淺談盾構在富水粉砂地層進出洞施工中常見的問題

周海斌

摘要：盾構在富水粉砂地層進、出洞施工中如果不采取一定的技術措施，很容易出現隧道噴涌，盾構姿態難控制等問題。本文以某地鐵施工問題探討了其進出洞采取的控制措施。

關鍵詞：盾構；富水粉砂地層；進、出洞

中圖分類號：U455文獻標識碼： A

一、盾構工程概況

某市地鐵一期工程土建九標段A站～B站區間單線長度為914.943m，最大坡度25‰；隧道內徑φ5400mm，管片外徑φ6000mm、管片環寬1200mm。本工程采用的盾構機是適合本工程地質特征的土壓平衡式盾構機，具有土壓平衡功能，能有效控制地表沉降，破巖機理明確，能有效掘進，刀盤結構和刀具布置設計合理，具有超前地質鉆探功能和預注漿的能力。A站～B站區間地處H河漫灘地區，盾構區間穿越的地層主要為稍密的2層粉砂和中密的3層中砂，局部為中密的3T2層粉砂。3層中砂、3T2層粉砂呈中-低壓縮性，具有一定承載力，但極易擾動，擾動后強度將會明顯降低；而且3層中砂層為微承壓含水層，水頭高度5.3m～5.6m富水性較好，開挖面極不穩定。

二、盾構在富水粉砂地層進、出洞的施工問題

（一）施工問題

1、易形成噴涌，導致地面塌方、建（構）筑物開裂損壞

由于富水砂層含水量豐富，滲透性好，且受擾動后易液化，因此土壓平衡盾構在富水砂層中掘進很容易出現噴涌現象，一方面，需用大量時間進行盾尾清理，嚴重影響盾構施工進度，另外，大量泥砂噴出或砂遇水液化，均易引起地層沉降，從而最終導致地面建（構）筑物沉降變形，甚至損壞。

造成噴涌的原因多種多樣，但無論何種原因，噴涌的發生都必須同時具備以下條件：具有足夠高水頭壓力的充足水源。水的來源主要有兩個，即掌子面和盾構后方的匯水通道；開挖下來的渣土本身不具有止水性，即滲透性好，這造成在螺旋輸送器內無法形成土塞效應，導致高壓力的水體穿越土倉和輸送器形成集中滲流，并帶動渣土顆粒一起運動；滲流水在輸送至螺旋輸送器出口的一瞬間，由于其水頭壓力還沒有遞減到零，且前方是臨空的隧道內部處于無壓狀態，帶壓的滲流水便攜帶砂土噴涌而出。

2、地面沉降難以控制

一旦發生噴涌現象，地面沉降肯定會很大，即使沒有發生噴涌，控制地面沉降還是非常困難，主要原因是：

（1）砂層自身自穩性差，而刀盤開挖直徑比盾體外徑一般大200mm左右，從刀盤開挖到注漿填充這需要一段較長時間，這期間不可避免產生砂層沉降；

（2）掘進過程中，不可避免要造成砂層失水，且一定會對砂層產生擾動，這都會導致砂層產生沉降。

若沉降控制不好，極易造成地面塌方、建（構）筑物損壞。

（二）產生風險的原因

（1）洞口土體加固質量不好，強度未達到設計或施工要求而產生塌方，或者加固不均勻，隔水效果差，造成漏水、漏泥現象。（2）在鑿除洞門混凝土或拔除封門鋼板樁后，盾構未及時靠上土體，使正面土體失去支護，造成塌方。（3）洞門密封裝置安裝不好，止水橡膠簾布內翻，造成水土流失。洞門密封裝置強度不夠，經不起較高的土壓力，受擠壓破壞而失效。（4）盾構外殼上有突出的注漿管等物體，使密封受到影響。（5）進洞時未能及時安裝好洞圈鋼板。（6）進洞時土壓力未及時下調，致使洞門裝置被頂壞，井外大量土體塌入井內。

三、富水粉砂地層進、出洞施工預控措施

（一）洞門土體加固

本工程采用凍結法加固,可以采取延長凍結時間,使加固土體達到均質性的要求和有效控制加固土體的加固質量。同時可以通過測溫孔量測溫度和測量去路、回路鹽水的溫差,確定加固體的凍結情況。采用水平加豎直相結合的凍結方法可以有效的減小隧道底部承壓水縱向涌、漏水通道。故進洞土體加固采用凍結法加固更安全。

根據重液公式、彈性固定板、經驗公式、凍土力學以及輔以有限元進行分析計算,盾構進洞設計采用三排凍結孔,孔間距0.8m,排間距1.0m插花布孔,凍結壁平均溫度可按-14.0℃,有效厚度可達到2.8m。

凍結壁厚度2.8m,按有限元結構分析和日本經驗公式計算、洞口周邊加固土體抗剪計算或彈性固定板計算,均能滿足強度、剛度要求。

（二）縱向滲漏水通道封堵

縱向滲漏水通道封堵,是盾構進洞施工的關鍵。在以往的施工中主要以二次進洞進行間隙封堵,采用該方法時,進洞時間長,盾構二次進洞過程中可能對硬化后的漿體造成破壞而造成較大風險;同時雙液漿進人尾刷,將造成尾刷失去彈性。該方法會增長凍結機組的使用時

間,后期融沉大；經分析通過壓注油溶性聚氨脂形成瓶塞,可以起到較好的封堵縱向滲漏水通道的作用。聚氨脂發泡后與盾構機形成柔性接觸,在盾構機推進過程中不易損壞且在盾構掘進過程中可在盾殼外周同步注入聚氨酯,不但可以節約2-3天的施工時間,而且比二次進洞更經濟。

（三）盾構機進洞掘進參數的調整

在盾構機進洞前100米時,選擇合理的掘進參數，逐漸放慢掘進速度，控制在20mm/min以下，推力逐漸降低，緩慢均勻地切削洞口土體，以確保到達端墻的穩定和防止地層坍塌，同時加強洞內盾構掘進方向的測量。加快信息反饋。加強地表沉降監測，及時反饋信息以指導盾構機掘進。

1、土壓控制

正常掘進理想土壓為0.11～0.13Mpa,考慮到土壓與刀盤扭矩成正比關系，在進洞掘進段，在保證地面沉降的前提下，土壓力要降到最低，特別是在最后幾環，避免引起土體擾動。

2、掘進速度與推力的控制

在進洞段，推力要減小，一般控制6000～10000KN，掘進速度也要減小，速度一般控制在10～15mm/min。

3、刀盤參數控制

進洞段刀盤的轉速控制在?0.8～1.2r/min，扭矩控制在2000～3000KN·m，扭矩可以通過土體改良調整，刀盤貫入度調整為10～15mm/r。

4、土體改良

泡沫的調整：泡沫溶液組成，泡沫劑加到3%以上，水調整到97%以下，最終泡沫調整到90%～95%的壓縮空氣，與5%～10%泡沫溶液。

5、注漿參數控制

根據前期施工經驗選擇最優的注漿材料配合比、加大注漿量、縮短凝固時間，注漿壓力選擇，注漿壓力要高于此處土體的靜水壓力和土壓力。

6、盾構姿態控制

盾構姿態包括推進坡度、平面方向和自身的轉角三個參數，影響姿態的因素有，出土量的多少，覆土厚度，推進時盾殼周圍的注漿情況、開挖面土層的分布情況，推進油缸作用力的分布情況等。

（四）盾構機完全出洞、洞口雙液注漿封堵

完成洞內雙液注漿封堵后，立即進行盾構的推進及剩余管片的拼裝，直至盾構完全落上接收架。盾構完全進洞、脫離簾幕后，末出現漏水、漏砂現象。在盾構到達的最后5環內停止了同步注漿，為了填充盾構與加固土體間的間隙及完全地隔斷加固土體與管片問的通道，需進行洞門處雙液注漿封堵。

封堵措施：用帶有注漿孔的弧形鋼板將洞圈鋼環和管片端面預埋鋼板焊接成一個整體，通過壓注雙液漿的方式，將洞門處的到達環與車站的內襯結構、圍護結構形成一個整體；完成弧形鋼板注漿后，往洞內到達段管片的吊裝孔和弧形鋼板的注漿孔壓注雙液漿，壓漿要分多次間隔注入，注漿中遵循先下部、后上部的原則，使加固的漿液逐漸向上擴展，避免死角，待前期的漿液凝固收縮后最后進行洞頂處的漿液壓注，以此達到將間隙填充密實的效果，保證加固區段的管片與加固區土體成為一個封閉的防水體系。通過以上措施保證了管片(隧道襯砌)的穩定，有效防止隧道的變形，保證隧道結構的安全。

參考文獻

[1]周燁.雙液回退劈裂注漿在胡麻嶺隧道富水粉細砂地層中的應用[J].現代隧道技術, 2012年4期.

[2]李新航,陳宇,彭加強,莊迎春,劉世明.杭州富水粉砂地層地道施工環境效應分析[J].浙江建筑，2008年1期.