软弱地层盾构始发洞门防渗漏综合技术应用

王 栋

中铁一局城轨公司，江苏 无锡 214105

1 工程概况

1.1 工程简介

永初路站—雨润路站区间线路出永初路站后下穿江山大街及韩二河，然后向北转至泰山路，沿泰山路向北，在泰山路与雨润路交叉口沿泰山路设雨润路站，永初路站—雨润路站区间平面图如图1所示。区间隧道左线长度为1571.946m，右线长度为1569.400m，左、右线线间距为14.5～22.3m，区间设置2座联络通道，隧道拱顶覆土厚度为7.9～26.7m，区间采用钢筋混凝土管片衬砌，管片外径为6600mm，外径为5900mm，一环宽度为1200mm。

图1 永初路站—雨润路站区间平面图

区间采用中铁装备复合式土压盾构机掘进，盾构主机长8.6m，刀盘开挖直径为6.885m，额定扭矩为588kN·m，最大推力为5060t，中心开口率为40%。

1.2 工程地质

永初路站—雨润路站区间隧道主要穿越以下地层：②-2b4淤泥质粉质黏土、粉质黏土（流塑）、②-3b3-4+d3粉质黏土、淤泥质粉质黏土与粉砂互层（粉质黏土为软～流塑状，粉砂呈稍密状态）、②-4d2粉细砂（中密）、②-4b3-4+d3粉质黏土夹粉砂（粉质黏土为软～流塑状，粉砂呈稍密状态）。永初路站—雨润路站区间工程地质特征描述一览表如表1所示。

表1 永初路站—雨润路站区间工程地质特征描述一览表

2 始发端头加固情况

始发端地基加固采用Φ850@600mm三轴搅拌桩+垂直冷冻，降水井辅助。为填充搅拌桩加固体和车站围护结构之间的空隙，用Φ800@450mm三重管高压旋喷进行补强；为确保洞门凿除的稳定性，对洞门端头地基采用垂直冷冻；为降低地下水位对盾构机始发的影响，在始发端头设置10口降水井。

冻结采用盐水垂直冻结法，孔位布置为双排孔局部冻结，孔间距为0.85m，排间距为0.8m，以减小土层被冻胀后对始发端头及地表带来的不利影响。每个洞门布置29个冻结孔，4个测温孔。冻结孔深度为28.4m、冻结段长度为13.2m，测温孔深度同冻结孔深度一致，始发端端头冻结加固平面布置图如图2所示。

图2 始发端端头冻结加固平面布置图（单位：mm）

3 始发控制措施

由于始发井为地下三层站，盾构埋深较深，地下水位较高，承压水压力高等特点，对此区间始发采用加强始发的方案，即采用延长钢环内焊接盾尾刷形成密封腔体，利用油脂注入系统抵抗水土压力，再在盾构机完全进入洞门圈后在预留的带背覆钢板管片焊接一道钢板，其作用为防止前方承压水涌入盾尾，从而出现涌水涌沙险情。始发控制措施工序与正常始发工序有所不同，始发控制作业流程图如图3所示。

图3 始发控制作业流程图

3.1 延长钢环的安装

根据始发端头井口尺寸，该区间延长钢环长度为500mm，宽度为150mm，直径与洞门钢环外径相同，为确保可靠性延长钢环采用20mm厚的钢板制作，同时增设12个孔径为25mm的油脂注入孔（预留4个作为应急堵漏用）。为确保安装方便，根据施工需要可以分块制作，每块上开孔数量、尺寸及位置为洞门钢环等同，用螺栓进行连接，必要时在内侧将缝隙焊接，如图4所示。

图4 始发端洞门延长钢环安装

3.2 延长钢环内钢丝刷的安装

钢丝刷根据延长钢环长度确定，该区间选用的钢丝刷长度为350mm，钢丝为高强钢丝，分为两层布置。第一道钢丝刷焊接在延长钢环上，距离橡胶帘布250mm，防止帘布橡胶外翻时被刺破；第二道焊接在预留洞门钢环内，两道钢丝刷之间预留450mm，作为油脂注入的腔体，并在两道钢丝刷上涂抹满手涂油脂，此时可形成第一道油脂腔。需要注意的是，手涂油脂必须涂抹饱满，以撑起钢丝刷为标准，焊缝也需饱满平整，不得烧伤钢丝刷，如图5、图6所示。

图5 始发端洞门钢丝刷示意图（单位：mm）

图6 始发端洞门钢丝刷安装示意图

3.3 橡胶止水帘布及翻板的安装

由于是延长始发，洞门橡胶帘布密封作为第一道安全门利用螺栓连接在延长环上，同时用折页翻板进行固定，翻板的长度根据盾构机外径与管片外径的间隙进行制作，长度尽量合适，太长翻板无法翻折，太短翻板会翻出管片，使得橡胶帘布外露，失去止水效果。在洞门圈底部用水泥填实，防止盾构机栽头及下方漏浆现象，并在折页翻板上涂抹黄油以起到润滑作用，防止刀盘将帘布撕裂失去止水作用。盾构机进洞前将刀具及机头外壳涂抹黄油，以免撕裂橡胶帘布和有利于盾构机顶入，如图7所示。

图7 橡胶帘布翻板的工作原理

3.4 洞门油脂注入系统的安装

前盾进入洞门圈后，刀盘可以转动时，利用延长钢环与钢丝刷之间预留的8个油脂孔开始不间断注入油脂，此时油脂将会填满两道钢丝刷之间的腔体，以抵抗水土压力，从而形成第一道密封，依靠压力来防止涌水涌沙。在此期间注入的油脂会随着盾构机的前行会带进始发加固体，需要配备足够的油脂及备用油脂泵，冬季施工时由于气温较低，需要对油脂进行加热从而增加流动性。备用1个油脂泵，油脂使用优质的油脂，专人看管泵的压力及使用情况，以便异常情况能及时反应。始发洞门油脂注入系统如图8所示。

图8 始发洞门油脂注入系统

3.5 洞门圈封堵钢板的焊接

当盾构机全部进入洞门圈后，此时橡胶帘布翻板会压在管片上，易产生一定的空隙，一旦刀盘出加固体后，刀盘前方水压会随着盾体涌入盾尾方向，轻则漏水，重则可能会造成涌水涌砂事故，为防止事故的发生，也为后续能够顺利安全掘进，确保刀盘出加固体后洞门的安全，在延长钢环上焊接一道密封钢板，钢板每块长500mm、厚10mm、宽350mm，利用始发时使用的带背覆钢板的特殊始发环进行焊接，确保焊缝平整饱满，每块钢板都与管片密贴，从而形成盾构机全部进入后的第二道密封，这样做的好处在于封堵钢板焊接完成后不会出现大的渗漏，且多一道安全门，如图9所示。

图9 始发洞门封堵钢板

4 其他技术措施

（1）延长钢环安装前检查洞门钢环预留的螺栓孔是否堵塞，孔内丝扣是否完整，是否与提前预留的洞门钢环匹配；安装前将每个孔涂抹黄油，用扳手将螺栓拧紧，为确保延长钢环与洞门钢环的密封性，增加牢固性，最好将两道钢板之间的缝隙焊接。（2）钢丝刷焊接随着洞门凿除进度进行，从16点位往两侧的顺序焊接，尽量确保钢丝刷与洞门圈平整，焊缝牢固。8点位钢丝刷待洞门凿除全部完成后再进行焊接，焊接过早将会被掉落的混凝土块损坏，破坏钢丝刷弹性性能。钢丝刷内手涂油脂必须涂抹饱满，以整个钢丝刷鼓起为标准。（3）橡胶帘布安装时先在地面测量尺寸是否合适、有无破损，安装顺序从上往下，在延长钢环与翻板之间增加一道刚性环板，确保密封性能，一圈螺栓必须二次复紧。（4）在钢环板、橡胶帘布盾构机刀具上涂抹黄油，以起到保护橡胶帘布的作用。（5）在盾构机接近橡胶帘布前由专人观察橡胶帘布是否与盾体密贴，翻板是否全部被撑起、有无外翻的现象，严格控制掘进速度直到前盾进入。（6）提前准备好注浆机、引孔机、聚氨酯等设备，并提前调试设备，接好管线，以备涌水、涌沙时堵漏所用。（7）聚氨酯使用发泡好的材料，提前做试验验证发泡时间，调出最有配比。（8）洞门范围内冻结管拔除速度要快，最好不超过8h，用早强型细石混凝土对冻结孔进行填充，防止冻结孔底部出现涌水涌沙。（9）在洞门未进行封堵之前两侧的冻结管要进行持续冻结，不可拔管太早，由专人负责测温孔温度监测工作，盾构进洞速度要快，避免时间过长使洞门土体开始解冻，从而增加风险。

5 结论

（1）永初路站—雨润路站区间盾构始发一系列防洞门渗漏措施确保了盾构始发的安全，也进一步验证了采取的措施能够满足施工需要，也真正起到了作用，基本实现了在高承压水条件下无渗漏始发。（2）此区间软弱地层盾构始发综合技术的应用取得了一定的社会效益，后续地铁建设单位也纷纷借鉴，也为整个项目在全线地铁建设中赢得了良好的口碑。（3）当盾尾进入洞门圈后及时焊接一道封堵钢板作用是非常大的，可以有效防止刀盘出加固体后涌水涌砂险情的发生，至少不会出现大的渗漏。（4）做好应急处置工作，备足应急物资，提前进行人员培训、人员分工，编制可操作性的盾构始发作业指导书，提高全体人员风险预判、突发风险处置能力，一旦出现险情，能够及时采取应对措施。（5）建议在设计阶段对盾构始发端头加固长度进行深化，软弱地层、高承压水的端头加固长度建议不小于盾构机长度，且还需考虑管片脱出盾尾长度。