盾构到达突发涌水处理及水中到达方案分析

于加云

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾构法因其具有安全性好、施工速度快、机械化程度高等特点，在国内逐渐普及，应用广泛。盾构到达是盾构工法的一个关键环节，在很大程度上决定着工程的成败，而在实际工程中，盾构到达施工往往是风险控制的难点［1］。在盾构到达风险控制方面已有许多相关研究:文献［2］主要从盾构姿态、土体加固及洞门密封等施工风险控制点做了论述;文献［3－4］在盾构到达的加固工法选择及稳定性分析方面做了具体研究;文献［5－6］针对盾构到达施工中易发生的涌水、涌砂等风险提出了钢套筒接收方案。钢套筒虽然有很多优点，但在实践中也存在工期长、费用高和保管麻烦等问题。本文结合工程实例，从控制工程风险及施工便利等角度提出了钢筋混凝土洞室接收方案。钢筋混凝土洞室具有密封性可靠及结构整体受力性能良好等特点。

1 工程概况

某盾构区间左线盾构隧道到达洞门平面位置距河流仅 10 m。河面宽为 12 m，河水水位标高为1.008 m，河床底标高为－0.76 m，地面标高为4.2 m。河岸堤为2004年新建，均为浆砌片石挡墙。经挖槽探测发现，岸堤(盾构到达端)地下4 m为形状不规则的砌筑体，堆砌杂乱，深浅不一，类似抛填片石和块石。地勘资料显示，盾构到达端头地层由上至下依次为:杂填土、3〈1〉层黏土、〈3〉2 层粉质黏土、〈3〉3 层粉土夹粉质黏土、〈4〉层粉砂层以及〈6〉1－1层粉质黏土中。其中〈3〉3层及〈4〉层均为强透水性地层。工程地质情况如图1所示。

盾构到达洞门直径为6.7 m，底部埋深约17.7 m。盾构主机长8 900 mm，刀盘直径6 390 mm，盾体直径6 370 mm。盾构到达端采用水平冻结法加固地层。水平冻结体长12 m，从车站盾构井向隧道施作。冻结于盾构到达前1个月施工完成，并经探孔检测，无渗漏水现象，加固效果良好。

图1 工程地质剖面图Fig.1 Profile of engineering geology

2 盾构到达突发涌水事故及处理

2012年12月13日11时左右，盾构刀盘到达车站地连墙处，此时已拼装了1 081环管片，还剩8环未拼装，地连墙混凝土已破除至迎土侧钢筋;而后刀盘开始掘削地连墙薄层混凝土，至12时左右刀盘完全破除地连墙混凝土;当刀盘全部露出时，突然发现刀盘左下方有一小股水带泥砂流出;13时左右，下部刀盘面突然大涌水，且迅速越涌越大，导致盾构被淹没。

涌水发生后，首先向河底回填黏土截断水源，同时紧急抽排车站内积水。当涌水基本截断后，在接收端隧道两侧和隧道中线地表打设竖向深孔，盾构两侧注浆管深度超过盾构底2 m，盾构上部注浆管深度距离盾构顶1 m，注油溶性聚氨脂进行堵水。同时，在洞内采用棉砂和速凝水泥封堵盾构环周边小股出水。最终，涌水险情得到了有效控制。地面注浆管布置见图2。

图2 地面注浆管布置Fig.2 Layout of grouting pipes installed from ground surface

3 涌水原因分析

1)河堤为浆砌片石旧堤岸，隧道顶部地面以下4 m为类似抛填块片石地层，场区地下水位与河水面基本齐平，客观上存在地下水与河水的水平动水联系，这种水平动水易对维持冷冻效果产生较大影响。

2)隧道顶部断面地质有粉土夹粉质黏土层，盾构掘进扰动粉土，被扰动的粉土与上层类似抛填块片石且有动水的浆砌片石层存在竖向动水联系，这种竖向动水对维持冷冻效果产生很大影响。

3)在洞门圈水平冻结体施工期间，在打水平孔时，可能遇洞顶上方块片石，导致偏孔，形成冻结体薄弱区，在冻结维持期间，动水进一步弱化了薄弱区的冻结效果。

综上所述，虽然盾构到达前经探孔检测冻结效果良好，但是，由于盾构掘进过程中对土体的扰动，影响了地下片石障碍物及粉土的冻结效果，在掘进过程中形成水力通道，造成涌水。

4 盾构水中到达施工技术

为防止盾构继续到达施工时再次出现涌水，经过讨论，决定采用盾构水中到达方案，即在车站左线盾构井结构范围内施作钢筋混凝土接收洞室，在洞室中回灌水及砂土的状态下，将盾构推进洞室。钢筋混凝土接收洞室主要是基于平衡到达理念，密闭的箱型混凝土结构与洞门密闭连接，通过在结构内灌入填充物和压水达到与土层平衡的压力，模拟盾构在土体中的掘进状态，使盾构直接通过洞门，安全进入接收洞室内。

4.1 水中到达接收流程

盾构检修与调试—盾构机况评估—盾构井底抽水清淤—导台拆除—接收洞室施工—洞室墙体反力架安装—洞室填料—管片背后压浆与管片拉紧加固—盾构恢复掘进，管片拼装—洞口环管片背后注浆堵水—开孔检查洞口注浆堵水效果—清除洞室填料—拆卸盾构—拆除洞口3环管片—施作外挂洞门—拆除洞室墙体—清理井底—安设轨道，拆卸盾构后配套—地表融沉和补偿注浆—结束。

4.2 洞室结构设计

根据盾构掘进施工荷载计算，洞室墙体及盖板钢筋主筋和分布筋均采用Ⅱ级螺纹钢筋φ－22@150，C35混凝土，墙厚500 mm，盖板厚600 mm。侧墙预留出水观测孔，盖板设置2个观测孔，管口紧贴碎石过滤层，并用无纺布包裹。洞室下部1.0 m范围采用中粗砂和水混合填充，防止盾构在洞室中掘进时由于砂土不密实而下沉;其余部分填砂土，使盾构在洞室中掘进时与正常土中掘进状态一致。

洞室端墙采用2排4根D375钢管斜撑墙体预埋钢板，侧墙采用2排6根D609、壁厚14 mm钢管，水平对撑至盾构井西侧墙体。整个结构体系满足施工受力要求，洞室结构如图3所示。

4.3 蓄水井设计

洞室盖板施作完成后，在盖板上施作蓄水池，以平衡洞室与外水压力。蓄水池采用50 mm厚钢模板拼装成型作支挡，内贴无纺布，支挡内外脚码砌砂袋。支挡外安设D375钢管斜撑至中板。

4.4 管片背后压浆与管片拉紧加固

盾尾1～2环压注油溶性聚氨脂，3～8环压注双液浆。盾构在推进、拼装管片过程中，同步每一环注水泥浆，浆液凝固时间控制在4～6 h。同时，采用半圆弧钢板，将河道下的盾构管片进行纵向及环向拉紧加固，以增加管片刚度，防止施工引起管片较大错位，从而影响注浆止水效果。

4.5 盾构恢复掘进要点

1)盾构掘进过程中须同步左右对称注浆，浆液采用水泥浆，凝固时间控制在4～6 h，每环注浆量控制在3.2 m3为宜。

2)在掘进过程中应及时观测后部管片的变位情况，出现异常要及时停止，并在该段及时注水泥－水玻璃双液浆回填封堵。

4.6 洞口环管片开孔注浆封堵地下水

为了保证背后注浆的密封效果，在洞口环管片处预先增加二次注浆孔，标准环及楔形环处各增加2个二次注浆孔，封顶块处不增加;在盾尾位置，对洞口环管片在洞内开孔注浆，封堵地下水。注浆顺序为“由里向外，先下后上”。注浆时先注水泥浆，再注双液浆，必要时压注聚氨酯封堵。

4.7 注浆效果检查

1)注浆完成后，打开洞室侧墙预留孔进行注浆效果检查，若发现仍未堵住地下水，则采取继续在洞内压注油溶性聚氨脂进一步封堵;同时，分阶段抽排洞室水，观测水位上涨情况，发现水位变化异常或水位上升，要及时回灌水，并在隧道内继续注双液浆或聚氨酯封堵。

2)开孔检查注浆效果满足要求后，确定将井外渗水通道全部封堵，则开始清除洞室砂、土。在清除砂、土过程中，若发现水位变化异常或水位上升，则应及时回灌水，并在隧道内继续注双液浆或聚氨酯封堵，达到注浆效果后方可继续清除砂、土和抽水。

4.8 洞室砂、土清除

待水位下降后人工清除砂、土。人工清除时，要对称进行，高差不大于0.5 m。清除洞室砂、土时，盾构两侧要平衡清除，防止偏压，并及时架设对顶支撑，防止盾构机翻滚。

清除完毕后，再对洞门口位置进行观测，若发现小的渗流通道，及时使用聚氨酯再次封堵。

4.9 洞室结构拆除

洞室结构拆除采用切割机解体，吊机分块吊至地面破碎，盾构主机吊装完毕后，安装轨道，进行后配套接收。

4.10 地表融沉和补偿注浆

整个实施过程中，在重要建(构)筑物及周边地表预埋注浆管，根据监测情况及时进行地表融沉和补偿注浆，浆液采用水泥单液浆。

4.11 施工效果

通过采用水中到达方案，盾构安全进入接收洞室内，并在二次注浆完成后，对洞室进行探孔检查，所有探孔均无流水、流沙现象，加固效果良好。根据监测数据分析，到达端成型隧道结构与险情发生前隧道结构相比，管片最大沉降1.11 mm，最大抬升0.90 mm。后期继续观测显示，成型隧道状态稳定。

5 结论及体会

混凝土结构接收洞室适应性广，不受地层及场地条件的限制，安全可控，盾构在密闭体内平衡到达，风险小，而且可在密闭体内进行观察、处理，不会对密闭体外造成影响;同时，具有施作方便、造价低及结构整体受力性能良好等优点，较适用于易发生涌水、涌砂等工程的盾构到达接收。

本工程采用盾构水中到达措施后，安全完成后续盾构施工。该方案可供类似工程借鉴，以减少特殊情况下的施工风险。

［1］ 刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1991:42－50.

［2］江玉生，陈志强，江华，等.盾构到达施工主要风险因素分析［J］.市政技术，2011，129(S2):164 － 172.(JIANG Yushen，CHEN Zhiqiang，JIANG Hua，et al.Major risk faltor analysis of shield receiving constrution［J］.Municipal Engineering Technology，2011，129(S2):164 － 172.(in Chinese))

［3］ 江玉生，王春河，江华，等.盾构始发与到达:端头加固理论研究与工程实践［M］.北京:人民交通出版社，2011:40 －43，128 －168.

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