软土地层盾构进出洞渗漏水来源分析及预防措施

张子敏

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

盾构进出洞施工既是盾构法隧道施工中的关键环节，也是一道风险性较大的工序，其中进出洞主要的风险来自盾构进出洞过程中产生的渗漏水，若处理不当，易造成洞门的涌水涌砂，带来难以预估的后果。洞门渗漏水的产生通常为突发情况，需及时进行应急处置，应急手段是否有效取决于是否对症下药，所以在盾构进出洞施工前进行事前管控，通过对地质情况、环境情况、结构情况等可能产生渗漏水的状况进行预判，并制定针对性应急预案显得尤为重要[1-5]。

在上海地区，软土地层本身地质条件不利，加之近年来的工程建设发展迅速，地铁建设埋深越来越大，工况越来越复杂，所以盾构进出洞面临的风险也越来越大。

本文结合上海轨道交通工程盾构进出洞施工实际，对其作业过程中出现渗漏水的原因进行分析，并探索相应的预防措施。

1 盾构进出洞渗漏水的常见形式

在盾构进出洞的整个施工作业过程中，渗漏水的产生可能发生在2个时间段。

第1个时间段为洞门凿除时。洞门凿除常规作业方式为通过人工由洞圈顶部往底部逐步凿除洞圈内地下连续墙混凝土，最后仅保留外排钢筋及混凝土保护层抵挡外部土体。整个凿除过程中，洞圈位置面对的围护结构水平力逐步减小，且混凝土保护层在凿除过程中易产生裂缝，若此时外部土体内存在动水，会通过混凝土保护层裂缝进入端头井。第2个时间段为盾构进出洞过程中，盾构机穿越加固土体时产生的渗漏水。此时的渗漏水通常为2种表现形式，一是通过盾构机壳体与洞圈钢板间隙产生渗漏水情况，二是通过盾构机螺旋机的通道产生渗水情况。

2 盾构进出洞渗漏水来源分析

根据近期上海轨道交通工程建设中的实际案例，对盾构进出洞阶段出现的渗漏水情况进行了分析总结，渗漏水的产生主要受以下3个因素影响：盾构进出洞区域复杂地层影响、盾构进出洞区域外部环境影响、盾构进出洞加固土体与地层因素综合影响。

2.1 复杂地层影响

上海地区的地层为软土地层，地层中含水量较高，且不良的地层覆盖面较广。对工程地质不利的既有浅层的②、③层粉土层，又有常规深度的⑤2层微承压含水层，还有深层的⑦层承压含水层。无论如何进行线路位置、标高优化，都无法完全避开不良地层的影响。盾构进出洞施工过程中对土体扰动的同时，洞门位置存在压力释放点，不良地层内的水源通过盾构机壳体间隙进入端头井内，引起施工风险。

2.2 外部环境影响

2.2.1 进出洞区域存在上部既有结构

鉴于城市地下交通发展的趋势，市内、城际交通走廊尚需面对轨交网络与地下快速通道网络在地下空间使用上的冲突。在城市轨交、地下快速路网络日益发展的当前，将两者有机结合，进行一体化的建设模式，较好地解决了城市地下空间局限性的难题。

解决难题的办法就是将城市快速路地下通道结构与轨道交通工程在同一位置、同一线路呈上下叠交的方式进行施工，轨道交通区间隧道常规位于地下通道结构下方。按照上述设计结构布局，正常的施工流程为：先进行地铁地下车站施工，后进行地下车站之间的地下立交通道施工，最后进行地铁区间隧道施工。

按照常规施工流程，地下车站结构完成后即开始区间盾构推进施工，基本无时间间隔。但若考虑上下叠交的工况，地下车站结构完成后还需进行地下通道施工，方可进行盾构始发，时间间隔近1年。

该工况下实施盾构进出洞施工，排除复杂地层的因素，仍存在以下2种渗漏水通道的可能：

1）地下车站结构、地下立交结构以及后浇带先后施工完成，相邻结构施工段时间间隔长、沉降稳定周期不一致，地下立交结构与地下车站结构施工缝位置质量不可控，施工缝本身受差异沉降或外力影响易产生裂缝，出现渗漏水通道。

2）地下立交通道为地下1层结构，围护结构深度通常为15～20 m；而地铁车站通常为地下3层结构，盾构于地下3层结构出洞推进，盾构中心标高深度一般在20 m以下，此时地下通道围护结构深度无法超过区间隧道底埋深，无法起到隔水帷幕的作用（图1）。

图1 盾构与上部既有结构关系示意

但由于围护结构底部位于区间隧道两侧甚至顶部，导致围护结构与周边土体的交接缝易形成渗水通道，将浅层水、地表水引至区间断面内，造成施工时渗漏水。

2.2.2 进出洞区域存在雨污水管线

城市内进行地铁工程施工，地下车站不可避免需设置在现有道路上，施工前需进行道路翻交、管线搬迁。尤其是大口径的雨污水管，设计流量大，在管线搬迁后，需做好管口的封口处理。

由于管口封堵质量涉及人为因素较多，一旦封堵质量不佳，封堵口仍有水流通道，管内正常排放水流或积水会通过断管位置流入土层，在土层内形成水团积聚。一旦盾构施工扰动土体，打破土体应力平衡后，积聚在土层内的水会从洞口流入盾构结构，引发渗漏水。

2.3 进出洞加固体与土层的综合影响

盾构进出洞区域为保证风险可控，常规应采用水泥系进行加固，水泥系加固工艺通常采用三轴搅拌桩及高压旋喷桩施工工艺，再根据原状土层的情况选择是否应用冻结法加固。水泥系加固的范围一般为洞圈上下左右各3 m的范围，长度一般为6～10 m。以下结合具体案例进行分析。图2为某区间盾构出洞端头井地质剖面示意。

图2 盾构始发井剖面示意

该盾构出洞加固区原方案全部采用高压旋喷桩工艺进行加固施工，因加固区域内有1组宽约1.1 m的电力排管，中心深度约2 m，所以电力排管两侧加固方式调整为各1排MJS工法桩加固，其余位置仍为高压旋喷桩。另考虑地层因素，洞圈范围内存在⑤1t灰色砂质粉土层，该土层渗透性较强，且与⑤2a微承压含水层相连，故在水泥系加固基础上增加了水平冷冻法加固，其冻结板块长度为2.21 m，外圈冻结壁长度为3.7 m。

该工程盾构出洞施工所出现的情况为：盾构机刀盘在切削冻结杯底时一切正常，当刀盘击穿冻结壁杯底后进入高压旋喷桩加固区时，螺旋机出土口出现喷水喷砂情况；盾构机刀盘进入MJS工法桩加固区后，螺旋机出土恢复正常掘进状态；盾构机刀盘再次进入高压旋喷桩加固区后，盾构机与洞圈钢板间隙出现少量渗水情况；盾构机刀盘完全进入原状土层后，施工恢复正常。图3为某区间盾构进洞端头井地质剖面示意。

图3 盾构接收井剖面示意

该盾构进洞加固区原方案采用三轴搅拌桩结合高压旋喷桩工艺进行加固施工，长度12 m（搅拌桩加固11.5 m，高压旋喷桩加固0.5 m），宽度22.701 m。

其中，三轴搅拌桩分为加固1区（弱加固区）、加固2区（强加固区）。施工前考虑盾构进洞区域距区间隧道底部约1 m存在⑤2a层微承压含水层，故在原水泥系加固基础上增加了水平冻结法加固，其冻结板块长度为2 m，外圈冻结壁长度为10 m。

该工程盾构进洞施工所出现的情况为：盾构机刀盘自原状土层进入水泥系加固区之后，螺旋机出现喷水喷涌的情况；盾构机刀盘进入冻结杯底后，螺旋机出土恢复正常；盾构机刀盘击穿杯底进入井内时，洞圈底部出现渗漏水情况。

综合上述实际案例分析，盾构机出洞时穿越加固土体后、进洞时进入加固土前、盾构机位于原状土层时，均未发生渗漏水情况。盾构一旦经过加固土层与原状土层交界面，渗漏水情况即发生，且在类似土层条件下，不同加固工艺施工的加固体施工效果也有较大差异。渗漏水来源判断为加固体深入微承压含水层后，水源通过加固桩体与原状土层间隙进入盾构作业面产生。

因此，渗漏水的产生原因均取决于加固体与地层的综合影响，主要的因素有如下几个：加固体的工艺选择、加固体的深度、复杂地层的深度、加固体深度与复杂地层深度的关系。

3 预防措施

3.1 水泥系加固工艺选择

根据地质情况，决定采取水泥系加固施工工艺，若进出洞区域存在不良地质条件，例如⑦层承压含水层、⑤2层微承压含水层，建议优先选择MJS工法桩或三轴搅拌桩进行加固施工，成桩效果较好。

3.2 水泥系加固深度选择

水泥系加固常规加固范围为洞圈周边3 m，若加固范围内存在不良地层，且距离洞圈底部1 m以上，建议水泥系加固深度不进入不良地层，避免将地下水引入隧道断面。

3.3 水平冻结加固范围选择

涉及复杂地层的盾构进出洞加固，建议在水泥系加固的基础上增加水平冻结加固，采用杯形冻结加固，杯壁长度大于盾构机长度。

3.4 盾构进出洞施工过程中的注浆优化

施工过程中良好的环箍注浆质量能有效避免出现洞门渗漏水的情况。

1）盾构出洞环箍建议不少于3道，应在围护结构与地层交界面、加固区土体与未加固区土体交界面分别设置1道有效环箍，其他位置环箍需根据实际情况确定。

2）盾构进洞时，在盾构机刀盘接触围护结构时，在盾尾位置及时进行环箍注浆，建议采用满堂环箍。

3.5 其他注意事项

若盾构进出洞施工区域上部存在既有结构、雨污水管线，应注意以下事项：

1）水泥系加固时间尽可能提前，确保主加固区有足够的养护时间。

2）洞门探孔在盾构进场前提前打设，观察探孔情况，如有异常考虑增加冻结，避免因盾构机下井后再增加冻结，导致盾构机需平移后退及工期延误等问题。

4 结语

上海地区软土地层实施盾构进出洞时，若发生渗漏水情况，是极其需要重视的风险情况。但是渗漏水的产生可能是由多方面原因共同造成的，既有可能是土层内的水源，也有可能是地表水源。土层内的水源比地表水源的施工风险要大得多，所以根据施工位置的地层情况、周边环境情况预判可能发生渗漏水的原因，提前采取针对性措施，对降低施工风险能够起到决定性作用。