滨海盾构工程动压富水砂层换刀加固技术研究

谢小兵

(广州轨道交通建设监理有限公司)

0 前言

某地铁盾构区间全线长约2.65km，区间施工最大的重难点、风险点是下穿沙河高尔夫别墅及球场，主要不利因素有：高尔夫球场段地质补勘困难；根椐详勘资料，结合地铁2 号线临近盾构区间在该区段的掘进经验，该区段基岩突起、残积花岗岩孤石、上软下硬地层有较广泛的分布；该区段邻近海域，地下水与海水水力相通，受潮汐影响非常明显，属动水，水量丰富并存有一定的水压。由于工程地质和水文地质的复杂，右线盾构通过高尔夫球场这段约500 米区段先后发生过四次不同程度的地面沉陷，刀具磨损较大，需停机进行换刀处理，考虑到高尔夫球场地面加固场地协调困难，施工单位采用在土仓换填方式加固盾构机前方掌子面，但未成功；后经政府部门、地铁集团的协调帮助，施工单位调整加固方案，通过在盾构机周边地表先布设微型桩止水帷幕，再在帷幕内由外及中采用wss 注浆进行地层加固，通过采用地表、洞内措施双管齐下，确保了开仓换刀的安全。

1 工程概况

1.1 区间线路情况

该区间大体东西走向，从深湾一路始发，往西至海德三道路口到达，采用盾构法施工，盾构隧道管片混凝土强度等级C50，抗渗等级P12。外径6000mm，内径5400mm，管片厚度300mm，宽度为1500mm。右线隧道在里程YDK9+946.9 处进入沙河高尔夫球场，在里程YDK10+463.7 处出沙河高尔夫球场，通过长度516.8m。盾构机停机开仓位置已通过球场169.99m，剩余346.81m，盾构机刀盘处于YDK10+116.89 处，在沙河高尔夫球场B 区下方。

1.2 地质情况

⑴盾构区间穿越沙河高尔夫球场区域段为地表回填区域，土体较为松散，盾构隧道范围分布大量球状风化体，造成盾构掘进困难，坍塌风险较大。

⑵此段右线隧道埋深为20.5m，地质断面从上到下主要分布细砂、素填土、粘土、砾砂、全强中风化花岗岩，隧道范围上部砂层厚2.5m，下部为全强中风化花岗岩，砂层含水量丰富。右线盾构机位置地质断面见图1。

图1 右线盾构机位置地质断面图

2 施工情况

沙河高尔夫球场内上软下硬地层掘进情况。

该区间右线自338 环开始即进入上软下硬地层，推力1400～1900T，土压0.22～0.28MPa，刀盘扭矩120～190bar，掘进速度3～8mm/min。掘进速度较慢，对地层持续震动较大。目前盾构机掘进至417 环处，416 环管片安装完成，盾构机切口里程YCK10+116.89。近几环掘进中，推力较大，扭矩波动较大，出现石头连续卡刀盘的现象。据地质勘探报告还有约30m 通过上软下硬地段。经过分析判断，边缘滚刀磨损较大，须进行换刀处理。

3 换刀前地层加固方案

因为右线盾构机拟换刀位置地质条件很差,上部为富水砂层,下部为强、中风化花岗岩，常压开仓不可行，经过试验压气作业因渗漏量太大也无法实施，此类地层进行加固，目前常用的加固方案有地表旋喷加固，洞内盾构超前注浆加固、土仓填仓、地表止水帷幕+袖阀管注浆加固等方式。考虑到右线换刀地点上方为高尔夫球场区，加固施工场地协调非常困难，施工单位在洞内采用填仓方案进行盾构掌子面加固。

3.1 洞内填仓加固（土仓填仓+ 盾构机超前注浆）

施工单位制订了填仓换刀总体采用盾体径向注浆孔注入“克泥效”防止盾体受困，向土仓内注入膨润土填充刀盘周围空隙，土仓内砂浆填充，盾构机超前注双液浆加固前方土体的方案。

3.1.1 填仓工艺流程

填仓工艺流程如图2 所示。

图2 填仓加工施工流程图

3.1.2 填仓实施过程

⑴土仓内砂浆填充

通过土仓壁上的球阀向仓内分三阶段填充砂浆，并出土，填充砂浆时，顶部传感器压力不超过3bar，出土过程中，顶部传感器压力不低于2.4bar。

⑵超前探孔补充注浆

盾构机超前注浆主要对刀盘及切口环上部土体进行加固，主要做法：

①注浆钢花管采用6m 长Φ48mm 的钢管，对穿梅花形布孔，孔径8mm，纵向间距为10cm，布孔长度1m。

②浆液采用P·O 32.5R、1:0.8～1:1 水泥浆液。

③将制作好的钢花管插入超前注浆孔进行注浆。注入水泥浆液，注浆压力控制在0.3～0.4MPa，压力稳定后持续进行注浆，直至压力上升后，再注20～30min。

④以1m 为一个注浆段，注完一段，拔出一段，逐步进行注浆加固，特别是刀盘前方0.8m～1m、切口环上方位置重点注浆。

⑶土仓清理

土仓内所注入浆液凝固稳定3 天后，开始进行人工常压清仓。

⑷发生涌水涌砂事故

在进行清仓过程中，盾构机土仓出现涌水涌砂的现象，清仓人员迅速撤离土仓。现场管理人员立即组织盾构队人员采用砂袋、棉纱进行封堵，将人仓口大面积水、砂封堵住后，立即采用钢管、钢板、钢筋进行焊接加固砂袋，连接土仓注浆管路，向土仓内注入聚氨酯，进一步进行封堵。同时安排测量人员对高尔夫球场地面进行监测，发现地方产生半径为3m、深为1.1m 的沉陷坑，经统计，本次涌水量约200 方，涌砂量约40m3。

为防止在后续的地面注浆时因地层压力增大而导致人仓沙袋堆码失稳，须对人仓堆码砂袋进一步加固处理。在人仓堆码砂袋外侧表面紧密帖15cm×15cm，Φ20mm 钢筋网片，并在钢筋网表面满铺焊接16mm厚钢板，通过10#工字钢横、纵向50cm 间距焊接在钢板表面对钢板进行顶压，最后用Φ50mm 钢管将10#工字钢斜撑至顶部盾壳及螺旋机，形成稳定的支撑体系。

3.2 地面注浆加固（注浆帷幕+WSS 注浆）

本次填仓失败，究其原因，一是停机处掌子面及上方地层长时间被扰动，且局部为富水砂层，自稳性极差；二是紧临深圳湾海域，地下水与海水水力联系，在海水潮汐引起的动水状态冲刷下，填充仓液在刀盘前方固结并形成强度非常困难；三是填充浆液的配比参数与不同地质情况的适时性还需作大量研究。

洞内填仓不行，则必须采用地表加固的方式，经过仔细分析地质资料考虑加固范围、深度等，常规的旋喷、粉喷等软基加固技术难以满足此类地层加固的要求，加之受高尔夫球场特殊环境的限制，大型设备无法进场，严重制约了加固工法的选择。经过充分的分析论证，决定采用微型注浆桩作施工注浆帷幕，加固区域内部采用WSS 后退式注浆。

3.2.1 加固止水方案设计

⑴微型桩止水帷幕设计：在盾构机盾体周边设一圈两排Φ250mm@250mm 微型桩止水帷幕，内排桩桩中心距刀盘前方4m、盾构机两侧各2.5m、盾尾后方2.28m，桩底深入隧道底中风化地层。

⑵WSS 注浆加固设计：在微型桩止水帷幕内采用WSS 后退式注浆加固，WSS 注浆孔间距0.75m 呈梅花型布置，深度从地面水位线以上0.5m（地面以下3.5m）至隧道底中风化地层。

⑶降水井设计：在帷幕外侧设4Φ280mm，深27mPVC降水井管。

具体方案设计见图3～图5。

图3 加固止水方案设计平面布置图

地面加固工程数量见表1。

图4 加固纵剖面图

图5 盾尾止水帷幕加固横断面图

表1 地面加固工程数量

⑷微型桩质量控制措施及标准：

①成孔

采用仪器精确定好桩位，并作好标识，钻孔作业前需用水平尺前后、左右调整好钻机的平整度，以保证桩的垂直度，钻头尺寸要定期检查，一般进尺累计达到200 米后钻头要测量一次。

②水泥浆液配置要求

水泥浆液配置一要严格按照配比下料，二要搅拌均匀，至少搅拌3 分钟后才可以开始注浆。

③施工检查

施工过程中要作好质量抽查及工序检验批验收，微型桩成桩关键质量点有桩身长度、水泥用量、浆液配置等，通过吊锤及卷尺检查钻孔深度以核实桩长是否满足要求，水灰比可直接用比重计现场检测，每注完10 根桩以后，要及时核实水泥实际用量，如果不符合设计要求要及时调整。

3.2.2 WSS 注浆加固施工工艺

⑴施工工艺

WSS 注浆施工工序如图6 所示。

图6 WSS 注浆施工工序图

⑵注浆材料、设备、人员及参数选择

①注浆材料

注浆主要采用无收缩双液浆，可分为悬浊型（由A液和C 液组成，简称AC 液）和溶液型（由A 液和B 液组成，简称AB 液），见表2。AB 液强度较低，但止水效果好，AC 液强度较高，本次注浆以止水为重点，AB 液使用比重更大。

表2 WSS 注浆材料及浆液配比

②注浆参数

WSS 后退式注浆参数如表3。

表3 注浆参数

施工中浆液配比及注浆参数应根据现场情况试桩进行适当调整、优化，以满足施工要求。

3.3 加固辅助措施

3.3.1 降水施工

为提高注浆加固的效果，在刀盘前方及两侧、加固区外侧共设置4 个ф280 降水井，降水深度至强风化地层。

3.3.2 洞内加固措施

⑴盾尾二次注浆

为防止盾尾后部地下水前蹿，对盾尾后方10 环位置进行了补充二次注浆，通过管片吊装孔打入1.0～1.5m 钢花管注入双液浆，形成止水环箍。

浆液配比：水泥浆:水玻璃=1:1，水灰比1:1，水玻璃：35Be。

注浆压力≤3.0bar，形成止水环。

⑵土仓注浆

地面微型桩止水帷幕+WSS 注浆完成后对土仓内进行注浆加固。

⑶超前注浆

利用盾构机自带的8 个超前注浆管道对盾构机前方土体进行加固。

3.3.3 加固过程对盾构机的保护措施

⑴盾构机保护措施盾构壳体保护采用从盾构中盾、前盾径向注入孔注入“克泥效”+水玻璃注浆；盾尾采用同步注浆管注入膨润土+水泥浆液保护。

⑵其它措施

①定时反转螺旋输送机：为防止注浆加固施工过程中造成螺旋机抱死的情况，在注浆过程中间隔30 分钟反转一次螺旋机，每次转动时间10 分钟，并注意观察压力变化。

②盾尾铰接保护。在盾尾铰接位置注入润滑油脂，并将盾尾与中盾交接位置用钢板焊接连接。

③地面注浆加固时，保持洞内与地面联系，若螺旋机压力发生变化，立即反转螺旋；加强对刀盘主轴承密封保护，保持土仓压力不大于3.5bar，若有超出3.5bar的迹象，通知地面降低注浆压力或暂停注浆，待仓内窜入浆液凝固后，通知地面恢复正常加固。

3.4 加固效果

通过因地制宜，采用地面微型桩+WSS 注浆方式加固盾构机掌子面土体，辅以周边降水、盾尾后方堵水、洞内超前注浆等措施，以及采取一系列防止盾构机固结的措施后，施工单位历经约40 天时间完成盾构机前方地层加固作业，在对加固体进行效果检测时，发现加固体的强度、加固的均匀性基本达到设计要求，在紧随其后进行的约15 天的土仓清仓、换刀作业未发生坍塌及大的渗漏水情况，加固取得良好的效果。

4 总结语

⑴因为高尔夫球场段的场地协调困难，该段盾构区间地质详勘、补勘无法进行，导致盾构机选型、刀具配置与实际地质条件的不适应，也未能调整线路平纵断面设计，或提前对动压富水地层作加固处理，在不识地情的盾构“盲推”导致掘进过程多次发生地面塌陷事件，其后因停机、换填、地面加固、清仓、换刀等工作损失工期约3 个月，再一次用典型案例证明“盾构工程施工，地质是基础，盾构机是关键，人（的管理）是根本”的管理理念。

⑵盾构机前方地层加固方式选用一定要因“场地”制宜、因“地质”制宜，如果两者冲突，应优先考虑地质条件，否则会存在较大的风险。在动压富水砂层采用换填方式稳固掌子面需谨慎，填仓浆液的配合比设置、浆液凝固清仓时间的把控、以及其他一些辅助措施的应用，都还需进一步研究探讨。

⑶在动压富水砂层采用地表微型桩作止水帷幕，从外至内施作WSS 桩注浆，辅以周边降压降水，减少了浆液扩散，在富水砂层采用WSS 钻注一体后退式注浆，在注浆参数设计合理的情况下，经过后续对加固体取芯显示渗透系数明显降低，并具备一定的强度。在类似工程地质、水文地质条件下多次成功案例证明是一种比较安全、稳妥的加固方式，有一定的借鉴和推广意义。

⑷地表加固过程中，洞内辅助措施必不可少，包括超前地质预探、防掌子面坍塌、防盾构机固结、防盾尾击穿以及防管片上浮等应采取稳妥措施，避免盾构机意外事故的发生。