深埋承压水粉细砂层盾构机二次始发风险控制技术

程文锋

中铁上海工程局集团城轨分公司 上海 200443

地铁施工事故，对信息发达的今天，现已屡见不鲜，如道路坍塌，建构筑物倾覆、管线破裂，甚至群死群伤等，每一次事故的发生无不时刻警醒我们工程人，要有敬畏精神，以高度的社会责任感去精细化控制风险。

隧道及地下工程施工，因为施工工艺的局限性、地质水文的差异性、施工条件的复杂性等，存在众多的不确定性和不可知性，使得地铁施工不可避免地存在诸多风险问题，其中盾构机在承压水粉细砂层中始发、接收、乃至掘进即是目前最常见、最凶险、最不易控制的一项风险，一旦控制失效，涌水涌沙，仍及更大的事故。

目前，国内关于盾构机在各类承压水粉细砂层中始发、接收的风险控制技术研究比较多，可以说是俯拾即是，而在全封闭空间、地面措施受限、加固失效首发失利情况下，二次始发的风险控制技术的研究则不多，如盲目二次始发，则本已失稳的土体将持续被扰动，洞圈与盾构机间橡胶止水帘布紧贴力将难以持续抵抗水头压力，终将形成空隙，即使5mm的一个孔隙，在高水头压力下，短时间内也会产生大量水土流失，沉降将难以控制，从而造成塌陷事故。因此，实施“全封闭空间条件下，承压水地层盾构机始发风险控制技术”的研究具有重要意义，可为今后类似工程提供一定参考。

1 依托工程概况

1.1 概况描述

某城市地铁标段一区间盾构始发端正位于繁忙主干道下方，始发车站为全封闭三层换乘车站（另一换乘地铁线正运营中），周边重大建（构）筑物林立，各类管线交错叠加。始发端隧道埋深约17．5m，掘进全断面处于富含承压含水层的④2a粉土夹粉砂层，盾构掘进时极易发生突水涌砂，软土层土体较软结构易破坏。

考虑到地面不具备加固条件，结合这类地层，设计盾构始发端土体加固为洞内水平冻结法，加固范围呈“杯型”，杯底厚约3．5m，杯壁厚2m。隧道采用一台直径6340mm海瑞克土压平衡盾构机进行掘进。

1.2 方案背景

盾构机在站内完成调头始发后，冻结加固区掘进缓慢，洞门帘幕板与盾体间不断有小股浑浊水射出，压力尚可，后通过注聚氨酯、双液浆等临时封堵，但每复推则再次渗漏。

在始发39小时后，或受冻结壁融化或盾构掘进多次干扰的影响，洞门帘幕板与盾体间出现多股直径5-8cm涌水涌沙通道，射程达2m，涌水通道压力有加大趋势，水土流失较多，形势危急，后经努力及时封堵住，暂停施工，待确定二次始发方案后再行掘进。此时，盾构机体进入土体约6．7m，外露盾体长2．20m，刀盘处于+5环。

图1 隧道与地面环境位置关系图

图2 盾构始发失利后停机位置图

2 方案比选

2.1 基本要求

（1）要确保万无一失，故不得再出现涌水涌沙情况；

（2）要降低对周边环境影响，故不考虑地面处理措施；

（3）要恢复周边道路正常，故工期不宜超过20天。

2.2 方案比选。见表

3 密闭腔体辅助盾构机二次始发控制技术

3.1 密闭腔体结构及防水设计，见图3

（1）结构设计。

①受力模型。车站侧墙取1m宽建模，墙面简化为两跨连续梁。在向密封腔室内填充聚氨酯泡沫时，侧墙受到由上向下的三角形荷载，荷载的递增率为0．7KN/m（聚氨酯泡沫的密度：0．03-0．07g/cm³），则侧墙底部受到的最大压力为5．075KN/m；当向密封腔室内注水或浆液加压时，填充聚氨酯泡沫已发泡，对侧墙基本无压力，则整个腔室内壁面水压力约300KN/m²。依据覆土深度及掘进环境等因素，盾构机始发时切口水土压约为0．23Mpa，则密封结构设计按耐压0．30Mpa设计。

序号 主要对比方案 方案要点描述可行性分析 比选情况1外圈水平再冻结加固+止水帘布板再加固密封1、利用现有水平冻结管继续冻结，同时补充加密冻结管；2、目前渗漏主因是止水帘布与盾构机不密贴，可以考虑强化3、投入少，工期短；1、现有水平冻结管部分已破坏，难以恢复。2、二次冻结加固仅能保证外圈，掌子面前方基本没有；/3、容易冻结住盾体，不利于二次始发。3、止水帘布底部难以加固密封否2 钢套筒（或钢管节）盾构始发方案1、借鉴行业内常规钢套筒盾构始发、接收技术理念，结合现场实际定做短节钢套筒，填充沙土，以达到掘进掌子面孔隙泥水与套筒内沙土压力平衡。2、工期长约30天。1、密闭空间，场地井口狭小，大型材料转运困难；2、钢套筒定制加工时间长，安装不便、工期不满足要求；3、套筒下部与各结构交界面防渗漏、防水密封不好处理。否3 钢筋混凝土密闭腔体盾构始发方案1、借鉴行业内常规钢套筒盾构始发、接收技术理念，施做钢筋混凝土密封腔；2、借助隧道管片自防水+外防水理念，采用微膨胀细石混凝土+交界面采用遇水膨胀橡胶条（或其他）；3、密闭腔体填充聚氨酯堵漏材料；发射架底部满灌细石混凝土已达到防渗漏目的。1、技术理念可行；2、结构受力可行，防水密封可行；3、施工影响小；4、工期可行。 是

②结构受力计算。

墙板在均布荷载，剪力图如图4：

墙板在均布荷载的弯矩如图5：

则均布荷载下跨内最大弯矩：

则均布荷载下支座弯矩

（2）防水设计。

①墙体自身结构与车站、负环管片接触面防水：新旧混凝土接缝处除凿毛保证接触良好达到防水效果外，在新旧混凝土接缝处内外两侧各粘贴一道宽24mm、厚3mm的遇水膨胀橡胶条以加强防水效果，凿毛过程中内外两侧留出粘贴遇水膨胀橡胶条宽度的空间，粘贴前清洗接缝处原混凝土表面并吹干。

②负环管片间防水。隧道从-5环开始采用正环模式施工，止水条、弹性密封垫、遇水膨胀橡胶条等按要求使用。为进一步提升密封效果，在环纵缝处打玻璃胶增加防水效果。

3.2 密闭腔体间隙填充设计

（1）在密封结构强度、密封性检验合格后向密封结构内进行填聚氨酯。为确保聚氨酯泡沫顺利填充满整个密封结构，在填充的过程中适当加水，聚氨酯由上部预留孔注入腔室内，同时顶部设预留孔兼做观测窗口，实时验证密封腔内的填充效果，待密封腔内填充饱满以后，将顶板预留孔封闭，并预埋球阀，用于后期注水（或再注聚氨酯）建压检测使用。

（2）填仓后压力测试。密闭腔室内填充完成后，将顶部填充口封堵，并安装注水球阀，通过注浆管将球阀与注浆泵相连，向密闭腔室内注水加压压力，注浆压力保持不低于3bar，对各个连接部分进行检查，包括负环管片环向密封情况，以及新筑密封结构与各既有结构（构件）交界处有无渗漏。

加压过程中一旦发现有漏水情况，必须马上进行卸压，并及时在渗漏处打孔注环氧砂浆或聚氨酯进行封堵。完成后再进行加压，直至压力稳定在3bar无有漏点。

3.3 盾构机二次始发掘进技术

（1）始发时盾构推进参数的控制。恢复掘进时推进速度5-8mm/min，推力控制在8000kN以下，转动刀盘时注意刀盘扭矩、土仓压力的变化。在保证盾构正常推进的情况下，掘进参数建议选择总推力小于800t，刀盘扭矩小于2000KN·m，掘进速度小于20mm/min。

（2）盾构机尾部尚未进入洞圈前：

①盾构掘进参数不应有明显变化。

②保证密封结构内压力不能减小。

（3）盾尾过正10环后即可封堵洞门。注浆时压力不要过大可根据计算的注浆量分几次注浆（一般分3次），待下部初凝后，进行中部注浆，中部初凝后，进行上部注浆。注浆过程中要准备好钢板型钢等物料，对漏浆的地方进行封堵。

（4）盾构二次始发阶段施工时，对盾构设备调试、洞门的土体稳定、洞门可能出现的涌泥涌沙和地面监测等四个方面要综合考虑，力争匀速、安全始发，尽早进行洞门注浆。因此，盾构二次始发前要准备充分，出土进料组织应顺畅，同时还应准备好应急措施。

4 结论与建议

此次钢筋混凝土密闭腔体辅助盾构二次始发技术的首次成功使用，说明该技术是安全可行的，相比

钢套筒辅助盾构始发更具有灵活性，尤其是适用于密闭空间，法吊装条件缺乏情况，该法也进一步拓宽了盾构始发施工技术的新方向，深入诠释了盾构法施工“水土平衡理念”，具有一定延伸价值。

参考改进建议：聚氨酯间隙填料价格高昂，且具有易燃、异味、压缩性能，不作为首先填充料，可考虑克泥效与惰性浆液替代；负环管片拼装质量及防水要求至关重要，务必按不低于正环管片拼装及防水进行加强；后续钢筋混凝土密闭腔体凿除应与柔性井接头施工联合考虑。