盾构在砂层中到达风险分析及应对措施

摘要：盾构施工，是目前地下铁道区间施工的比较先进的施工技术，对施工人员的技术要求较高。由于技术水平的限制，近几年在国内出现过一些盾构施工方面的事故，也出现过一定程度的施工风险，而这些风险的产生主要环节在盾构施工的始发和到达阶段。本文结合西安地铁工程实例，较为系统地分析了在砂层中盾构到达的风险以及采取的措施和实际效果，并提出了一些有建设性的思路。

关键词：盾构到达涌水涌沙注浆风险对策

中图分类号：TU7文献标识码： A

前言:盾构施工过程的风险，最大的来自盾构始发和到达。因此对盾构始发和到达的环节无论总设计上还是施工上，均应高度重视。目前国内常用的盾构始发和到达通常采用端头地层加固的方法，有采用压密注浆加固、冷冻法加固、高压旋喷加固、深层搅拌加固、CFG桩加固等措施，还有在盾构到达时采用降水、回填土沙接收、灌水接收等各种方法；西安地区因为地质构造相对简单，通常采用始发和到达端头旋喷加固的方式；通常盾构始发加固长度为8米，而到达加固长度多为6米，加固范围为盾构开挖断面外接正方形每边加大3米；加固多采取双重管旋喷和三重管旋喷，要求的加固质量达到加固体无侧限抗压强度不小于1.2MPa，渗透系数小于1.2×10-7m/d。这种加固对于透水性较小的地层，如古土壤层、粉质粘土层、老黄土层在加固深度小于20米时具有较好的效果，在加固深度大于20米的粘性土、粉土中和在沙层中，尤其是含有小砾石的沙层中，桩体连续性较差，取芯完整度低，含有未加固到的部分，加固后的土体整体性和抗渗性较差。盾构的始发，由于普遍采用钢压板配合橡胶帘布，压板的弯折方向和盾构掘进方向相同，加之盾构前端已经进入土体有密闭作用，可以起到较好的密封效果，始发风险相对较小，而对于盾构到达，压板的弯折方向和盾构掘进方向相反，盾构前端处于开放状态，如果土体加固质量和止水效果不好，容易产生因水流导致的土体流失而产生施工风险5。本文将结合劳动路至开远门区间在开远门车站到达端的施工实例，分析在加固失效的情况下盾构达到存在的风险和解决办法8。

一、工程概况

1、工程总体说明：西安地铁一号线TJSG-6标段开远门～劳动路盾构区间起讫里程YCK15+086.153～YCK16+454，长1367.847m，于里程YCK15+551.500，YCK16+028.500分别设置一座联络通道，平面曲线半径为1200m，最大纵坡8‰，隧道埋深8～10m。。开～劳区间隧道衬砌管片外径6.0m，内径5.4m，宽1.5m，厚0.3m，分为6块，错缝拼装。管片采用C50S10混凝土。

2、工程地质及水文地质

开～劳区间主要穿越地层为古土壤、粉质粘土，局部夹杂新黄土、粉细砂、粗砂及砾砂等；开～劳区间地下水位埋深7.5～11.0m；隧道埋深8～10m；区间地质剖面见图1

图1开～劳区间地质剖面图

端头前20m地层：

隧道上部地层依次为 素填土、 黄土状土、 粉细砂、 粗砂；隧道断面处于 粉质粘土中，其中隧道断面上部夹杂约1m厚 粉细砂和隧道下部夹杂约2m厚 砾砂；隧道下部为 粉质粘土。地下水位深8.5m。

3、端头加固设计和施工情况：设计要求开远门东端头进行双重管旋喷桩加固，加固区长6m，宽为左右线边线外侧各3m之间的范围，旋喷桩桩径800mm，桩距600mm，梅花布置， 2009年8月按设计要求完成开远门站东端头旋喷桩加固施工，加固后土体无侧限抗压强度大于0.8MPa，渗透系数小于1*10-7。加固工作在开远门车站围护桩施工完成，基坑土方开挖开始之前施工，根据取芯结果，在砂层中的芯样完整性较差。

4、盾构机类型尺寸：本区间采用日本小松的PMX6140型盾构机施工，盾构机外径6.14米，采用外置式注浆管，盾构机总功率1250KW，采用变频电机驱动刀盘。该盾构机在本区间使用前已经在西安地铁成功掘进5000余米，在本区间施工前更换了主轴承密封、铰接密封和单位密封，并进行了系统的检修，状态良好

5、端头地质、水文地质情况

开远门站东端头地质从上到下依次为杂填土、素填土、黄土状土、粉细砂、中砂、粉质粘土和中砂，隧道开挖断面土层为中砂和粉质粘土。端头处隧道埋深9.4m，端头地下水位埋深8.9m，水位高，水量较大。

二、风险分析

1、开远门站施工过程中涌水、涌砂情况

开远门站地下水总体流向为自东南向西北，在基坑开挖过程中车站施工单位采用了深井管降水措施，由于地质等各方面原因，降水效果不理想，在基坑开挖到12m时从基坑北侧、西北角、南侧及东南角涌水、涌砂，且涌水涌砂量较大，盾构端头流水量很小，地下水从加固体外侧和加固体底部绕入基坑。

开挖过程中涌水、涌砂严重，桩后约1.7m范围土体流失，车站施工单位采用泵送混凝土填充及砂袋堆码填堵，采用WSS注浆封堵涌水涌砂，但效果不佳，最后采用堵排结合的方式予以治理。涌水、涌砂时间长达近3个月，对车站周围土体和端头加固体造成了一定的扰动和破坏，特别是涌水、涌砂对东端头100m多米的砾砂透镜体造成了很大扰动。

2、开远门站东端头现状：

1）涌水情况

目前地下水埋深13m（隧道底向上3m），由于车站施工完成后，停止降水，大量水通过车站结构与围护桩以及围护桩和端头加固体之间的孔洞从预留洞门处流出，每个洞门的涌水量约为400～500m3/d。

2）涌水通道及加固体空洞情况

初步判断在结构与围护结构之间以及结构与加固体之间存在较大漏水通道。

沿洞门中线从上到下打了4个水平探孔，将洞门网喷面打开后发现洞门后有较大空洞，空洞水平深0.6m，垂直方向1.4m，两侧各1m；结构与加固体之间存在较大空洞。

3、开远门端头加固情况及评价

根据设计要求开远门东端头进行双重管旋喷桩加固，加固区长6m，宽为左右线边线外侧各3m之间的范围，旋喷桩桩径800mm，桩距600mm，梅花布置， 2009年8月按设计要求完成开远门站东端头旋喷桩加固施工，加固后土体无侧限抗压强度大于0.8MPa，渗透系数小于1*10-7。目前受长时间涌水、涌砂影响，旋喷桩加固体已经被扰动，存在加固体失效的风险。

4、开远门站东端头现状盾构出洞安全评价

通过对开远门车站施工过程涌水、涌砂情况的分析，根据开远门站东端头现状：洞门涌水很大，且加固体与结构之间存在流水通道和孔洞，结合地质情况可能存在以下风险：

1）在洞门凿除时可能发生严重涌水涌砂。

2）盾构机到达时造成大量涌水涌砂，造成地面塌陷。

3）涌水、涌砂可能造成距离车站基坑北侧约30cm的直径1200mm的自来水管变形、破损。

4）经长时间涌水，透镜体砂层中土体可能流失，盾构机通过时可能造成地面沉降过大及同步注浆量过大。

5）加固区受到破坏，盾构机到达吊装时可能由于地面承载力不够造成塌陷或吊车倾翻。

在对以上风险进行分析的同时，请相关国内盾构施工方面的专家对其风险程度进行了评估，认为存在较大的施工风险，必须在进行相应处理后方能继续施工。

三、应对措施

1、措施设计：

针对以上施工现状，在经过了多次讨论和研究，并听取了各方面专家的意见后，确定了综合的处理方案，方案如下：

首先采取WSS注浆工艺对车站端头涌水进行治理，施工参数：孔深20m，孔距1.5m，梅花布置，注浆压力0.2～0.3Mpa，提升速度20mm/min，注浆范围为隧道下部2米，上部3米，平面布置见图8。注浆时，根据现场实际地质情况选择不同的配合比，并适当加入特种材料。在注浆过程中，首先要形成一个相对封闭的口字形结构并延伸进入车站的范围不小于三米，采用WSS注浆工艺，以形成相对透水性差、结构稳定的封闭的结构，中间的部分则采用压密注浆。

图2补充加固示意图

其次，对有可能存在空洞和不密实的区域，采取水泥水玻璃双液浆和水泥压密注浆工艺对可能存在的空洞和土体中的孔隙进行压密，保证土体的完整性。WSS注浆和压密注浆孔距1.5米，梅花形布置，注浆在深度上和WSS注浆范围相同，在平面上见图2。

同时，为了确保施工安全，在盾构到达端头布置6口深度30米的降水井，提前5天进行降水作业，将水位降至隧道底部1米以下。

为了防止盾构推进接近端头造成的盾体后形成连通的水沙通道，在盾构掘进至接近接收端头时，加大注浆压力，并采用水泥水玻璃双液浆每隔5环做一道环箍，并将接近到达端的15环管片用扁铁纵向连接，保证整体性。

2 、WSS注浆工法介绍：

WSS工法，是通过二重管端头的混合室将两种混合浆液喷在地层需要加固止水的位置，在不改变地层组成的情况下，强迫挤出地层颗粒间的水，使颗粒间的空隙充满浆液并使其固结，达到改良土层性状的目的。喷浆使该地层黏结力c、内摩擦角φ值增大，从而使地层黏结强度及密度增加，达到加固作用。地层颗粒间充满不流动且固结的浆液后，其透水性降低，形成相对隔水层。注浆时浆液达到一定压力后，注浆孔周围出现一定大小的气泡，随着压力不断增加，浆液泡体上方的土体出现一个倒立锥形剪切面；浆液泡体的直径增大时，周围土体的阻力越来越大。当注浆压力为一定值时，水平和向上的压力使浆液充分填充土体间缝隙，从而达到加固土体和止水的目的。

WSS工法注浆常用于注浆止水和加固松散的土体，不仅能提高土体的内摩擦角和粘聚力，同时，也能显著降低土体的渗透系数，在采用较为特殊的配比的情况下，也可以快速封堵涌水涌沙。

3、方案实施要点

对注浆效果进行检查，做到端头无明显流水，并在接收端头水平钻孔9个检查加固效果和止水情况。

到达前30环以前调整好盾构姿态在±20mm以内，在接近到达过程中尽量保持良好的盾构姿态，不进行纠偏作业。

准备聚氨酯发泡注浆材料、沙袋等应急物资，在到达过程中一旦有流水等现象，立即进行聚氨酯注浆封堵。

盾构到达后，快速进行清理，并迅速注浆封堵。

四、实施效果

施工按照既定方案进行，钻孔采用液压地质钻，具有机型小，需要动力小，施工方便，钻进压力大，成孔迅速，直接利用钻机进行注浆作业等特点，钻孔机具详见图3，,配合钻机使用双重注浆管作为钻杆和注浆管，采用空心经改造后的合金钻头。：

图3加固现场图

在注浆施工中，首先在靠近出水点附近进行钻孔注浆，注浆浆液选用混合后凝固时间短的浆液，达到迅速堵水的效果，浆液主要采用水玻璃和水泥浆液，并根据涌水情况加入遇水膨胀并促使水玻璃迅速凝固的外加材料P剂H剂。在洞门端头无大的流水后改变浆液配比，主要以加固土体为主，为了降低工程成本，采用水泥水玻璃双液浆和水泥浆进行补充压密注浆，采用从出水点往后逐孔注浆的方法注浆，在施工中随着注浆的后移，注浆量也呈现明显的减小趋势。浆液配比的改变采用双液注浆泵实现，并可以在水泥浆中根据凝结时间的需要随时加入外加剂进行调整，流量可以随时调整从而达到不同浆液配合的目的。浆液配比的合理掌握是注浆成功的关键因素。在注浆过程中对敏感的地面附近的自来水管道进行监测，有不大于5mm的隆起。注浆历时14天。施工使用地矿钻机2台，双液注浆机2台，浆液搅拌机2台，现场主要施工人员18人。

注浆后对施工效果进行检查，在洞门处钻孔3米未见明显流水，洞门处有明显流出并凝固的WSS材料，状如失水凝固的胶体，洞门处土体出现了较为明显的膨胀（朝向洞门外侧）；凿除洞门过程中土体虽然含水量较高，但密实，透水性差，整体性好。

在盾构到达过程中，通过现场观察，达到了预期的施工效果，盾构刀盘达到后从壳体外周未发现明显的渗水，更无流沙等现象发生，盾尾完全脱出后，管片与土体之间注浆密实，到达过程安全顺利。在对地面沉降进行监测中，地面沉降均小于3mm，图4左显示了到达前洞门凿除后的效果，图4右显示了盾构盾尾接近出洞的情景，成功地避免了盾构到达过程中可能造成的涌水涌沙、甚至掩埋盾构机的风险。通过对周边点监测，最大地面沉降点沉降不超过10mm。

图4盾构到达实景照片

五、结论与建议

在盾构始发和到达过程中，水的破坏作用是不言而喻的，在对水没有进行彻底的封堵或者有效降低地下水位的情况下贸然施工，其中包含的风险是很大的，甚至有可能造成端头沉陷坍塌、管片严重破裂损坏导致已经成型的隧道位移破坏，甚至盾构机被掩埋等重大事故5。为了控制好在富水地层中的始发和到达风险，认为以下几点值得引起注意：

对端头的地质情况进行加密勘察，详细了解地层和地质情况，明确各种地层的土力学性质和水力指标；

对端头加固采取的形式，能确保加固质量达到设计要求。对沙层中含有砾石的地层，土层中含有钙质结核的地层，应避免采用高压旋喷的形式进行加固，防止出现局部加固出现空白区域而形成水力通道；对单纯采用高压旋喷、粉喷或者搅拌桩有可能达不到预期效果的，可考虑采用CFG桩置换端头地层的方法，但应考虑采取较低标号的混凝土；

始发和到达端头加固的长度，不小于盾构机壳体长度加一米，保证盾构在始发没有进行注浆前和到达没有封堵洞门前处于加固过的土体中，避免在盾构没有完全封闭的情况下在盾构机外周形成可能的水力通道；

端头加固的时间在车站或者始发、吊出井围护结构施工完成后进行，为了避免因为车站或者始发、吊出井主体结构施工时围护结构的变形造成的围护结构和原加固土体之间出现空隙，应在主体结构施工完成后对加固体靠近围护结构的地方进行补充压浆；

盾构机上应设计有能在盾壳上进行聚氨酯类封堵材料注浆的注浆孔，在紧急情况下可避免重大事故的发生；

注重对端头加固施工的质量管理和检验，尤其注意在验收过程中的芯样完整，当出现取芯不连续，存在夹杂未加固土层时，应加倍取芯，调查缺陷范围，并补充注浆8。

在施工中发现WSS注浆材料具有一定的膨胀性，出现地面隆起和洞门处土体隆起现象，在使用过程中应引起高度重视，加强监测和施工过程控制，防止出现注浆材料膨胀导致的主体结构损坏和地面严重隆起现象。

当盾构到达过程中存在不可避免的风险时，应认真分析风险的形成原因，，详细了解盾构到达附近的地质情况，并认真分析可能采取的措施。在对风险进行认真的分析后，可供选择的方法应认真分析利弊。目前盾构到达采取的特殊措施包括有钢护筒接收、冷冻法到达、填土平衡到达、水土压力平衡到达4等。方法的选择应该综合考虑技术、经济、工期等各方面的因素。

参考文献：

1、康佐《西安地铁端头加固技术综合分析》，大连大学学报，2011年5月

2、黄威然;米晋生;竺维彬; 《盾构机采用水土平衡法通过中间风井的技术》，都市快轨交通，2012-08

3、江玉生《盾构到达施工主要风险因素分析》2011中国盾构技术学术研讨会论文集 2011，

4、王强 《盾构法端头加固技术与研究》中国水运，2012年3月

5、陈钦亮； 钟志全《盾构到达端头加固失效再处理技术》建筑机械化，2010年7月