承压含水层中盾尾防渗漏技术研究

2014-09-20

建筑施工 2014年11期

上海市基础工程集团有限公司上海 200002

1 工程概况

上海轨道交通12号线26标段土建工程复兴岛站—利津路站区间工程，受到黄浦江两岸的上海港煤炭装卸公司朱家门煤炭装卸码头桩基及沪东船厂厂区内相关建（构）筑物桩基基础的限制，为避开桩基基础，隧道设计轴线只好向深层发展，区间隧道最大纵坡达30‰，最大顶埋深达36 m。由于隧道轴线的加深，隧道穿越的土层较复杂，在⑦1层砂质粉土、⑦2层粉细砂中推进施工距离长达约 1 000 m， ⑦层土（含⑦1与⑦2两个亚层，两层相通）为上海地区第一承压含水层，其顶板标高－24.10～－36.16 m，根据承压水观测成果，实测⑦层承压水位埋深为4.75 m（绝对标高为－1.14 m）。

2 盾尾密封装置简介

在盾尾内表面与衬砌管片外表面之间，通常设置盾尾密封装置，起到防止漏泥、漏砂、漏水进入盾构机主体内部，同时能够使后部进行衬砌管片，即外表面与土体之间空隙同步注浆作业时保持注浆压力。

3 砂性土内盾尾密封风险分析

盾构机在⑦1、⑦2层承压含水层中施工时，如果施工参数设定不当，容易造成盾构姿态恶化，盾构机与管片的角度较大，在盾尾刷位置容易造成以下2 种情况：

图1 盾尾密封结构示意

（a）管片与盾尾内侧间隙小，外侧间隙大，外道盾尾刷与管片脱开，无法起到密封作用，外圈注入口压注油脂时无法建立压力，油脂可能会全部流入周边土体，见图2。

图2 盾尾与管片位置关系1

（b）管片与盾尾内侧间隙大，外侧间隙小，外道盾尾刷长期受到管片的挤压后，可能会失去弹性，当盾构机姿态正常后，盾尾钢丝刷无法回复到正常状态，造成钢丝刷与管片间出现间隙，影响盾尾密封效果，见图3。

图3 盾尾与管片位置关系2

由于⑦1、⑦2层土体性质决定了盾构机在承压含水层内进行推进施工时容易出现盾尾涌水涌沙的风险，所以在施工时加强盾尾密封的控制以及判断盾尾密封刷是否还具备效力显得更为重要。在本工程的实际运用中，我们从三个方面对盾尾密封加强控制：盾尾油脂管路改造、压注技术优化；同步注浆控制；辅助密封措施。

4 盾尾油脂压注技术改良[1-2]

4.1 原管路形式及缺点

盾构机盾尾油脂注入口共有12 个，分散在6 个位置（图4），其中2点、4点、8点、11点4 个位置的注入管道与同步注浆系统设置在一起，3点、9点2 个位置的注入管道单独在盾壳上布置。每个位置由2 个注入口，分别布置在内圈和外圈，内圈注入口位于第1道、第2道盾尾刷之间，外圈注入口位于第2道、第3道盾尾刷之间。

图4 盾尾油脂注入口布置

常规盾构机盾尾油脂管路排布时，管路走向一般采用图5所示的形式，12 个注入孔采用串联的形式，盾构油脂压注时，通过盾尾油脂泵进入管路，依次通过A、B、C、D四个点，按顺序分别对12 个注入孔进行盾尾油脂压注。

盾尾油脂系统操作模式一般分为手动模式和自动模式。在手动模式下，可以选择单个或多个注入孔进行油脂压注操作，控制压注的时间；在自动模式下对所有油脂注入孔同时进行操作，又可以分为压力控制及时间控制。

一般每间隔7～10天应向池中加注新水一次，每次加注新水20～30cm，如果出现水质过肥或水质腐败等现象，应及时排出老水，并注入新水，通常换水不宜超过池水的1/5。通过经常性的水质调节，力求水色保持在黄绿色或黄褐色，确保水质肥、活、嫩、爽，促进池鱼健康快速生长。

在实际施工中，我们通常采用自动模式进行控制，并将每环的盾尾油脂压注量进行统计，作为辅助的控制措施，每环的盾尾压注量一般控制在20 kg。在普通地层内进行盾构推进施工时，这样的操作方法一般都可满足盾尾密封要求，但在承压含水层内进行施工时，可能会在盾尾形成渗漏通道，引发施工风险，主要原因在于盾构机的油脂管路设计并不十分科学，存在一定施工隐患。

原管路形式分析：从管路图上来看，由于12 个注入口采用串联排列，如果压注全部12 个注入口，油脂必须从A点流到D点，即左半圈压注完成后方可压注右半圈，4#注入口至3#注入口的距离约为15 m，也就说明A点至D点因管路长度存在一定的压力损失，3#注入口的压力远远小于4#注入口的压力。施工时会引发以下问题：

（a）以每环20 kg为定量进行盾尾油脂压注，由于存在压力降，左半圈注入口的压注压力远远大于右半圈，导致20 kg油脂中绝大部分都压注在左半圈，右半圈的油脂较少，容易形成渗漏通道。

（b）当采用压力控制时，为使每一个注入孔都能达到指定的注入压力，会导致油脂在左半圈压注过多，引起浪费，增加施工成本。

4.2 管路改造

改造后的管路形式如图5、图6所示，改造的总体思路是将原来左、右半圈注入口串联管路的形式改造为左、右半圈注入口并联管路形式，压注盾尾油脂时，油脂同时从A、B、C、D四个位置进入，左半圈注入口同时由A、B两个方向进行压注，右半圈注入口同时由C、D两个方向进行压注，A、B、C、D四个位置的压力基本相同，各注入口之间虽然存在一定的压力降，但压力损失较小，基本可以忽略不计，可以尽快地在所有注入口建立压力。

图5 改造前盾尾油脂管路示意

图6 改造后盾尾油脂管路示意

4.3 盾尾油脂压注控制方法

在改造后管路形式下，要求在常规盾构推进阶段压注油脂时必须采用自动模式下的压力控制方法，压注油脂时，必须确保每个注入口的压注压力必须达到指定标准，方可停止压注。由于盾尾油脂压力计并非位于油脂注入出口，压力计距离出口尚存一定距离，存在压力降，所以指定的压力指标必须大于管道压力降与外部静土压力之和，根据施工经验取压力指标为2.0 MPa。

如果在盾尾局部出现漏点时，应采用手动模式，对漏点位置的注入口单独进行压注。

5 同步注浆控制

在⑦1、⑦2层砂性土承压含水层中施工时，同步注浆不单单起到填充盾尾与管片之间间隙的作用，还起到加强盾尾密封的作用。同步注浆的压注均匀、饱满可以有效抵挡盾尾外部的水土压力，防止泥砂窜入盾尾。

5.1 注浆量的确定

盾构机在⑦1、⑦2层砂性土承压含水层中施工时，易引起盾构磕头、超挖的现象，而且为减小总推力，盾构机上半周开启超挖刀进行推进，盾构机实际开挖的土方量较理论土方量要大，开挖面也较常规的开挖面大。见图7、图8。

图7 盾构机正常推进开挖面

图8 砂性土内盾构机开挖面

本区间所使用盾构机理论开挖面积为31.77 m2，每环理论出土量为38.12 m3，去掉管片体积后每环理论空隙为1.89 m3，同步注浆量为理论空隙的130％～180％，为2.5～3.4 m3。考虑到砂性土承压含水层内施工的特殊性，盾构机实际开挖面积约为33 m3，每环实际出土量为39.6 m3，去掉管片体积后每环理论空隙为3.37 m3，同步注浆量应为每环4.5 m3。

5.2 注浆方法

在砂性土承压含水层中，同步注浆起到一定盾尾密封的作用，要求注浆施工时必须均匀，推进一段，注浆一段，及时填补空隙。

对于每环同步注浆量4.5 m3的要求，将每一环推进施工划分为12 个阶段，每推进10 cm为一阶段，每10 cm的注浆量为0.45 m3。

为便于盾构司机简单、有效地分阶段控制注浆量，通过对盾构机浆桶规格尺寸的计算，在浆桶内设置标尺，采用一道一道水平钢筋，每道钢筋间的空间体积为0.45 m3，操作人员通过观察标尺就可以知道目前的压浆量、压浆速度并进行有效的控制。

6 盾尾密封辅助措施

6.1 管片加贴海绵条

盾构机在砂性土承压含水层内施工时可以选择在管片外弧面整环加贴1 道20 cm×15 cm海绵条。为便于施工操作，由盾构机头部施工人员在管片拼装时将海绵条放置到位，海绵条放置位置应靠近管片榫槽端面，距离榫槽端面约30 cm，避免管片承受千斤顶推力时将海绵条挤出。海绵条接头位置应避开管片纵缝，接头位置与管片纵缝错位20 cm，可有效避免渗漏通道的产生，如图9所示。

在以往的盾构施工中，通常在盾尾出现漏泥、漏砂的情况后，在管片外弧面加贴海绵条。由于盾构推进时管片外弧面的海绵条被挤出盾尾后，极容易绞进盾尾刷，导致盾尾刷的损坏，所以一旦采用粘贴海绵条的措施后，通常会一直粘贴至盾构进洞，防止再次发生盾尾渗漏。

本工程的应用中，对盾尾油脂管路进行改造后，各注入口的压力能够快速的建立，通过对注入口压力是否能够建立进行分析，即可判断盾尾刷是否发生损坏。如果盾尾油脂注入压力能够达到2.0 MPa，说明盾尾刷完好，在后期盾构推进施工中可逐步取消粘贴海绵条措施。

图9 管片外弧面粘贴海绵条示意

6.2 加设临时止水装置

在千斤顶靴板与管片间设置一道临时止水装置，由弧形钢板与橡胶条组成，钢板宽度自管片内弧面至盾壳，厚度10 mm。橡胶条采用Φ50 mm皮管一剖为二制成，通过铅丝绑扎固定在钢板外弧面（图10）。每环推进前，人工分块将弧形钢板放置于管片前端面外侧，其外弧面橡胶条紧贴盾尾内弧面，作为盾尾间隙的临时封堵，然后伸出千斤顶顶住钢板开始正常掘进。此措施在可能发生盾尾渗漏时起到临时封堵盾尾渗漏的作用。