头加固和洞门渗漏水情况的处理进行简单的介绍。

4.1 端头加固

广石路站南端头先后经过2次三轴搅拌桩和高压旋喷桩加固，第1次于2010年7月加固完成，按照设计图纸始发端加固长度9 m，到达端加固长度8 m。2011年4月发现广石路站南端头洞门水平探孔有漏水情况，不具备接受条件;于是，2011年5月对广石路南端头采用搅拌桩和旋喷桩进行了第2次补充加固，始发端和到达端加固长度均为6 m。端头补充加固见图5。

图5 广石路站南端头补充加固平面图Fig.5 Plan of added reinforcement at the south head at Guangshilu station

第2次加固后，对洞门再次进行水平探孔，未发现有渗漏水情况，确认加固效果良好，具备接受条件。探孔孔位按米字型取9孔，孔深4 m(包括0.2 m挂网砂浆层，1 m钻孔灌注桩围护结构)，探孔无流水流砂，取芯芯样完好，见图6。

4.2 洞门中心破除

为防止盾构机刀盘推开洞门出现大面积涌水涌砂，先将洞门中心破除(见图7)，露出中心刀(中心刀比刀盘高出400 m，先到达洞门)，中心孔洞直径为1.2 m，深度贯通围护结构即可。

4.3 盾构机进站

围护结构破除过程中，掌子面干爽、无湿渍，桩间土及桩后露出的加固区水泥土干爽无渗水情况，只有车站端墙二次衬砌结构和围护桩间防水板处有渗水(见图8)，此时判断加固体内情况完好，可以掘进推出刀盘。

图8 围护结构防水板漏水Fig.8 Water leakage of flashing of retaining structure

盾构机刀盘中心刀到达围护桩背后，开始割除围护桩上部连接钢筋，用刀盘将围护结构迎土侧剩余的钢筋混凝土推开，刀盘整体推出洞门进入车站(603环)。经检查，刀盘及刀盘仓内土质干爽，无水、砂从刀盘及侧面流出，且洞门帘布橡胶板包裹严密、土仓内土质松散，见图9。

图9 盾构机推倒洞门围护桩Fig.9 Retaining pile pulling

4.4 存在的问题

盾构机主机进入车站5 m后，在盾尾外置注浆管露出前停机，收紧钢丝绳将帘布橡胶板和压板牢牢的压在盾壳上，对盾尾处开始注浆，使盾尾后方形成1道封闭环，其目的在于:1)等管片背后的浆液凝固并有一定强度，这样盾尾脱出洞门后，洞门处的土体不易发生坍塌和喷涌;2)防止盾尾脱出洞门后，洞门处的几环管片发生下沉和错台。

但是盾尾注浆完成并停机1 d后，发现洞门帘布橡胶和盾壳密封处出现渗漏水，水质较清，无砂，没有压力，见图10。

4.5 分析原因

1)端头井结构墙和围护桩之间的渗漏水被进站的盾构机和帘布橡胶封堵在洞门内，无处排泄，在洞门腔室内积存后水位升高形成一定水头压力，从帘布橡胶封闭薄弱处渗流出来。

2)盾构机进入加固体后，刀盘切削加固体和围护桩，加固体和围护桩的土质较硬，刀盘掘进过程中对加固体及周边的地层产生一定的扰动，特别是刀盘向前推灌注桩对上方土体扰动大，使原本封闭隔水的土体产生了一定的裂隙，从而导致加固体外的地下水有一部分沿破坏的裂隙渗流到洞门内。

3)洞门端头主要埋置于〈3〉3层粉土层及〈5〉层粉质黏土层中，经过搅拌桩加固后，端头地层渗透系数大大降低，加固区外的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，使得洞门周边裂隙渗流水没有被降水井完全降掉。

4.6 处理措施

1)对盾尾管片进行二次注浆。盾尾管片背后虽经过注浆填充，但为加强封闭效果，需要再次对盾尾及盾尾后方3～4环管片进行二次补强注浆，注水泥－水玻璃双液浆加强盾尾止水效果。盾尾注浆封闭后，洞门处渗漏水量变化不大(见图11)，说明水源不是从盾尾后方渗出，主要还是洞门结构防水板处的渗漏水。

图11 盾尾注浆后洞门渗水变化不大Fig.11 Water leakage at the entrance after shield tail grouting

2)盾尾脱出洞门，对洞门采取封闭注浆。盾尾注浆封闭完成后，将盾构机整体推出洞门。然后对洞门前3环利用预留二次注浆孔向洞门内压注水泥－水玻璃双液浆封闭洞门，直到洞门外部周边有浆液渗出［6］。洞门注浆封堵完成后，洞门周边已经不再漏水，封堵效果显著，见图12。

5 结论与讨论

无论是土压盾构还是泥水盾构，始发和到达都是盾构施工的最关键工序，也是盾构施工比较容易出现事故的工序。端头土体加固又是保证盾构顺利始发和到达的重点，尤其是在富水粉砂层地质条件下，必须有效地控制好渗漏水和流砂，所以在盾构始发和到达前必须要有详细周密的技术保障措施，提前做好洞门和加固体的封闭处理，降低盾构始发和到达的风险。

图12 注浆后洞门两侧不再漏水Fig.12 Entrance sides without water leakage after grouting

1)盾构机到达前降水，在到达端加固区周边合理布置足够数量的降水井，将洞门及加固区周边的水位降到隧道底板以下。

2)盾构机进入加固区前，加强盾尾管片背后同步注浆及二次填充注浆，使盾尾后方形成封闭环，防止盾尾后方地下水沿盾构机流到刀盘前方。

3)洞门破除前后，若发现盾构井洞门混凝土结构和围护结构间防水板存在渗水通道，应及时注聚氨酯封堵，这样盾构机进站后，可防止洞门出现渗漏水。

［1］ 刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1991.

［2］ 施仲衡.盾构机在中国地铁建设中的应用［J］.建筑机械，2002(5):17.

［3］ 唐益群，宋永辉，周念清，等.土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(1):52－56.

［4］ 乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型［J］.现代隧道技术，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.国家“863计划”项目－盾构地层适应性设计理论、方法和模拟试验平台鉴定资料［R］.上海:上海隧道工程股份有限公司，2004.

［6］ 袁敏正，竺维彬.盾构技术在广州地铁的应用及发展［J］.广东土木与建筑，2004(8):5 －7，9.