高渗透性富水砂层盾构进出洞施工技术探索
时间：2022-12-08 20:40:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
曾红兵
（南通市建设安全生产监督站，江苏南通 226000）
受地质水文、机械性能、作业环境等因素影响，高渗透性富水砂层条件下，盾构进出洞端头井加固体质量有时难以保证；
加固区转角处、接缝处往往是薄弱环节。在高渗透性富水砂层开展的施工活动中，一旦发生涌水涌砂情况，渗漏通道能迅速扩大，短时间内带走大量粉细砂层，很容易引发大范围的地表沉降、塌陷等次生灾害，见图1。文章结合南通市轨道交通工程盾构进出洞施工实际情况，对高渗透性富水砂层条件下盾构进出洞施工技术进行探索与分析。
图1 洞门涌水涌砂导致地面沉陷图
南通地区地貌类型属于第四系全新统（Q4）长江下游三角洲冲积层，自上而下可分为：①填土层，②砂质粉土层，③-1 粉砂夹粉土层，③-2 粉砂层，④-1 粉质黏土层，④-2 粉质黏土与砂质粉土互层，⑤-1 粉砂夹砂质粉土层，局部④层缺失。南通市轨道交通1 号、2 号线总长60.03 km，区间隧道采用盾构法施工；
盾构进出洞影响范围内土层主要为③-2 粉砂层，渗透系数建议值为1.3 m/d。
南通地区滨江临海，地表水资源丰富[1]，较大地表水体为长江、通吕运河等。根据勘察揭示的地层结构和地下水埋藏条件，施工涉及的地下水类型主要为上层滞水及第一承压水。潜水埋藏于①、②、③层中，勘察期间实测潜水稳定水位一般埋深1.6～2.8 m，第一承压水埋藏于④层以下，一般埋深3～4 m。
受设计深度、施工经验等因素影响，早期南通地区盾构进出洞主要采用端头水泥系加固+帘布橡胶+折页板为代表的简单防渗漏措施。水泥系加固范围沿隧道方向为10 m，加固宽度为盾构隧道结构每侧3 m，竖向强加固（加固二区）范围为隧道结构上下左右各3 m，地表至强加固上边线范围为弱加固（加固一区）区域，加固区与车站围护结构之间采用 1 排三重管旋喷桩填充空隙[2]。加固体采用φ850@600 三轴搅拌桩施工，加固一区水泥掺量为7%，加固二区的水泥掺量为20%。洞门帘布橡胶、圆环板、折页压板用螺栓按照一定顺序固定在洞门钢环上进行洞门密封，见图2。
图2 洞门密封装置安装示意图（单位：mm）
实践表明，上述条件下的洞门渗漏问题难以避免，尤其是三层车站的盾构进出洞施工过程中渗漏较为常见且能快速发展为地表的沉降、下陷。分析原因主要有以下5 点。
（1）端头加固体质量难以保证。富水砂层条件下，受管线迁改、泥浆配比、施工环境等因素影响，地下连续墙常有鼓包、漏筋等质量缺陷，致使高压旋喷桩往往无法按正常位置实施。常规三轴加固工艺在深层富水砂层中施工，下部成桩质量不佳。
（2）降水效果不能保证。受制于作业环境与建（构）筑物严格的保护要求，部分盾构施工区域止水帷幕不能封闭；
止水帷幕不能隔断潜水层或承压水层，降水施工对周边环境影响较大。部分区域前期基坑施工阶段已发现周边建（构）筑物出现不均匀沉降、开裂等病害，施工中被迫不降水或减少降水。
（3）环箍质量不佳。富水砂层条件下隧道内环箍质量难以完全保证，掘进施工过程中频繁扰动、注浆量与注浆压力控制不当等因素都可能再次引起盾构机前后的水力联系。部分区域在前期探孔阶段无任何渗漏，而盾构进出洞过程中发生较大的涌水涌砂现象。
（4）密封止水措施效果不佳。受盾构姿态等因素影响，掘进过程中盾构机刀盘很容易撕裂帘布橡胶或局部间隙较大致使帘布橡胶包裹不严，且三层车站进出洞区域往往涉及承压水层，水头较高，折页板的收紧不能完全限制承压水的喷涌。
（5）重视程度不够，管理经验不足。不同于其他地质条件下施工，高渗透性富水砂层条件下，一旦渗漏，粉细砂层能随水流迅速流失；
在水压力作用下，渗漏通道迅速扩大，对应急处置时间、聚氨酯等应急处置物资效用要求较高。部分从黄土、黏土、地下水位低的地区过来的作业人员对相关问题重视程度不够、处理经验明显不足。
为做好盾构进出洞的施工安全管理，各参建单位在降水加固、密封止水、应急管理等方面开展大量的探索与实践，也取得较好的成效。需要关注的关键问题有以下3 个。
（1）降水加固。高渗透性富水砂层盾构进出洞施工的核心问题在于止水；
有效降低端头井地下水位能大幅提高施工的安全性。根据现场实际情况，可以在端头井范围内打设6～8 口降水井，按需降水。但深层降水往往涉及降承压水，容易造成周边建（构）筑物不均匀沉降，引发结构开裂等问题；
其中，周边的浅基础老旧建筑物所受负面影响更为明显，需谨慎采取降水措施。砂层地质条件下，端头井水泥系补充加固过程容易造成已完成的降水井堵塞，需特别注意；
降水井无法使用时应及时增补。
（2）密封止水。在水泥系加固质量与端头井降水效果无法保证的情况下，强化洞门的密封止水尤为关键。各参建单位对该项措施进行重点探索，施工方案大致可分为6 类，对比分析见表1。
表1 盾构进出洞施工方案对比分析表
（3）应急管理。盾构进出洞施工前，把加固体、隧道轮廓线在地面上标识，在夹心旋喷位置盾构机2 侧外缘事先预埋应急注浆管，深度在盾构机底部下5 m 左右，并接好管路，应对突发渗漏，见图8。洞门位置周边，尤其是底部位置也应预埋注浆管或球阀，以应对洞门涌水涌砂情况，见图9。洞门探孔有明显水流时应对加固体再次注浆加固。深层车站盾构接收时，洞口段隧道管片应改为注浆环，接收前严格进行环箍注浆。为应对突发情况，明确聚氨酯等抢险物资发泡时间并开展应急演练。
图8 端头井位置地面预埋注浆管图
图9 洞圈位置预埋注浆管图
高渗透性富水砂层条件，在降水受限、现有施工工艺不能保证端头井加固质量的情况下，合理评估施工风险，根据工期、造价、环境等方面的要求选择合适的施工方案尤为重要。6 类施工方案的实践表明。
图3 水泥系加固+水平冷冻+钢套筒接收图
图4 水泥系加固+水平冷冻+短套筒接收图
图5 水泥系加固+短套筒+盾尾刷始发图
（1）降水问题是关键。高渗透性富水砂层条件下进行盾构施工时，将地下水位有效降至洞门圈以下，涌水涌砂风险将大幅下降。
图6 洞圈气囊图
图7 水泥系加固+短套筒+割盾尾接收图
（2）提前施做应急处置措施很重要。洞口段增设管片注浆环，提前施作端头井应急注浆孔等应急处置措施，在涌水涌砂时可以大幅缩减处置时间，效果显著。
（3）必须优化洞门密封措施，强化止水最后防线。一般风险条件下，地下2 层车站的盾构施工作业采用短套筒+盾尾刷/弹簧钢板类的止水措施较为经济适用。城中段地下3 层及以上的盾构进出洞作业，风险较高，可以采用钢套筒+冻结施工的防护措施，但采用水平冻结还是垂直冻结方式视现场情况决定。洞门处于车站盖板区域时，需采取水平冻结方式。垂直冻结操作方便，冻结管与钢套筒之间无相互干扰，但止水效果不如水平冻结方式。采用增设气囊等新型止水措施也可取得较好止水效果，但应做好气囊的保护工作。
（4）必须加强施工质量控制，强化施工前条件核查。无论采取何种措施，均应加强每道安全防护措施的施工质量控制，否则容易造成相互依赖，最后又层层失守的结局。盾构始发/接收前应按规定开展施工前条件验收，验收不通过不得进入下道工序。
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