浅谈复杂环境下粉土粉砂地层盾构进洞施工技术

陈 卓，陈 强

(中铁二局股份有限公司城通公司，上海200336)

1 工程概况

1.1 进洞段概况

秋涛路站～城站站区间左线隧道共计管片931环，盾构推进至907环之后进入进洞段掘进，区间左线城站进洞段长约30 m，2‰的上坡进洞，隧道顶埋深10.38 m。盾构进洞端情况如图1、图2。

图1 左线进洞端平面图

图2 城站端头井纵剖面图

1.2 水文地质

工程区浅部地下水属孔隙性潜水类型，主要富存于上部①层填土及③层粉土、粉砂中，补给来源主要为大气降水及地表水。盾构进洞穿越地层为:③3层砂质粉土、③6层粉砂夹砂质粉土。均呈饱和状态，渗透性略好，属弱透水层，为主要的潜水含水层，具有明显的触变性和流动性，在水动力条件作用下，易产生管涌、流砂及振动液化现象。

1.3 周边建(构)筑物情况

秋涛路站至城站站区间左线进洞主要穿越建构(筑)物有城站地下出租车道、高架桥、城站站附属结构3A出入口。中间连接通道后，左线隧道边线距离中间连接通道1.2 m，距离3A出入口6.85 m。顶部距离3A出入口开挖线3.68 m(图3)。该出入口正处于开挖阶段，且发生过多次的涌水涌砂现象。根据右线进洞情况，3A出入口的涌水涌砂对盾构进洞存在极大的施工风险。

图3 中间连接通道、3A出入口与左线剖面关系图

1.4 洞门端头冻结加固情况

端头井采用水平冷冻方式加固，冻结孔按水平角度布置，孔数56个，外圈冻结加固长度11 m，内圈冻结加固长度2.5 m，如图4所示。

圆柱体冻结孔沿洞门中心作直径8.0 m圆形布置。外圈孔(W孔)开孔间距为0.78 m，孔径89 mm，孔数32个，长度12.4 m。板块冻结孔沿洞门中心按直径为5.4 m、2.7 m圆形布置。其中中圈孔(Z孔)开孔间距为1.123 m，孔数15个，冻结孔长度3.9 m;内圈孔(N孔)开孔间距为1.033 m，孔数8个，冻结孔长度3.3 m;洞口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度3.3 m。

图4 洞门冷冻孔布置

2 盾构进洞施工风险

通过前期右线进洞情况及现场实际情况分析，秋城区间左线进洞存在以下风险。

2.1 地表水含量极高

从城站出租车通道及铁道大厦底板结构分析，其下部存在大量的地表水，在左线盾构进洞时这些水犹如一个“水库”一般悬于冷冻体尾部的上方。在左线的进洞过程中，如此大量且压力高的水源将直接影响着进洞安全。

2.2 土层扰动极大

城站站附属结构3A、3B出入口及中间连接通道发生了多次大型涌水涌砂，地下可能存在空洞;兼之右线进洞过程中也发生了流水事件，对土体的扰动极大，增加了土体的流动性。

2.3 进洞过程中纵向通道封堵困难

由于秋城区间开挖用的海瑞克盾构机呈“椎体”造型，(刀盘及盾尾直径分别6.45 m和6.37 m，有8 cm的间隙)若是在盾体向外径方向施作注浆，盾构机推进时盾体外浆液堵塞使纵向渗漏通道失去作用。若是盾尾管片上施作径向施作注浆，仅有2环可以施作，而且其中一环刚进入加固土体(图5)。

图5 盾构纵向通道示意

3 盾构进洞施工

3.1 施工流程

施工流程见图6。

图6 施工流程图

3.2 盾构进洞前期准备工作

(1)城站3A出入口回填处理及降水井备用。根据秋城区间右线进洞经验，盾构左线进洞前须对3A出入口及其中间连接通道用黏土回填至地表以下2 m位置。

在进洞过程中利用城站3A号出入口施工时的4口坑外降水井做为备用降水井。在盾构进洞前，须做好抽水试验，确保应急条件下降水设施正常使用。

(2)洞门复测。洞门中心通过测量，沿盾构推进方向洞门中心左偏－3.4 cm，上偏1.5 cm，洞门横径6.73 m，竖径为6.702 m，满足盾构进洞精度要求。

(3)基座安装。为保证盾构进洞过程中机身的稳定，基座采用C25混凝土施作，全长12.7 m，呈“凹”状。混凝土基座上每50 cm预留焊接钢板，以利于盾构导轨的安装。导轨采用43型轨道。

(4)洞门测温及探孔。冷冻到达设计天数后，检查冷冻效果的指标见表1。

表1 冷冻效果检查指标

待冷冻达到指标要求后于洞门范围内连续墙上钻9个观察孔，1个在中部，8个在四周。孔深1.2 m。检查土体加固及渗水情况。

(5)洞门凿除及冷冻管拔出。冷冻加固达到设计要求后开始破除洞门连续墙(此时盾构未进入加固土)。凿除分为两层，从上向下粉碎性破除。洞门破除完成后拔出洞门圈范围内24根冷冻管。冷冻管拔出后立即用双快水泥和棉纱封堵。

(6)洞门圈回填。由于进洞加固体采用水平冷冻，因此洞门圈范围内2.5 m的加固土在冷冻管拔出后呈“蜂窝”状，不能有效止水。另由于盾构为椎体形状，盾构推进至洞门位置时盾构刀盘与洞门之间的间隙造成径向注浆失去了作用。为了有效封堵纵向通道，在洞门破除及冷冻管拔出完成后用C20混凝土将洞门圈1.6 m范围全部浇筑回填。

(7)帘布板安装。在洞门圈安装帘布橡胶板，并用钢丝拉紧。

(8)弧型钢板。弧形钢板采用5 mm厚钢板制作，宽40 cm、长30 cm，内弧面直径620 cm，共计加工68块。其中沿圆周等距布置的6块弧形钢板加焊球阀。

(9)管片增设注浆孔。2环管片采用16个注浆孔，一环用于刚进入冷冻体处(921环)，一环用于连续墙处(930环)，以保证径向注浆封堵效果。

3.3 盾构进洞掘进

3.3.1 推进过程中地下孔洞处理

洞门圈砂浆填充完成后盾构开始进入冷冻体掘进。若是在进入冷冻体前发现盾构参数存在较大变化，如土压无法建立等情况即说明地下存在孔洞，此时降低盾构推进速度至5 mm/min，同步注浆压力不大于0.6 MPa，并推进30 cm后停止推进。连续进行同步注浆，直至压力大于0.6 MPa后再次推进。

直至盾构参数正常后，按照正常推进情况下的同步注浆。

3.3.2 盾构穿越冻土区主要技术要点

(1)盾构机低速均匀推进，推进速度应控制在10 mm/min以内，以5 mm/min为宜。土仓压力波动控制在+0.02 MPa以内为宜。具体根据盾构在冻土区域内实际掘进情况及出土情况确定，并详细记录推进速度和土仓压力变化，防止因速度过快、土压波动较大造成冷冻体被破坏。

(2)在盾构刀盘面进入冷冻加固区80 cm后开始逐步降低土压，在进入冰冻加固区1 m时，将土压降为0.12 MPa，直到刀盘距离连续墙1 m时压力降为0。在此期间加强地表和隧道内监测频率。

(3)盾构在穿越冻结区时，不宜停留。在拼装管片及故障时，刀盘停转时间不能超过3 min，而且螺旋机不断反转。另外，拼装分2～3次，拼装时间应控制在15 min之内，以防刀盘被冻住。

(4)若在推进过程中扭矩过大(3 000 kN·m)，可向土仓适当加入40℃热水或盐水，以防止刀盘因扭矩过大而跳闸。

(5)盾尾进入冰冻加固区后，开始逐环用双液浆向管片外注浆。在管片脱出盾尾前，准备好注浆球阀、管路及注浆材料。在注浆前，检查上一环注浆封堵效果，并做好详细记录。

(6)在盾构过冰冻体整个过程中，最外圈冻结孔继续积极冻结，须安排专人24 h现场值班，落实检查冷冻施工各参数，同时加强对W1、W2、W3冻结孔冷冻效果检查，确保整个冷冻体完好。

3.3.3 冻结体盾构推进

(1)盾构刀盘进入冷冻体。当盾构机完成917环管片的推进，并将千斤顶行程达到258 mm后，盾构切口进入冷冻体80 cm，开始逐步降低土压1.2 MPa(此时应根据监测情况，适当调整)。

降低土压是为了保证大量的冰冻土体位于土仓内不至于冻住刀盘支撑臂，避免土仓内发生结成“冰泥饼”现象，影响盾构的推进。

(2)管片进入冷冻体。盾构进行924环管片推进时，千斤顶行程达到411 mm时，921环管片(16个注浆孔)完全脱离盾构机，此时开始对921环管片施作径向双液浆注浆。

注浆材料:P.O 42.5普通硅酸盐水泥，波美度35°～40°水玻璃。

双液浆参数:凝固时间2 min，配合比水泥 ∶水玻璃 ∶水=1∶0.6∶0.8

注浆参数:注浆压力不大于0.05 MPa(注浆量以压力及实际情况确定，但每孔不超过5 m3)。

注浆方式:从下向上，左右对称压注。同时防止盾构及管片的上浮。

之后逐环按照此方法进行施作径向双液浆注浆，施做下一环前，必须检查上一环封堵效果。

(3)盾构刀盘进洞。当盾构机进洞剩余40 cm还位于内衬墙内时，停止盾构的推进，并再次紧固帘布橡胶板。再次与921－931环管片(930环为16注浆孔)压注双液浆，压注形式同上。

注浆完成后，盾构机推进，完全脱离内衬墙10 cm后，立即拆除帘布板便利用弧形板焊接洞门钢环与管片背覆钢板。

焊接完成后，将盾构机推进至拆除时需要的指定位置。

4 盾构进洞应急处理措施

4.1 洞门凿除漏水涌砂

在破除洞门过程中出现突发涌水涌砂现象，立即停止洞门破除，用棉纱对该部位进行填塞，同时使用双快水泥进行封堵，预埋下引流管，并用钢板封牢，在钢板与围护结构之间用双快水泥填充密实，冷冻继续积极冷冻，待冷冻效果达到要求后再进行洞门凿除工作。

4.2 盾构进洞过程盾构被冻住

(1)盾构体被冻住后，用7～8只割炬对准盾壳进行烘烤，并刀盘不断正反转。

(2)刀盘被卡住，立即回缩刀盘。

4.3 接收过程涌水涌砂

在破除洞门最后一层保护层过程中出现突发涌水涌砂现象，立即用棉纱及双快水泥封堵。严重时从盾构内及洞外压注聚氨酯。之后马上填充C20混凝土封堵洞门。

5 结束语

通过以上施工措施的综合应用，顺利完成杭州砂性土地层复杂环境下盾构进洞施工，有效封堵了盾构与冰冻体间的纵向渗漏水通道，避免了涌水、涌砂现象发生。获得了杭州市市政府及杭州地铁公司的高度评价。对今后类似工程施工有一定的借鉴作用。