深埋承壓水粉細砂層盾構機二次始發風險控制技術

程文鋒

中鐵上海工程局集團城軌分公司 上海 200443

地鐵施工事故，對信息發達的今天，現已屢見不鮮，如道路坍塌，建構筑物傾覆、管線破裂，甚至群死群傷等，每一次事故的發生無不時刻警醒我們工程人，要有敬畏精神，以高度的社會責任感去精細化控制風險。

隧道及地下工程施工，因為施工工藝的局限性、地質水文的差異性、施工條件的復雜性等，存在眾多的不確定性和不可知性，使得地鐵施工不可避免地存在諸多風險問題，其中盾構機在承壓水粉細砂層中始發、接收、乃至掘進即是目前最常見、最兇險、最不易控制的一項風險，一旦控制失效，涌水涌沙，仍及更大的事故。

目前，國內關于盾構機在各類承壓水粉細砂層中始發、接收的風險控制技術研究比較多，可以說是俯拾即是，而在全封閉空間、地面措施受限、加固失效首發失利情況下，二次始發的風險控制技術的研究則不多，如盲目二次始發，則本已失穩的土體將持續被擾動，洞圈與盾構機間橡膠止水簾布緊貼力將難以持續抵抗水頭壓力，終將形成空隙，即使5mm的一個孔隙，在高水頭壓力下，短時間內也會產生大量水土流失，沉降將難以控制，從而造成塌陷事故。因此，實施“全封閉空間條件下，承壓水地層盾構機始發風險控制技術”的研究具有重要意義，可為今后類似工程提供一定參考。

1 依托工程概況

1.1 概況描述

某城市地鐵標段一區間盾構始發端正位于繁忙主干道下方，始發車站為全封閉三層換乘車站（另一換乘地鐵線正運營中），周邊重大建（構）筑物林立，各類管線交錯疊加。始發端隧道埋深約17．5m，掘進全斷面處于富含承壓含水層的④2a粉土夾粉砂層，盾構掘進時極易發生突水涌砂，軟土層土體較軟結構易破壞。

考慮到地面不具備加固條件，結合這類地層，設計盾構始發端土體加固為洞內水平凍結法，加固范圍呈“杯型”，杯底厚約3．5m，杯壁厚2m。隧道采用一臺直徑6340mm海瑞克土壓平衡盾構機進行掘進。

1.2 方案背景

盾構機在站內完成調頭始發后，凍結加固區掘進緩慢，洞門簾幕板與盾體間不斷有小股渾濁水射出，壓力尚可，后通過注聚氨酯、雙液漿等臨時封堵，但每復推則再次滲漏。

在始發39小時后，或受凍結壁融化或盾構掘進多次干擾的影響，洞門簾幕板與盾體間出現多股直徑5-8cm涌水涌沙通道，射程達2m，涌水通道壓力有加大趨勢，水土流失較多，形勢危急，后經努力及時封堵住，暫停施工，待確定二次始發方案后再行掘進。此時，盾構機體進入土體約6．7m，外露盾體長2．20m，刀盤處于+5環。

圖1 隧道與地面環境位置關系圖

圖2 盾構始發失利后停機位置圖

2 方案比選

2.1 基本要求

（1）要確保萬無一失，故不得再出現涌水涌沙情況；

（2）要降低對周邊環境影響，故不考慮地面處理措施；

（3）要恢復周邊道路正常，故工期不宜超過20天。

2.2 方案比選。見表

3 密閉腔體輔助盾構機二次始發控制技術

3.1 密閉腔體結構及防水設計，見圖3

（1）結構設計。

①受力模型。車站側墻取1m寬建模，墻面簡化為兩跨連續梁。在向密封腔室內填充聚氨酯泡沫時，側墻受到由上向下的三角形荷載，荷載的遞增率為0．7KN/m（聚氨酯泡沫的密度：0．03-0．07g/cm3），則側墻底部受到的最大壓力為5．075KN/m；當向密封腔室內注水或漿液加壓時，填充聚氨酯泡沫已發泡，對側墻基本無壓力，則整個腔室內壁面水壓力約300KN/m2。依據覆土深度及掘進環境等因素，盾構機始發時切口水土壓約為0．23Mpa，則密封結構設計按耐壓0．30Mpa設計。

序號 主要對比方案 方案要點描述可行性分析 比選情況1外圈水平再凍結加固+止水簾布板再加固密封1、利用現有水平凍結管繼續凍結，同時補充加密凍結管；2、目前滲漏主因是止水簾布與盾構機不密貼，可以考慮強化3、投入少，工期短；1、現有水平凍結管部分已破壞，難以恢復。2、二次凍結加固僅能保證外圈，掌子面前方基本沒有；/3、容易凍結住盾體，不利于二次始發。3、止水簾布底部難以加固密封否2 鋼套筒（或鋼管節）盾構始發方案1、借鑒行業內常規鋼套筒盾構始發、接收技術理念，結合現場實際定做短節鋼套筒，填充沙土，以達到掘進掌子面孔隙泥水與套筒內沙土壓力平衡。2、工期長約30天。1、密閉空間，場地井口狹小，大型材料轉運困難；2、鋼套筒定制加工時間長，安裝不便、工期不滿足要求；3、套筒下部與各結構交界面防滲漏、防水密封不好處理。否3 鋼筋混凝土密閉腔體盾構始發方案1、借鑒行業內常規鋼套筒盾構始發、接收技術理念，施做鋼筋混凝土密封腔；2、借助隧道管片自防水+外防水理念，采用微膨脹細石混凝土+交界面采用遇水膨脹橡膠條（或其他）；3、密閉腔體填充聚氨酯堵漏材料；發射架底部滿灌細石混凝土已達到防滲漏目的。1、技術理念可行；2、結構受力可行，防水密封可行；3、施工影響?。?、工期可行。 是

②結構受力計算。

墻板在均布荷載，剪力圖如圖4：

墻板在均布荷載的彎矩如圖5：

則均布荷載下跨內最大彎矩：

則均布荷載下支座彎矩

（2）防水設計。

①墻體自身結構與車站、負環管片接觸面防水：新舊混凝土接縫處除鑿毛保證接觸良好達到防水效果外，在新舊混凝土接縫處內外兩側各粘貼一道寬24mm、厚3mm的遇水膨脹橡膠條以加強防水效果，鑿毛過程中內外兩側留出粘貼遇水膨脹橡膠條寬度的空間，粘貼前清洗接縫處原混凝土表面并吹干。

②負環管片間防水。隧道從-5環開始采用正環模式施工，止水條、彈性密封墊、遇水膨脹橡膠條等按要求使用。為進一步提升密封效果，在環縱縫處打玻璃膠增加防水效果。

3.2 密閉腔體間隙填充設計

（1）在密封結構強度、密封性檢驗合格后向密封結構內進行填聚氨酯。為確保聚氨酯泡沫順利填充滿整個密封結構，在填充的過程中適當加水，聚氨酯由上部預留孔注入腔室內，同時頂部設預留孔兼做觀測窗口，實時驗證密封腔內的填充效果，待密封腔內填充飽滿以后，將頂板預留孔封閉，并預埋球閥，用于后期注水（或再注聚氨酯）建壓檢測使用。

（2）填倉后壓力測試。密閉腔室內填充完成后，將頂部填充口封堵，并安裝注水球閥，通過注漿管將球閥與注漿泵相連，向密閉腔室內注水加壓壓力，注漿壓力保持不低于3bar，對各個連接部分進行檢查，包括負環管片環向密封情況，以及新筑密封結構與各既有結構（構件）交界處有無滲漏。

加壓過程中一旦發現有漏水情況，必須馬上進行卸壓，并及時在滲漏處打孔注環氧砂漿或聚氨酯進行封堵。完成后再進行加壓，直至壓力穩定在3bar無有漏點。

3.3 盾構機二次始發掘進技術

（1）始發時盾構推進參數的控制?；謴途蜻M時推進速度5-8mm/min，推力控制在8000kN以下，轉動刀盤時注意刀盤扭矩、土倉壓力的變化。在保證盾構正常推進的情況下，掘進參數建議選擇總推力小于800t，刀盤扭矩小于2000KN·m，掘進速度小于20mm/min。

（2）盾構機尾部尚未進入洞圈前：

①盾構掘進參數不應有明顯變化。

②保證密封結構內壓力不能減小。

（3）盾尾過正10環后即可封堵洞門。注漿時壓力不要過大可根據計算的注漿量分幾次注漿（一般分3次），待下部初凝后，進行中部注漿，中部初凝后，進行上部注漿。注漿過程中要準備好鋼板型鋼等物料，對漏漿的地方進行封堵。

（4）盾構二次始發階段施工時，對盾構設備調試、洞門的土體穩定、洞門可能出現的涌泥涌沙和地面監測等四個方面要綜合考慮，力爭勻速、安全始發，盡早進行洞門注漿。因此，盾構二次始發前要準備充分，出土進料組織應順暢，同時還應準備好應急措施。

4 結論與建議

此次鋼筋混凝土密閉腔體輔助盾構二次始發技術的首次成功使用，說明該技術是安全可行的，相比

鋼套筒輔助盾構始發更具有靈活性，尤其是適用于密閉空間，法吊裝條件缺乏情況，該法也進一步拓寬了盾構始發施工技術的新方向，深入詮釋了盾構法施工“水土平衡理念”，具有一定延伸價值。

參考改進建議：聚氨酯間隙填料價格高昂，且具有易燃、異味、壓縮性能，不作為首先填充料，可考慮克泥效與惰性漿液替代；負環管片拼裝質量及防水要求至關重要，務必按不低于正環管片拼裝及防水進行加強；后續鋼筋混凝土密閉腔體鑿除應與柔性井接頭施工聯合考慮。