富水易液化砂层盾构始发施工工艺

2021-05-11董雪峰

广东建材 2021年4期

董雪峰

（中铁十六局集团地铁工程有限公司）

1 工程概况

天津地下直径线作为连接天津铁路枢纽天津站～天津西站的联络线，全长5.00548km。海河隧道利用单洞双线的形式，长约3.28263km，采取明挖法、盾构法进行施工。现场勘察资料显示，隧道穿越的土层以黏性土、淤泥质土、淤泥、粉土、粉砂及细砂为主，地下水位较高，水文条件欠佳。

2 盾构施工工艺

2.1 始发端头井加固

始发端头地层主要为粉质黏土、粉砂层，结合地层情况、水文条件以及周边环境，决定利用桩径为850mm的三轴搅拌桩和桩径为600mm 的双液高压旋喷桩对区间端头进行加固。前者桩径850mm，咬合250mm，宽度至围护结构500mm，长度1200cm，深度范围为洞门圈向上300cm、向下300cm，加固区水泥掺量要达到20%，地面加固区水泥掺量减少至7%即可；后者需两排且内排和围护之间相切，间距450mm，桩深达2000cm。

将原本加固体和围护接缝所需的三重管高压旋喷桩替换成单重管双液高压旋喷桩，以防止加固区因为地下暗流的影响出现质量问题。为保证盾构安全顺利进行，并且保证加固效果，需降低浆液凝结时间[1]。

针对富水砂层地层，一般会采用双液高压旋喷桩来提升加固效果，而且已经在福州地铁项目中充分展现了其优势。该工艺相较于单重管高压旋喷工艺有以下不同：水玻璃的喷射次数增加一次，需在引孔之后准备好旋喷桩钻机，等到达桩底后即可在30MPa 的喷射压力、1：1 的水灰比下以12～15㎝/min 的速度进行旋喷提升喷浆。在完成该工序和提起钻杆之后，先完成清洗工作，再下钻到桩底后以30～40 浓度的水玻璃、15MPa 的喷射压力、1：1 的水泥浆水玻璃比、5㎝/min 的速度进行水玻璃喷射。在水玻璃溢出时，为避免水玻璃出现凝固和钻杆抱死，需要渐渐加速最终提起钻杆。加固设计见图1。

图1 加固区设计图

2.2 洞门密封

建压完成后进行泥水盾构掘进，并利用洞门钢套（400m）来配合传统帘布橡胶和折页板。同时将2 道盾尾刷焊接于钢套和洞门钢环中，再埋入注脂管。为了保证洞门具有更好的密封性，可以在开始时利用盾尾油脂泵添加盾尾油脂。洞门密封结构如图2 所示。

安装好洞门密封装置后，将盾尾油脂涂抹于2 道盾尾刷上。为防止推进过程中出现杂物落入洞门盾尾刷，对洞门的密封性产生影响，必须做好清理工作之后才能开始盾构始发工作。撑子面和刀盘接触后，可以利用盾尾油脂泵将油脂灌到洞门盾尾刷内，直到油脂腔被油脂填满后才进行泥水建压，最后进行固体掘进的工序。

图2 洞门密封结构示意图

掘进时油脂会出现部分损失的现象，这主要是因为盾构机和洞门钢环之间的相对运动对洞门密封性产生了消极作用，为了充分发挥洞门盾尾刷的密封性能，盾尾油脂的填入要具有持续性。

3 封洞门施工

3.1 环形钢板的焊接

在进行盾构始发前，需准备一环管片背部预埋钢管的管片，并将宽1000mm、厚10mm 的钢板放置在管片背部中间，提前依据始发井长度对负环排列。举例来说，天津站～天津西站的联络线盾构区间始发段共有9 环负环，0 环环宽600mm 且相切于洞门钢套。利用10mm 厚、450mm 环宽的环形钢板对封洞门进行施工。

在盾构机推进到盾尾止浆板相切于洞门钢套，加固体长达12m，刀盘深入加固体到8.79mm 后封洞门。此工序需要先拆除折页板、洞门帘布，之后利用环形钢板对洞门钢套和管片以满焊的方式进行焊接。在完成上述工序后，在洞门钢套和管片之间将有一个密封腔，且在满焊之后钢板强度会有所增加。

3.2 洞门同步注浆

在焊接好洞门钢套环形钢板后进行盾构掘进工作，在+5 环掘进过程中，盾构机刀盘离加固体还有1.5m 时注浆，利用盾构机自身携带的注浆机且同步进行，如图3 所示。共有4 根注浆管放置在盾尾左上、右上、右下、左下四个方向。此时盾构机盾尾和洞门钢套距离较近，约1.7m，应将注浆压力、速度控制在合理范围内，避免洞门钢套环形钢板出现变形、漏浆，最终影响密封性[2]。

图3 同步注浆示意图

本区间富水砂层具有特殊性，本同步注浆浆液配合比的试验根据上海、南京、广州、兰州等城市的经验进行改进。根据试验，如果水泥含量超过200kg/m3，不仅强度会增加，而且可以缩短浆液初凝时间。此时的浆液自身和易性、可泵性较好，体积会因为凝固而减小，符合填充管片壁仍有空隙的要求。

3.3 二次注浆补强

等到工程进展到+10 环之后开始2 次注浆封堵工作。此时需要用到水泥水玻璃双液浆，要求水灰比1：1，水泥浆：水玻璃为1：1。注浆量一般保持在0.2～1m3，可以依实际情况调整。注浆大概在+1～+3 环之间，采取跳孔注浆的方式，直至产生止水环。

3.4 始发段盾构掘进

盾构施工中最为关键的一步是盾构始发段的掘进工序，此工序分为两阶段进行。首先是加固体内掘进，其次是出加固体至正常地层掘进。该工序所用到的泥水盾构不同于土压盾构，主要原因是泥浆质量是保证施工质量的前提。当开挖加固地层时经常会碰到又硬又大的渣块，此时为了渣土置换顺利进行，需要准备好破碎机时刻进行破碎处理。一般来说，泥浆粘度为32s、鹏润土泥浆比重为1.15～1.25g/cm3时能快速成膜且具备较高的流塑性、挟渣能力增强。以泥浆循环方式为标准划分泥水盾构可分为正循环和逆洗两种。正循环模式应用较广泛，此模式一般是泥浆从进浆管进、排浆管出的正常顺序，而逆袭泥浆循环模式常用于富水层砂的地质，此时需要监控盾构机加固过程中可能出现的周边建筑、管线的变化，避免盾构掘进发生意外[3]。

逆洗模式掘进具有下列优点：①可以精准控制掘进中开挖的土方量；②不会出现超挖；③减小地表沉降的概率。该模式又有下列缺点：在浆液自排浆管从进浆管排出时会携带较多渣土，但是进浆管在排浆管的上方且直径小于排浆管的管径，同时渣土在离析后容易出现沉淀。如果掘进时泥水仓内部出现大量渣土，会出现堵仓、结泥饼的情况，最终导致泥浆无法实现正循环、渣土无法置换。对此，结合福州地铁相关工程经验，当利用逆洗模式时，为了让沉淀量保持较低值，需要每完成20～30cm 的掘进后停机进行泥浆正循环，当渣土减少后再运用逆洗模式。当1 环掘进号后循环使用两种模式，以便泥水仓中的渣土顺利置换。