复杂地层盾构接收新技术研发

毋海军

(中铁十二局集团有限公司，太原 030032)

1 工程概况

长沙地铁2号线芙蓉广场站到五一广场站区间长620 m，盾构从芙蓉广场站二次始发后在五一广场站东端接收吊出，盾构接收端位于330 m溶沟填充地段，主要以卵石填充为主，局部有大漂石，填充层埋深54 m，且底部灰岩存在大量溶洞群。地层复杂，盾构隧道埋深28 m，地下水与湘江连通，接收端不足10 m有已变形的口腔医院古建筑物。

2 端头加固技术探讨

2.1 设计加固试验

2.1.1 设计概述

设计采用袖阀管注浆加固，梅花形布设，间距1.2 m，加固长度为10 m，加固范围是隧道外3 m，四周采用水泥水玻璃双液浆，中间采用水泥浆注浆。

2.1.2 现场加固试验情况

(1)传统钻机很难成孔

钻机经常钻到漂石而卡钻，一般需要2 d才能钻到设计深度，钻杆提出后四周砂卵石向孔内挤压而很难下袖阀管。

(2)钢管机成孔缺陷多

钢管钻机钻空时遇到漂石就无法接续钻孔，遇到含泥量大地层成孔慢，而且下部钢管内残余约3 m卵石使袖阀管下不到底，钢管拔出后孔壁塌孔容易把袖阀管挤断。

(3)注浆效果极差

由于加固深度超过32 m，地下水丰富，采用浓的水泥-水玻璃双液浆容易堵塞注浆管，采用类似地层注浆配比，水泥浆水灰比为0.5∶1，水玻璃浓度为20～25Be'，水泥浆与水玻璃体积比为3∶1进行注浆［1]，根据注浆取芯，固结体只有11%。

2.2 钻注一体机加固试验

2.2.1 钻孔功效高

引进750型钻注一体机后，2 h能钻32 m，无卡钻现象，解决了其他钻机成孔难的难题。

2.2.2 加固方案

设备、工艺选择受限，地下水又与湘江有水力联系，采用四周注双液浆形成帷幕，再进行内部区域注水泥浆加固方案［2]。

2.2.3 存在大量加固盲区

该钻机成钻后一边后退钻杆，一边从钻杆芯中压浆渗透加固，地面冒浆严重，注浆压力小，浆液无法扩散到孔间土体，加固后，在注浆孔之间取芯检查无水泥固结体。

2.3 其他加固技术可行性

2.3.1 多重管旋喷加固技术分析

(1)加固机理分析

它是利用高压水射流冲击切割土体，用浆液置换细小的土粒和填充土颗粒之间空隙。待浆液凝固后，使土形成固结体［3]。该地层存在大漂石，喷射流无法切割颗粒使其置换填充。

(2)旋喷加固深度分析

旋喷机垂直度控制要求很高，实际施工中，加固越深，垂直误差就越大，旋喷加固深度大于20 m，底部会存在加固盲区。该端头加固深度达到32 m，不适合选用旋喷加固。

(3)地下水对旋喷加固影响

地下水会稀释浆液，地下水流速越大，加固效果差。该地层存在动水，不宜采用旋喷加固。

2.3.2 冷冻加固技术分析

(1)加固机理分析

冷冻加固就是盾构接收前，通过冷冻液循环将接收端土体的温度降低，最终将土层冻结［3]。该地层有大量漂石，盾构掘进工期不可控，冷冻加固时机不好控制。

(2)加固缺陷分析

冷冻会挤压土体膨胀，接收时溶沉会导致地面下沉量大。由于该接收端口腔医院已开裂，采用冷冻加固工艺接收盾构机，地面沉降可能导致口腔医院变形破坏。

2.3.3 搅拌桩加固技术

(1)加固机理分析

搅拌加固就是利用特制的深层搅拌机械，利用水泥作为固化剂，将土体和固化剂强制搅拌，使之固结成一体。该地层存在大漂石，很难搅拌成桩。

(2)搅拌加固深度分析

搅拌加固深度超过15 m，桩与桩之间的底部很难搅拌成一体［3]。该端头加固深度达到32 m，不适合选用搅拌加固。

(3)地下水对搅拌加固影响

地下水丰富会严重稀释浆液，搅拌加固效果差。由于该地层存在动水，采用搅拌加固效果会更差。

2.3.4 混凝土墙联合加固技术

(1)加固原理

其原理就是四周采用素混凝土墙，中间采用袖阀管或旋喷进行加固。

(2)缺点分析

一是后施工素混凝土墙无法与原围护结构紧密密贴，二是中间富水卵石地层注浆效果差。

2.3.5 水平注浆加固技术

(1)加固原理

在盾构隧道断面施工水平注浆孔，安设袖阀管，施工止水墙，然后采用双液浆进行注浆［4]。

(2)缺点分析

隧道周边加固体存在大量加固盲区，盾构接收时存在涌水涌砂风险。

3 补救措施可行性分析

3.1 全套筒接收可行性

3.1.1 补救原理

在洞门环外连接长12 m全封闭钢套筒，并充填满砂，盾构破除素连续墙后继续在钢套筒内掘进，待盾尾脱离洞门前进行背后注浆后拆除钢套筒［5]。

3.1.2 接收条件分析

该技术适用于泥水盾构。而且需要较大操作空间。该区间盾构为土压盾构，而且接收时与车站主体存在交叉作业，无法提供操作空间。不适合采用这种补救措施。

3.2 水或土中接收技术

3.2.1 补救原理

端头加固存在缺陷时，在接收井中灌满水或回填土使盾构破除连续墙后，盾体外土体压力得到平衡，从而杜绝涌水、涌砂［6]。

3.2.2 接收条件分析

该技术要求接收井四周封闭，由于盾构在五一广场站东端接收时，西端正施工底板，接收井无法形成四周封闭。

3.3 降水接收技术

3.3.1 补救原理

在端头加固体四周施工降水井，盾构接收前把水降到隧道底3 m，从而杜绝涌水、涌砂［7]。

3.3.2 接收条件分析

要求四周无建筑物，该接收端不足10 m有已开裂下沉口腔医院，而且长沙市不允许人工降水。

4 接收新技术研发

该端头无论采用何种加固技术都无法达到加固效果，接收环境又很难采用补救措施。必须寻找接收新技术，确保盾构接收万无一失。

4.1 新材料的启示

成都地铁、武汉地铁和北京地铁在接收洞门围护结构中采用玻璃纤维筋代替钢筋，实现了盾构机直接破除洞门接收［8]，杜绝了人工破除洞门安全事故。

4.2 接收方案

传统接收方案是在洞门安设止水帘布［9]。本工程比较特殊，接收方案为洞门围护结构采用玻璃纤维筋，在洞门钢环内设置止水环装置，取消端头地面加固。接收时采用从中盾上注入聚氨酯对盾体外土体进行预加固。当盾构破除完连续墙运用内翻式止水帘布进行盾体快速前移。

4.3 关键技术研究

4.3.1 刀盘破除连续墙防涌砂技术

(1)风险分析

由于接收钢环比盾构刀盘直径大20 cm，如果端头没有进行加固，刀盘破除连续墙后，盾体外水和砂会从刀盘外侧喷出，最终导致地面塌陷。

(2)止水环设计

止水环由3道橡胶环组成，橡胶环内径比刀盘直径小20 cm，橡胶环之间用钢板环来隔开，钢板环内径比刀盘大 20 cm［10]。

(3)技术措施

洞门钢环预埋前，在地面把止水环和洞门钢环连接成整体［10]，安装时保证最后一道止水环与连续墙紧密粘贴(图1)。

图1 洞门环实物安装

4.3.2 盾体接收中防涌水技术

(1)风险分析

传统盾构接收止水帘布为外翻式，接收时采用钢丝绳拉紧后进行盾体接收，盾体前移过程中姿态很难控制，无法使止水环与盾体紧密粘贴，从而导致涌水。

(2)内翻式止水帘布开发

在洞门钢环外侧预留螺栓固定孔，止水帘布安装好后，用螺栓把一个比洞门直径小10 cm的钢环固定在帘布翻板后面，通过拧紧螺栓使钢环挤压止水帘布翻板前移(图2)，使止水帘布形成内翻［10]。

图2 内翻式止水帘布形成示意

(3)技术措施

①钢环外焊接L形钢板，刀盘破除连续墙后立即清除渣土，然后空推盾构使刀盘抵向L形钢板，并不断拖住钢环前移动脱离翻板，使止水帘布快速回弹在盾体上［11]。

②在洞门钢环上预留注浆孔，当止水帘布回弹到盾体上后，立即从预留注浆孔中注入盾尾油脂填充止水帘布和止水环之间空隙。

4.3.3 端头防沉降技术

(1)沉降分析

由于盾构开挖直径比盾体大2 cm，盾体又比管片大20 cm，该端头为砂卵石地层，如果不进行加固，盾构掘进接收时，盾体外土体会因盾尾前移而坍塌，最终导致端头沉降，而且沉降一定会很大，甚至导致已开裂的口腔医院破坏。

(2)经验借鉴

盾构在狮子洋过江隧道破碎带掘进时，刀具磨损严重，开挖面比较松散，刀盘无法转动，在刀盘上部注聚氨酯，浆液膨胀使松散体固结形成应力拱，无沉降，实现了转动刀盘换刀［12]。

(3)应对措施

①盾构制造时，在中盾体四周设置径向注浆孔，当盾构刀盘离洞门10 m时，边掘进边从盾体径向注浆孔内注入聚氨酯，聚氨酯遇水膨胀挤压使盾体上部土体形成应力拱［12]。

②刀盘破除连续墙后，一边空推前移盾体一边进行同步注浆填充开挖体与管片之间空隙。

③盾尾离开最后一环管片前，在最后一环管预留注浆孔中注入聚氨酯，然后对最后几环管片采用水泥水玻璃双液浆进行补注浆。

5 方案实施效果评价

5.1 地面沉降小

盾构离洞门10 m时开始边慢速掘进边从盾体拱部径向注浆孔内注入聚氨酯，预加固效果好，减少了管片注浆前土体扰动，盾构接收后，地面最大沉降不到4 mm，确保了端头口腔医院安全。

5.2 止水环作用显著

刀盘破除连续墙后，止水环与刀盘紧密密贴，无喷水涌砂，刀盘拖住钢环一起前移使止水帘布回弹到盾体(图3)。盾体前移整个过程中无渗水。

图3 止水帘布弹向盾体示意

5.3 施工成本低

取消端头加固，大大简化盾构接收施工工艺，节约上百万加固费用，增加止水钢环只用5万元，施工成本低。

6 结语

接收前利用盾体预留注浆管径向注入聚氨酯，及时填充盾体外空隙和堵塞水流通道，有效控制接收端地层沉降，实用性强。研发弹性橡胶止水环取代传统端头加固，有效地预防刀盘破除连续墙瞬间涌水涌砂，方法新颖。开创内翻式止水帘布接收技术，根据盾体姿态自动有效地使止水帘布直至弹压在盾体上，技术先进，推广前景好。

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