临近构筑物富水地层的盾构水平小间距始发施工

卢森

【摘 要】本文详细介绍了针对左、右线水平间距极小（3.15m）、端头富含承压水、端头下穿构筑物（构筑物距离始发端头水平距离小于盾构主体长度）等特殊工况的盾构始发施工，施工过程中主要通过隔离素墙结合深孔注浆的端头优化加固、洞口二次密封结构的有效利用、始发掘进参数的科学管理以及辅助加固工艺的精心组织等一系列措施成功实现安全、顺利始发。

【关键词】盾构；临近；构筑物；富水；小间距；始发；隔离素墙；二次密封

1 工程概况及施工难点分析

本文以深圳地铁11号线11301-1标【福-车】区间为背景。该区间工程始发段从上到下地层分布主要为：素填土、中砂、砾砂、砾质粘土、全风化粗粒花岗岩、块状强风化粗粒花岗岩、中等风化粗粒花岗岩。洞身范围地层主要为全风化粗粒花岗岩，局部为砾质粘土。

另外该工程始发工况复杂，具体情况如下：

（1）盾构井始发端头地质环境差，端头地下水主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于冲洪积砂层中，其水位为2.58米，处于隧道拱顶以上9米，潜水具有承压性，最大承压水头一般为地表。第四系冲洪积砂层水量较丰富，具有中等～强透水性及中等～强富水性。

（2）水平距离端头掌子面6.6米处，隧道拱顶上一直径1.6米的给水管与其垂直相交，该水平距离小于盾构机主体长度，这就意味着在盾尾还未完全进洞的情况下需实现下穿，其水平位置如下图1所示。且该给水管埋深4米，距离隧道拱顶仅6米。

图1 始发井端头与给水管的水平位置关系图

盾构机仅在以上工况下始发都极易造成端头水土流失过大而导致的地面塌陷、盾构机始发姿态载头而导致的管片变形，然而该工程中盾构机需在此复杂工况的前提下实现水平间距仅3.15米的双线隧道的安全顺利始发，其始发洞口断面分布如下图2所示：

图2 左右线始发洞口断面图

由此，始发井端头、盾构机始发位置、给水管的相对位置可如下图3所示：

图3 始发井端头、盾构机始发位置、给水管的相对位置立面图

2 施工工艺流程

临近构筑物、富水地层的盾构小间距始发施工工艺流程如图4所示。

图4 临近构筑物、富水地层的盾构小间距始发施工工艺流程图

3 施工过程创新技术概述

3.1 针对左、右线水平极小间距（3.15m）始发相互扰动大的特点，结合理论模拟验算的结果，选用隔离闭合素墙结合深孔注浆的方式进行端头加固，安全可靠，实际效果显著。

3.2 采取自主研发的一种洞口二次密封技术（专利号：ZL 2014 2 0671702.8），有效防止了盾构在始发出洞阶段的涌砂、涌水及漏浆现象。

3.3 结合始发端头的加固工艺，将盾构机始发掘进划分为不同区段进行各项参数的关键性控制，其中包括：盾构机切削玻璃纤维筋混凝土或素桩的关键性控制、盾构机在注浆加固区内的关键性掘进控制、盾构机磨素墙的关键性控制、盾构机下穿地下构筑物的关键性控制、盾构机完全进入地层后的关键性掘进控制。

3.4 当盾尾完全进入地层后，通过对盾构机的局部改造实现了便捷、快速的跟随式二次注浆（专利号：201220647940.6），及时有效地缓解了盾体出洞推进造成的地层变形。

3.5 有选择、有范围的针对端头富水层进行地表注浆加固，有效降低了始发端头地层的渗透性。

4 施工操作要点概述

4.1 始发端头加固施工

针对始发端头的临近构筑物、富水、水平近距离等特点，采用素墙结合深孔注浆的加固方案。素墙沿始发端头闭合成环，其长度延伸至左、右线两侧各3m的位置，宽度延伸至地下构筑物前50cm的位置（若无构筑物取10米），同时在左右线中间设置一道中隔墙，然后在封闭的墙环内进行深孔注浆，注浆孔适当避开中隔墙，其具体加固方案的平面图如图5所示：

图5 素墙结合深孔注浆平面图

4.2 小间距始发掘进参数的科学管理

盾构始发前，首先务必确保盾构始发洞圈密封装置安装完成，然而一般的密封装置仅采用橡胶板，由帘布橡胶、扇形压板、防翻板、垫片和螺栓等组成。其示意图如图6所示。

图6 盾构始发洞门密封示意图

盾构始发时，其盾构始发姿态不易控制，时常对洞门范围内合页板造成偏压，在端头富水的情况下极易造成合页板欠压处涌水、涌砂及漏浆。此时，我们采用两道5mm的弧形钢板（钢板要求韧性较好）做一个完整的封闭弧形圆环，且利用角钢焊接在洞门钢环内部，在圆环空隙处用海绵填充密实，用铁丝将海绵固定牢固，由此形成一个完整的密封带（具体如下图7所示），以此达到二次密封的目的。另外再用槽钢做一个引轨，引导盾构机始发出洞方向。

图7 二次密封结构示意图

另外，针对本工程中的特殊工况，将盾构机始发掘进划分为不同区段进行各项参数的关键性控制，其中包括：盾构机切削玻璃纤维筋混凝土的关键性控制、盾构机在注浆加固区内的关键性掘进控制、盾构机磨素墙的关键性控制、盾构机下穿DN1.6米给水管的关键性控制、盾构机完全进入地层后的关键性掘进控制。

（1）切削玻璃纤维筋混凝土或素桩掘进

①主要参数控制关键点

总推力控制在400T以内，刀盘转速0.8rpmin左右，掘进速度控制在6mm/min以内，切削的过程中螺旋机无需出土。

②渣土改良控制关键点

在切削玻璃纤维筋混凝土掘进的过程中，主要采用泡沫管进行渣土改良，泡沫管的总流量设定为400L/min，向刀盘前方注入大量的泡沫，泡沫效果调节的偏稀一点，其发泡倍率设定为8倍，泡沫混合液的比率设定为4%，目的在于使刀盘降温迅速并润滑刀具，防止混凝土块在舱内高温板结。

（2）注浆加固区内掘进

①主要参数控制关键点

总推力控制在600T以内，刀盘转速0.8rpmin左右，掘进速度控制在20mm/min以内，刀盘切削进土的过程中缓慢旋转螺旋机开始出土，其转速结合推进速度控制在0.5～2rpmin，严格关注土仓内压力变化，逐渐建立土压至设定值。土压建立过程中，不易过快或过慢，过快易造成舱内混凝土块混合粘土形成“泥饼”，过慢易造成地层超挖，出土量过大。

②渣土改良控制关键点

在注浆加固区内掘进的过程中，主要采用泡沫管进行渣土改良，泡沫管的总流量设定为6000L/min，向刀盘前方注入大量的泡沫，泡沫效果调节的偏干一点，其发泡倍率设定为12倍，泡沫混合液的比率设定为4.5%，目的在于降低舱内的消泡速率，便于螺旋机内形成良好的“土塞”。另外，随着螺旋机的转动，向土舱内注入一定粘度的膨润土（粘度30s左右，其效果如下图4-4所示）。膨润土选用钠基膨润土，经发酵后送至盾构机膨润土罐内，其注入量结合螺旋机出土口处的出渣效果而定（80～150L/min），其目的在于携带舱内较大块的混凝土桩。当土舱内的大块混凝土被携带殆尽后即可停止膨润土的注入，视具体出渣效果调节泡沫的注入量和注入配比。

图8 粘度为30s的膨润土效果图

（3）切削素墙掘进

①主要参数控制关键点

总推力控制在800T以内，刀盘转速0.6rpmin左右，掘进速度控制在5mm/min以内，盾构机姿态沿托架导轨平稳前行，保持抬头趋势，切忌进行姿态纠偏，土压控制在设定土压±0.1Bar。

②渣土改良控制关键点

在切削素墙的过程中，主要采用泡沫管进行渣土改良，泡沫管的总流量设定为240L/min，向刀盘前方注入大量的泡沫，泡沫效果调节的偏稀一点，其发泡倍率设定为10倍，泡沫混合液的比率设定为4%，目的在于使刀盘降温迅速并润滑刀具。另外至少保留一路泡沫管通过膨润土罐向刀盘前方注入适量的膨润土（粘度40s左右，其效果如图9所示），目的在于使刀盘前方形成一层良好的泥膜，增加前方土体的抗渗性，特别是当素墙被刀盘贯穿后，前方的未加固区域极易与刀盘形成汇水通道，另外，该膨润土汇入舱内与土体搅拌均匀，提高流塑性并建立起“实压”，减少了因掘进缓慢而造成的水土流失，且很好地润滑、冷却了刀盘和刀具。

图9 粘度为40s的膨润土效果图

（4）下穿既有构筑物掘进

当盾构机刀盘下穿既有构筑物掘进时，盾尾尚处在托架之上，并未完全进入土体。掘进原则把握住“低转速，小扭矩，低推力，快推进”，总推力控制在800T以内，刀盘转速1.0rpmin左右，掘进速度控制在20～30mm/min，扭矩控制在0.8MNm以内，尽量提高掘进土压至设定土压﹢0.1Bar。渣土改良主要使用泡沫剂，视渣土具体情况进行配比的调节。

（5）盾体进入地层后试掘进

①主要参数控制及渣土改良控制关键点

把握住“小扭矩，低推力”的原则平衡其他相关参数，扭矩控制在0.8MNm以内，推力控制在1000T以内。渣土改良主要使用泡沫剂，视渣土具体情况进行泡沫配比的调节及向刀盘或土舱内注入冷却水。

②姿态控制

盾构姿态基于盾构刀盘自重的影响，盾构以高于设计轴线20mm进洞，盾构位于始发台上时不进行任何姿态调整，待盾尾脱出始发托架进入地层后，若需调整姿态，原则上每环姿态调整量控制在6mm以内，并严格控制盾构机的抬头趋势≧+4。

为防止盾构机机身在未进入土体时产生旋转，在始发台上将焊接防滑挡块，同时根据磨桩情况，及时调整刀盘转向，盾构向前推进过程中必须注意到防滑挡块的位置，避免损坏帘布橡胶板，待防滑挡块将进入防水装置前，必须割除。

③同步注浆控制

随着盾体向前推进，盾尾进入帘布橡胶板后，盾尾开始不断注入同步浆液，以填充洞门圈内的空隙以及洞门附近的地质松散区，注浆压力控制3Bar以内，同时要密切的关注洞门密封处的折页板，防止部分长度不够翻转或注浆压力过大而导致注浆时漏浆。

根据盾构施工经验，同步注浆拟采用表1所示的配比。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标：

表1 同步注浆材料配比和性能指标表

（a）胶凝时间：一般为3～10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间，该始发段需要注浆提供较高的早期强度，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。

（b）固结体强度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa。

（c）浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。

（d）浆液稠度：8～12cm。

（e）浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。

4.3 针对小间距始发的辅助加固措施

（1）便捷、快速的跟随式二次注浆

对盾构机上自带的同步注浆设备进行了一些改造，使其具备二次注浆的功能，在经过多次试验改进后，最终使同步注浆设备能完美的实现二次注浆功能，且相比传统的二次注浆方式更为方便、快捷。每掘进完成1环，利用拼装管片的时间对盾尾后5环进行跟随式二次注浆，可迅速填补周围地层的松散区，同时无需人工拌浆，大大节约劳动力。

设备改造及使用方法如图10所示：黑线部分为同步注浆设备原有的管线，红线部分为改造后新加入的管线及设备。盾构机自带同步注浆设备是通过注浆泵将水泥浆液分四路从盾尾注入到管片后部，在这里不过多讲解。改造方式为在原有流量计后部接入一个三通后，保持原有同步注浆管路正常，在增加出的一路管线上依次接入气动球阀和压力传感器，之后将管线延伸至六号台车。本次的改造中在一号台车和六号台车分别预留出一个注浆接头，即图中A、B两处，A处注浆接头主要负责盾尾5环后的跟随式注浆；B处注浆接头则是结合每日的监测沉降报告，在相应累计沉降大或沉降速率过大的位置补注砂浆。同时往管路中接入一条水管，如图中C处所示，每次注完浆后可迅速将管路清洗干净以备下次使用。为了操作方便，将新接入的电器设备的控制方式写入了盾构机plc程序中，使操作手在驾驶室内便可以完成全部的操作，同时实现实时监控二次补浆的注浆量和注浆压力。

图10 注浆设备改造示意图

①同步注浆泵；②气动球阀；③流量计；④球阀；⑤压力传感器；⑥电动球阀

（2）地表辅助注浆加固

完成先行隧道的始发后，需对后行隧道的始发端头进行水平及垂直探孔取芯检测其抗渗性和强度，当检测结果不符合设计要求时，需结合地层特性实施有针对性的地表深孔注浆。

深入剖析始发端头的地层特性后，主要针对其含水层特别是砂层进行有针对性的地表深孔注浆，增强其地层的密实度，降低其地层的渗透性。始发端头典型地层特性如图11所示：

图11 端头典型地层特性分布图

当先行隧道盾构机始发出洞后，由于扰动砂层会产生瞬时沉降，该沉降由于隔水粘土层的存在不会及时反应到地面，但后期沉降会很大。随后后行隧道盾构机小间距始发，对地层产生双重影响，更会加大地面的沉降，仅盾尾后的二次注浆不足以填充砂层的松散性。通过端头的水平及垂直探孔检测可清晰看出这一特点。

由此，待先行隧道出洞掘进20米以后，及时在左右线的地表有针对性的打入钻孔后退式注入水泥-水玻璃双液浆。钻孔注浆范围为砂层所在深度范围，钻孔平面布置宜分两排梅花形布置于左右线端头，孔间距宜为1.5米。注浆以压力为控制标准（5Bar），注浆区域断面及现场施工如下图12、图13所示。

图12 注浆区域断面图

图13 地表辅助注浆现场施工图

（3）水平夹层土体加固

针对水平极小间距（3.15m）始发，前期素墙加固中已在左、右线始发端头之间设置一缓冲中隔墙，但考虑隔墙距离隧道边线较近（≤1.6米）。先行隧道盾构机始发后，随着盾构机向前推进以及盾尾的同步、二次注浆难免不会破坏隔墙，故为了确保先行隧道的结构安全，拟对夹层土体进行局部的水平深孔注浆加固处理。

①特殊形式的管片设计

经与设计沟通，将出洞前10环管片专门设计3个注浆孔，以便于管片周围注浆均匀。其特殊管片的设计图如图14所示。

图14 特殊管片设计图

②夹层土体的专项加固

待先行隧道盾构机掘进50米后，对洞口前10环，利用电动注浆泵有针对性的对管片侧面夹层土体深孔注入单液水泥浆。每环选取3个注浆孔，均利用管片上特别设计的多个注浆孔进行均匀注浆，其平面注浆图如图15所示。

图15 夹层土体平面注浆图

每个注浆孔嵌入自制钻杆（其长度根据左右线水平间距而定，钻杆头部距离中隔墙不小于10cm，DN32），其自制钻杆如图16所示，最终注浆结束标准以压力（2Bar）和管片成型姿态监测为控制标准。

图16 自制钻杆施工图

5 结束语

该工程中，始发环境复杂，工期要求紧，该工法能确保盾构机在类似复杂工况的情况下安全、顺利、高效的完成始发进洞。本工程中，前期端头加固方案的优化，有效的提高加固效率，相比传统旋喷桩加固节约了施工工期10天。小间距始发过程中，以其关键措施作为安全保障，使得整个始发施工连续、快捷，无需停机进行专门的加固处理，相对大大节约了施工工期。

利用素墙成环，环内注浆加固端头相比直接在端头进行旋喷桩加固不仅节约成本10万元，同时提高了端头的加固效果。在小间距隧道间设置中隔墙，以及其他相关加固保障措施，以较低的间接施工成本，确保了小间距始发安全。

该工法施工中采用非常规施工方法，有效地解决了小间距始发中隧道变形大、地面沉降大、洞口涌水漏浆等施工难题，确保了盾构机进洞的施工安全，同时能够缩短整个工程的施工工期，得到各级领导的好评，取得了良好的社会效益。

【参考文献】

[1]苏斌，江玉生，编.北京典型地层盾构适应性对比与施工关键技术[M].人民交通出版社，2013.

[2]关宝树，国兆林，编.隧道及地下工程[M].西南交通大学出版社，2000.

[3]周文波.我国软土盾构法隧道施工技术综述[M].西南交通大学出版社，2000.

[4]张冰.地铁盾构施工[M].人民交通大学出版社，2011.

[责任编辑：杨玉洁]