富水粉砂地层盾尾密封改造在施工中的应用

文｜中铁四局集团第二工程有限公司 李海波 李治家 刘晓波

0 前言

我国轨道交通里程在逐年增长，特别是在一线、新一线城市中地铁线路之间的上跨、下穿越来变的普遍。但面对复杂地层、含承压水地层环境中，施工风险依然巨大，要在不影响运营线正常运转的情况下完成施工，对安全控制等级要求非常高，一旦出现事故将造成不可逆的损失。盾构法作为地铁施工最广泛使用的工法，其盾尾密封系统是防止地下水的关键因素，但是面对长距离粉砂地层掘进中，难免会造成盾尾密封损坏，为保证后续推进顺利，就需要在隧道内对尾刷进行更换或增设，而更换尾刷最关键的一步便是尾刷更换前的止水。

目前盾构施工过程中尾刷更换前的止水方法主要有冻结法和注浆法。冻结法施工加固效果安全可靠、适用面广、加固体可控性较好，但存在冻结设备占用空间较大、施工工期较长、成本较高等问题。常规注浆法方法简单，工期短，但在富水粉砂层中注浆效果难以保证。

杭州至海宁城际铁路余杭高铁站～许村镇站盾构区间隧道，在下穿杭州地铁1号线前，为保证穿越过程安全顺利，在富水粉砂地层中进行了盾尾刷更换及增设，采用的是组合注浆加固的止水方法。

图1 盾构下穿地铁1 号线剖面示意图

1 工程概况

杭州至海宁城际铁路余杭高铁站～许村镇站盾构区间左线隧道全长3126.22m，右线隧道全长3126.555m。该区间左线第2014 环～2051 环(环宽1.5m，共57m)、右线 第2019 环～2057 环( 环宽1.5m，共58.5m)范围下穿杭州地铁1 号线隧道（已运营）。该盾构区间与杭州地铁1 号线垂直最小间距3.2m，隧道覆土埋深18.5m，主要穿越地层为⑤4 粉砂层，该地层自稳能力较差，容易出现涌砂、涌水的情况。

2 组合注浆止水加固

2.1 土仓注膨润土

为了防止加固的浆液流入刀盘及土仓将刀盘包裹住，影响盾构机的再次启动，需对在盾构机土仓注入膨润土进行保护。膨润土在地面膨润土罐提前进行拌制，膨化24H 后运至隧道内使用。

为提高刀盘前方土体强度，利用到盘上已有的注水孔注入膨润土泥浆能在土体表面形成保护层。注入过程中注浆压力超过土仓压力时停止注浆，待压力减小后再继续注浆直到注满为止。

膨润土注入参数为：膨水比1∶4、注入率30%、掺入比16%，粘度29～31s 之间。

2.2 盾构壳体背后注浆

盾尾刷更换前利用克泥效工法注浆填充盾体与土层位置的间隙，防止地面沉降及抑制前方水向盾尾方向流动。盾构机前盾、中盾和盾尾分别配置6 个径向孔。

克泥效工法采用A、B 液混合，A 液为特殊膨润土液，配合比为：膨润土：水=400:825，B 液为水玻璃和水的混合液，比例为水玻璃：水=1∶1（体积比）。A 液：B 液=20∶1（体积比），根据前期施工总结，注入系数为280%时，效果较好，即每米需注入量为0.31m³。现场实际注入过程中前盾注入0.68m³、中盾注入0.81m³、盾尾注入1.15m³。

2.3 聚氨酯注入

为确保盾尾止水环箍效果，同时为防止盾尾刷检修位置注浆加固体对盾尾的约束，在盾尾后1 环管片吊装孔内注入水溶性聚氨酯，注入完成后根据雷达探测结果进行补注。当水溶性聚氨酯遇到地层中的水会迅速分散、乳化、膨胀、固结，形成胶凝体，可以很好的隔断第三道盾尾刷与地层水之间的水流通道。

图2 聚氨酯注入示意图

图3 增设注浆孔预埋件示意图

2.4 管片背后注浆

盾尾刷更换期间为减小地层水压对前方盾尾刷的影响，故对盾尾后10 环进行全环注入二次注浆，打设环箍。因使用的管片未增设注浆孔，施工过程中为确保二次注浆环箍止水效果，在盾尾后10 环管片上人工增加注浆孔，进一步增加环箍止水效果。

（1）管片增设注浆孔

针对未有注浆孔的管片，为确保盾尾后部止水加固效果在管片上进行开孔。管片预留吊装孔6 个，预计每环管片增设10个注浆孔，采用钻机开孔，当开到深度250mm 时停止钻进，用钢楔楔断岩心，取出后安装预埋件，预埋件安装采用植筋胶植入取芯孔内及使用4 根膨胀螺栓锚入管片进行固定。

（2）二次注浆

二次注浆过程中进行跳孔注入，从上到下跳孔注入，每环注入5 个孔位，封顶块不进行二次注浆，注浆过程中观察注浆扩散范围，如发现未注浆的注浆头位置流出浆液则停止注浆；二次注浆采用压力与注入量双控，二次注浆压力按≤0.9Mpa控制，每孔注浆量不小于0.75m³。

二次注浆的顺序应为，纯水泥浆注入1min，在注入水玻璃进行混合，其中在终孔应加大水玻璃的浓度。在一个孔位注入完成后需等待5～10min 后将该注浆头打开疏通，如果仍有水涌出，再次进行注入，当仅有少量清水渗出时，可拆除注浆头并用双快水泥砂浆对注浆孔进行封堵，安装塑料螺旋盖封堵并进行下一个孔位注浆。

表1 二次注浆浆液配比表(重量比)

图4 管片壁后雷达探测

（3）注浆效果检查

二次注浆环箍打设完成后，采用俄罗斯OKO-2 地质雷达探测仪对二次注浆效果进行检查，探测深度为管片背部30cm，每环延环向位置全环探测两处，探测过程中对注浆不饱满处进行标记，待整体探测完成后对注浆不饱满处进行二次注浆补注，直至填充饱满。

图5 降水井布置示意图

图6 降水井剖面图

2.5 增设减压降水井

为确保盾构机盾尾刷更换期间安全顺利，在地面增加4 口应急减压降水井，如尾刷更换期间出现盾尾漏水漏砂时启动应急降水井，应急降水井成井用冲击钻机。为保证成井质量，施工中采用清水护壁钻机，并进行清孔验收，在下放井管和滤料后进行洗井。降水井布设在隧道边线两侧3米处，深度为33m，过滤管15m，降水井底部打入黏土层3m。

3 盾尾密封改造

为保证盾尾密封效果，在距原第一道盾尾刷凸台160mm 处位置新增一道加强型盾尾刷，同时新增盾尾不影响盾构机管片拼装机的正常应用，保证推进千斤顶至新增尾刷行程大于1800mm。

新增尾刷与原尾刷之间的腔体油脂填充管路采用外置形式12 路外径25mm、孔径20mm 的油脂管，其中8 路延原8 处油脂管外表面布设，另外4 处在盾尾下半区对称位置增设。油脂管尾部与原油脂泵注入管路采用软管连接，通过球阀进行切换。新增油脂管与两块定制尾刷之间插入新增油脂腔体内。

新增尾刷与油脂管主要步骤：

（1）位置确定：在盾尾原来两道油脂管之间画线，确定油脂管位置和油脂腔中心位置；在距原来第一道尾刷凸台前290mm处的位置取4 个点位画环线，确定新增尾刷限位块位置。

（2）油脂管和限位块安装：油脂管按线路点焊至盾尾外表面，头部插入油脂腔中心位置，限位块采用25mm 圆钢按线路进行满焊，按油脂管两侧采用定制尾刷，头部紧贴限位块，两侧紧贴油脂焊接。按上述方式依次焊接12 处管路。

（3）搭接处密封处理：对2 块定制尾刷上护板进行焊接，压在油脂管的上部，同时将尾刷内部网片进行连接，钢丝进行交错，接缝出塞入钢丝球。

（4）油脂管路连接：油脂管尾部与原先的油脂泵注入管路采用软管连接，采用三通形式，通过球阀进行控制，切换油脂注入腔位置。

（5）尾刷焊接：紧贴限位块，从下往上依次排列其余尾刷进行固定，采用T 型焊接形式进行尾刷满焊，焊接完成后检查焊接质量。

4 结语

（1）富水砂层中水压较大，止水较难，通过对传统注浆法的改进，在非注浆环管片上增设注浆孔，使用组合注浆止水加固的方法，达到了很好的止水效果，为尾刷更换使用提供了良好的施工环境，保证了施工的安全。

（2）在刀盘和盾体位置分别注入膨润土和克泥效材料，同时降低了浆液包裹盾体或浆液流进刀盘的风险。

（3）合理优化尾刷更换与增设施工工序，更换与增设逐块同时进行，缩短了施工工期，降低了施工风险。

（4）新建隧道下穿后既有线隧道道床竖向位移最大值为1.8mm，水平位移最大值为1.2mm，轨间高差最大值为1.2mm，隧道水平收敛最大值为0.9mm。变形量均在控制范围内。

图7 新增盾尾刷示意图