地壓平衡法在粉細砂層盾構穿越貫通接收施工中的應用

李驍曄，崔海莉，耿云鵬

（1.華東管道設計研究院，江蘇徐州221008；2.中石化管道儲運公司儲備油庫管理處，江蘇徐州221008）

地壓平衡法在粉細砂層盾構穿越貫通接收施工中的應用

李驍曄1，崔海莉1，耿云鵬2

（1.華東管道設計研究院，江蘇徐州221008；2.中石化管道儲運公司儲備油庫管理處，江蘇徐州221008）

為便于盾構機在粉細砂地層中安全出洞，利用向接收井內灌水至與長江水位同標高和注砂6 m深的辦法，來保持接收井內外地下水壓的平衡，模擬盾構機在長江下掘進施工，避免隧道貫通時因封堵效果差而出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象。文章闡述了在安慶長江穿越工程中利用接收井內外地下水壓平衡方法，進行盾構貫通接收時的施工原理、特點、工藝和操作細則、實施效果、原因分析以及技術措施。

盾構；貫通接收；地壓平衡法；粉細砂層

0 引言

安慶長江盾構隧道接收段地層為粉細砂層，緊靠長江，地下水位高、水壓大、地層穩(wěn)固性差。為避免盾構機到達接收井內時發(fā)生涌水涌砂、隧道坍塌、地表沉降事故，針對接收段加固體采用注雙液漿封堵滲水通道方案實施未果的情況，采用向接收井內灌水灌砂的地壓平衡法來實現(xiàn)盾構掘進接收，模擬盾構的實際掘進工況，歷時8天，實現(xiàn)了國內盾構隧道穿越粉細砂地層首次采用地壓平衡法成功貫通接收的技術創(chuàng)新，為國內今后在粉細砂層下實現(xiàn)隧道的安全掘進提供了成功經(jīng)驗。

1 工程概況

川氣東送安慶長江穿越隧道接收端的地層依次為：素填土（厚0.5 m）、粉土夾粉質黏土（厚4 m）、粉細砂夾粉土（厚11.1 m）、粉細砂（厚22 m）。接收井隧道洞口軸線深度27.45 m，整體穿越粉細砂地層。

為了使盾構機安全出洞，南岸接收井圍護結構采用深55.5 m、寬1 m的地下連續(xù)墻，二襯厚度1.2 m，豎井凈空17 m×6 m的矩形結構。接收端頭加固采用三重管高壓旋噴樁，形成的加固體單軸抗壓強度不低于1.5 MPa，樁徑800 mm，旋噴加固深度11m，成孔深度32m，加固范圍17.3m×8.5m。加固范圍共布置旋噴孔30排，靠近豎井6排旋噴孔排距500 mm，剩余24排旋噴孔排距600 mm；以靠近豎井的一排旋噴樁為第1排，從右到左依次為30排，其中第1、2、3、4排每排20根樁，剩余的26排每排18根樁，加固區(qū)域旋噴樁共548根，如圖1所示。

高壓旋噴樁加固完成后，對加固體進行地面鉆孔抽芯和洞門口鉆孔取芯檢查。地面鉆孔取芯，分別在第三排7、8孔之間，第九排10、11孔之間，第十三排6、7孔之間，第十七排12、13孔之間；第二十一排9、10孔之間；第二十六排8、9孔之間進行，且鉆孔深度為29 m。鉆孔取芯完后，采用旋噴水泥漿及時進行孔的封堵。洞口取芯深度為2.5 m，即進入加固體1.5 m，取芯位置在隧道中心偏下15 cm，取芯孔只有少量的水滴，無線流水。經(jīng)對加固體進行地面鉆孔抽芯和洞門口鉆孔取芯檢查，取芯樁體完整性很好。

2 問題的提出

2008年7月26日盾構機掘至連續(xù)墻內30 cm位置，盾構機尾部進入加固體后，注雙液漿封堵盾尾。為對盾尾內管片進行開孔檢查，分別在隧道前進方向左右兩側鉆25 cm深的孔，發(fā)現(xiàn)有少量流水現(xiàn)象。隨后對盾構機刀盤進行卸壓，刀盤倉壓力降至0.13 MPa時，刀盤降壓閥打開，艙內壓力迅速回升到0.255 MPa，說明加固體與刀盤間存在通道。

圖1 隧道接收端頭地層加固位置

2.1 連續(xù)墻與加固體接縫位置注漿加固

（1） 在洞門口位置沿連續(xù)墻注漿加固二排，在隧道中心線兩側2.4 m范圍內孔間距為0.4 m，深度24 m；在隧道中心線兩側2.4～3.6 m范圍內孔間距為0.4 m，深度30 m，排距0.4 m。

（2） 在盾尾處距離盾構機中線兩邊各2.4 m進行鉆孔注漿，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔深度為30 m，孔與孔之間沿隧道方向間距為0.4 m，孔與孔之間沿垂直隧道方向間距為0.4 m，呈梅花形布置，共2排孔。

（3） 采用注水泥漿和波美度為35的水玻璃的雙液漿方法，水泥漿配合比為水∶水泥=1∶0.4（即1 m3水加400 kg水泥）；水泥漿和水玻璃體積比為1∶0.6～1∶0.8，凝固時間控制在55 s。注漿壓力控制在1.5～2.5 MPa。

2.2 洞口注漿止水

為防止盾構貫通后從接收井洞口下部流水流砂，在洞門口下部進行鉆眼注漿，封堵洞口下部縫

隙，安裝注漿孔3個，如圖2所示。

圖2 洞口注漿止水

經(jīng)檢查，除1號孔位卡釬未鉆通外，2、3號孔鉆通連續(xù)墻和加固體后，鉆孔位置只有少量的滴水，經(jīng)向鉆孔位置注雙液漿，注漿壓力在2 min內快速升至7 MPa后，無法再進行注漿，說明底部連續(xù)墻和加固體之間接縫較好。

2.3 注漿封堵效果檢查

在實施連續(xù)墻與加固體接縫位置封堵和洞口注漿止水后，對盾構機刀盤進行卸壓，刀盤倉內壓力從0.255 MPa開始降壓，降至0.05 MPa后關閉降壓閥，艙內壓力4 min回升至0.25 MPa。通過檢查發(fā)現(xiàn)，從刀盤倉內排出的水夾帶少量粉細砂，且壓力降不下來，說明加固體與刀盤間還存在通道。

3 盾構貫通接收地壓平衡法

3.1 地壓平衡法要點

為便于盾構安全出洞，避免出現(xiàn)貫通時涌水涌砂發(fā)生，擬采用向豎井內回灌水29.4 m和砂6 m，以保持井內井外水壓平衡，模擬盾構在長江下掘進。在填砂灌水前，先安裝洞門環(huán)向注漿管、重新用磚砌洞門、安裝簾布橡膠板，以保證洞門管片外側環(huán)向空間注漿充實飽滿及封堵可靠。填砂灌水完成后，待井內水位和長江水位標高一致時，方可盾構推進。盾構推進40 cm后即貫通連續(xù)墻，盾構停止排渣，通過盾構推力向前推進，盾構拼裝17環(huán)管片后盾構向前推進80 cm，停止掘進作業(yè)，這時盾尾全部進入豎井。盾構在推進拼裝管片過程中，各環(huán)同步注水泥漿，漿的凝固時間控制在4～6 h（在漿液中摻入速凝劑），每一環(huán)注水泥漿量以2 m3為宜。盾構停止掘進后，首先在接收豎井利用預埋的環(huán)向注漿管向洞口段先灌注單液漿，后灌注雙液漿。接收井洞口段灌注完畢后，再由洞內向隧道外灌注雙液漿和聚氨酯封堵。待注漿和注酯固化后，在管片注漿孔處鉆孔檢查滲漏；并定量抽排豎井中水、砂，觀測水位變化。若檢驗效果很好，抽排井內水，清除回填砂，盾構拆卸吊出。

3.2 盾構接收工藝流程

盾構接收施工工藝流程見圖3。

4 地壓平衡法施工方法及步驟

4.1 盾構掘進準備

填砂、灌水造成盾構穿越連續(xù)墻、豎井時無法觀測盾構姿態(tài)，為避免盾構機受硬物阻擋，在回填水、砂之前，將影響盾構作業(yè)范圍的硬物全部拆除；采用素混凝土導臺接收。

采用超聲波反射法確定盾構機刀盤準確位置，以保證盾構出洞后不刮碰。為使盾構順利切削連續(xù)墻、減少盾構推進阻力，人工鑿除豎井內洞門連續(xù)墻30cm。在回填砂之前，先在洞門口邊緣預埋3排Φ 25 mm環(huán)向注漿鋼絲軟管（環(huán)向軟管長度5.6 m），在3排環(huán)向注漿管接縫位置預埋2排Φ 25 mm環(huán)向注漿鋼絲軟管（環(huán)向軟管長度3 m）加強，10根鋼絲軟管分別與10根伸出地面的Φ 32 mm注漿鋼管連接，鋼絲軟管排距50 cm。注漿花管鑲嵌在洞門二襯混凝土內。通過洞口預埋注漿管注漿，待盾構貫通后能夠有效地封堵井外地下水進入豎井的通道。

圖3 盾構接收工藝流程

因盾構外徑（3201mm）比管片外徑大261mm，盾殼與管片之間存在13 cm間隙，盾構在推進過程中，會使洞口段管片端部因砂和米石回填不飽滿而形成空洞，影響洞口段注漿封堵效果。為此，在洞口上方預埋2根直徑100 mm的填料鋼管，待盾構推進后，通過這2根預埋管向洞口位置回灌水泥砂漿，將管片四周回填飽滿。

為確保洞門注漿效果，在以探孔定出的盾構中心用磚砌筑內徑3.5 m的洞門，并在二襯位置與磚砌體之間安裝環(huán)向鋼板和簾布橡膠板（簾布橡膠板外徑1 855 mm，內徑1 300 mm），避免漿液大量流入豎井內。

在貫通前將70 m管片沿軸線方向用Φ 25 mm鋼筋焊接拉緊，以防止盾構機貫通連續(xù)墻后，對管片的推力減小導致管片接縫處松弛而滲漏水。為防止管片周向拼裝間隙松弛，在貫通前對25環(huán)管片用厚16 mm、寬100 mm的半圓弧鋼板進行加固。

為使注雙液漿和聚氨酯達到封堵效果，向豎井回填6 m高的砂。洞門前采用1∶1砂和米石混合充填，以增大地層漿液滲入量，提高洞口注漿后強度。其余地段采用砂回填。

利用地下水、自來水和長江水同步向豎井內灌水。灌水面和豎井面齊平，即灌水深度29.4 m，水面標高13.5 m。

4.2 施工步驟

第一步：盾構機向前推進40 cm穿越連續(xù)墻后停止排渣，通過盾構推力向前推進16環(huán)，這時盾尾剛好處于二襯混凝土邊緣。為使盾尾全部進入豎井，需再拼裝1環(huán)管片，盾構再推進80 cm后停止作業(yè)。停止拼裝管片后及時施作拉緊裝置。

在盾構管片拼裝過程中，做到每拼裝1環(huán)管片，左右對稱及時注水泥漿封堵，注漿孔內安裝2個止?jié){閥。注漿時向漿液摻入少量的速凝劑，加快漿液的凝固時間，凝固時間控制在4～6 h，每環(huán)注漿量控制在2 m3為宜。

因隧道底部注漿受1號拖車底部鋼板影響，為確保底部封堵效果，將1號拖車底部鋼板割4個20 cm×45 cm的方孔，將管片注漿孔留出，具體位置為盾尾后2環(huán)開始割孔；事先將頂部管片注漿孔安設好。

注漿管頭拔除后，因漿液還未凝固，在注漿孔位置采用填堵漏靈封堵，并及時安裝堵手孔蓋。在掘進過程中，及時觀測后部管片的變位情況，出現(xiàn)異常及時停止，并在該段及時注雙液漿回填封堵。

第二步：在17環(huán)管片拼裝完成后，通過2根預埋管向洞口管片空隙注入砂漿以至飽滿。

第三步：洞口回灌砂漿完成后，從洞門預埋環(huán)向注漿管和洞口管片。以每根環(huán)向管注水泥漿不少于1.0 m3、雙液漿不少于1.5 m3為宜，雙液漿凝結時間60 s。注漿順序由里向外，先下后上。

第四步：接收井洞口注漿完成后，在隧道內向新拼裝的17環(huán)管片進行全斷面注雙液漿，并在15、14、13、12、11環(huán)位置全斷面注聚氨酯封堵。

第五步：注漿注酯完成后，在隧道內管片注漿孔處鉆孔檢查，分階段抽排接收井內水位，觀測水位上漲情況，發(fā)現(xiàn)水位變化異常，及時回灌水，并在隧道內繼續(xù)注雙液漿和聚氨酯封堵。

第六步：如果在隧道內管片注漿孔處鉆孔滲漏檢查和接收井內水位變化觀測均滿足要求，說明井外滲水通道全部封堵，則開始排渣。首先，利用盾構進排漿系統(tǒng)，置換豎井回填砂層，在排渣過程中保證豎井內水位不變。待豎井回填砂層置換完后，開始抽排豎井內水。豎井水位每下降6 m停止抽排，注意觀測水位變化，發(fā)現(xiàn)水位變化異常或水位上升，及時回灌，并在隧道內繼續(xù)注雙液漿和聚氨酯封堵，達到注漿封堵效果后方可繼續(xù)排水直至排完。盾構機排不干凈的砂，可用人工清除。

第七步：砂清除后，再觀測洞門口位置，發(fā)現(xiàn)小的滲流通道及時用聚氨酯再次封堵；并采用磚砌將洞門與管片之間的空隙封堵。

第八步：拆卸盾構機。

第九步：施作洞門。

5 地壓平衡法實施效果

盾構從10月14日下午2點開始恢復掘進，因盾構停機時間長達2個半月，盾尾已被同步注入的雙液漿（防止地下水通過盾尾進入刀盤倉）裹緊，盾構推進十分困難。為克服地層雙液漿的摩擦阻力，一方面在盾構尾部注入適量機油以減少摩擦阻力，另一方面在盾構第三節(jié)和盾尾第四節(jié)鉸接位置焊接4塊鋼板，使盾構第三節(jié)和第四節(jié)形成剛性連接，并在推力油缸位置增加4個推力油缸（新增后油缸共計16個）。10月15日16時，盾構機儀表顯示刀盤進尺0.27 m；根據(jù)儀表顯示盾構機刀盤扭矩、推力以及刀盤摩擦地下連續(xù)墻聲音變小的跡象推測，盾構機已穿透地下連續(xù)墻最薄部位。

10月17日16時，盾構機勉強掘進了1 m并穿過地下連續(xù)墻，拼裝了第一環(huán)管片。當盾構切口環(huán)接觸地下連續(xù)墻后，由于盾構刀盤長期磨損使地下連續(xù)墻切孔與盾構切口環(huán)外徑近似過盈配合，從而進一步增加了盾構掘進阻力。

為同時克服盾構掘進的首尾阻力，伸出盾構的導向油缸，提高導向油缸推力至43 MPa，通過盾構導向油缸緩慢向前推進，在盾構油缸頂推過程中，同步收回導向油缸，借助導向油缸收縮力和盾構油缸推力共同作用以克服摩擦阻力，同時在盾構的首尾部位注入適量的機油以減少摩擦阻力。

10月18日，盾構掘進3 m并完成第三環(huán)管片拼裝，掘進阻力趨于正常。10月22日完成了貫通掘進、管片拼裝、同步注漿、二次補強注漿、接收井洞門壓注砂漿、接收井洞門注漿。10月27日完成了隧道內新拼裝的17環(huán)管片全斷面注雙液漿，15、14、13、12、11環(huán)管片全斷面注聚氨酯。經(jīng)在隧道內管片上打15個檢查孔觀測壁后注漿效果，無滲漏水現(xiàn)象，而接收井內水位自灌水灌砂以來始終無明顯變化。

根據(jù)接收井開挖深度為31 m，接收井井底凈深為29.4 m，接收井井沿標高為13.4 m，接收井注水標高為13 m，安慶長江穿越隧道接收端頭地下水位標高（黃海坐標）為9.3 m，當時長江水位為8.2 m，10月27日下午18：00開始抽排水，至10月28日8：00抽排水8.98 m。井底到水面的深度為20.02 m，水面與地下水位的落差為4.88 m。觀察6 h水位無變化后繼續(xù)抽排水。10月29日7：28累計抽排水16.87 m，井底到水面的深度為12.13 m，水面與地下水位的落差為12.77 m。停止抽排水觀察水位2 h無變化。9：30繼續(xù)抽排水，并利用盾構機排漿系統(tǒng)置換抽排豎井回填砂層和深井泵繼續(xù)抽排水。15：40累計抽排水22 m，水面與地下水位的落差為16.9 m。停止抽水排砂觀察水位2 h無變化。說明注漿效果良好。11月1日，完成了豎井內排水清砂，盾構機停留在預定位置，盾構刀盤刀具磨損嚴重，刀盤外徑近似盾體外徑，個別刀盤端口刀具脫落，接收井洞口和隧道內無滲漏水現(xiàn)象。

在整個方案執(zhí)行過程中，嚴格按照施工方案執(zhí)行安全措施，盾構掘進隧道內沒有出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，封堵效果和工程安全均處于可控狀態(tài)。川氣東送安慶長江穿越盾構隧道在粉細砂地層掘進中，采用地壓平衡法成功貫通接收，為國內首創(chuàng)，為今后盾構機在穿越長江粉細砂地層中安全出洞提供了十分寶貴的經(jīng)驗。

6 滲水滲砂原因分析及改進建議

綜上所述，接收井加固體與刀盤間存在滲水滲砂通道的主要原因有：

（1） 在盾構隧道接收端地層采用的三重管高壓旋噴加固體與地下連續(xù)墻接縫位置不是整體連接，當盾構機掘至地下連續(xù)墻時，地下連續(xù)墻和加固體分別受到不同的振動和推力，導致加固體與地下連續(xù)墻接縫脫離。

建議：接收井加固體應與接收井地下連續(xù)墻設計成一體，或者在采用三重管高壓旋噴樁加固接收端頭前，用預埋鋼筋法，使地下連續(xù)墻和高壓旋噴樁加固體施工完成后達到剛性連接。

（2） 由于盾構刀盤刀具長期磨損使盾構隧道接收端地層加固體與盾體外徑近似過盈配合，在盾構強大的推力作用下，地層加固體膨脹開裂。

建議：根據(jù)盾構掘進地層的地質條件和掘進阻力，適時檢查或更換盾構刀盤刀具，使盾構刀盤切削外徑始終大于盾體外徑。

Abstract：In order to enable a shield machine to come out from fine sand stratum in tunneling operation,the methods of filling water into receiving well to the water level as the same as that of the Yangtze River and injecting sand of 6 m depth into the well are used.These methods can keep ground water pressure balance between the receiving well and the stratum so as to avoid water and sand gushing as the tunnel run-through.Application of the ground pressure balance method in Anqing Yangtze River Crossing Project in receiving shield machine phase is described in this paper including construction principle,characteristics,process,operation detailed rules,practical effect,reason analysis and technical measures.

Key words:shield tunneling;run-through and receiving;ground pressure balance;fine sand stratum

（42）Application of Ground Pressure Balance Method in Receiving Shield Machine Stage of Tunneling Operation in Fine Sand Stratum

LI Xiao-ye（East China Pipeline Design and Research Institute,Xuzhou 221008,China）,CUI Hai-li,GENG Yun-beng

TE973.4

B

1001－2206（2011）01－0042－05

李驍曄（1980-），男，河北灤南人，工程師，2003年本科畢業(yè)于鹽城工學院建筑裝飾設計專業(yè)，2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學建筑工程學院建筑設計及其理論專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事石油石化站場設計工作。

2010-03-30；

2010-11-11