承壓含水層中盾尾防滲漏技術研究

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通12號線26標段土建工程復興島站—利津路站區(qū)間工程，受到黃浦江兩岸的上海港煤炭裝卸公司朱家門煤炭裝卸碼頭樁基及滬東船廠廠區(qū)內(nèi)相關建（構(gòu)）筑物樁基基礎的限制，為避開樁基基礎，隧道設計軸線只好向深層發(fā)展，區(qū)間隧道最大縱坡達30‰，最大頂埋深達36 m。由于隧道軸線的加深，隧道穿越的土層較復雜，在⑦1層砂質(zhì)粉土、⑦2層粉細砂中推進施工距離長達約 1 000 m， ⑦層土（含⑦1與⑦2兩個亞層，兩層相通）為上海地區(qū)第一承壓含水層，其頂板標高－24.10～－36.16 m，根據(jù)承壓水觀測成果，實測⑦層承壓水位埋深為4.75 m（絕對標高為－1.14 m）。

2 盾尾密封裝置簡介

在盾尾內(nèi)表面與襯砌管片外表面之間，通常設置盾尾密封裝置，起到防止漏泥、漏砂、漏水進入盾構(gòu)機主體內(nèi)部，同時能夠使后部進行襯砌管片，即外表面與土體之間空隙同步注漿作業(yè)時保持注漿壓力。

3 砂性土內(nèi)盾尾密封風險分析

盾構(gòu)機在⑦1、⑦2層承壓含水層中施工時，如果施工參數(shù)設定不當，容易造成盾構(gòu)姿態(tài)惡化，盾構(gòu)機與管片的角度較大，在盾尾刷位置容易造成以下2 種情況：

圖1 盾尾密封結(jié)構(gòu)示意

（a）管片與盾尾內(nèi)側(cè)間隙小，外側(cè)間隙大，外道盾尾刷與管片脫開，無法起到密封作用，外圈注入口壓注油脂時無法建立壓力，油脂可能會全部流入周邊土體，見圖2。

圖2 盾尾與管片位置關系1

（b）管片與盾尾內(nèi)側(cè)間隙大，外側(cè)間隙小，外道盾尾刷長期受到管片的擠壓后，可能會失去彈性，當盾構(gòu)機姿態(tài)正常后，盾尾鋼絲刷無法回復到正常狀態(tài)，造成鋼絲刷與管片間出現(xiàn)間隙，影響盾尾密封效果，見圖3。

圖3 盾尾與管片位置關系2

由于⑦1、⑦2層土體性質(zhì)決定了盾構(gòu)機在承壓含水層內(nèi)進行推進施工時容易出現(xiàn)盾尾涌水涌沙的風險，所以在施工時加強盾尾密封的控制以及判斷盾尾密封刷是否還具備效力顯得更為重要。在本工程的實際運用中，我們從三個方面對盾尾密封加強控制：盾尾油脂管路改造、壓注技術優(yōu)化；同步注漿控制；輔助密封措施。

4 盾尾油脂壓注技術改良[1-2]

4.1 原管路形式及缺點

盾構(gòu)機盾尾油脂注入口共有12 個，分散在6 個位置（圖4），其中2點、4點、8點、11點4 個位置的注入管道與同步注漿系統(tǒng)設置在一起，3點、9點2 個位置的注入管道單獨在盾殼上布置。每個位置由2 個注入口，分別布置在內(nèi)圈和外圈，內(nèi)圈注入口位于第1道、第2道盾尾刷之間，外圈注入口位于第2道、第3道盾尾刷之間。

圖4 盾尾油脂注入口布置

常規(guī)盾構(gòu)機盾尾油脂管路排布時，管路走向一般采用圖5所示的形式，12 個注入孔采用串聯(lián)的形式，盾構(gòu)油脂壓注時，通過盾尾油脂泵進入管路，依次通過A、B、C、D四個點，按順序分別對12 個注入孔進行盾尾油脂壓注。

盾尾油脂系統(tǒng)操作模式一般分為手動模式和自動模式。在手動模式下，可以選擇單個或多個注入孔進行油脂壓注操作，控制壓注的時間；在自動模式下對所有油脂注入孔同時進行操作，又可以分為壓力控制及時間控制。

一般每間隔7～10天應向池中加注新水一次，每次加注新水20～30cm，如果出現(xiàn)水質(zhì)過肥或水質(zhì)腐敗等現(xiàn)象，應及時排出老水，并注入新水，通常換水不宜超過池水的1/5。通過經(jīng)常性的水質(zhì)調(diào)節(jié)，力求水色保持在黃綠色或黃褐色，確保水質(zhì)肥、活、嫩、爽，促進池魚健康快速生長。

在實際施工中，我們通常采用自動模式進行控制，并將每環(huán)的盾尾油脂壓注量進行統(tǒng)計，作為輔助的控制措施，每環(huán)的盾尾壓注量一般控制在20 kg。在普通地層內(nèi)進行盾構(gòu)推進施工時，這樣的操作方法一般都可滿足盾尾密封要求，但在承壓含水層內(nèi)進行施工時，可能會在盾尾形成滲漏通道，引發(fā)施工風險，主要原因在于盾構(gòu)機的油脂管路設計并不十分科學，存在一定施工隱患。

原管路形式分析：從管路圖上來看，由于12 個注入口采用串聯(lián)排列，如果壓注全部12 個注入口，油脂必須從A點流到D點，即左半圈壓注完成后方可壓注右半圈，4#注入口至3#注入口的距離約為15 m，也就說明A點至D點因管路長度存在一定的壓力損失，3#注入口的壓力遠遠小于4#注入口的壓力。施工時會引發(fā)以下問題：

（a）以每環(huán)20 kg為定量進行盾尾油脂壓注，由于存在壓力降，左半圈注入口的壓注壓力遠遠大于右半圈，導致20 kg油脂中絕大部分都壓注在左半圈，右半圈的油脂較少，容易形成滲漏通道。

（b）當采用壓力控制時，為使每一個注入孔都能達到指定的注入壓力，會導致油脂在左半圈壓注過多，引起浪費，增加施工成本。

4.2 管路改造

改造后的管路形式如圖5、圖6所示，改造的總體思路是將原來左、右半圈注入口串聯(lián)管路的形式改造為左、右半圈注入口并聯(lián)管路形式，壓注盾尾油脂時，油脂同時從A、B、C、D四個位置進入，左半圈注入口同時由A、B兩個方向進行壓注，右半圈注入口同時由C、D兩個方向進行壓注，A、B、C、D四個位置的壓力基本相同，各注入口之間雖然存在一定的壓力降，但壓力損失較小，基本可以忽略不計，可以盡快地在所有注入口建立壓力。

圖5 改造前盾尾油脂管路示意

圖6 改造后盾尾油脂管路示意

4.3 盾尾油脂壓注控制方法

在改造后管路形式下，要求在常規(guī)盾構(gòu)推進階段壓注油脂時必須采用自動模式下的壓力控制方法，壓注油脂時，必須確保每個注入口的壓注壓力必須達到指定標準，方可停止壓注。由于盾尾油脂壓力計并非位于油脂注入出口，壓力計距離出口尚存一定距離，存在壓力降，所以指定的壓力指標必須大于管道壓力降與外部靜土壓力之和，根據(jù)施工經(jīng)驗取壓力指標為2.0 MPa。

如果在盾尾局部出現(xiàn)漏點時，應采用手動模式，對漏點位置的注入口單獨進行壓注。

5 同步注漿控制

在⑦1、⑦2層砂性土承壓含水層中施工時，同步注漿不單單起到填充盾尾與管片之間間隙的作用，還起到加強盾尾密封的作用。同步注漿的壓注均勻、飽滿可以有效抵擋盾尾外部的水土壓力，防止泥砂竄入盾尾。

5.1 注漿量的確定

盾構(gòu)機在⑦1、⑦2層砂性土承壓含水層中施工時，易引起盾構(gòu)磕頭、超挖的現(xiàn)象，而且為減小總推力，盾構(gòu)機上半周開啟超挖刀進行推進，盾構(gòu)機實際開挖的土方量較理論土方量要大，開挖面也較常規(guī)的開挖面大。見圖7、圖8。

圖7 盾構(gòu)機正常推進開挖面

圖8 砂性土內(nèi)盾構(gòu)機開挖面

本區(qū)間所使用盾構(gòu)機理論開挖面積為31.77 m2，每環(huán)理論出土量為38.12 m3，去掉管片體積后每環(huán)理論空隙為1.89 m3，同步注漿量為理論空隙的130％～180％，為2.5～3.4 m3。考慮到砂性土承壓含水層內(nèi)施工的特殊性，盾構(gòu)機實際開挖面積約為33 m3，每環(huán)實際出土量為39.6 m3，去掉管片體積后每環(huán)理論空隙為3.37 m3，同步注漿量應為每環(huán)4.5 m3。

5.2 注漿方法

在砂性土承壓含水層中，同步注漿起到一定盾尾密封的作用，要求注漿施工時必須均勻，推進一段，注漿一段，及時填補空隙。

對于每環(huán)同步注漿量4.5 m3的要求，將每一環(huán)推進施工劃分為12 個階段，每推進10 cm為一階段，每10 cm的注漿量為0.45 m3。

為便于盾構(gòu)司機簡單、有效地分階段控制注漿量，通過對盾構(gòu)機漿桶規(guī)格尺寸的計算，在漿桶內(nèi)設置標尺，采用一道一道水平鋼筋，每道鋼筋間的空間體積為0.45 m3，操作人員通過觀察標尺就可以知道目前的壓漿量、壓漿速度并進行有效的控制。

6 盾尾密封輔助措施

6.1 管片加貼海綿條

盾構(gòu)機在砂性土承壓含水層內(nèi)施工時可以選擇在管片外弧面整環(huán)加貼1 道20 cm×15 cm海綿條。為便于施工操作，由盾構(gòu)機頭部施工人員在管片拼裝時將海綿條放置到位，海綿條放置位置應靠近管片榫槽端面，距離榫槽端面約30 cm，避免管片承受千斤頂推力時將海綿條擠出。海綿條接頭位置應避開管片縱縫，接頭位置與管片縱縫錯位20 cm，可有效避免滲漏通道的產(chǎn)生，如圖9所示。

在以往的盾構(gòu)施工中，通常在盾尾出現(xiàn)漏泥、漏砂的情況后，在管片外弧面加貼海綿條。由于盾構(gòu)推進時管片外弧面的海綿條被擠出盾尾后，極容易絞進盾尾刷，導致盾尾刷的損壞，所以一旦采用粘貼海綿條的措施后，通常會一直粘貼至盾構(gòu)進洞，防止再次發(fā)生盾尾滲漏。

本工程的應用中，對盾尾油脂管路進行改造后，各注入口的壓力能夠快速的建立，通過對注入口壓力是否能夠建立進行分析，即可判斷盾尾刷是否發(fā)生損壞。如果盾尾油脂注入壓力能夠達到2.0 MPa，說明盾尾刷完好，在后期盾構(gòu)推進施工中可逐步取消粘貼海綿條措施。

圖9 管片外弧面粘貼海綿條示意

6.2 加設臨時止水裝置

在千斤頂靴板與管片間設置一道臨時止水裝置，由弧形鋼板與橡膠條組成，鋼板寬度自管片內(nèi)弧面至盾殼，厚度10 mm。橡膠條采用Φ50 mm皮管一剖為二制成，通過鉛絲綁扎固定在鋼板外弧面（圖10）。每環(huán)推進前，人工分塊將弧形鋼板放置于管片前端面外側(cè)，其外弧面橡膠條緊貼盾尾內(nèi)弧面，作為盾尾間隙的臨時封堵，然后伸出千斤頂頂住鋼板開始正常掘進。此措施在可能發(fā)生盾尾滲漏時起到臨時封堵盾尾滲漏的作用。

圖10 臨時止水裝置示意

7 結(jié)語

針對盾構(gòu)機在砂性土承壓含水層內(nèi)易發(fā)生盾尾漏泥、漏砂的情況，通過改造盾尾油脂管路，平均分配了各盾尾油脂注入口的壓力，加強了砂性土承壓含水層的盾尾密封效果；通過優(yōu)化盾尾油脂壓注工藝、優(yōu)化同步注漿施工工藝，并采取部分輔助措施解決了盾構(gòu)機在砂性土承壓含水層的盾尾密封問題。