复杂地层土压平衡盾构始发与接收施工风险及对策

马云新/MA Yun-xin（北京建工土木工程有限公司，北京 100015）

复杂地层土压平衡盾构始发与接收施工风险及对策

马云新/MA Yun-xin
（北京建工土木工程有限公司，北京 100015）

[摘 要]通过分析广州地铁6号线盾构3标左、右线土压平衡盾构在文化公园站复杂地层中始发、接收施工的失败和成功案例，分析了复杂地层土压平衡盾构始发与接收施工风险并提出对策，可为类似工程提供借鉴。

[关键词]复杂地层；土压平衡盾构；始发与接收；风险；对策

1 复杂地层土压平衡盾构始发与接收的施工风险分析

复杂地层是指在盾构的开挖面上，或者临近开挖面的上方存在饱和含水的砂层、淤泥层等无自稳性的地层。因为地层无自稳性，且地下水位高，在复杂地层中进行盾构始发和接收施工时极易发生洞口涌水、涌砂、塌方等事故，风险分析如下。

1）在盾构始发和接收之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取针对性的处理措施。地层处理一般采取固结灌浆、冷冻法等措施进行地层加固处理。加固的目的是提高土体的自稳能力和抗渗性能，避免始发、接收作业时洞门地层发生水土损失。然而在复杂地层中，因为土体本身的自稳性差，渗透系数高，且施工常常受地面管线等环境因素制约，端头土体加固的效果不好是在始发或接收施工中经常遇到的问题。

2）受盾构机型的限制，土压平衡盾构始发和接收施工时一般需要人工对洞门内混凝土进行凿除。如果端头土体加固不好，在凿除洞门混凝土的过程中以及洞门混凝土凿除之后，洞门土体易于发生涌水、涌砂、塌方等事故。

3）土压平衡盾构洞口密封的功能是防止盾构在始发或接收时管片壁后注浆的浆液外泄，按种类分有压板式和折叶式两种。洞口密封的施工分两步进行施工，第一步是在车站结构的施工过程中，做好始发洞门钢环的埋设工作；第二步是在盾构正式始发之前，先清理完洞口的碴土，再完成洞口密封的安装。然而始发和接收洞门的内径与盾体外径之间存在建筑间隙，以施工外径6 000mm隧道的海瑞克土压平衡盾构为例，其前盾外径为6 250mm，始发和接收洞门为内径一般为6 500mm，当盾构始发或接收洞门处于复杂地层且加固不良时，虽然洞门安装有洞口密封，上述间隙仍然可以成为砂和淤泥的泄露通道，造成事故。其次，洞口预埋钢环需要与车站结构钢筋连接在一起，但受施工工艺的影响，钢环底部的连接钢筋往往焊接质量难以保证，或者洞口钢环安装困难时部分连接钢筋会被切断，盾构始发或接收时，洞口预埋钢环如果安装不牢固，受到盾构施工荷载作用时钢环可能与车站结构墙发生脱离，在不良地层，脱离的缝隙会成为水土流失的通道。

4）土压平衡盾构始发时，土压力是逐步建立的过程，也就是说盾构刚刚始发时，实际上是在欠压掘进，当处于复杂地层始发时，易于造成地面沉降或塌方；土压平衡盾构接收时，盾构需要逐步降低土压力，如果处于复杂地层接收时，也易于造成地面沉降或塌方事故。

5）盾构始发时为了减少洞口的漏浆，需要盾尾前行到距洞口密封一定距离时再开始同步注浆，因此管片与土体之间的建筑间隙未被及时填充或填充不密实；盾构接收时，当洞门混凝土凿除完毕后，盾构前推时，由于前方没有了封堵，同步浆液易于从盾体前方流失，造成管片与土体之间的建筑间隙填充不密实。当盾构同步注浆系统为单液注浆系统时，由于受浆液流动性和凝结时间的限制，管片与土体之间的建筑间隙更不易被填充密实。在复杂地层，管片与土体之间的建筑间隙可能会成为水和砂的流失通道。

6）盾构刀盘与盾体直径不同，以广州地铁使用的德国海瑞克土压平衡盾构为例，刀盘外径6 280mm，前盾外径6 250mm，中盾外径6 240mm，盾尾外径6 300mm，刀盘的开挖轮廓与盾体、盾尾外径之间存在间隙，当盾构在复杂地层始发或接收时，上述间隙可以成为水和砂的流失通道。

2 复杂地层土压平衡盾构始发、接收的施工风险对策

1）良好的端头土体加固效果是盾构始发和接收施工安全的根本保障，根据地层具体情况选择加固方法，并且严格控制整个施工过程。常用的处理方法有搅拌桩、旋喷桩、注浆法、冷冻法、素桩法等。加固后的土体需同时满足强度和渗透性要求，加固完成后应对地层进行取芯并进行检测。同时要注意对加固区与车站围护结构之间的间隙进行注浆填充处理，堵塞水土泄漏的垂直通道。

2）采用适当的洞门围护结构凿除方式，掌握好洞门围护结构的凿除时机。对于复杂地层的始发洞门，凿除时机不宜过早，当盾构已完成调试，具备前推条件时再开始凿除洞门混凝土，整个施工一般分2次进行，第一次先将围护结构主体凿除，只保留围护结构的外侧钢筋保护层，之后盾构继续前推，在刀盘前方留出必要的操作空间，将最后的保护层混凝土凿除完毕后盾构快速前推，刀盘抵达掌子面。对于复杂地层的接收洞门，如果土体加固效果经确认良好，洞门的凿除宜在安装好接收基座后，盾构进入接收段掘进之前开始，到盾构距离洞门15环之前时结束。否则，洞门凿除作业宜在盾构抵达围护结构，接收基座安装到位后进行。始发和接收洞门的凿除施工应连续，快速进行，减少洞门土体的暴露时间。开洞时如发生土体坍塌和水土流失，如果只在小范围发生时可采用边凿除洞门混凝土，边用喷射混凝土对土体临空面进行封闭。如果土体坍塌失稳情况严重时，只有封闭洞门重新加固。

3）洞口预埋钢环需要与车站结构钢筋连接牢固，周边混凝土振捣密实。对于复杂地层的洞门钢环，可在钢环周边的结构墙上采取植钢筋并与钢环连接的方式对其进行加固。同时，为了减小钢环内径与盾构外径之间的建筑间隙，可以采用在钢环内侧进行锚喷、用棉被等填充物进行填塞等措施。应采用完好的止水帘布和洞门压板或折页板。在复杂地层中，除了用螺栓将洞口密封固定到洞口钢环外，还可采用外部附件支撑来加固洞口密封，防止其与洞口钢环脱离。

4）在复杂地层进行盾构始发与接收时，当采用单液浆时，应提高浆液中水泥含量，加快浆液的初凝，也可用采用打开管片注浆孔，注入瞬凝型双液浆来代替同步单液浆。当盾构始发时，为了尽快封堵洞门，当盾尾离开洞门止水帘布2环管片后，可通过在帘布附近的管片注入聚氨酯材料的方法，尽快封堵洞门。

5）为了填充刀盘的开挖轮廓与盾体、盾尾外缘之间的间隙，可通过盾构中体，前体上预留的径向注浆孔向盾体外注入聚氨酯材料，阻断水、砂的流失通道。

3 复杂地层土压平衡盾构始发、接收的事故案例

3.1 工程简介

广州市轨道交通6号线盾构3标段【黄沙站～海珠广场站盾构区间】盾构工程，包括海珠广场站～一德路站、一德路站～文化公园站、文化公园站～黄沙站三个盾构区间隧道及其附属工程。

盾构区间左右线累计全长4 814.968m，【海珠广场站～一德路站】区间左右线合计1 488.515m，【一德路站～文化公园站】左右线合计1 688.04m,【文化公园站～黄沙站】左右线合计1 638.413m。工程范围示意图见图1。

本工程采用2台德国海瑞克土压平衡盾构施工，刀盘外径为6 280mm，采用单液注浆系统。盾构从位于海珠广场的盾构始发井始发，左线盾构于2007年5月始发，右线盾构于2007年6月始发，左、右线盾构分别穿越一德路站、文化公园站，到达黄沙站接收。

3.2 地质及水文情况

盾构区间所穿岩层主要为全风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩。另外，本区间临近珠江，区间走向与珠江平行，最近处约70m。区间范围含水层粉细砂、中粗砂层厚度较大，且连续分布至珠江边，本场地第四系层中的地下水与珠江水有较紧密的联系。

3.3 文化公园站左线盾构接收事故案例

文化公园站为明挖法车站，采用厚度1 000mm的连续墙围护结构。2009年3月25日，左线盾构接收时，在盾体推上基座的过程中，盾构刀盘已距接收井端墙2.7m时，突然发生涌水涌砂事故。大量的砂、淤泥与水的混合物从盾体与接收洞门的左侧间隙喷涌而出，在5min的时间内40m3左右砂、淤泥与水的混合物涌至接收井底部，淹没了接收基座，造成接收端地面塌陷，塌陷范围约5m×6m，最深处约2m。

3.3.1 接收段的地质及水文情况

文化公园站左线接收端地层见图2、图3。岩性特性如下。

<1>人工填土层:主要为杂填土，颜色为杂色、褐灰色，组成物较杂，有粘土、砂石、砼块、砖块、瓦碎块等建筑垃圾和生活垃圾，欠压实～稍压实，松散～稍密状。

图1 工程范围示意图

图2 文化公园站左线接收端地质纵剖图

图3 文化公园站左线接收端地质横截面图

<2-1B>淤泥质土层：灰褐、深灰、灰黑色，以粘粒为主，含有机质，不均匀含细粉砂，局部见少量贝壳、碎石等杂质，有腥臭味，饱和、流塑状态。本层土属高压缩性欠固结软土，渗透性较差。

<3-1>冲积—洪积粉、细砂层：浅灰、黄灰色，饱和、松散～稍密，石英质粉细砂为主，不均匀含粘、粉粒，稍有粘结，局部含有机质，偶夹淤泥质土极薄层。本土层含水量较丰富，渗透性较好，实验室测得渗透系数kv=2.4m/d。根据砂样分析，粘粒含量为3.9%。

<3-2>冲积—洪积中、粗砂层：灰色、灰黄色等，饱和，稍密～中密，以石英质中粗砂为主，局部含石英细砾，含少量粘粒。本土层含水量较丰富，渗透性好，实验室测得渗透系数kv= 17.3m/d。根据砂样分析，粘粒含量为3.4%。

<5-2>残积粉质粘土、粉土层：灰白色、褐红色，稍湿，硬塑状粉质粘土或中密状粉土，由下伏白垩系基岩风化残积而成，浸水易软化。实测锤击数N=13.0～29.0击，平均值23.2击。

<6>岩石全风化带：呈褐红色，原岩组织结构已基本风化破坏，但尚可辨认，芯呈坚硬土状粉质粘土或密实状粉土，主要由泥岩、砂岩、含砾粗砂岩组成。实测锤击数N=30.0～49.0击，平均值38.1击。

<7>岩石强风化带：呈褐红色，岩石风化强烈成半岩半土状，原岩结构大部分已破坏，岩石结构强度很低，岩石结构较疏松，岩芯用手可折断。实测锤击数N=50.0～75.0击，平均值55.6击。

<8>岩石中等风化带：呈褐红色，中厚层～厚层状结构，裂隙发育，岩芯呈短柱状或碎块状，岩质稍硬，较易击碎，局部层间夹强风化岩薄层。

<9>岩石微风化带：呈灰白色、褐红色，中厚层～厚层状结构，层间结合良好，层间局部为中风化岩薄层，岩体较完整（RQD值一般介于70%～90%），岩芯呈柱状，岩质较坚硬，锤击声脆，属较软岩～较硬岩，为易软化岩石。

地下水情况如下：文化公园左线接收端头，孔隙水含水层主要有填土层、粉细砂层<3-1>、中粗砂层<3-2>，水位埋深为3.06m，孔隙潜水稍具承压性。基岩风化裂隙水赋存于中、微风化岩中的风化裂隙之中，基岩风化裂隙水为承压水。盾构长时间停机后，土压计显示水压稳定在0.2MPa。由地层剖面图及地质、水文情况可知，接收洞门的拱部以上存在厚度1m左右的岩石全风化<6>层，上方存在10m左右的饱和砂层和饱和、流塑状的淤泥层，地下水位于洞门拱顶以上12.1m处，地层复杂，风险性高。

3.3.2 事故原因分析

1）受地面管线的影响，只能在5m的范围内打垂直孔进行加固，其余3m范围打斜孔进行加固。

2）采用单管旋喷法加固，由于砂层饱和含水，且渗透系数大，稀释了浆液，加固效果不理想。

3）端头加固时，文化公园站正在进行结构施工，盾构接收前，文化公园站进行了拆内支撑作业，内支撑拆除后，车站围护结构向内侧发生了变形，造成加固体与围护结构之间产生了垂直缝隙。

4）洞口密封装置效果不理想，止水帘布和折页板未能与盾体密贴。

5）同步浆液为单液浆，实测凝结时间约7小时，盾构前推出2.7m后，由于同步浆液尚未凝结，在洞门处存在漏失，造成管片与土体之间的建筑间隙充填不密实。而端头土体加固时打穿了洞门拱顶以上1m左右的岩石全风化<6>层，<6>层以上的饱和砂层、淤泥层穿过<6>层，从管片与土体之间的间隙泄漏而出，穿过洞口密封装置倾泻而下。

3.3.3 应急处置措施

1）涌砂暂时停顿后，从盾体与接收洞门的左侧，水和砂的泄漏处纵向插管，之后注入水溶性聚氨酯，注入约4t。

2）用棉被、钢管加固泄露处的洞口密封装置。

3）从盾尾的后方第3环的管片开始，连续5环注入聚氨酯，总注入量约5t，防止盾尾后方的地层流失，避免造成后方地面和建筑物出现连锁反应。

4）在地面对应盾尾的部位打孔，注入水泥-水玻璃双液浆，填充地层空隙。

5）填平地面塌陷坑，观测地面的沉降变化，沉降稳定后停止地面注浆。

6）继续前推盾构时改用外加泵从邻近盾位的管片注入瞬凝型水泥-水玻璃双液浆代替同步注浆。

7）盾尾拔出洞口后立刻用喷射混凝土封堵管片背后间隙。

通过采取以上措施，左线盾构最终进行了接收，之后立即施工了接收洞门的环梁。

3.4 文化公园站左线盾构二次始发事故案例

2009年4月30日，左线盾构在文化公园站二次始发时，掘进正5环，千斤顶行程至900mm左右时，突然洞口预埋钢环与车站始发端墙脱开，脱开范围约1m，脱开缝隙宽30～50mm，同步浆液以及砂，淤泥与水的混合物从裂口处喷出，喷出量约30m3，造成洞门前方5～6m处地面发生沉降，沉降范围4m×5m，最深处约2m，引发洞门前方6m处工地围墙坍塌，坍塌长度约20m，以及围墙内侧一条直径200mm的铸铁供水管折断。

3.4.1 接收段的地质及水文情况

左线文化公园站接收端地层如图4、图5所示。由地层剖面图及地质、水文情况可知，接收洞门的拱部以上存在厚度0.9m左右的岩石强风化<7>层和0.7m左右的岩石全风化<6>层，上方存在10m左右的饱和砂层和饱和、流塑状的淤泥层，地下水位于洞门拱顶以上12.6m处，地层复杂，风险性高。

3.4.2 事故原因分析

1）地面存在军缆，无法改移，只能在4m的范围内打垂直孔进行加固，其余2m范围打斜孔加固。

2）采用单管旋喷法加固，由于砂层饱和含水，且渗透系数大，稀释了浆液，加固效果不理想。

3）洞口预埋件与车站结构钢筋连接不好，盾构始发时洞口钢环受到盾体的挤压力、拖拽力，使得洞口钢环与混凝土端墙脱离。

4）掘进正5环时，盾尾刚离开洞门约3.0m，此时刚刚开始同步注浆，同步浆液为单液浆，实测初凝时间约7h，由于同步浆液尚未凝结，在洞门处存在漏失。由于此时洞门与盾尾距离过近，为保护盾尾刷和防止盾尾被浆液抱死，尚未开始从管片吊装孔进行二次注浆，也未开始封堵洞门作业，造成管片与土体之间的建筑间隙充填不密实。

图4 文化公园站左线始发端地质纵剖图

图5 文化公园站左线始发端地质横截面图

5）盾构刚刚始发，平衡土压尚未建立，土仓内填充不密实。掘进时泡沫产生的气压作用在洞口密封和洞口钢环上，加上盾构施工荷载的影响使得洞口钢环突然与结构墙脱开，造成管片背后的间隙突然降压，而加固时打穿了洞门拱顶以上1.6m左右的岩石全风化<6>层和岩石全风化<7>层，<6>层和<7>层以上的饱和砂层、淤泥层穿过<6>层和<7>层，从管片与土体的间隙泄漏而出，穿过洞口钢环与车站结构墙之间脱开的缝隙喷涌而出，进而引发了盾构仓内产生了塌方和地面塌方。

3.4.3 应急处置措施

1）喷砂暂时停顿后，通过+1环,+2环的管片吊装孔向管片壁后注入水溶性聚氨酯，注入约4吨，直至凝结的聚氨酯填塞住钢环与结构墙的裂隙为止，之后再次打开+1环,+2环的管片吊装孔，注入水泥-水玻璃瞬凝型双液浆。

2）用钢管支顶脱开位置的洞口钢环，钢管的后方焊接到钢负环上，作为持力点，之后用钢管支顶钢环其余的外边缘部位（底部除外）。

3）从盾构前盾拱部径向注浆孔（6个孔）和中盾底部径向注浆孔（5个孔）注入聚氨酯，总注入量约2t，防止刀盘前方水和砂经由刀盘与盾体的间隙流失。

4）在洞口预埋钢环四周的车站端墙上植钢筋，用植筋加固钢环（底部除外）。

5）在盾尾所对应的地面打孔，注入水泥-水玻璃双液浆，填充地层空隙。恢复供水管，填平地面塌陷坑，观测地面的沉降变化，沉降稳定后停止地面注浆。

6）通过采取以上措施，左线盾构最终完成了始发，盾构台车全部进入隧道后，立即施工了接收洞门的环梁。

4 复杂地层土压平衡盾构始发、接收的成功案例

4.1 文化公园站右线盾构接收成功案例

1）接收端地层描述 右线文化公园站接收端地层如图6、图7所示。由图可知，洞门拱顶以上存在约1.2m的残积粉质粘土<5-2>层，之上是10m左右的饱和砂层和饱和、流塑状的淤泥层，地下水位于洞门拱顶以上12.15m处，地层复杂，风险性高。

2）应对措施 ①在盾构接收前，在地面紧贴连续墙外侧布设注浆孔，注入瞬凝型水泥-水玻璃双液浆，填充连续墙与加固土体之间的缝隙；②在盾构接收前，在洞门钢环周边的结构墙上植钢筋，加强洞门钢环与结构墙的连接；③在洞门钢环的内侧焊接钢筋并锚喷混凝土，形成内径6250mm左右向外倾斜的楔面环形结构，以减小洞口钢环与盾体之间的建筑间隙；④洞口内连续墙凿除至外层钢筋时即停止，剥离外层钢筋，保留外层钢筋的保护层混凝土，之后清碴，安装接收基座，盾构前推时用刀盘切割掉保护层混凝土；⑤安装完整性好的止水帘布，折页板上穿钢丝绳，并通过紧线器张紧，盾体前推时将洞口帘布及折页板紧箍在盾体上；⑥掘进隧道最后10环时，采用管片壁后注瞬凝型水泥-水玻璃双液浆代替同步单液浆，方法是在盾构前推时，采用两台外加双液注浆泵，打开临近盾尾环的肩部注浆孔，注入双液浆，注入率130%以上，随推进逐环注入；⑦由于最后一环管片的前端面距接收井端墙内侧面尚有400mm的距离，为防止盾尾脱离洞门时从管片壁后漏浆或流砂，特加工了环宽900mm的钢管片，钢管片上预制了注浆孔，盾尾钢刷脱离洞门后，通过紧线器拉紧折页板及帘布，使折页板和帘布紧箍在钢管片上，并通过预制注浆孔，向钢管片壁后注入双液浆；⑧盾构接收施工完毕后，马上施工洞口环梁。

图6 文化公园站右线接收端地质纵剖图

图7 文化公园站右线接收端地质横截面图

通过采取以上措施，右线盾构在2009年5月16日～25日安全顺利地完成了接收。

4.2 文化公园站右线始发成功案例

1）始发端地层描述 右线文化公园站接收端地层如图8、图9所示。由图可知，洞门拱顶以上存在约1.2m的<7>岩石强风化带层，之上是10m左右的饱和砂层和饱和、流塑状的淤泥层，地下水位于顶门拱顶以上12.6m处，地层风险性高。

图8 文化公园站右线始发端地质纵剖图

图9 文化公园站右线始发端地质横截面图

2）应对措施 ①在盾构始发前，在地面紧贴连续墙外侧布设注浆孔，注入瞬凝型水泥-水玻璃双液浆，填充连续墙结构与加固土体之间的缝隙；②在盾构始发前，在洞门钢环周边的结构墙上植钢筋，加强洞门钢环与结构墙的连接；③在洞门钢环的内侧焊接钢筋并绑扎棉被，以减小洞口钢环与盾体之间的建筑间隙，减小洞口的漏气、漏浆；④洞口内连续墙凿除至外层钢筋即停止，剥离外层钢筋，保留外层钢筋的保护层混凝土，之后清碴，安装接收基座，盾构前推时用刀盘切割掉保护层混凝土；⑤安装完整性好的洞口帘布和折页板，盾体进入洞门后检查折页板与负环管片的间隙是否均匀，在间隙过大的部位通过塞入棉被、焊接扇形板加强等方式增强洞门的密封效果；⑥当+1环,+2环的管片完全脱离盾尾后，通过吊装孔向管片壁后注入水溶性聚氨酯，注意在注聚氨酯的同时要打开全部的同步注浆管，向盾尾后方缓慢注入稠膨润土液体，防止聚氨酯堵塞同步注浆管；⑦通过+1环,+2环的管片吊装孔注入瞬凝型双液浆，之后尝试注入同步单液浆，如果洞口漏浆再补注瞬凝型双液浆，直至洞门完全封堵好之后再继续推进盾构。

通过采取以上措施，右线盾构在2009年7月9日～27日安全顺利地完成了二次始发。

5 结 语

由于复杂地层的高风险性，在复杂地层进行盾构始发、接收作业风险性大，即使是富有经验的承包商施工时也易于发生涌水、涌砂等事故。必须通过认真分析风险，科学组织，精心管理，采取针对性的措施来降低风险。本文提供的在同一个车站，类似地层的失败和成功案例，对复杂地层土压平衡盾构始发和接收风险及对策进行了详细的阐述，可为类似工程提供借鉴；本文还说明，通过认真分析风险，采取针对性的对策，可降低高风险地层始发和接收的风险，避免事故。

[参考文献]

[1] 竺维彬，鞠世健等．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．

[2] 竺维彬，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．

[3] 乐贵平，王 良，关 龙．盾构工程技术问答[M].北京：人民交通出版社，2013．

（编辑 张海霞）

［中图分类号］U455.43

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)04-0061-07

［收稿日期］2015-02-16

Risk and countermeasures of complex formation earth pressure balance shield starting and receiving construction