高滲透性富水砂層盾構(gòu)進出洞施工技術(shù)探索

曾紅兵

（南通市建設(shè)安全生產(chǎn)監(jiān)督站，江蘇南通 226000）

1 引言

受地質(zhì)水文、機械性能、作業(yè)環(huán)境等因素影響，高滲透性富水砂層條件下，盾構(gòu)進出洞端頭井加固體質(zhì)量有時難以保證；加固區(qū)轉(zhuǎn)角處、接縫處往往是薄弱環(huán)節(jié)。在高滲透性富水砂層開展的施工活動中，一旦發(fā)生涌水涌砂情況，滲漏通道能迅速擴大，短時間內(nèi)帶走大量粉細砂層，很容易引發(fā)大范圍的地表沉降、塌陷等次生災(zāi)害，見圖1。文章結(jié)合南通市軌道交通工程盾構(gòu)進出洞施工實際情況，對高滲透性富水砂層條件下盾構(gòu)進出洞施工技術(shù)進行探索與分析。

圖1 洞門涌水涌砂導(dǎo)致地面沉陷圖

2 工程概況

南通地區(qū)地貌類型屬于第四系全新統(tǒng)（Q4）長江下游三角洲沖積層，自上而下可分為：①填土層，②砂質(zhì)粉土層，③-1 粉砂夾粉土層，③-2 粉砂層，④-1 粉質(zhì)黏土層，④-2 粉質(zhì)黏土與砂質(zhì)粉土互層，⑤-1 粉砂夾砂質(zhì)粉土層，局部④層缺失。南通市軌道交通1 號、2 號線總長60.03 km，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工；盾構(gòu)進出洞影響范圍內(nèi)土層主要為③-2 粉砂層，滲透系數(shù)建議值為1.3 m/d。

南通地區(qū)濱江臨海，地表水資源豐富[1]，較大地表水體為長江、通呂運河等。根據(jù)勘察揭示的地層結(jié)構(gòu)和地下水埋藏條件，施工涉及的地下水類型主要為上層滯水及第一承壓水。潛水埋藏于①、②、③層中，勘察期間實測潛水穩(wěn)定水位一般埋深1.6～2.8 m，第一承壓水埋藏于④層以下，一般埋深3～4 m。

3 盾構(gòu)進出洞施工滲漏原因分析

受設(shè)計深度、施工經(jīng)驗等因素影響，早期南通地區(qū)盾構(gòu)進出洞主要采用端頭水泥系加固+簾布橡膠+折頁板為代表的簡單防滲漏措施。水泥系加固范圍沿隧道方向為10 m，加固寬度為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)每側(cè)3 m，豎向強加固（加固二區(qū)）范圍為隧道結(jié)構(gòu)上下左右各3 m，地表至強加固上邊線范圍為弱加固（加固一區(qū)）區(qū)域，加固區(qū)與車站圍護結(jié)構(gòu)之間采用 1 排三重管旋噴樁填充空隙[2]。加固體采用φ850@600 三軸攪拌樁施工，加固一區(qū)水泥摻量為7%，加固二區(qū)的水泥摻量為20%。洞門簾布橡膠、圓環(huán)板、折頁壓板用螺栓按照一定順序固定在洞門鋼環(huán)上進行洞門密封，見圖2。

圖2 洞門密封裝置安裝示意圖（單位：mm）

實踐表明，上述條件下的洞門滲漏問題難以避免，尤其是三層車站的盾構(gòu)進出洞施工過程中滲漏較為常見且能快速發(fā)展為地表的沉降、下陷。分析原因主要有以下5 點。

（1）端頭加固體質(zhì)量難以保證。富水砂層條件下，受管線遷改、泥漿配比、施工環(huán)境等因素影響，地下連續(xù)墻常有鼓包、漏筋等質(zhì)量缺陷，致使高壓旋噴樁往往無法按正常位置實施。常規(guī)三軸加固工藝在深層富水砂層中施工，下部成樁質(zhì)量不佳。

（2）降水效果不能保證。受制于作業(yè)環(huán)境與建（構(gòu)）筑物嚴(yán)格的保護要求，部分盾構(gòu)施工區(qū)域止水帷幕不能封閉；止水帷幕不能隔斷潛水層或承壓水層，降水施工對周邊環(huán)境影響較大。部分區(qū)域前期基坑施工階段已發(fā)現(xiàn)周邊建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)不均勻沉降、開裂等病害，施工中被迫不降水或減少降水。

（3）環(huán)箍質(zhì)量不佳。富水砂層條件下隧道內(nèi)環(huán)箍質(zhì)量難以完全保證，掘進施工過程中頻繁擾動、注漿量與注漿壓力控制不當(dāng)?shù)纫蛩囟伎赡茉俅我鸲軜?gòu)機前后的水力聯(lián)系。部分區(qū)域在前期探孔階段無任何滲漏，而盾構(gòu)進出洞過程中發(fā)生較大的涌水涌砂現(xiàn)象。

（4）密封止水措施效果不佳。受盾構(gòu)姿態(tài)等因素影響，掘進過程中盾構(gòu)機刀盤很容易撕裂簾布橡膠或局部間隙較大致使簾布橡膠包裹不嚴(yán)，且三層車站進出洞區(qū)域往往涉及承壓水層，水頭較高，折頁板的收緊不能完全限制承壓水的噴涌。

（5）重視程度不夠，管理經(jīng)驗不足。不同于其他地質(zhì)條件下施工，高滲透性富水砂層條件下，一旦滲漏，粉細砂層能隨水流迅速流失；在水壓力作用下，滲漏通道迅速擴大，對應(yīng)急處置時間、聚氨酯等應(yīng)急處置物資效用要求較高。部分從黃土、黏土、地下水位低的地區(qū)過來的作業(yè)人員對相關(guān)問題重視程度不夠、處理經(jīng)驗明顯不足。

4 盾構(gòu)進出洞施工技術(shù)探索

為做好盾構(gòu)進出洞的施工安全管理，各參建單位在降水加固、密封止水、應(yīng)急管理等方面開展大量的探索與實踐，也取得較好的成效。需要關(guān)注的關(guān)鍵問題有以下3 個。

（1）降水加固。高滲透性富水砂層盾構(gòu)進出洞施工的核心問題在于止水；有效降低端頭井地下水位能大幅提高施工的安全性。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可以在端頭井范圍內(nèi)打設(shè)6～8 口降水井，按需降水。但深層降水往往涉及降承壓水，容易造成周邊建（構(gòu)）筑物不均勻沉降，引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂等問題；其中，周邊的淺基礎(chǔ)老舊建筑物所受負面影響更為明顯，需謹慎采取降水措施。砂層地質(zhì)條件下，端頭井水泥系補充加固過程容易造成已完成的降水井堵塞，需特別注意；降水井無法使用時應(yīng)及時增補。

（2）密封止水。在水泥系加固質(zhì)量與端頭井降水效果無法保證的情況下，強化洞門的密封止水尤為關(guān)鍵。各參建單位對該項措施進行重點探索，施工方案大致可分為6 類，對比分析見表1。

表1 盾構(gòu)進出洞施工方案對比分析表

（3）應(yīng)急管理。盾構(gòu)進出洞施工前，把加固體、隧道輪廓線在地面上標(biāo)識，在夾心旋噴位置盾構(gòu)機2 側(cè)外緣事先預(yù)埋應(yīng)急注漿管，深度在盾構(gòu)機底部下5 m 左右，并接好管路，應(yīng)對突發(fā)滲漏，見圖8。洞門位置周邊，尤其是底部位置也應(yīng)預(yù)埋注漿管或球閥，以應(yīng)對洞門涌水涌砂情況，見圖9。洞門探孔有明顯水流時應(yīng)對加固體再次注漿加固。深層車站盾構(gòu)接收時，洞口段隧道管片應(yīng)改為注漿環(huán)，接收前嚴(yán)格進行環(huán)箍注漿。為應(yīng)對突發(fā)情況，明確聚氨酯等搶險物資發(fā)泡時間并開展應(yīng)急演練。

圖8 端頭井位置地面預(yù)埋注漿管圖

圖9 洞圈位置預(yù)埋注漿管圖

5 結(jié)論

高滲透性富水砂層條件，在降水受限、現(xiàn)有施工工藝不能保證端頭井加固質(zhì)量的情況下，合理評估施工風(fēng)險，根據(jù)工期、造價、環(huán)境等方面的要求選擇合適的施工方案尤為重要。6 類施工方案的實踐表明。

圖3 水泥系加固+水平冷凍+鋼套筒接收圖

圖4 水泥系加固+水平冷凍+短套筒接收圖

圖5 水泥系加固+短套筒+盾尾刷始發(fā)圖

（1）降水問題是關(guān)鍵。高滲透性富水砂層條件下進行盾構(gòu)施工時，將地下水位有效降至洞門圈以下，涌水涌砂風(fēng)險將大幅下降。

圖6 洞圈氣囊圖

圖7 水泥系加固+短套筒+割盾尾接收圖

（2）提前施做應(yīng)急處置措施很重要。洞口段增設(shè)管片注漿環(huán)，提前施作端頭井應(yīng)急注漿孔等應(yīng)急處置措施，在涌水涌砂時可以大幅縮減處置時間，效果顯著。

（3）必須優(yōu)化洞門密封措施，強化止水最后防線。一般風(fēng)險條件下，地下2 層車站的盾構(gòu)施工作業(yè)采用短套筒+盾尾刷/彈簧鋼板類的止水措施較為經(jīng)濟適用。城中段地下3 層及以上的盾構(gòu)進出洞作業(yè)，風(fēng)險較高，可以采用鋼套筒+凍結(jié)施工的防護措施，但采用水平凍結(jié)還是垂直凍結(jié)方式視現(xiàn)場情況決定。洞門處于車站蓋板區(qū)域時，需采取水平凍結(jié)方式。垂直凍結(jié)操作方便，凍結(jié)管與鋼套筒之間無相互干擾，但止水效果不如水平凍結(jié)方式。采用增設(shè)氣囊等新型止水措施也可取得較好止水效果，但應(yīng)做好氣囊的保護工作。

（4）必須加強施工質(zhì)量控制，強化施工前條件核查。無論采取何種措施，均應(yīng)加強每道安全防護措施的施工質(zhì)量控制，否則容易造成相互依賴，最后又層層失守的結(jié)局。盾構(gòu)始發(fā)/接收前應(yīng)按規(guī)定開展施工前條件驗收，驗收不通過不得進入下道工序。