土壓平衡盾構(gòu)富水粉砂地層進(jìn)、出洞常見問題分析

孟海峰，劉江濤，李世君

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

富水粉砂地層是一種自穩(wěn)能力差，在地下結(jié)構(gòu)施工過程中容易發(fā)生水土流失的土層［1］。土壓平衡盾構(gòu)在該種地質(zhì)條件下如何保持其自穩(wěn)性是保證施工安全和質(zhì)量的關(guān)鍵。目前在華東軟土地區(qū)，乃至國(guó)內(nèi)其他地區(qū)類似地質(zhì)條件下的隧道盾構(gòu)施工，始發(fā)和到達(dá)的端頭加固很多都是采用攪拌樁和高壓旋噴樁進(jìn)行加固［2］;但多有加固效果不理想的工程實(shí)例，給盾構(gòu)的始發(fā)和到達(dá)造成了一定的施工風(fēng)險(xiǎn)［3］。如何彌補(bǔ)攪拌樁和高壓旋噴樁加固土體在富水粉砂地層中的施工缺陷，本文將從預(yù)防措施、過程控制及問題的處理方法等幾個(gè)方面進(jìn)行具體的論述。

1 工程概況

無錫地鐵1號(hào)線7標(biāo)共有2個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，廣石路站—江海路站區(qū)間和江海路站—無錫火車站區(qū)間。廣石路站—江海路站區(qū)間長(zhǎng)732 m，共2段平曲線，半徑分別為2 000 m和2 500 m，區(qū)間最大縱坡為23.86‰，軌面埋深約為10.9 ～15.51 m。

江海路站—無錫火車站區(qū)間全長(zhǎng)1 300 mm，共2段平曲線，半徑分別為350 m(右線360 m)、410 m(右線400 m)。線路中線間距為13.0～17.3 m，區(qū)間最大縱坡為23.67‰，最小縱坡為3.0‰，線路豎曲線在與車站相連段采用3 000 m半徑，其余采用5 000 m半徑，軌面埋深約為14.53 ～24.75 m。

本工程采用1臺(tái)φ 6 380 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，在3個(gè)車站內(nèi)4次始發(fā)、4次到達(dá)，獨(dú)自完成2個(gè)區(qū)間左右線4 064 m的掘進(jìn)任務(wù)。隧道管片外徑6.2 m，內(nèi)徑 5.5 m，厚 350 mm，采用“3+2+1”形式錯(cuò)縫拼裝［4］。

2 地質(zhì)水文

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況自上而下依次為:〈1〉1雜填土、〈3〉1黏土、〈3〉2粉質(zhì)黏土、〈1〉3粉土夾粉質(zhì)黏土、〈4〉粉砂層、〈5〉粉質(zhì)黏土和〈6〉1黏土層，隧道范圍內(nèi)多為〈5〉粉砂層、〈6〉1－1粉質(zhì)黏土層和〈6〉1黏土層。

上層滯水主要在〈3〉1黏土層以上，補(bǔ)給來源主要為地表水滲流和側(cè)向徑流，穩(wěn)定水位標(biāo)高在－0.8 m。〈3〉1層和〈6〉1層中間有一層微承壓水，常年穩(wěn)定水位在 －2.4 m。

3 盾構(gòu)始發(fā)端頭加固

3.1 施工方案

3.2 存在的問題

1)水平探孔。第1次對(duì)始發(fā)洞門水平探孔，洞門探孔直徑50 mm，深度1.2 m，深入到加固土體約50 cm，在水平探孔過程中發(fā)現(xiàn)，40 cm夾心層土樣較完整，但深入到三軸加固土體中所取得土樣較差，為檢驗(yàn)三軸加固土體的效果，再次增加水平探孔，增加的水平探孔深度為3 m，個(gè)別孔有水和砂流出，水平探孔位置如圖1所示。

圖1 水平探孔實(shí)際情況Fig.1 Horizontal bore hole inspection

2)垂直取芯。江海路站北端頭始發(fā)洞門加固范圍內(nèi)共布設(shè)垂直取芯孔4個(gè)，1#孔位距40 cm夾縫30 cm處，其余3個(gè)孔在盾構(gòu)隧道兩側(cè)及隧道結(jié)構(gòu)中心距夾層3 m處布孔，取芯深度為17.5 m，超過洞門底部2 m。從所取芯樣來看，芯樣不連續(xù)，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。垂直取芯位置見圖2。

圖2 垂直取芯芯樣情況Fig.2 Core

3.3 原因分析

1)在粉砂層中施工旋噴止水帷幕，成樁效果不好，存在工藝缺陷。經(jīng)查看廣—江區(qū)間地質(zhì)勘查報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)取芯確定，江海路站北端頭加固區(qū)域存在〈4〉粉砂層，且地下水具有微壓力等特點(diǎn)。咨詢專家得知，高壓旋噴樁在砂層中施工一般只能形成φ 600@400的樁徑，而設(shè)計(jì)高壓旋噴樁為φ 800@600，存在設(shè)計(jì)缺陷［5］。

無錫地鐵其他標(biāo)段，盾構(gòu)井端頭加固存在類似缺陷，同樣采用的攪拌樁配合旋噴樁加固，對(duì)加固體豎向取芯和水平取芯，芯樣均不完整且水平孔有流水流砂現(xiàn)象。

2)施工過程控制不到位。通過洞門范圍內(nèi)水平探孔及加固體范圍內(nèi)垂直取芯的芯樣顯示，三軸攪拌樁在施工過程中成樁的垂直度沒有控制好，出現(xiàn)了斜樁，局部沒有達(dá)到狀體咬合250 mm的設(shè)計(jì)要求，樁間存在滲漏水通道。

3.4 補(bǔ)救措施

為使洞門土體端頭加固能夠達(dá)到盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)的條件，決定對(duì)洞門采用水平注漿進(jìn)行補(bǔ)充加固。在洞門掌子面全斷面布孔，由內(nèi)向外呈放射狀打孔注漿，且在0～3 m范圍內(nèi)孔間距加密。洞門水平注漿補(bǔ)充加固效果見圖3，水平注漿加固后取芯見圖4。

3.5 小結(jié)

通過對(duì)無錫地鐵1號(hào)線7標(biāo)盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)端頭地質(zhì)情況和加固施工工藝分析，三軸攪拌樁和高壓旋噴樁在〈4〉粉砂層中的加固效果并不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)，對(duì)于無錫這種地質(zhì)不均勻性及高透水性決定了盾構(gòu)端頭加固在設(shè)計(jì)參數(shù)上和施工工藝上還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

1)改進(jìn)施工工藝。①在透水性比較好的砂性土地層中，容易形成透水、跑漿通道，施作攪拌樁時(shí)在水泥中加入5%的膨潤(rùn)土，堵塞通道，防止水泥流失，保證樁體的均勻性;②減小高壓旋噴樁的樁間距(不大于400 mm)，保證其充分咬合。

Research on seismic performance of specially-shaped column composed of concrete-filled steel tubes frame-shear structures

2)補(bǔ)充水平注漿。洞門水平取芯檢測(cè)發(fā)現(xiàn)三軸攪拌樁和高壓旋噴樁加固效果不理想，有偏樁、開叉的情況，應(yīng)增加洞門水平旋噴注漿或水平后退式注漿，填補(bǔ)地面攪拌樁和旋噴樁未完全加固的土體。

3)降水井輔助降水。對(duì)于以粉土層和粉砂層為主的地質(zhì)條件，除了采取攪拌樁和旋噴樁等端頭加固措施外，還有必要采用降水井進(jìn)行輔助降水，降低地下水的壓力，甚至可以把水降到隧道底板以下，保證盾構(gòu)進(jìn)出洞的安全。

4)采用冷凍法。對(duì)于比較復(fù)雜的地質(zhì)條件可以考慮采用冷凍法對(duì)盾構(gòu)端頭洞門土體進(jìn)行加固，目前冷凍法施工工藝在華東地區(qū)已經(jīng)比較成熟，而且采用冷凍法加固的地層，加固體比較均勻、安全、環(huán)保。

4 盾構(gòu)到達(dá)

盾構(gòu)在富水粉砂地層到達(dá)，關(guān)鍵是端頭加固體的質(zhì)量和盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入車站后洞門漏水的處理。下面就廣—江區(qū)間左線盾構(gòu)到達(dá)端頭加固和洞門滲漏水情況的處理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

4.1 端頭加固

廣石路站南端頭先后經(jīng)過2次三軸攪拌樁和高壓旋噴樁加固，第1次于2010年7月加固完成，按照設(shè)計(jì)圖紙始發(fā)端加固長(zhǎng)度9 m，到達(dá)端加固長(zhǎng)度8 m。2011年4月發(fā)現(xiàn)廣石路站南端頭洞門水平探孔有漏水情況，不具備接受條件;于是，2011年5月對(duì)廣石路南端頭采用攪拌樁和旋噴樁進(jìn)行了第2次補(bǔ)充加固，始發(fā)端和到達(dá)端加固長(zhǎng)度均為6 m。端頭補(bǔ)充加固見圖5。

圖5 廣石路站南端頭補(bǔ)充加固平面圖Fig.5 Plan of added reinforcement at the south head at Guangshilu station

第2次加固后，對(duì)洞門再次進(jìn)行水平探孔，未發(fā)現(xiàn)有滲漏水情況，確認(rèn)加固效果良好，具備接受條件。探孔孔位按米字型取9孔，孔深4 m(包括0.2 m掛網(wǎng)砂漿層，1 m鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu))，探孔無流水流砂，取芯芯樣完好，見圖6。

4.2 洞門中心破除

為防止盾構(gòu)機(jī)刀盤推開洞門出現(xiàn)大面積涌水涌砂，先將洞門中心破除(見圖7)，露出中心刀(中心刀比刀盤高出400 m，先到達(dá)洞門)，中心孔洞直徑為1.2 m，深度貫通圍護(hù)結(jié)構(gòu)即可。

4.3 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)站

圍護(hù)結(jié)構(gòu)破除過程中，掌子面干爽、無濕漬，樁間土及樁后露出的加固區(qū)水泥土干爽無滲水情況，只有車站端墻二次襯砌結(jié)構(gòu)和圍護(hù)樁間防水板處有滲水(見圖8)，此時(shí)判斷加固體內(nèi)情況完好，可以掘進(jìn)推出刀盤。

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)防水板漏水Fig.8 Water leakage of flashing of retaining structure

盾構(gòu)機(jī)刀盤中心刀到達(dá)圍護(hù)樁背后，開始割除圍護(hù)樁上部連接鋼筋，用刀盤將圍護(hù)結(jié)構(gòu)迎土側(cè)剩余的鋼筋混凝土推開，刀盤整體推出洞門進(jìn)入車站(603環(huán))。經(jīng)檢查，刀盤及刀盤倉內(nèi)土質(zhì)干爽，無水、砂從刀盤及側(cè)面流出，且洞門簾布橡膠板包裹嚴(yán)密、土倉內(nèi)土質(zhì)松散，見圖9。

圖9 盾構(gòu)機(jī)推倒洞門圍護(hù)樁Fig.9 Retaining pile pulling

4.4 存在的問題

盾構(gòu)機(jī)主機(jī)進(jìn)入車站5 m后，在盾尾外置注漿管露出前停機(jī)，收緊鋼絲繩將簾布橡膠板和壓板牢牢的壓在盾殼上，對(duì)盾尾處開始注漿，使盾尾后方形成1道封閉環(huán)，其目的在于:1)等管片背后的漿液凝固并有一定強(qiáng)度，這樣盾尾脫出洞門后，洞門處的土體不易發(fā)生坍塌和噴涌;2)防止盾尾脫出洞門后，洞門處的幾環(huán)管片發(fā)生下沉和錯(cuò)臺(tái)。

但是盾尾注漿完成并停機(jī)1 d后，發(fā)現(xiàn)洞門簾布橡膠和盾殼密封處出現(xiàn)滲漏水，水質(zhì)較清，無砂，沒有壓力，見圖10。

4.5 分析原因

1)端頭井結(jié)構(gòu)墻和圍護(hù)樁之間的滲漏水被進(jìn)站的盾構(gòu)機(jī)和簾布橡膠封堵在洞門內(nèi)，無處排泄，在洞門腔室內(nèi)積存后水位升高形成一定水頭壓力，從簾布橡膠封閉薄弱處滲流出來。

2)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固體后，刀盤切削加固體和圍護(hù)樁，加固體和圍護(hù)樁的土質(zhì)較硬，刀盤掘進(jìn)過程中對(duì)加固體及周邊的地層產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，特別是刀盤向前推灌注樁對(duì)上方土體擾動(dòng)大，使原本封閉隔水的土體產(chǎn)生了一定的裂隙，從而導(dǎo)致加固體外的地下水有一部分沿破壞的裂隙滲流到洞門內(nèi)。

3)洞門端頭主要埋置于〈3〉3層粉土層及〈5〉層粉質(zhì)黏土層中，經(jīng)過攪拌樁加固后，端頭地層滲透系數(shù)大大降低，加固區(qū)外的2口降水井的降水效果并不很好，降水井的出水量每天只有10 m3左右，使得洞門周邊裂隙滲流水沒有被降水井完全降掉。

4.6 處理措施

1)對(duì)盾尾管片進(jìn)行二次注漿。盾尾管片背后雖經(jīng)過注漿填充，但為加強(qiáng)封閉效果，需要再次對(duì)盾尾及盾尾后方3～4環(huán)管片進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，注水泥－水玻璃雙液漿加強(qiáng)盾尾止水效果。盾尾注漿封閉后，洞門處滲漏水量變化不大(見圖11)，說明水源不是從盾尾后方滲出，主要還是洞門結(jié)構(gòu)防水板處的滲漏水。

圖11 盾尾注漿后洞門滲水變化不大Fig.11 Water leakage at the entrance after shield tail grouting

2)盾尾脫出洞門，對(duì)洞門采取封閉注漿。盾尾注漿封閉完成后，將盾構(gòu)機(jī)整體推出洞門。然后對(duì)洞門前3環(huán)利用預(yù)留二次注漿孔向洞門內(nèi)壓注水泥－水玻璃雙液漿封閉洞門，直到洞門外部周邊有漿液滲出［6］。洞門注漿封堵完成后，洞門周邊已經(jīng)不再漏水，封堵效果顯著，見圖12。

5 結(jié)論與討論

無論是土壓盾構(gòu)還是泥水盾構(gòu)，始發(fā)和到達(dá)都是盾構(gòu)施工的最關(guān)鍵工序，也是盾構(gòu)施工比較容易出現(xiàn)事故的工序。端頭土體加固又是保證盾構(gòu)順利始發(fā)和到達(dá)的重點(diǎn)，尤其是在富水粉砂層地質(zhì)條件下，必須有效地控制好滲漏水和流砂，所以在盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)前必須要有詳細(xì)周密的技術(shù)保障措施，提前做好洞門和加固體的封閉處理，降低盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 注漿后洞門兩側(cè)不再漏水Fig.12 Entrance sides without water leakage after grouting

1)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前降水，在到達(dá)端加固區(qū)周邊合理布置足夠數(shù)量的降水井，將洞門及加固區(qū)周邊的水位降到隧道底板以下。

2)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固區(qū)前，加強(qiáng)盾尾管片背后同步注漿及二次填充注漿，使盾尾后方形成封閉環(huán)，防止盾尾后方地下水沿盾構(gòu)機(jī)流到刀盤前方。

3)洞門破除前后，若發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)井洞門混凝土結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)間防水板存在滲水通道，應(yīng)及時(shí)注聚氨酯封堵，這樣盾構(gòu)機(jī)進(jìn)站后，可防止洞門出現(xiàn)滲漏水。

［1］ 劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1991.

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［4］ 樂貴平.淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機(jī)選型［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003(3):17 －33.(LE Guiping.Selection of shield machines for Beijing Metro construction［J］.Modem Tunnelling Technology，2003(3):17 －33.(in Chinese))

［5］ 上海隧道工程股份有限公司.國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目－盾構(gòu)地層適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論、方法和模擬試驗(yàn)平臺(tái)鑒定資料［R］.上海:上海隧道工程股份有限公司，2004.

［6］ 袁敏正，竺維彬.盾構(gòu)技術(shù)在廣州地鐵的應(yīng)用及發(fā)展［J］.廣東土木與建筑，2004(8):5 －7，9.