濱海盾構工程動壓富水砂層換刀加固技術研究

謝小兵

(廣州軌道交通建設監理有限公司)

0 前言

某地鐵盾構區間全線長約2.65km，區間施工最大的重難點、風險點是下穿沙河高爾夫別墅及球場，主要不利因素有：高爾夫球場段地質補勘困難；根椐詳勘資料，結合地鐵2 號線臨近盾構區間在該區段的掘進經驗，該區段基巖突起、殘積花崗巖孤石、上軟下硬地層有較廣泛的分布；該區段鄰近海域，地下水與海水水力相通，受潮汐影響非常明顯，屬動水，水量豐富并存有一定的水壓。由于工程地質和水文地質的復雜，右線盾構通過高爾夫球場這段約500 米區段先后發生過四次不同程度的地面沉陷，刀具磨損較大，需停機進行換刀處理，考慮到高爾夫球場地面加固場地協調困難，施工單位采用在土倉換填方式加固盾構機前方掌子面，但未成功；后經政府部門、地鐵集團的協調幫助，施工單位調整加固方案，通過在盾構機周邊地表先布設微型樁止水帷幕，再在帷幕內由外及中采用wss 注漿進行地層加固，通過采用地表、洞內措施雙管齊下，確保了開倉換刀的安全。

1 工程概況

1.1 區間線路情況

該區間大體東西走向，從深灣一路始發，往西至海德三道路口到達，采用盾構法施工，盾構隧道管片混凝土強度等級C50，抗滲等級P12。外徑6000mm，內徑5400mm，管片厚度300mm，寬度為1500mm。右線隧道在里程YDK9+946.9 處進入沙河高爾夫球場，在里程YDK10+463.7 處出沙河高爾夫球場，通過長度516.8m。盾構機停機開倉位置已通過球場169.99m，剩余346.81m，盾構機刀盤處于YDK10+116.89 處，在沙河高爾夫球場B 區下方。

1.2 地質情況

⑴盾構區間穿越沙河高爾夫球場區域段為地表回填區域，土體較為松散，盾構隧道范圍分布大量球狀風化體，造成盾構掘進困難，坍塌風險較大。

⑵此段右線隧道埋深為20.5m，地質斷面從上到下主要分布細砂、素填土、粘土、礫砂、全強中風化花崗巖，隧道范圍上部砂層厚2.5m，下部為全強中風化花崗巖，砂層含水量豐富。右線盾構機位置地質斷面見圖1。

圖1 右線盾構機位置地質斷面圖

2 施工情況

沙河高爾夫球場內上軟下硬地層掘進情況。

該區間右線自338 環開始即進入上軟下硬地層，推力1400～1900T，土壓0.22～0.28MPa，刀盤扭矩120～190bar，掘進速度3～8mm/min。掘進速度較慢，對地層持續震動較大。目前盾構機掘進至417 環處，416 環管片安裝完成，盾構機切口里程YCK10+116.89。近幾環掘進中，推力較大，扭矩波動較大，出現石頭連續卡刀盤的現象。據地質勘探報告還有約30m 通過上軟下硬地段。經過分析判斷，邊緣滾刀磨損較大，須進行換刀處理。

3 換刀前地層加固方案

因為右線盾構機擬換刀位置地質條件很差,上部為富水砂層,下部為強、中風化花崗巖，常壓開倉不可行，經過試驗壓氣作業因滲漏量太大也無法實施，此類地層進行加固，目前常用的加固方案有地表旋噴加固，洞內盾構超前注漿加固、土倉填倉、地表止水帷幕+袖閥管注漿加固等方式。考慮到右線換刀地點上方為高爾夫球場區，加固施工場地協調非常困難，施工單位在洞內采用填倉方案進行盾構掌子面加固。

3.1 洞內填倉加固（土倉填倉+ 盾構機超前注漿）

施工單位制訂了填倉換刀總體采用盾體徑向注漿孔注入“克泥效”防止盾體受困，向土倉內注入膨潤土填充刀盤周圍空隙，土倉內砂漿填充，盾構機超前注雙液漿加固前方土體的方案。

3.1.1 填倉工藝流程

填倉工藝流程如圖2 所示。

圖2 填倉加工施工流程圖

3.1.2 填倉實施過程

⑴土倉內砂漿填充

通過土倉壁上的球閥向倉內分三階段填充砂漿，并出土，填充砂漿時，頂部傳感器壓力不超過3bar，出土過程中，頂部傳感器壓力不低于2.4bar。

⑵超前探孔補充注漿

盾構機超前注漿主要對刀盤及切口環上部土體進行加固，主要做法：

①注漿鋼花管采用6m 長Φ48mm 的鋼管，對穿梅花形布孔，孔徑8mm，縱向間距為10cm，布孔長度1m。

②漿液采用P·O 32.5R、1:0.8～1:1 水泥漿液。

③將制作好的鋼花管插入超前注漿孔進行注漿。注入水泥漿液，注漿壓力控制在0.3～0.4MPa，壓力穩定后持續進行注漿，直至壓力上升后，再注20～30min。

④以1m 為一個注漿段，注完一段，拔出一段，逐步進行注漿加固，特別是刀盤前方0.8m～1m、切口環上方位置重點注漿。

⑶土倉清理

土倉內所注入漿液凝固穩定3 天后，開始進行人工常壓清倉。

⑷發生涌水涌砂事故

在進行清倉過程中，盾構機土倉出現涌水涌砂的現象，清倉人員迅速撤離土倉。現場管理人員立即組織盾構隊人員采用砂袋、棉紗進行封堵，將人倉口大面積水、砂封堵住后，立即采用鋼管、鋼板、鋼筋進行焊接加固砂袋，連接土倉注漿管路，向土倉內注入聚氨酯，進一步進行封堵。同時安排測量人員對高爾夫球場地面進行監測，發現地方產生半徑為3m、深為1.1m 的沉陷坑，經統計，本次涌水量約200 方，涌砂量約40m3。

為防止在后續的地面注漿時因地層壓力增大而導致人倉沙袋堆碼失穩，須對人倉堆碼砂袋進一步加固處理。在人倉堆碼砂袋外側表面緊密帖15cm×15cm，Φ20mm 鋼筋網片，并在鋼筋網表面滿鋪焊接16mm厚鋼板，通過10#工字鋼橫、縱向50cm 間距焊接在鋼板表面對鋼板進行頂壓，最后用Φ50mm 鋼管將10#工字鋼斜撐至頂部盾殼及螺旋機，形成穩定的支撐體系。

3.2 地面注漿加固（注漿帷幕+WSS 注漿）

本次填倉失敗，究其原因，一是停機處掌子面及上方地層長時間被擾動，且局部為富水砂層，自穩性極差；二是緊臨深圳灣海域，地下水與海水水力聯系，在海水潮汐引起的動水狀態沖刷下，填充倉液在刀盤前方固結并形成強度非常困難；三是填充漿液的配比參數與不同地質情況的適時性還需作大量研究。

洞內填倉不行，則必須采用地表加固的方式，經過仔細分析地質資料考慮加固范圍、深度等，常規的旋噴、粉噴等軟基加固技術難以滿足此類地層加固的要求，加之受高爾夫球場特殊環境的限制，大型設備無法進場，嚴重制約了加固工法的選擇。經過充分的分析論證，決定采用微型注漿樁作施工注漿帷幕，加固區域內部采用WSS 后退式注漿。

3.2.1 加固止水方案設計

⑴微型樁止水帷幕設計：在盾構機盾體周邊設一圈兩排Φ250mm@250mm 微型樁止水帷幕，內排樁樁中心距刀盤前方4m、盾構機兩側各2.5m、盾尾后方2.28m，樁底深入隧道底中風化地層。

⑵WSS 注漿加固設計：在微型樁止水帷幕內采用WSS 后退式注漿加固，WSS 注漿孔間距0.75m 呈梅花型布置，深度從地面水位線以上0.5m（地面以下3.5m）至隧道底中風化地層。

⑶降水井設計：在帷幕外側設4Φ280mm，深27mPVC降水井管。

具體方案設計見圖3～圖5。

圖3 加固止水方案設計平面布置圖

地面加固工程數量見表1。

圖4 加固縱剖面圖

圖5 盾尾止水帷幕加固橫斷面圖

表1 地面加固工程數量

⑷微型樁質量控制措施及標準：

①成孔

采用儀器精確定好樁位，并作好標識，鉆孔作業前需用水平尺前后、左右調整好鉆機的平整度，以保證樁的垂直度，鉆頭尺寸要定期檢查，一般進尺累計達到200 米后鉆頭要測量一次。

②水泥漿液配置要求

水泥漿液配置一要嚴格按照配比下料，二要攪拌均勻，至少攪拌3 分鐘后才可以開始注漿。

③施工檢查

施工過程中要作好質量抽查及工序檢驗批驗收，微型樁成樁關鍵質量點有樁身長度、水泥用量、漿液配置等，通過吊錘及卷尺檢查鉆孔深度以核實樁長是否滿足要求，水灰比可直接用比重計現場檢測，每注完10 根樁以后，要及時核實水泥實際用量，如果不符合設計要求要及時調整。

3.2.2 WSS 注漿加固施工工藝

⑴施工工藝

WSS 注漿施工工序如圖6 所示。

圖6 WSS 注漿施工工序圖

⑵注漿材料、設備、人員及參數選擇

①注漿材料

注漿主要采用無收縮雙液漿，可分為懸濁型（由A液和C 液組成，簡稱AC 液）和溶液型（由A 液和B 液組成，簡稱AB 液），見表2。AB 液強度較低，但止水效果好，AC 液強度較高，本次注漿以止水為重點，AB 液使用比重更大。

表2 WSS 注漿材料及漿液配比

②注漿參數

WSS 后退式注漿參數如表3。

表3 注漿參數

施工中漿液配比及注漿參數應根據現場情況試樁進行適當調整、優化，以滿足施工要求。

3.3 加固輔助措施

3.3.1 降水施工

為提高注漿加固的效果，在刀盤前方及兩側、加固區外側共設置4 個ф280 降水井，降水深度至強風化地層。

3.3.2 洞內加固措施

⑴盾尾二次注漿

為防止盾尾后部地下水前躥，對盾尾后方10 環位置進行了補充二次注漿，通過管片吊裝孔打入1.0～1.5m 鋼花管注入雙液漿，形成止水環箍。

漿液配比：水泥漿:水玻璃=1:1，水灰比1:1，水玻璃：35Be。

注漿壓力≤3.0bar，形成止水環。

⑵土倉注漿

地面微型樁止水帷幕+WSS 注漿完成后對土倉內進行注漿加固。

⑶超前注漿

利用盾構機自帶的8 個超前注漿管道對盾構機前方土體進行加固。

3.3.3 加固過程對盾構機的保護措施

⑴盾構機保護措施盾構殼體保護采用從盾構中盾、前盾徑向注入孔注入“克泥效”+水玻璃注漿；盾尾采用同步注漿管注入膨潤土+水泥漿液保護。

⑵其它措施

①定時反轉螺旋輸送機：為防止注漿加固施工過程中造成螺旋機抱死的情況，在注漿過程中間隔30 分鐘反轉一次螺旋機，每次轉動時間10 分鐘，并注意觀察壓力變化。

②盾尾鉸接保護。在盾尾鉸接位置注入潤滑油脂，并將盾尾與中盾交接位置用鋼板焊接連接。

③地面注漿加固時，保持洞內與地面聯系，若螺旋機壓力發生變化，立即反轉螺旋；加強對刀盤主軸承密封保護，保持土倉壓力不大于3.5bar，若有超出3.5bar的跡象，通知地面降低注漿壓力或暫停注漿，待倉內竄入漿液凝固后，通知地面恢復正常加固。

3.4 加固效果

通過因地制宜，采用地面微型樁+WSS 注漿方式加固盾構機掌子面土體，輔以周邊降水、盾尾后方堵水、洞內超前注漿等措施，以及采取一系列防止盾構機固結的措施后，施工單位歷經約40 天時間完成盾構機前方地層加固作業，在對加固體進行效果檢測時，發現加固體的強度、加固的均勻性基本達到設計要求，在緊隨其后進行的約15 天的土倉清倉、換刀作業未發生坍塌及大的滲漏水情況，加固取得良好的效果。

4 總結語

⑴因為高爾夫球場段的場地協調困難，該段盾構區間地質詳勘、補勘無法進行，導致盾構機選型、刀具配置與實際地質條件的不適應，也未能調整線路平縱斷面設計，或提前對動壓富水地層作加固處理，在不識地情的盾構“盲推”導致掘進過程多次發生地面塌陷事件，其后因停機、換填、地面加固、清倉、換刀等工作損失工期約3 個月，再一次用典型案例證明“盾構工程施工，地質是基礎，盾構機是關鍵，人（的管理）是根本”的管理理念。

⑵盾構機前方地層加固方式選用一定要因“場地”制宜、因“地質”制宜，如果兩者沖突，應優先考慮地質條件，否則會存在較大的風險。在動壓富水砂層采用換填方式穩固掌子面需謹慎，填倉漿液的配合比設置、漿液凝固清倉時間的把控、以及其他一些輔助措施的應用，都還需進一步研究探討。

⑶在動壓富水砂層采用地表微型樁作止水帷幕，從外至內施作WSS 樁注漿，輔以周邊降壓降水，減少了漿液擴散，在富水砂層采用WSS 鉆注一體后退式注漿，在注漿參數設計合理的情況下，經過后續對加固體取芯顯示滲透系數明顯降低，并具備一定的強度。在類似工程地質、水文地質條件下多次成功案例證明是一種比較安全、穩妥的加固方式，有一定的借鑒和推廣意義。

⑷地表加固過程中，洞內輔助措施必不可少，包括超前地質預探、防掌子面坍塌、防盾構機固結、防盾尾擊穿以及防管片上浮等應采取穩妥措施，避免盾構機意外事故的發生。