沿海深埋富水松散地層土壓盾構水中接收技術

代 為

(中鐵二十五局集團有限公司 廣東廣州 511455)

1 引言

盾構接收是盾構法隧道施工中風險較大的關鍵環節，尤其在不良地層盾構接收過程中，易發生洞門滲漏、地面沉降、隧道管片錯臺、主體結構變形等一般事故，嚴重時可導致地面和隧道坍塌、盾構被埋、線路被淹、主體結構破壞等重大事故。為了實現不良地質條件下或環境敏感地段盾構安全接收，業界已探索出多種行之有效的端頭加固和盾構接收方式。陳曉忠[1]對重疊隧道的下線隧道采取垂直凍結＋明洞接收箱接收工藝進洞；吳瓊[2]在富水圓礫地層中采用短套筒進行盾構接收，有效避免了洞門涌水涌砂事故；鄭石等[3]采用鋼套筒輔助泥水平衡盾構到達接收，有效地抑制了地面沉降和結構變形；趙亮等[4]在軟弱富含水地層中采用了杯型水平凍結法端頭加固與鋼套筒輔助的盾構接收施工工藝，并對水平凍結加固區的溫度以及盾構接收期間地表沉降進行了現場實測研究；于加云[5]在處理盾構到達突發涌水事故時，采用了密閉的箱形鋼筋混凝土接收洞室與隧道洞門密閉連接進行盾構水中接收；刁鵬程等[6]采用液氮垂直局部凍結水泥土加固后仍存在涌水涌砂風險的盾構端頭，進行二次加固封水，取得了很好的效果；劉攀[7]通過在盾構接收端頭增設液氮垂直凍結與水中接收的綜合施工方案，有效控制地層損失率，車站、隧道結構以及周邊建筑物沉降量均在安全范圍內；潘榮凱等[8]在滲透系數較大的砂性地層中采用三軸攪拌樁＋垂直凍結法加固端頭后，安全進行了盾構水中接收；賁志江等[9]等采用水泥土三軸攪拌樁＋高壓旋噴樁＋垂直冷凍固結的方式進行端頭加固處理后進行了大直徑泥水盾構水中接收，接收段加固區域內地表沉降≤46 mm；張連凱[10]在盾構進洞時覆土深度33 m且承壓水水頭高的情況下進行了盾構水中接收；李克金[11]預先對工作井基坑連續墻外側一定范圍內的含水地層采用液氮垂直凍結進行加固，使之具有一定的強度、封水性和一定承載能力，在泉域富水地層進行了盾構水中接收；安宏斌等[12]在端頭地層具有一定自穩能力的情況下，進行了無端頭加固條件下的土壓平衡盾構水下接收。

分析現有文獻資料和成功案例可知，近年來業界傾向于使用鋼套筒接收、洞門凍結法＋水中接收兩種方式應對風險較大的盾構接收。其中盾構水中接收要求端頭能夠自穩或加固后能夠自穩才能確保安全，目前尚未檢索到在松散地層無加固或加固效果不好條件下土壓平衡盾構水中接收的成功案例。本文對沿海深埋富水松散地層端頭加固無效條件下進行土壓盾構水中接收的關鍵技術進行研究。

2 工程概況

某工程盾構區間隧道左右線全長2 749 m，設計采用“外包800 mm素砼墻＋三軸攪拌樁”端頭加固(見圖1)、井點降水(兩口降水井)輔助的接收方案。盾構距離接收端頭外包800 mm素砼墻1 m左右時，洞門水平鉆孔取芯時涌水涌沙，端頭加固無效；水平注漿進行補救，情況沒有明顯改善。此時，若按照設計方案進行接收，則存在洞門涌水涌沙乃至地面和隧道坍塌的重大風險；若對端頭采取深孔水平注漿進行止水加固補救，則極易串漿造成盾構在地層中裹漿抱死、刀盤刀具和開挖艙糊死；若采用凍結法進行加固止水，則工期不允許。綜合上述情況，為確保盾構安全到達，比選后決定采用水中接收方案。

圖1 盾構接收端頭加固

2.1 盾構接收井基本情況

盾構接收井基坑深41.6 m，圍護結構采用1.2 m厚的地下連續墻，為地下三層明挖結構，基坑設計總長度為22.4 m(含地連墻)，寬為40.2 m，采用內支撐＋環框梁體系，豎向共設置7道支撐(均采用混凝土支撐)，接收端頭處左右線中心線間距為21.7 m，見圖2。盾構井東側為雙向十車道城市交通主干道，呈南北走向，施工圍蔽在主路上；盾構井西側為某生態莊園，主要為1～2層彩鋼房，與盾構井最小距離12 m。盾構井施工期間涉及的給水管、供水管、通信及電力等管線均已遷改完成，盾構達到接收無影響。見圖3。

圖2 盾構接收井剖面圖

圖3 盾構接收端航拍圖

2.2 接收段工程地質與水文情況

盾構接收端頭處隧道頂部埋深30.2 m，接收段隧道上覆土地層(從地表至隧道接觸面)依次為:＜1-1＞雜填土、＜2-1B＞、淤泥質土、＜2-2＞淤泥質粉細砂、＜2-1B＞淤泥質土、＜2-4＞粉質黏土、＜3-2＞中砂，隧道洞身范圍為＜3-2＞中砂、＜3-3＞/＜3-4＞圓礫、＜7-3＞強風化泥質粉砂巖、＜8-3＞中風化泥質粉砂巖。隧道穿越地層為＜8-2＞中風化粉砂質泥巖、＜7-2＞強中風化粉砂質泥巖、＜3-2＞中粗砂、局部夾＜3-3＞/＜3-4＞圓礫層。

盾構井接收端地下水位高，實測初見水位約5.0 m，且具有承壓性，地下水主要為第四系松散層孔隙和基巖裂隙水，地下水豐富，主要含水層是砂層和強風化帶及中等風化帶。砂層中等～強透水層，基巖弱透水層，基巖裂隙水與上層第四系水存在一定的水力聯系；周邊小河涌、小河溝、魚塘較多，地表水較發育，且周邊120°范圍距珠江入海口水域直線距離不足10 km，地表水和地下水位受潮汐漲跌影響較大，地下水埋深變化規律與潮汐相同稍滯后，動態穩定水位約5.0～7.5 m；盾構水中接收時，地下水埋深按5.0 m計，蓄水深度為36.6 m。

2.3 盾構基本情況

區間施工采用的兩臺型號ZTE8800土壓平衡盾構為全新機，開挖直徑8 840 mm，管片規格(外徑/內徑-寬度)8 500/7 700-1 600 mm。盾構的關鍵參數中，主驅動、盾尾鉸接、盾尾刷、螺旋輸送機出渣閘門和中心回轉接頭等5處關鍵密封的承壓能力對能否水中接收有決定性影響。該兩臺盾構的主驅動密封采用外1道端面聚氨酯密封＋1道軸向聚氨酯密封＋唇形密封、內2道唇形橡膠密封，最大工作壓力1.0 MPa；盾尾鉸接采用2道充氣與橡膠密封共生密封，最大工作壓力0.6 MPa；盾尾密封采用4道尾盾密封刷＋1道尾盾止漿板，最大工作壓力0.6 MPa；螺旋輸送機后部采用2道出渣閘門，最大工作壓力0.6 MPa；中心回轉接頭最大工作壓力1.0 MPa。按照木桶理論，該兩臺盾構的設計最大工作壓力為0.6 MPa，可以承受60 m高水頭壓力，理論上滿足本次水中接收要求。

3 風險分析與應對措施

3.1 盾構主要密封失效的風險與應對措施

本工程所用盾構設計承壓能力滿足本次水中接收要求，但經過2 740 m左右的掘進，各處密封不可避免地存在一定的磨損。若水中接收時出現主要密封失效，輕則會造成盾構設備損毀，重則會導致地面和隧道坍塌、盾構被埋、相鄰聯通隧道和車站被淹，是不可承受之重。因此，必須對前述5處關鍵部位密封的可靠性進行逐一排查和確認。

3.1.1 主驅動密封可靠性排查與確認

對兩臺盾構主驅動密封腔加氣壓1.0 MPa進行氣密性試驗，檢查后確認可靠。

3.1.2 盾尾鉸接、盾尾鋼絲刷、中心回轉接頭、螺旋輸送機閘門密封可靠性排查與確認

土倉加氣壓至0.6 MPa，開啟盾構自動保壓系統，對上述密封進行氣密性試驗，并逐一排查，發現除左線盾構螺旋輸送機閘門滲漏外，其余均完好；更換該閘門后，對左線盾構重復進行氣密性試驗，確認全部密封可靠。

3.2 潮汐對地下水的影響與應對措施

潮汐對接收井處的地下水位影響較大，漲潮時較退潮時高約2.5 m，盾構破除洞門地下連續墻以后至洞門封堵完成階段，內外水體處于連通狀態。此時，潮汐引起的地下水周期性漲跌和流動，可能攜帶端頭的松散地層進入接收井，造成接收端頭的沉降和坍塌。

因此，盾構接收過程中，要始終確保接收井內水位高于地下水位，避免潮汐運動造成端頭松散地層進入接收井。

3.3 端頭松散地層在重力作用下流失的風險與應對措施

洞門破除后至封堵完成前，端頭處不能自穩的松散地層不可避免地會在重力作用下沿著盾體與地下連續墻切口之間的環形縫隙流入接收井，若不采取措施加以控制，勢必造成接收端沉降乃至坍塌，這也是通常情況下盾構水中接收要求端頭地層必須有一定自穩能力的根本原因。本工程接收端為上軟下硬地層，盾構開挖面上半部及拱頂大部為松散砂層，加固效果較差且未進行補充加固處理，加之加固作業過程中對地層的擾動，因此，在自身重力作用下，端頭松散地層流失的風險非常大，具體采取以下措施進行控制:

(1)盾尾脫出連續墻前，及時進行有效的洞門封堵。

(2)增設一道延長洞門密封:寬500 mm洞門延長鋼環＋1道盾尾鋼絲刷＋1道鋼板束；此外，在延長鋼環上半部預留2排8路雙液漿應急注漿管路，見圖4。

圖4 延長鋼環洞門密封及應急注漿管路

(3)洞門處堆土反壓。

(4)盾體徑向孔注聚氨酯。

3.4 地面沉降和坍塌風險與應對措施

在盾構接收過程中，只要確保接收井內水位高度，地面沉降和坍塌風險就可控。本工程地面沉降和坍塌風險存在于接收井降水階段，此時，若洞門滲漏或端頭地層損失在接收井內降水前沒有及時回填，則極易造成地面沉降和坍塌。因此，接收井降水疏干前，一定要確保洞門封堵完好、端頭地層注漿填充密實。

除上述風險外，還存在盾構被漿液包裹抱死、洞門密封失效、接收井泄露失壓等風險，在此不再贅述。

4 土壓盾構水中接收關鍵技術

4.1 盾構水中接收作業

4.1.1 盾構進入端頭加固區前準備階段

接收井內進行接收導臺施作、洞門安裝、洞門處堆填渣土等準備工作，完成后盾構恢復掘進，至刀盤到達800 mm厚C20素砼連續墻端面后停止掘進，進行盾構及配套設備維保、盾尾附近管片二次注漿隔水環施作，同時應急物資材料機具就位。

4.1.2 盾構通過端頭加固區階段

盾構恢復掘進，通過800 mm C20素砼連續墻、端頭加固區，至刀盤到達1 200 mm厚C35玻璃纖維筋砼地下連續墻端面后停止掘進；對盾構5處關鍵密封的可靠性進行確認、端頭加固范圍內管片二次注漿；上述工作完成后接收井蓄水至設計深度。

4.1.3 盾構通過洞門地下連續墻階段

盾構恢復掘進，通過1 200 mm C35玻璃纖維筋砼地下連續墻，至盾尾剩余約300 mm脫出連續墻停止推進；盾體徑向孔注聚氨酯、端頭加固區內管片深層注雙液漿、盾尾注雙液漿；盾構繼續推進，至盾尾剩余約500 mm脫出延長洞門時停止推進；盾尾注雙液漿再次封堵洞門。

4.1.4 收尾階段

接收井排水疏干；盾構繼續推進至拆機位置。

4.2 控制要點

(1)盾構5處關鍵密封的可靠性確認，是整個作業流程的重中之重，關乎盾構水中接收的本質安全，一定要專人負責、換手復核。

(2)端頭連續墻與管片之間的洞門環形切口能否得到及時有效的封堵，將決定端頭松散地層損失程度和數量、損失地層能否及時得到充填、接收井能否降水等，關乎盾構水中接收成敗的關鍵。

(3)接收井內降水需分兩階段進行，重要且特殊:第一階段，在退潮階段將接收井內水位降至與地下水齊平，停止降水；隨后觀察接收井內水位是否上升，若上升則說明接收洞門處端頭滲漏，需進行洞內管片補注漿封堵。第二階段，確認端頭封堵完好后，接收井繼續降水；在盾構露出水面以后，減小降水速度，注意觀察洞門是否存在滲漏并及時處理；若洞門滲漏較大，應停止降水直至堵漏完成。降水階段，若不注意上述細節，則極易引起地面沉降乃至坍塌，造成水中接收功虧一簣。

(4)全部工序中的注漿作業，對地面沉降控制、盾構隧道管片質量及盾構水中接收安全等非常重要；注漿的同時要做好預防盾構裹漿抱死、刀盤刀具及開挖艙糊死等次生災害防范措施。

4.3 盾構水中接收結果

兩臺盾構均安全接收，洞內注漿洞門封堵效果良好，接收井降水過程中左右線洞門僅有局部滲漏點，簡單處理后使用單液漿完成封堵；監測結果顯示，接收端頭地面最大累計沉降量10.5 mm；洞門處存在砂層淤泥質土、淤泥質粉細砂、中粗砂等端頭松散地層淤積；左線洞門預埋鋼環連同洞門延長鋼環密封一起脫落。盾構水中接收情況見圖5。

圖5 盾構安全接收

5 結論與建議

松散地層接收端頭加固無效的情況下進行土壓盾構水中接收，端頭地層損失不可避免，存在一定的施工風險；及時洞內注漿進行有效的洞門封堵和端頭回填，可以控制風險、確保安全。

沿海地區深埋松散地層的止水加固工法選擇時，要充分考慮潮汐的不利影響；條件允許的情況下，一定要優先確保端頭加固質量，這是降低盾構接收風險的根本；水中接收時增設的洞門延長鋼環密封為冗余安全措施，有條件時仍然建議安裝。