沿海深埋富水松散地层土压盾构水中接收技术

代 为

(中铁二十五局集团有限公司 广东广州 511455)

1 引言

盾构接收是盾构法隧道施工中风险较大的关键环节，尤其在不良地层盾构接收过程中，易发生洞门渗漏、地面沉降、隧道管片错台、主体结构变形等一般事故，严重时可导致地面和隧道坍塌、盾构被埋、线路被淹、主体结构破坏等重大事故。为了实现不良地质条件下或环境敏感地段盾构安全接收，业界已探索出多种行之有效的端头加固和盾构接收方式。陈晓忠[1]对重叠隧道的下线隧道采取垂直冻结＋明洞接收箱接收工艺进洞；吴琼[2]在富水圆砾地层中采用短套筒进行盾构接收，有效避免了洞门涌水涌砂事故；郑石等[3]采用钢套筒辅助泥水平衡盾构到达接收，有效地抑制了地面沉降和结构变形；赵亮等[4]在软弱富含水地层中采用了杯型水平冻结法端头加固与钢套筒辅助的盾构接收施工工艺，并对水平冻结加固区的温度以及盾构接收期间地表沉降进行了现场实测研究；于加云[5]在处理盾构到达突发涌水事故时，采用了密闭的箱形钢筋混凝土接收洞室与隧道洞门密闭连接进行盾构水中接收；刁鹏程等[6]采用液氮垂直局部冻结水泥土加固后仍存在涌水涌砂风险的盾构端头，进行二次加固封水，取得了很好的效果；刘攀[7]通过在盾构接收端头增设液氮垂直冻结与水中接收的综合施工方案，有效控制地层损失率，车站、隧道结构以及周边建筑物沉降量均在安全范围内；潘荣凯等[8]在渗透系数较大的砂性地层中采用三轴搅拌桩＋垂直冻结法加固端头后，安全进行了盾构水中接收；贲志江等[9]等采用水泥土三轴搅拌桩＋高压旋喷桩＋垂直冷冻固结的方式进行端头加固处理后进行了大直径泥水盾构水中接收，接收段加固区域内地表沉降≤46 mm；张连凯[10]在盾构进洞时覆土深度33 m且承压水水头高的情况下进行了盾构水中接收；李克金[11]预先对工作井基坑连续墙外侧一定范围内的含水地层采用液氮垂直冻结进行加固，使之具有一定的强度、封水性和一定承载能力，在泉域富水地层进行了盾构水中接收；安宏斌等[12]在端头地层具有一定自稳能力的情况下，进行了无端头加固条件下的土压平衡盾构水下接收。

分析现有文献资料和成功案例可知，近年来业界倾向于使用钢套筒接收、洞门冻结法＋水中接收两种方式应对风险较大的盾构接收。其中盾构水中接收要求端头能够自稳或加固后能够自稳才能确保安全，目前尚未检索到在松散地层无加固或加固效果不好条件下土压平衡盾构水中接收的成功案例。本文对沿海深埋富水松散地层端头加固无效条件下进行土压盾构水中接收的关键技术进行研究。

2 工程概况

某工程盾构区间隧道左右线全长2 749 m，设计采用“外包800 mm素砼墙＋三轴搅拌桩”端头加固(见图1)、井点降水(两口降水井)辅助的接收方案。盾构距离接收端头外包800 mm素砼墙1 m左右时，洞门水平钻孔取芯时涌水涌沙，端头加固无效；水平注浆进行补救，情况没有明显改善。此时，若按照设计方案进行接收，则存在洞门涌水涌沙乃至地面和隧道坍塌的重大风险；若对端头采取深孔水平注浆进行止水加固补救，则极易串浆造成盾构在地层中裹浆抱死、刀盘刀具和开挖舱糊死；若采用冻结法进行加固止水，则工期不允许。综合上述情况，为确保盾构安全到达，比选后决定采用水中接收方案。

图1 盾构接收端头加固

2.1 盾构接收井基本情况

盾构接收井基坑深41.6 m，围护结构采用1.2 m厚的地下连续墙，为地下三层明挖结构，基坑设计总长度为22.4 m(含地连墙)，宽为40.2 m，采用内支撑＋环框梁体系，竖向共设置7道支撑(均采用混凝土支撑)，接收端头处左右线中心线间距为21.7 m，见图2。盾构井东侧为双向十车道城市交通主干道，呈南北走向，施工围蔽在主路上；盾构井西侧为某生态庄园，主要为1～2层彩钢房，与盾构井最小距离12 m。盾构井施工期间涉及的给水管、供水管、通信及电力等管线均已迁改完成，盾构达到接收无影响。见图3。

图2 盾构接收井剖面图

图3 盾构接收端航拍图

2.2 接收段工程地质与水文情况

盾构接收端头处隧道顶部埋深30.2 m，接收段隧道上覆土地层(从地表至隧道接触面)依次为:＜1-1＞杂填土、＜2-1B＞、淤泥质土、＜2-2＞淤泥质粉细砂、＜2-1B＞淤泥质土、＜2-4＞粉质黏土、＜3-2＞中砂，隧道洞身范围为＜3-2＞中砂、＜3-3＞/＜3-4＞圆砾、＜7-3＞强风化泥质粉砂岩、＜8-3＞中风化泥质粉砂岩。隧道穿越地层为＜8-2＞中风化粉砂质泥岩、＜7-2＞强中风化粉砂质泥岩、＜3-2＞中粗砂、局部夹＜3-3＞/＜3-4＞圆砾层。

盾构井接收端地下水位高，实测初见水位约5.0 m，且具有承压性，地下水主要为第四系松散层孔隙和基岩裂隙水，地下水丰富，主要含水层是砂层和强风化带及中等风化带。砂层中等～强透水层，基岩弱透水层，基岩裂隙水与上层第四系水存在一定的水力联系；周边小河涌、小河沟、鱼塘较多，地表水较发育，且周边120°范围距珠江入海口水域直线距离不足10 km，地表水和地下水位受潮汐涨跌影响较大，地下水埋深变化规律与潮汐相同稍滞后，动态稳定水位约5.0～7.5 m；盾构水中接收时，地下水埋深按5.0 m计，蓄水深度为36.6 m。

2.3 盾构基本情况

区间施工采用的两台型号ZTE8800土压平衡盾构为全新机，开挖直径8 840 mm，管片规格(外径/内径-宽度)8 500/7 700-1 600 mm。盾构的关键参数中，主驱动、盾尾铰接、盾尾刷、螺旋输送机出渣闸门和中心回转接头等5处关键密封的承压能力对能否水中接收有决定性影响。该两台盾构的主驱动密封采用外1道端面聚氨酯密封＋1道轴向聚氨酯密封＋唇形密封、内2道唇形橡胶密封，最大工作压力1.0 MPa；盾尾铰接采用2道充气与橡胶密封共生密封，最大工作压力0.6 MPa；盾尾密封采用4道尾盾密封刷＋1道尾盾止浆板，最大工作压力0.6 MPa；螺旋输送机后部采用2道出渣闸门，最大工作压力0.6 MPa；中心回转接头最大工作压力1.0 MPa。按照木桶理论，该两台盾构的设计最大工作压力为0.6 MPa，可以承受60 m高水头压力，理论上满足本次水中接收要求。

3 风险分析与应对措施

3.1 盾构主要密封失效的风险与应对措施

本工程所用盾构设计承压能力满足本次水中接收要求，但经过2 740 m左右的掘进，各处密封不可避免地存在一定的磨损。若水中接收时出现主要密封失效，轻则会造成盾构设备损毁，重则会导致地面和隧道坍塌、盾构被埋、相邻联通隧道和车站被淹，是不可承受之重。因此，必须对前述5处关键部位密封的可靠性进行逐一排查和确认。

3.1.1 主驱动密封可靠性排查与确认

对两台盾构主驱动密封腔加气压1.0 MPa进行气密性试验，检查后确认可靠。

3.1.2 盾尾铰接、盾尾钢丝刷、中心回转接头、螺旋输送机闸门密封可靠性排查与确认

土仓加气压至0.6 MPa，开启盾构自动保压系统，对上述密封进行气密性试验，并逐一排查，发现除左线盾构螺旋输送机闸门渗漏外，其余均完好；更换该闸门后，对左线盾构重复进行气密性试验，确认全部密封可靠。

3.2 潮汐对地下水的影响与应对措施

潮汐对接收井处的地下水位影响较大，涨潮时较退潮时高约2.5 m，盾构破除洞门地下连续墙以后至洞门封堵完成阶段，内外水体处于连通状态。此时，潮汐引起的地下水周期性涨跌和流动，可能携带端头的松散地层进入接收井，造成接收端头的沉降和坍塌。

因此，盾构接收过程中，要始终确保接收井内水位高于地下水位，避免潮汐运动造成端头松散地层进入接收井。

3.3 端头松散地层在重力作用下流失的风险与应对措施

洞门破除后至封堵完成前，端头处不能自稳的松散地层不可避免地会在重力作用下沿着盾体与地下连续墙切口之间的环形缝隙流入接收井，若不采取措施加以控制，势必造成接收端沉降乃至坍塌，这也是通常情况下盾构水中接收要求端头地层必须有一定自稳能力的根本原因。本工程接收端为上软下硬地层，盾构开挖面上半部及拱顶大部为松散砂层，加固效果较差且未进行补充加固处理，加之加固作业过程中对地层的扰动，因此，在自身重力作用下，端头松散地层流失的风险非常大，具体采取以下措施进行控制:

(1)盾尾脱出连续墙前，及时进行有效的洞门封堵。

(2)增设一道延长洞门密封:宽500 mm洞门延长钢环＋1道盾尾钢丝刷＋1道钢板束；此外，在延长钢环上半部预留2排8路双液浆应急注浆管路，见图4。

图4 延长钢环洞门密封及应急注浆管路

(3)洞门处堆土反压。

(4)盾体径向孔注聚氨酯。

3.4 地面沉降和坍塌风险与应对措施

在盾构接收过程中，只要确保接收井内水位高度，地面沉降和坍塌风险就可控。本工程地面沉降和坍塌风险存在于接收井降水阶段，此时，若洞门渗漏或端头地层损失在接收井内降水前没有及时回填，则极易造成地面沉降和坍塌。因此，接收井降水疏干前，一定要确保洞门封堵完好、端头地层注浆填充密实。

除上述风险外，还存在盾构被浆液包裹抱死、洞门密封失效、接收井泄露失压等风险，在此不再赘述。

4 土压盾构水中接收关键技术

4.1 盾构水中接收作业

4.1.1 盾构进入端头加固区前准备阶段

接收井内进行接收导台施作、洞门安装、洞门处堆填渣土等准备工作，完成后盾构恢复掘进，至刀盘到达800 mm厚C20素砼连续墙端面后停止掘进，进行盾构及配套设备维保、盾尾附近管片二次注浆隔水环施作，同时应急物资材料机具就位。

4.1.2 盾构通过端头加固区阶段

盾构恢复掘进，通过800 mm C20素砼连续墙、端头加固区，至刀盘到达1 200 mm厚C35玻璃纤维筋砼地下连续墙端面后停止掘进；对盾构5处关键密封的可靠性进行确认、端头加固范围内管片二次注浆；上述工作完成后接收井蓄水至设计深度。

4.1.3 盾构通过洞门地下连续墙阶段

盾构恢复掘进，通过1 200 mm C35玻璃纤维筋砼地下连续墙，至盾尾剩余约300 mm脱出连续墙停止推进；盾体径向孔注聚氨酯、端头加固区内管片深层注双液浆、盾尾注双液浆；盾构继续推进，至盾尾剩余约500 mm脱出延长洞门时停止推进；盾尾注双液浆再次封堵洞门。

4.1.4 收尾阶段

接收井排水疏干；盾构继续推进至拆机位置。

4.2 控制要点

(1)盾构5处关键密封的可靠性确认，是整个作业流程的重中之重，关乎盾构水中接收的本质安全，一定要专人负责、换手复核。

(2)端头连续墙与管片之间的洞门环形切口能否得到及时有效的封堵，将决定端头松散地层损失程度和数量、损失地层能否及时得到充填、接收井能否降水等，关乎盾构水中接收成败的关键。

(3)接收井内降水需分两阶段进行，重要且特殊:第一阶段，在退潮阶段将接收井内水位降至与地下水齐平，停止降水；随后观察接收井内水位是否上升，若上升则说明接收洞门处端头渗漏，需进行洞内管片补注浆封堵。第二阶段，确认端头封堵完好后，接收井继续降水；在盾构露出水面以后，减小降水速度，注意观察洞门是否存在渗漏并及时处理；若洞门渗漏较大，应停止降水直至堵漏完成。降水阶段，若不注意上述细节，则极易引起地面沉降乃至坍塌，造成水中接收功亏一篑。

(4)全部工序中的注浆作业，对地面沉降控制、盾构隧道管片质量及盾构水中接收安全等非常重要；注浆的同时要做好预防盾构裹浆抱死、刀盘刀具及开挖舱糊死等次生灾害防范措施。

4.3 盾构水中接收结果

两台盾构均安全接收，洞内注浆洞门封堵效果良好，接收井降水过程中左右线洞门仅有局部渗漏点，简单处理后使用单液浆完成封堵；监测结果显示，接收端头地面最大累计沉降量10.5 mm；洞门处存在砂层淤泥质土、淤泥质粉细砂、中粗砂等端头松散地层淤积；左线洞门预埋钢环连同洞门延长钢环密封一起脱落。盾构水中接收情况见图5。

图5 盾构安全接收

5 结论与建议

松散地层接收端头加固无效的情况下进行土压盾构水中接收，端头地层损失不可避免，存在一定的施工风险；及时洞内注浆进行有效的洞门封堵和端头回填，可以控制风险、确保安全。

沿海地区深埋松散地层的止水加固工法选择时，要充分考虑潮汐的不利影响；条件允许的情况下，一定要优先确保端头加固质量，这是降低盾构接收风险的根本；水中接收时增设的洞门延长钢环密封为冗余安全措施，有条件时仍然建议安装。