關于盾構法施工滲水通道成因猜想及初步驗證

譚輝 深圳市寶安區水務局

陳小衛 中國水利水電第七工程局有限公司

穆建波 深圳市寶安區福永街道辦事處

盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法。它是將盾構機械在地中推進，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖防止發生往隧道內的坍塌。同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結構的一種機械化施工方法。因其特有的在盾構的掩護下進行開挖和襯砌作業，有足夠的施工安全性；地下施工不影響地面交通,在河底下施工不影響河道通航;施工操作不受氣候條件的影響;產生的振動、噪聲等環境危害較小;對地面建筑物及地下管線的影響較小等優越性，在城市隧道施工中得到廣泛應用。

為確保盾構掘進順利進行，減少盾體推進時的摩擦阻力，盾構機設計時即考慮從刀盤盾體至管片之間的結構尺寸逐步減小的方式以減少土體對盾體的摩擦。以中鐵裝備190土壓平衡盾構機為例，盾構機刀盤開挖直徑為6280mm，前盾外徑為6250mm，中盾外徑為6240mm，尾盾外徑為6230mm，盾構管片外徑為6000mm。

受盾構機設計原理限制，盾構機掘進施工完成后，在刀盤與盾體，盾體與管片之間必然存在一定的間隙，在不考慮刀盤開挖的擴孔系數及周圍土體部分塌陷的情況下，最終在管片周圍存在一個至少14cm的間隙。

為避免盾構掘進過程中施工區域地表沉降，同時提高隧道的防水性，盾構機掘進的同時，通過同步注漿系統將漿液同步注入管片和開挖洞身之間的環形間隙之中，通過同步注漿，最大限度的最快充填環形間隙，使管片盡快同周圍地層形成一個整體，對周圍土體起到支撐作用，防止地面變形過大引起塌陷或危及周圍構作物。另一方面，由于充填及時，對剛拼好的幾環管片的支撐和承托作用加強，減小了管片移動的可能性，從而減少管片在推力作用下開裂和錯臺的可能。同步注漿一般采用4個孔同時注漿，分別為位于1點、4點、8點及11點方向，在盾構推進過程中進行同步注入。理想狀態下，同步注漿應完全充填管片與掘進通道之間的間隙。漿液同周圍土體結合并凝結為一個整體，為后續盾構掘進提供反力。由于管片拼裝完成后處于封閉狀態，盾構掘進過程中，在管片拖出盾尾的情況下，管片因受到周圍同步注漿漿液的浮力影響，承受較大的上浮力，僅靠管片螺栓連接將盾體內正在拼裝的管片以及已成環且同步注漿漿液已固結的管片共同鎖定管片，確保漿液凝結前管片位置相對穩定，管片形態控制在規范允許范圍內，直至漿液固結，屆時盾構管片則與周圍土體連成一個整體，盾構隧道將處于穩定狀態。

在地下水發育的沿海地段進行盾構施工時，為確保施工順利進行，在盾構土倉內需建立土壓平衡，土壓平衡盾構掘進機就是利用切削刀盤，將正面土體切削下來，進入刀盤后面的貯留密封艙內，并使艙內具有適當壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少盾構推進對地層土體的擾動。當泥土倉和螺旋輸送機中的渣土積累到一定數量時，開挖面被切下的渣土經刀槽進入泥土倉的阻力增大，當泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時，開挖面就能保持穩定，開挖面對應的地面部分也不致坍塌或隆起，這時只要保持從螺旋輸送機和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時，開挖工作就能順利進行。在盾構掘進過程中，由于土倉內通過不斷注入空氣確保土倉內一直存在相對穩定的壓力。此時，土倉內的土體和地下水因此壓力的存在而無法泌出，隨著刀盤的不斷掘進，盾體同周圍切削面因自身尺寸變小導致盾體與周圍土體之間的空腔的變大，此時，因部分土倉壓力傳導可能部分存在一定的壓力，當刀盤逐步掘進而無法平衡周圍土體水位自身產生的壓強時，則周圍土體開始向盾體周圍間隙內泌水，并在重力的作用下主要存在于盾體下半部分。隨著盾構的進一步掘進，當盾構管片推出盾尾后，因管片直徑僅為6000mm，較盾體進一步縮小，導致一旦管片拖出盾尾前期在盾尾泌出水流及前期管片周圍泌出的水流立即充實在管片底部。根據盾構施工工藝基本情況，在盾構始發時，必須要等到整個盾體全部進入隧道內后，方可在盾構管片拼裝完成一環后方可同步注漿，理論上可認為此時管片底部及盾體周圍已存在不同層度的泌水現象，雖在施工過程中部分考慮了進行端頭降水措施，但受降水范圍限制，掘進端頭仍存在少量泌水現象，導致盾構施工全過程中均存在一條相對完整的滲水通道條件。當盾構掘進過程中，管片拖出盾體后，此時在管片周圍進行同步注漿，由于盾構設備自身設計結構，僅在1點、4點、8點及11點方向存在注漿口，其中4點、8點方向進行注漿時，由于為兩側注漿，無法保證漿液將底部水流排出，同時受盾構設備盾尾刷擊穿強度的限制，無法采用大壓力注漿，快速將管片底部水流快速壓至周圍土體以內。導致筆者盾構實施過程中，發現多數情況下盾構施工結束以后存在如下現象：當地下水位豐富時，盾構掘進過程中，管片洞門止水簾布無滲水現象，當盾構一旦停機或暫停施工時，簾布端下部會存在不同程度的滲水，簾布止水未發揮完全止水效果段尤為明顯。區間在兩端洞門封閉成型后，盾構掘進軸線存在2-3cm不同程度抬動現象，具備最大能達到5-8cm。

由于盾構隧道成型后的抬動現象長期存在，且抬動高度存在較大不確定性，不利于盾構掘進線型的有效控制及隧道本身的長期結構安全。故筆者根據自身觀察到的現象，對滲水通道及抬動現象原因初步分析如下：

由于地下水位較高，在盾構掘進過程中，土倉中存在土壓力，用于平衡刀盤掌子面土壓力及水壓力，在盾構掘進過程中掌子面滲水可得到有效抑制，但由于刀盤切口直徑大于盾體直徑3cm，導致土倉壓力在傳導至盾體時存在一定的壓力降，依次類推，管片直徑較刀盤直徑小14cm，則管片周圍壓力則進一步降低，且管片距離單盤距離約10m，管片周圍壓力降無法得到有效的補充，當此時的壓力不足以平衡周圍水壓力時，周圍地下水析出，并迅速沿管片周圍通道存于管片底部，導致管片同步注漿時由于為4點、8點同步平衡注入漿液，無法完全排出水體，雖盾構機埋設了一定數量的監控原件，但無法完全確定管片外圍是否完全充填密實，隨著盾構掘進的不斷進行，管片外圍滲水通道則永久存在并隨著盾構的掘進逐步形成一個滲水通道；由于4點及6點方向注漿時，注漿通道無法完全對稱，故滲水通道的位置存在較大的隨機性，而管片二次注漿僅能通過固定的注漿孔，位置相對固定，故二次注漿亦無法全面阻斷并填充滲水通道。由于滲水通道的存在，導致管片兩端洞門一旦封閉，地下水位重新恢復到原始高程，水的浮力將導致管片整體上浮，而同步注漿的注入的水泥漿液，在凝結過程中在自身重力和管片浮力的反作用力下，部分滲入底部及周圍土體，導致管片頂部存在一定的空洞；盾構注漿漿液凝結后自身的體積收縮，也同樣導致管片頂部存在一定的空洞。盾構施工工藝在兩端洞門封閉完成后由于地下水位重新沿滲水通道作用在管片上，導致管片上浮，造成盾構隧道成型后的整體抬動現象。同時通過在施工的部分盾構區間通過在土倉內拋投顏料的方式，已驗證了部分區間滲水通道的連通性。

可能存在的隱患：由于滲水通道的存在，在部分盾構區間剛好位于地下水位線的砂土粉土地質的地鐵段落，由于受地鐵運行時震動產生的擾動下，導致土體重黏性物資同砂質分離并隨著地下水位的升降而產生流動，導致周邊土體空洞加大，承載力下降，導致該段落后期沉降影響乘車舒適性及結構安全。

目前受已有設備工況限制，無法進行進一步研究，僅提出幾點構想：改進盾構設備，在同步注漿過程中在管片利用部分管道作為空隙內負壓真空管，在注漿的同時進行負壓排氣，確保管片同步注漿充填密實；改進設備，在盾尾底部增加一個排水管，在同步注漿時同時對管片底部進行抽排水，直至抽出水體見同步注漿漿液，從下排出全部水體；在底部管片段增加埋設二次注漿孔，封閉洞門前從縱坡底部向頂部進行一次二次注漿，確保漿液充填密實。

結語

由于目前滲水通道無法解決，現場實施過程中仍為一個忽略的部位。本文基于筆者了解的現場實際情況及本人的思考提出的個人觀點，可能存在一定的片面性或不足之處。希望在后續的過程中大家相互學習溝通。