盾構到達突發涌水處理及水中到達方案分析

于加云

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾構法因其具有安全性好、施工速度快、機械化程度高等特點，在國內逐漸普及，應用廣泛。盾構到達是盾構工法的一個關鍵環節，在很大程度上決定著工程的成敗，而在實際工程中，盾構到達施工往往是風險控制的難點［1］。在盾構到達風險控制方面已有許多相關研究:文獻［2］主要從盾構姿態、土體加固及洞門密封等施工風險控制點做了論述;文獻［3－4］在盾構到達的加固工法選擇及穩定性分析方面做了具體研究;文獻［5－6］針對盾構到達施工中易發生的涌水、涌砂等風險提出了鋼套筒接收方案。鋼套筒雖然有很多優點，但在實踐中也存在工期長、費用高和保管麻煩等問題。本文結合工程實例，從控制工程風險及施工便利等角度提出了鋼筋混凝土洞室接收方案。鋼筋混凝土洞室具有密封性可靠及結構整體受力性能良好等特點。

1 工程概況

某盾構區間左線盾構隧道到達洞門平面位置距河流僅 10 m。河面寬為 12 m，河水水位標高為1.008 m，河床底標高為－0.76 m，地面標高為4.2 m。河岸堤為2004年新建，均為漿砌片石擋墻。經挖槽探測發現，岸堤(盾構到達端)地下4 m為形狀不規則的砌筑體，堆砌雜亂，深淺不一，類似拋填片石和塊石。地勘資料顯示，盾構到達端頭地層由上至下依次為:雜填土、3〈1〉層黏土、〈3〉2 層粉質黏土、〈3〉3 層粉土夾粉質黏土、〈4〉層粉砂層以及〈6〉1－1層粉質黏土中。其中〈3〉3層及〈4〉層均為強透水性地層。工程地質情況如圖1所示。

盾構到達洞門直徑為6.7 m，底部埋深約17.7 m。盾構主機長8 900 mm，刀盤直徑6 390 mm，盾體直徑6 370 mm。盾構到達端采用水平凍結法加固地層。水平凍結體長12 m，從車站盾構井向隧道施作。凍結于盾構到達前1個月施工完成，并經探孔檢測，無滲漏水現象，加固效果良好。

圖1 工程地質剖面圖Fig.1 Profile of engineering geology

2 盾構到達突發涌水事故及處理

2012年12月13日11時左右，盾構刀盤到達車站地連墻處，此時已拼裝了1 081環管片，還剩8環未拼裝，地連墻混凝土已破除至迎土側鋼筋;而后刀盤開始掘削地連墻薄層混凝土，至12時左右刀盤完全破除地連墻混凝土;當刀盤全部露出時，突然發現刀盤左下方有一小股水帶泥砂流出;13時左右，下部刀盤面突然大涌水，且迅速越涌越大，導致盾構被淹沒。

涌水發生后，首先向河底回填黏土截斷水源，同時緊急抽排車站內積水。當涌水基本截斷后，在接收端隧道兩側和隧道中線地表打設豎向深孔，盾構兩側注漿管深度超過盾構底2 m，盾構上部注漿管深度距離盾構頂1 m，注油溶性聚氨脂進行堵水。同時，在洞內采用棉砂和速凝水泥封堵盾構環周邊小股出水。最終，涌水險情得到了有效控制。地面注漿管布置見圖2。

圖2 地面注漿管布置Fig.2 Layout of grouting pipes installed from ground surface

3 涌水原因分析

1)河堤為漿砌片石舊堤岸，隧道頂部地面以下4 m為類似拋填塊片石地層，場區地下水位與河水面基本齊平，客觀上存在地下水與河水的水平動水聯系，這種水平動水易對維持冷凍效果產生較大影響。

2)隧道頂部斷面地質有粉土夾粉質黏土層，盾構掘進擾動粉土，被擾動的粉土與上層類似拋填塊片石且有動水的漿砌片石層存在豎向動水聯系，這種豎向動水對維持冷凍效果產生很大影響。

3)在洞門圈水平凍結體施工期間，在打水平孔時，可能遇洞頂上方塊片石，導致偏孔，形成凍結體薄弱區，在凍結維持期間，動水進一步弱化了薄弱區的凍結效果。

綜上所述，雖然盾構到達前經探孔檢測凍結效果良好，但是，由于盾構掘進過程中對土體的擾動，影響了地下片石障礙物及粉土的凍結效果，在掘進過程中形成水力通道，造成涌水。

4 盾構水中到達施工技術

為防止盾構繼續到達施工時再次出現涌水，經過討論，決定采用盾構水中到達方案，即在車站左線盾構井結構范圍內施作鋼筋混凝土接收洞室，在洞室中回灌水及砂土的狀態下，將盾構推進洞室。鋼筋混凝土接收洞室主要是基于平衡到達理念，密閉的箱型混凝土結構與洞門密閉連接，通過在結構內灌入填充物和壓水達到與土層平衡的壓力，模擬盾構在土體中的掘進狀態，使盾構直接通過洞門，安全進入接收洞室內。

4.1 水中到達接收流程

盾構檢修與調試—盾構機況評估—盾構井底抽水清淤—導臺拆除—接收洞室施工—洞室墻體反力架安裝—洞室填料—管片背后壓漿與管片拉緊加固—盾構恢復掘進，管片拼裝—洞口環管片背后注漿堵水—開孔檢查洞口注漿堵水效果—清除洞室填料—拆卸盾構—拆除洞口3環管片—施作外掛洞門—拆除洞室墻體—清理井底—安設軌道，拆卸盾構后配套—地表融沉和補償注漿—結束。

4.2 洞室結構設計

根據盾構掘進施工荷載計算，洞室墻體及蓋板鋼筋主筋和分布筋均采用Ⅱ級螺紋鋼筋φ－22@150，C35混凝土，墻厚500 mm，蓋板厚600 mm。側墻預留出水觀測孔，蓋板設置2個觀測孔，管口緊貼碎石過濾層，并用無紡布包裹。洞室下部1.0 m范圍采用中粗砂和水混合填充，防止盾構在洞室中掘進時由于砂土不密實而下沉;其余部分填砂土，使盾構在洞室中掘進時與正常土中掘進狀態一致。

洞室端墻采用2排4根D375鋼管斜撐墻體預埋鋼板，側墻采用2排6根D609、壁厚14 mm鋼管，水平對撐至盾構井西側墻體。整個結構體系滿足施工受力要求，洞室結構如圖3所示。

4.3 蓄水井設計

洞室蓋板施作完成后，在蓋板上施作蓄水池，以平衡洞室與外水壓力。蓄水池采用50 mm厚鋼模板拼裝成型作支擋，內貼無紡布，支擋內外腳碼砌砂袋。支擋外安設D375鋼管斜撐至中板。

4.4 管片背后壓漿與管片拉緊加固

盾尾1～2環壓注油溶性聚氨脂，3～8環壓注雙液漿。盾構在推進、拼裝管片過程中，同步每一環注水泥漿，漿液凝固時間控制在4～6 h。同時，采用半圓弧鋼板，將河道下的盾構管片進行縱向及環向拉緊加固，以增加管片剛度，防止施工引起管片較大錯位，從而影響注漿止水效果。

4.5 盾構恢復掘進要點

1)盾構掘進過程中須同步左右對稱注漿，漿液采用水泥漿，凝固時間控制在4～6 h，每環注漿量控制在3.2 m3為宜。

2)在掘進過程中應及時觀測后部管片的變位情況，出現異常要及時停止，并在該段及時注水泥－水玻璃雙液漿回填封堵。

4.6 洞口環管片開孔注漿封堵地下水

為了保證背后注漿的密封效果，在洞口環管片處預先增加二次注漿孔，標準環及楔形環處各增加2個二次注漿孔，封頂塊處不增加;在盾尾位置，對洞口環管片在洞內開孔注漿，封堵地下水。注漿順序為“由里向外，先下后上”。注漿時先注水泥漿，再注雙液漿，必要時壓注聚氨酯封堵。

4.7 注漿效果檢查

1)注漿完成后，打開洞室側墻預留孔進行注漿效果檢查，若發現仍未堵住地下水，則采取繼續在洞內壓注油溶性聚氨脂進一步封堵;同時，分階段抽排洞室水，觀測水位上漲情況，發現水位變化異常或水位上升，要及時回灌水，并在隧道內繼續注雙液漿或聚氨酯封堵。

2)開孔檢查注漿效果滿足要求后，確定將井外滲水通道全部封堵，則開始清除洞室砂、土。在清除砂、土過程中，若發現水位變化異常或水位上升，則應及時回灌水，并在隧道內繼續注雙液漿或聚氨酯封堵，達到注漿效果后方可繼續清除砂、土和抽水。

4.8 洞室砂、土清除

待水位下降后人工清除砂、土。人工清除時，要對稱進行，高差不大于0.5 m。清除洞室砂、土時，盾構兩側要平衡清除，防止偏壓，并及時架設對頂支撐，防止盾構機翻滾。

清除完畢后，再對洞門口位置進行觀測，若發現小的滲流通道，及時使用聚氨酯再次封堵。

4.9 洞室結構拆除

洞室結構拆除采用切割機解體，吊機分塊吊至地面破碎，盾構主機吊裝完畢后，安裝軌道，進行后配套接收。

4.10 地表融沉和補償注漿

整個實施過程中，在重要建(構)筑物及周邊地表預埋注漿管，根據監測情況及時進行地表融沉和補償注漿，漿液采用水泥單液漿。

4.11 施工效果

通過采用水中到達方案，盾構安全進入接收洞室內，并在二次注漿完成后，對洞室進行探孔檢查，所有探孔均無流水、流沙現象，加固效果良好。根據監測數據分析，到達端成型隧道結構與險情發生前隧道結構相比，管片最大沉降1.11 mm，最大抬升0.90 mm。后期繼續觀測顯示，成型隧道狀態穩定。

5 結論及體會

混凝土結構接收洞室適應性廣，不受地層及場地條件的限制，安全可控，盾構在密閉體內平衡到達，風險小，而且可在密閉體內進行觀察、處理，不會對密閉體外造成影響;同時，具有施作方便、造價低及結構整體受力性能良好等優點，較適用于易發生涌水、涌砂等工程的盾構到達接收。

本工程采用盾構水中到達措施后，安全完成后續盾構施工。該方案可供類似工程借鑒，以減少特殊情況下的施工風險。

［1］ 劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991:42－50.

［2］江玉生，陳志強，江華，等.盾構到達施工主要風險因素分析［J］.市政技術，2011，129(S2):164 － 172.(JIANG Yushen，CHEN Zhiqiang，JIANG Hua，et al.Major risk faltor analysis of shield receiving constrution［J］.Municipal Engineering Technology，2011，129(S2):164 － 172.(in Chinese))

［3］ 江玉生，王春河，江華，等.盾構始發與到達:端頭加固理論研究與工程實踐［M］.北京:人民交通出版社，2011:40 －43，128 －168.

［4］朱世友，林志斌.盾構始發與到達端頭地層加固方法選擇與穩定性評價［J］.隧道建設，2012，32(6):788－795.(ZHU Shiyou，LIN Zhibin.Reinforcement technology for and stability analysis on end soil in shield launching and arrival［J］.Tunnel Construction，2012，32(6):788 － 795.(in Chinese))

［5］湯泳，劉瑋.廣州地鐵盾構到達密閉接收裝置技術應用［J］.施工技術，2010(5):6 －8.(TANG Yong，LIU Wei.Application of closed shield receiver in Guangzhou Metro［J］.Construction Technology，2010(5):6 －8.(in Chinese))

［6］ 陳珊東.盾構到達接收輔助裝置的使用分析［J］.隧道建設，2010，30(5):492 －494.(CHEN Shandong.Analysis on application of steel sleeves in shield arrivals［J］.Tunnel Construction，2010，30(5):492 －494.(in Chinese))