淺談復(fù)雜環(huán)境下粉土粉砂地層盾構(gòu)進洞施工技術(shù)

陳 卓，陳 強

(中鐵二局股份有限公司城通公司，上海200336)

1 工程概況

1.1 進洞段概況

秋濤路站～城站站區(qū)間左線隧道共計管片931環(huán)，盾構(gòu)推進至907環(huán)之后進入進洞段掘進，區(qū)間左線城站進洞段長約30 m，2‰的上坡進洞，隧道頂埋深10.38 m。盾構(gòu)進洞端情況如圖1、圖2。

圖1 左線進洞端平面圖

圖2 城站端頭井縱剖面圖

1.2 水文地質(zhì)

工程區(qū)淺部地下水屬孔隙性潛水類型，主要富存于上部①層填土及③層粉土、粉砂中，補給來源主要為大氣降水及地表水。盾構(gòu)進洞穿越地層為:③3層砂質(zhì)粉土、③6層粉砂夾砂質(zhì)粉土。均呈飽和狀態(tài)，滲透性略好，屬弱透水層，為主要的潛水含水層，具有明顯的觸變性和流動性，在水動力條件作用下，易產(chǎn)生管涌、流砂及振動液化現(xiàn)象。

1.3 周邊建(構(gòu))筑物情況

秋濤路站至城站站區(qū)間左線進洞主要穿越建構(gòu)(筑)物有城站地下出租車道、高架橋、城站站附屬結(jié)構(gòu)3A出入口。中間連接通道后，左線隧道邊線距離中間連接通道1.2 m，距離3A出入口6.85 m。頂部距離3A出入口開挖線3.68 m(圖3)。該出入口正處于開挖階段，且發(fā)生過多次的涌水涌砂現(xiàn)象。根據(jù)右線進洞情況，3A出入口的涌水涌砂對盾構(gòu)進洞存在極大的施工風險。

圖3 中間連接通道、3A出入口與左線剖面關(guān)系圖

1.4 洞門端頭凍結(jié)加固情況

端頭井采用水平冷凍方式加固，凍結(jié)孔按水平角度布置，孔數(shù)56個，外圈凍結(jié)加固長度11 m，內(nèi)圈凍結(jié)加固長度2.5 m，如圖4所示。

圓柱體凍結(jié)孔沿洞門中心作直徑8.0 m圓形布置。外圈孔(W孔)開孔間距為0.78 m，孔徑89 mm，孔數(shù)32個，長度12.4 m。板塊凍結(jié)孔沿洞門中心按直徑為5.4 m、2.7 m圓形布置。其中中圈孔(Z孔)開孔間距為1.123 m，孔數(shù)15個，凍結(jié)孔長度3.9 m;內(nèi)圈孔(N孔)開孔間距為1.033 m，孔數(shù)8個，凍結(jié)孔長度3.3 m;洞口中心布設(shè)1個凍結(jié)孔，凍結(jié)孔長度3.3 m。

圖4 洞門冷凍孔布置

2 盾構(gòu)進洞施工風險

通過前期右線進洞情況及現(xiàn)場實際情況分析，秋城區(qū)間左線進洞存在以下風險。

2.1 地表水含量極高

從城站出租車通道及鐵道大廈底板結(jié)構(gòu)分析，其下部存在大量的地表水，在左線盾構(gòu)進洞時這些水猶如一個“水庫”一般懸于冷凍體尾部的上方。在左線的進洞過程中，如此大量且壓力高的水源將直接影響著進洞安全。

2.2 土層擾動極大

城站站附屬結(jié)構(gòu)3A、3B出入口及中間連接通道發(fā)生了多次大型涌水涌砂，地下可能存在空洞;兼之右線進洞過程中也發(fā)生了流水事件，對土體的擾動極大，增加了土體的流動性。

2.3 進洞過程中縱向通道封堵困難

由于秋城區(qū)間開挖用的海瑞克盾構(gòu)機呈“椎體”造型，(刀盤及盾尾直徑分別6.45 m和6.37 m，有8 cm的間隙)若是在盾體向外徑方向施作注漿，盾構(gòu)機推進時盾體外漿液堵塞使縱向滲漏通道失去作用。若是盾尾管片上施作徑向施作注漿，僅有2環(huán)可以施作，而且其中一環(huán)剛進入加固土體(圖5)。

圖5 盾構(gòu)縱向通道示意

3 盾構(gòu)進洞施工

3.1 施工流程

施工流程見圖6。

圖6 施工流程圖

3.2 盾構(gòu)進洞前期準備工作

(1)城站3A出入口回填處理及降水井備用。根據(jù)秋城區(qū)間右線進洞經(jīng)驗，盾構(gòu)左線進洞前須對3A出入口及其中間連接通道用黏土回填至地表以下2 m位置。

在進洞過程中利用城站3A號出入口施工時的4口坑外降水井做為備用降水井。在盾構(gòu)進洞前，須做好抽水試驗，確保應(yīng)急條件下降水設(shè)施正常使用。

(2)洞門復(fù)測。洞門中心通過測量，沿盾構(gòu)推進方向洞門中心左偏－3.4 cm，上偏1.5 cm，洞門橫徑6.73 m，豎徑為6.702 m，滿足盾構(gòu)進洞精度要求。

(3)基座安裝。為保證盾構(gòu)進洞過程中機身的穩(wěn)定，基座采用C25混凝土施作，全長12.7 m，呈“凹”狀?；炷粱厦?0 cm預(yù)留焊接鋼板，以利于盾構(gòu)導(dǎo)軌的安裝。導(dǎo)軌采用43型軌道。

(4)洞門測溫及探孔。冷凍到達設(shè)計天數(shù)后，檢查冷凍效果的指標見表1。

表1 冷凍效果檢查指標

待冷凍達到指標要求后于洞門范圍內(nèi)連續(xù)墻上鉆9個觀察孔，1個在中部，8個在四周?？咨?.2 m。檢查土體加固及滲水情況。

(5)洞門鑿除及冷凍管拔出。冷凍加固達到設(shè)計要求后開始破除洞門連續(xù)墻(此時盾構(gòu)未進入加固土)。鑿除分為兩層，從上向下粉碎性破除。洞門破除完成后拔出洞門圈范圍內(nèi)24根冷凍管。冷凍管拔出后立即用雙快水泥和棉紗封堵。

(6)洞門圈回填。由于進洞加固體采用水平冷凍，因此洞門圈范圍內(nèi)2.5 m的加固土在冷凍管拔出后呈“蜂窩”狀，不能有效止水。另由于盾構(gòu)為椎體形狀，盾構(gòu)推進至洞門位置時盾構(gòu)刀盤與洞門之間的間隙造成徑向注漿失去了作用。為了有效封堵縱向通道，在洞門破除及冷凍管拔出完成后用C20混凝土將洞門圈1.6 m范圍全部澆筑回填。

(7)簾布板安裝。在洞門圈安裝簾布橡膠板，并用鋼絲拉緊。

(8)弧型鋼板。弧形鋼板采用5 mm厚鋼板制作，寬40 cm、長30 cm，內(nèi)弧面直徑620 cm，共計加工68塊。其中沿圓周等距布置的6塊弧形鋼板加焊球閥。

(9)管片增設(shè)注漿孔。2環(huán)管片采用16個注漿孔，一環(huán)用于剛進入冷凍體處(921環(huán))，一環(huán)用于連續(xù)墻處(930環(huán))，以保證徑向注漿封堵效果。

3.3 盾構(gòu)進洞掘進

3.3.1 推進過程中地下孔洞處理

洞門圈砂漿填充完成后盾構(gòu)開始進入冷凍體掘進。若是在進入冷凍體前發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)參數(shù)存在較大變化，如土壓無法建立等情況即說明地下存在孔洞，此時降低盾構(gòu)推進速度至5 mm/min，同步注漿壓力不大于0.6 MPa，并推進30 cm后停止推進。連續(xù)進行同步注漿，直至壓力大于0.6 MPa后再次推進。

直至盾構(gòu)參數(shù)正常后，按照正常推進情況下的同步注漿。

3.3.2 盾構(gòu)穿越凍土區(qū)主要技術(shù)要點

(1)盾構(gòu)機低速均勻推進，推進速度應(yīng)控制在10 mm/min以內(nèi)，以5 mm/min為宜。土倉壓力波動控制在+0.02 MPa以內(nèi)為宜。具體根據(jù)盾構(gòu)在凍土區(qū)域內(nèi)實際掘進情況及出土情況確定，并詳細記錄推進速度和土倉壓力變化，防止因速度過快、土壓波動較大造成冷凍體被破壞。

(2)在盾構(gòu)刀盤面進入冷凍加固區(qū)80 cm后開始逐步降低土壓，在進入冰凍加固區(qū)1 m時，將土壓降為0.12 MPa，直到刀盤距離連續(xù)墻1 m時壓力降為0。在此期間加強地表和隧道內(nèi)監(jiān)測頻率。

(3)盾構(gòu)在穿越凍結(jié)區(qū)時，不宜停留。在拼裝管片及故障時，刀盤停轉(zhuǎn)時間不能超過3 min，而且螺旋機不斷反轉(zhuǎn)。另外，拼裝分2～3次，拼裝時間應(yīng)控制在15 min之內(nèi)，以防刀盤被凍住。

(4)若在推進過程中扭矩過大(3 000 kN·m)，可向土倉適當加入40℃熱水或鹽水，以防止刀盤因扭矩過大而跳閘。

(5)盾尾進入冰凍加固區(qū)后，開始逐環(huán)用雙液漿向管片外注漿。在管片脫出盾尾前，準備好注漿球閥、管路及注漿材料。在注漿前，檢查上一環(huán)注漿封堵效果，并做好詳細記錄。

(6)在盾構(gòu)過冰凍體整個過程中，最外圈凍結(jié)孔繼續(xù)積極凍結(jié)，須安排專人24 h現(xiàn)場值班，落實檢查冷凍施工各參數(shù)，同時加強對W1、W2、W3凍結(jié)孔冷凍效果檢查，確保整個冷凍體完好。

3.3.3 凍結(jié)體盾構(gòu)推進

(1)盾構(gòu)刀盤進入冷凍體。當盾構(gòu)機完成917環(huán)管片的推進，并將千斤頂行程達到258 mm后，盾構(gòu)切口進入冷凍體80 cm，開始逐步降低土壓1.2 MPa(此時應(yīng)根據(jù)監(jiān)測情況，適當調(diào)整)。

降低土壓是為了保證大量的冰凍土體位于土倉內(nèi)不至于凍住刀盤支撐臂，避免土倉內(nèi)發(fā)生結(jié)成“冰泥餅”現(xiàn)象，影響盾構(gòu)的推進。

(2)管片進入冷凍體。盾構(gòu)進行924環(huán)管片推進時，千斤頂行程達到411 mm時，921環(huán)管片(16個注漿孔)完全脫離盾構(gòu)機，此時開始對921環(huán)管片施作徑向雙液漿注漿。

注漿材料:P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，波美度35°～40°水玻璃。

雙液漿參數(shù):凝固時間2 min，配合比水泥 ∶水玻璃 ∶水=1∶0.6∶0.8

注漿參數(shù):注漿壓力不大于0.05 MPa(注漿量以壓力及實際情況確定，但每孔不超過5 m3)。

注漿方式:從下向上，左右對稱壓注。同時防止盾構(gòu)及管片的上浮。

之后逐環(huán)按照此方法進行施作徑向雙液漿注漿，施做下一環(huán)前，必須檢查上一環(huán)封堵效果。

(3)盾構(gòu)刀盤進洞。當盾構(gòu)機進洞剩余40 cm還位于內(nèi)襯墻內(nèi)時，停止盾構(gòu)的推進，并再次緊固簾布橡膠板。再次與921－931環(huán)管片(930環(huán)為16注漿孔)壓注雙液漿，壓注形式同上。

注漿完成后，盾構(gòu)機推進，完全脫離內(nèi)襯墻10 cm后，立即拆除簾布板便利用弧形板焊接洞門鋼環(huán)與管片背覆鋼板。

焊接完成后，將盾構(gòu)機推進至拆除時需要的指定位置。

4 盾構(gòu)進洞應(yīng)急處理措施

4.1 洞門鑿除漏水涌砂

在破除洞門過程中出現(xiàn)突發(fā)涌水涌砂現(xiàn)象，立即停止洞門破除，用棉紗對該部位進行填塞，同時使用雙快水泥進行封堵，預(yù)埋下引流管，并用鋼板封牢，在鋼板與圍護結(jié)構(gòu)之間用雙快水泥填充密實，冷凍繼續(xù)積極冷凍，待冷凍效果達到要求后再進行洞門鑿除工作。

4.2 盾構(gòu)進洞過程盾構(gòu)被凍住

(1)盾構(gòu)體被凍住后，用7～8只割炬對準盾殼進行烘烤，并刀盤不斷正反轉(zhuǎn)。

(2)刀盤被卡住，立即回縮刀盤。

4.3 接收過程涌水涌砂

在破除洞門最后一層保護層過程中出現(xiàn)突發(fā)涌水涌砂現(xiàn)象，立即用棉紗及雙快水泥封堵。嚴重時從盾構(gòu)內(nèi)及洞外壓注聚氨酯。之后馬上填充C20混凝土封堵洞門。

5 結(jié)束語

通過以上施工措施的綜合應(yīng)用，順利完成杭州砂性土地層復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)進洞施工，有效封堵了盾構(gòu)與冰凍體間的縱向滲漏水通道，避免了涌水、涌砂現(xiàn)象發(fā)生。獲得了杭州市市政府及杭州地鐵公司的高度評價。對今后類似工程施工有一定的借鑒作用。