盾构机到达富水砂层时的技术措施

包世波，刘宝许，王建军

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

与盾构机始发一样，盾构机到达同为盾构施工重难点之一。而在很大程度上，地质条件决定了其施工风险的大小。而盾构机到达富水砂层中，其难度系数和风险程度更高。广州轨道交通三号线北延段11标的高增站—新机场南站盾构区间盾构机到达砂层时出现涌水、涌沙问题，经过及时处理，保证了盾构出洞的安全和机场高速公路的安全，未造成大的影响。

1 工程概况

广州轨道交通三号线北延段11标的高增站—新机场南站盾构区间的吊出井位于机场高速公路中央绿化带内，两侧毗邻机场高速公路，水平距离不足6 m。隧顶埋深6～7 m。地质勘察资料显示，盾构机到达范围内隧道地质主要为:＜3-2＞冲积～洪积中粗砂层和少量＜4-1＞冲积～洪积土层，其中砂层约占隧道断面4/5，见图1。

该区间地质勘察资料显示:＜3-1＞冲积～洪积粉细砂层，＜3-2＞冲积～洪积中粗砂层及＜3-3＞冲积～洪积砾砂层是透水层，渗透性强，为主要含水层。地下水主要为第四系孔隙水，由于本段砂层分布广泛，且厚度大，连通好，和地表水水力联系密切，富水性强。

为保证盾构到达吊出井的安全，吊出井端头加固采取单排φ600 mm@400 mm双管旋喷桩 +φ850 mm密排咬合200 mm三轴搅拌桩加固处理，在靠近连续墙外侧施作单排双管旋喷桩，吊出井端头10 m(长)×21 m(宽)范围内施作三轴搅拌桩。见图2。

图1 隧道到达范围内地质(单位:m)

图2 吊出井端头加固平面示意(单位:mm)

2 涌水、涌沙事故的处理与原因分析

左、右线盾构机到达洞门之前，均按节点验收要求完成盾尾双液注浆封闭止水等工作，但到达时洞门仍出现不同程度的涌水、涌沙情况。特别是左线隧道，盾构机刀盘接近连续墙约50 cm时(此时洞门连续墙破除仅剩下最后一层钢筋)，掌子面左下侧及右侧中部分别有两股直径约10 cm水流夹杂部分砂粒流出。

从开始处理涌水、涌沙事故到左线盾构机完全出洞，约持续了48 h，总涌水量超过600 m3，总涌沙量约10 m3。分别采取在盾尾后第三、四环管片(非加固区与加固区的交界处)开孔注聚氨酯和双液浆，以封阻加固体后方地层中赋水流向前方土仓，过程中涌水、涌沙量基本无变化;同时，通过盾构机的同步注浆管路注水泥砂浆。由于涌水、涌沙量较大，处理工作的后期，吊出井端头左前方(加固体外侧)出现一个约2.0 m(长)×1.5 m(宽)×2.0 m(深)的坑洞，为保证毗邻行车道安全，及时对该坑洞用混凝土回填后，又在其周围进行地表注浆，将因涌水、涌沙引起的土体空隙填充密实。后期监测结果显示，该处地表逐步趋于稳定。

综合端头加固设计、施工情况和整个涌水、涌沙处理过程分析，此次涌水、涌沙事故的可能原因有:

1)加固体与连续墙接缝处的双管旋喷桩止水效果不佳，致使加固体与连续墙接缝处成为止水薄弱环节，成为地下水渗流通道。

2)设计的端头加固范围不合理，未能考虑到所有可能的渗水薄弱环节，比如吊出井端头两侧及其斜前方砂层中的水体，在洞门破除后所形成的水压差作用下，沿着加固体与连续墙间的薄弱通道渗到洞门，并由于反复冲刷逐渐加大涌水量。从处理的过程来看，这也是洞门涌水、涌沙的主要来源。用聚氨酯和双液浆在盾尾后方封堵成环后涌水量仍不见减少，而随着盾构机前进，盾尾同步注浆逐渐将加固体和连续墙间的渗水通道封堵，涌水、涌沙逐步得到控制。

3 总结

1)端头加固的目的是保证盾构机出洞安全，端头加固设计应根据地质风险的高低选择合理的加固方案。盾构机几乎在全断面富水砂层中到达时，应采取U型外包式加固范围，对吊出井端头两侧和侧前方一定范围也分别采取土体加固措施，同时加长正前方加固区(超过盾体长度3～5 m)，以降低涌水、涌沙的可能。

2)在现有施工工艺中，三轴搅拌桩和双管旋喷桩是砂层地质端头加固较为成熟的工艺。但其加固质量很大程度上取决于其过程中的参数控制(如水泥掺量、喷射压力、提升速度等)，过程控制的好坏直接反映在最终的加固效果上。当加固深度超过10 m时，其垂直度就难以控制，邻桩之间很难达到设计预期的咬合搭接效果。

3)盾构机到达富水砂层时，须高度重视出洞前的准备工作，尽可能考虑到各种潜在风险并做好对应防范措施，如水平探孔观察、盾尾注浆止水、安装橡胶防水帘布与托架以及洞门或地表注浆准备等。

4)在盾构机到达出洞之前，须从最不利情况考虑安排工序:为安全起见，应在盾构机刀头顶到连续墙后，再安排洞门破除，在洞门破除之前安装防水帘布，而托架安装在洞门破除之后。只有这样，方可在刀头顶到连续墙后，空仓观察土仓内是否有水位上升现象，若有，则采取各种有效措施隔断水路，确保盾构出洞时无涌水、涌沙现象。

5)盾尾注浆封闭止水环可采取“聚氨酯 +双液浆”，先在靠近盾尾的最后一环或两环管片上开孔注入聚氨酯，然后再在盾尾后的第三或四环管片开孔注双液浆，这样既能保证止水效果持久，又能避免双液浆流到盾体外壳快速固结以及导致盾体被固结不能前进的次生事故。

6)出现洞门涌水、涌沙时，可以采取洞内注“聚氨酯+双液浆”，地表回灌注浆或洞门预埋管注浆，以及时固结周围松散颗粒(砂粒)、封闭渗水通道，必要时洞门四周回填反压甚至吊出井基坑部分回填反压，防止涌水、涌沙量过大造成周边地表沉降过大，危及周边建构筑物及基坑安全。

4 结语

尽管盾构机在富水砂层到达出洞风险较高，但如果能在设计和施工时提高重视程度和安全系数，风险终究也是能够克服的。对此增加的可见经济成本而言，因规避了施工风险或事故而获得的潜在经济效益和社会效益会更大。

［1］竺维斌，鞠世健，史海欧.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究［M］.广州:暨南大学出版社，2007.

［2］竺维斌，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2006.

［3］李乔荣.隧道盾构施工监测及结果分析［J］.铁道建筑，2009(10):36-38.