浅谈盾构在富水粉砂地层进出洞施工中常见的问题

周海斌

摘要：盾构在富水粉砂地层进、出洞施工中如果不采取一定的技术措施，很容易出现隧道喷涌，盾构姿态难控制等问题。本文以某地铁施工问题探讨了其进出洞采取的控制措施。

关键词：盾构；富水粉砂地层；进、出洞

中图分类号：U455文献标识码： A

一、盾构工程概况

某市地铁一期工程土建九标段A站～B站区间单线长度为914.943m，最大坡度25‰；隧道内径φ5400mm，管片外径φ6000mm、管片环宽1200mm。本工程采用的盾构机是适合本工程地质特征的土压平衡式盾构机，具有土压平衡功能，能有效控制地表沉降，破岩机理明确，能有效掘进，刀盘结构和刀具布置设计合理，具有超前地质钻探功能和预注浆的能力。A站～B站区间地处H河漫滩地区，盾构区间穿越的地层主要为稍密的2层粉砂和中密的3层中砂，局部为中密的3T2层粉砂。3层中砂、3T2层粉砂呈中-低压缩性，具有一定承载力，但极易扰动，扰动后强度将会明显降低；而且3层中砂层为微承压含水层，水头高度5.3m～5.6m富水性较好，开挖面极不稳定。

二、盾构在富水粉砂地层进、出洞的施工问题

（一）施工问题

1、易形成喷涌，导致地面塌方、建（构）筑物开裂损坏

由于富水砂层含水量丰富，渗透性好，且受扰动后易液化，因此土压平衡盾构在富水砂层中掘进很容易出现喷涌现象，一方面，需用大量时间进行盾尾清理，严重影响盾构施工进度，另外，大量泥砂喷出或砂遇水液化，均易引起地层沉降，从而最终导致地面建（构）筑物沉降变形，甚至损坏。

造成喷涌的原因多种多样，但无论何种原因，喷涌的发生都必须同时具备以下条件：具有足够高水头压力的充足水源。水的来源主要有两个，即掌子面和盾构后方的汇水通道；开挖下来的渣土本身不具有止水性，即渗透性好，这造成在螺旋输送器内无法形成土塞效应，导致高压力的水体穿越土仓和输送器形成集中渗流，并带动渣土颗粒一起运动；渗流水在输送至螺旋输送器出口的一瞬间，由于其水头压力还没有递减到零，且前方是临空的隧道内部处于无压状态，带压的渗流水便携带砂土喷涌而出。

2、地面沉降难以控制

一旦发生喷涌现象，地面沉降肯定会很大，即使没有发生喷涌，控制地面沉降还是非常困难，主要原因是：

（1）砂层自身自稳性差，而刀盘开挖直径比盾体外径一般大200mm左右，从刀盘开挖到注浆填充这需要一段较长时间，这期间不可避免产生砂层沉降；

（2）掘进过程中，不可避免要造成砂层失水，且一定会对砂层产生扰动，这都会导致砂层产生沉降。

若沉降控制不好，极易造成地面塌方、建（构）筑物损坏。

（二）产生风险的原因

（1）洞口土体加固质量不好，强度未达到设计或施工要求而产生塌方，或者加固不均匀，隔水效果差，造成漏水、漏泥现象。（2）在凿除洞门混凝土或拔除封门钢板桩后，盾构未及时靠上土体，使正面土体失去支护，造成塌方。（3）洞门密封装置安装不好，止水橡胶帘布内翻，造成水土流失。洞门密封装置强度不够，经不起较高的土压力，受挤压破坏而失效。（4）盾构外壳上有突出的注浆管等物体，使密封受到影响。（5）进洞时未能及时安装好洞圈钢板。（6）进洞时土压力未及时下调，致使洞门装置被顶坏，井外大量土体塌入井内。

三、富水粉砂地层进、出洞施工预控措施

（一）洞门土体加固

本工程采用冻结法加固,可以采取延长冻结时间,使加固土体达到均质性的要求和有效控制加固土体的加固质量。同时可以通过测温孔量测温度和测量去路、回路盐水的温差,确定加固体的冻结情况。采用水平加竖直相结合的冻结方法可以有效的减小隧道底部承压水纵向涌、漏水通道。故进洞土体加固采用冻结法加固更安全。

根据重液公式、弹性固定板、经验公式、冻土力学以及辅以有限元进行分析计算,盾构进洞设计采用三排冻结孔,孔间距0.8m,排间距1.0m插花布孔,冻结壁平均温度可按-14.0℃,有效厚度可达到2.8m。

冻结壁厚度2.8m,按有限元结构分析和日本经验公式计算、洞口周边加固土体抗剪计算或弹性固定板计算,均能满足强度、刚度要求。

（二）纵向渗漏水通道封堵

纵向渗漏水通道封堵,是盾构进洞施工的关键。在以往的施工中主要以二次进洞进行间隙封堵,采用该方法时,进洞时间长,盾构二次进洞过程中可能对硬化后的浆体造成破坏而造成较大风险;同时双液浆进人尾刷,将造成尾刷失去弹性。该方法会增长冻结机组的使用时

间,后期融沉大；经分析通过压注油溶性聚氨脂形成瓶塞,可以起到较好的封堵纵向渗漏水通道的作用。聚氨脂发泡后与盾构机形成柔性接触,在盾构机推进过程中不易损坏且在盾构掘进过程中可在盾壳外周同步注入聚氨酯,不但可以节约2-3天的施工时间,而且比二次进洞更经济。

（三）盾构机进洞掘进参数的调整

在盾构机进洞前100米时,选择合理的掘进参数，逐渐放慢掘进速度，控制在20mm/min以下，推力逐渐降低，缓慢均匀地切削洞口土体，以确保到达端墙的稳定和防止地层坍塌，同时加强洞内盾构掘进方向的测量。加快信息反馈。加强地表沉降监测，及时反馈信息以指导盾构机掘进。

1、土压控制

正常掘进理想土压为0.11～0.13Mpa,考虑到土压与刀盘扭矩成正比关系，在进洞掘进段，在保证地面沉降的前提下，土压力要降到最低，特别是在最后几环，避免引起土体扰动。

2、掘进速度与推力的控制

在进洞段，推力要减小，一般控制6000～10000KN，掘进速度也要减小，速度一般控制在10～15mm/min。

3、刀盘参数控制

进洞段刀盘的转速控制在 0.8～1.2r/min，扭矩控制在2000～3000KN·m，扭矩可以通过土体改良调整，刀盘贯入度调整为10～15mm/r。

4、土体改良

泡沫的调整：泡沫溶液组成，泡沫剂加到3%以上，水调整到97%以下，最终泡沫调整到90%～95%的压缩空气，与5%～10%泡沫溶液。

5、注浆参数控制

根据前期施工经验选择最优的注浆材料配合比、加大注浆量、缩短凝固时间，注浆压力选择，注浆压力要高于此处土体的静水压力和土压力。

6、盾构姿态控制

盾构姿态包括推进坡度、平面方向和自身的转角三个参数，影响姿态的因素有，出土量的多少，覆土厚度，推进时盾壳周围的注浆情况、开挖面土层的分布情况，推进油缸作用力的分布情况等。

（四）盾构机完全出洞、洞口双液注浆封堵

完成洞内双液注浆封堵后，立即进行盾构的推进及剩余管片的拼装，直至盾构完全落上接收架。盾构完全进洞、脱离帘幕后，末出现漏水、漏砂现象。在盾构到达的最后5环内停止了同步注浆，为了填充盾构与加固土体间的间隙及完全地隔断加固土体与管片问的通道，需进行洞门处双液注浆封堵。

封堵措施：用带有注浆孔的弧形钢板将洞圈钢环和管片端面预埋钢板焊接成一个整体，通过压注双液浆的方式，将洞门处的到达环与车站的内衬结构、围护结构形成一个整体；完成弧形钢板注浆后，往洞内到达段管片的吊装孔和弧形钢板的注浆孔压注双液浆，压浆要分多次间隔注入，注浆中遵循先下部、后上部的原则，使加固的浆液逐渐向上扩展，避免死角，待前期的浆液凝固收缩后最后进行洞顶处的浆液压注，以此达到将间隙填充密实的效果，保证加固区段的管片与加固区土体成为一个封闭的防水体系。通过以上措施保证了管片(隧道衬砌)的稳定，有效防止隧道的变形，保证隧道结构的安全。

参考文献

[1]周烨.双液回退劈裂注浆在胡麻岭隧道富水粉细砂地层中的应用[J].现代隧道技术, 2012年4期.

[2]李新航,陈宇,彭加强,庄迎春,刘世明.杭州富水粉砂地层地道施工环境效应分析[J].浙江建筑，2008年1期.