臨近構筑物富水地層的盾構水平小間距始發施工

盧森

【摘 要】本文詳細介紹了針對左、右線水平間距極?。?.15m）、端頭富含承壓水、端頭下穿構筑物（構筑物距離始發端頭水平距離小于盾構主體長度）等特殊工況的盾構始發施工，施工過程中主要通過隔離素墻結合深孔注漿的端頭優化加固、洞口二次密封結構的有效利用、始發掘進參數的科學管理以及輔助加固工藝的精心組織等一系列措施成功實現安全、順利始發。

【關鍵詞】盾構；臨近；構筑物；富水；小間距；始發；隔離素墻；二次密封

1 工程概況及施工難點分析

本文以深圳地鐵11號線11301-1標【福-車】區間為背景。該區間工程始發段從上到下地層分布主要為：素填土、中砂、礫砂、礫質粘土、全風化粗?；◢弾r、塊狀強風化粗?；◢弾r、中等風化粗?；◢弾r。洞身范圍地層主要為全風化粗?；◢弾r，局部為礫質粘土。

另外該工程始發工況復雜，具體情況如下：

（1）盾構井始發端頭地質環境差，端頭地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于沖洪積砂層中，其水位為2.58米，處于隧道拱頂以上9米，潛水具有承壓性，最大承壓水頭一般為地表。第四系沖洪積砂層水量較豐富，具有中等～強透水性及中等～強富水性。

（2）水平距離端頭掌子面6.6米處，隧道拱頂上一直徑1.6米的給水管與其垂直相交，該水平距離小于盾構機主體長度，這就意味著在盾尾還未完全進洞的情況下需實現下穿，其水平位置如下圖1所示。且該給水管埋深4米，距離隧道拱頂僅6米。

圖1 始發井端頭與給水管的水平位置關系圖

盾構機僅在以上工況下始發都極易造成端頭水土流失過大而導致的地面塌陷、盾構機始發姿態載頭而導致的管片變形，然而該工程中盾構機需在此復雜工況的前提下實現水平間距僅3.15米的雙線隧道的安全順利始發，其始發洞口斷面分布如下圖2所示：

圖2 左右線始發洞口斷面圖

由此，始發井端頭、盾構機始發位置、給水管的相對位置可如下圖3所示：

圖3 始發井端頭、盾構機始發位置、給水管的相對位置立面圖

2 施工工藝流程

臨近構筑物、富水地層的盾構小間距始發施工工藝流程如圖4所示。

圖4 臨近構筑物、富水地層的盾構小間距始發施工工藝流程圖

3 施工過程創新技術概述

3.1 針對左、右線水平極小間距（3.15m）始發相互擾動大的特點，結合理論模擬驗算的結果，選用隔離閉合素墻結合深孔注漿的方式進行端頭加固，安全可靠，實際效果顯著。

3.2 采取自主研發的一種洞口二次密封技術（專利號：ZL 2014 2 0671702.8），有效防止了盾構在始發出洞階段的涌砂、涌水及漏漿現象。

3.3 結合始發端頭的加固工藝，將盾構機始發掘進劃分為不同區段進行各項參數的關鍵性控制，其中包括：盾構機切削玻璃纖維筋混凝土或素樁的關鍵性控制、盾構機在注漿加固區內的關鍵性掘進控制、盾構機磨素墻的關鍵性控制、盾構機下穿地下構筑物的關鍵性控制、盾構機完全進入地層后的關鍵性掘進控制。

3.4 當盾尾完全進入地層后，通過對盾構機的局部改造實現了便捷、快速的跟隨式二次注漿（專利號：201220647940.6），及時有效地緩解了盾體出洞推進造成的地層變形。

3.5 有選擇、有范圍的針對端頭富水層進行地表注漿加固，有效降低了始發端頭地層的滲透性。

4 施工操作要點概述

4.1 始發端頭加固施工

針對始發端頭的臨近構筑物、富水、水平近距離等特點，采用素墻結合深孔注漿的加固方案。素墻沿始發端頭閉合成環，其長度延伸至左、右線兩側各3m的位置，寬度延伸至地下構筑物前50cm的位置（若無構筑物取10米），同時在左右線中間設置一道中隔墻，然后在封閉的墻環內進行深孔注漿，注漿孔適當避開中隔墻，其具體加固方案的平面圖如圖5所示：

圖5 素墻結合深孔注漿平面圖

4.2 小間距始發掘進參數的科學管理

盾構始發前，首先務必確保盾構始發洞圈密封裝置安裝完成，然而一般的密封裝置僅采用橡膠板，由簾布橡膠、扇形壓板、防翻板、墊片和螺栓等組成。其示意圖如圖6所示。

圖6 盾構始發洞門密封示意圖

盾構始發時，其盾構始發姿態不易控制，時常對洞門范圍內合頁板造成偏壓，在端頭富水的情況下極易造成合頁板欠壓處涌水、涌砂及漏漿。此時，我們采用兩道5mm的弧形鋼板（鋼板要求韌性較好）做一個完整的封閉弧形圓環，且利用角鋼焊接在洞門鋼環內部，在圓環空隙處用海綿填充密實，用鐵絲將海綿固定牢固，由此形成一個完整的密封帶（具體如下圖7所示），以此達到二次密封的目的。另外再用槽鋼做一個引軌，引導盾構機始發出洞方向。

圖7 二次密封結構示意圖

另外，針對本工程中的特殊工況，將盾構機始發掘進劃分為不同區段進行各項參數的關鍵性控制，其中包括：盾構機切削玻璃纖維筋混凝土的關鍵性控制、盾構機在注漿加固區內的關鍵性掘進控制、盾構機磨素墻的關鍵性控制、盾構機下穿DN1.6米給水管的關鍵性控制、盾構機完全進入地層后的關鍵性掘進控制。

（1）切削玻璃纖維筋混凝土或素樁掘進

①主要參數控制關鍵點

總推力控制在400T以內，刀盤轉速0.8rpmin左右，掘進速度控制在6mm/min以內，切削的過程中螺旋機無需出土。

②渣土改良控制關鍵點

在切削玻璃纖維筋混凝土掘進的過程中，主要采用泡沫管進行渣土改良，泡沫管的總流量設定為400L/min，向刀盤前方注入大量的泡沫，泡沫效果調節的偏稀一點，其發泡倍率設定為8倍，泡沫混合液的比率設定為4%，目的在于使刀盤降溫迅速并潤滑刀具，防止混凝土塊在艙內高溫板結。

（2）注漿加固區內掘進

①主要參數控制關鍵點

總推力控制在600T以內，刀盤轉速0.8rpmin左右，掘進速度控制在20mm/min以內，刀盤切削進土的過程中緩慢旋轉螺旋機開始出土，其轉速結合推進速度控制在0.5～2rpmin，嚴格關注土倉內壓力變化，逐漸建立土壓至設定值。土壓建立過程中，不易過快或過慢，過快易造成艙內混凝土塊混合粘土形成“泥餅”，過慢易造成地層超挖，出土量過大。

②渣土改良控制關鍵點

在注漿加固區內掘進的過程中，主要采用泡沫管進行渣土改良，泡沫管的總流量設定為6000L/min，向刀盤前方注入大量的泡沫，泡沫效果調節的偏干一點，其發泡倍率設定為12倍，泡沫混合液的比率設定為4.5%，目的在于降低艙內的消泡速率，便于螺旋機內形成良好的“土塞”。另外，隨著螺旋機的轉動，向土艙內注入一定粘度的膨潤土（粘度30s左右，其效果如下圖4-4所示）。膨潤土選用鈉基膨潤土，經發酵后送至盾構機膨潤土罐內，其注入量結合螺旋機出土口處的出渣效果而定（80～150L/min），其目的在于攜帶艙內較大塊的混凝土樁。當土艙內的大塊混凝土被攜帶殆盡后即可停止膨潤土的注入，視具體出渣效果調節泡沫的注入量和注入配比。

圖8 粘度為30s的膨潤土效果圖

（3）切削素墻掘進

①主要參數控制關鍵點

總推力控制在800T以內，刀盤轉速0.6rpmin左右，掘進速度控制在5mm/min以內，盾構機姿態沿托架導軌平穩前行，保持抬頭趨勢，切忌進行姿態糾偏，土壓控制在設定土壓±0.1Bar。

②渣土改良控制關鍵點

在切削素墻的過程中，主要采用泡沫管進行渣土改良，泡沫管的總流量設定為240L/min，向刀盤前方注入大量的泡沫，泡沫效果調節的偏稀一點，其發泡倍率設定為10倍，泡沫混合液的比率設定為4%，目的在于使刀盤降溫迅速并潤滑刀具。另外至少保留一路泡沫管通過膨潤土罐向刀盤前方注入適量的膨潤土（粘度40s左右，其效果如圖9所示），目的在于使刀盤前方形成一層良好的泥膜，增加前方土體的抗滲性，特別是當素墻被刀盤貫穿后，前方的未加固區域極易與刀盤形成匯水通道，另外，該膨潤土匯入艙內與土體攪拌均勻，提高流塑性并建立起“實壓”，減少了因掘進緩慢而造成的水土流失，且很好地潤滑、冷卻了刀盤和刀具。

圖9 粘度為40s的膨潤土效果圖

（4）下穿既有構筑物掘進

當盾構機刀盤下穿既有構筑物掘進時，盾尾尚處在托架之上，并未完全進入土體。掘進原則把握住“低轉速，小扭矩，低推力，快推進”，總推力控制在800T以內，刀盤轉速1.0rpmin左右，掘進速度控制在20～30mm/min，扭矩控制在0.8MNm以內，盡量提高掘進土壓至設定土壓﹢0.1Bar。渣土改良主要使用泡沫劑，視渣土具體情況進行配比的調節。

（5）盾體進入地層后試掘進

①主要參數控制及渣土改良控制關鍵點

把握住“小扭矩，低推力”的原則平衡其他相關參數，扭矩控制在0.8MNm以內，推力控制在1000T以內。渣土改良主要使用泡沫劑，視渣土具體情況進行泡沫配比的調節及向刀盤或土艙內注入冷卻水。

②姿態控制

盾構姿態基于盾構刀盤自重的影響，盾構以高于設計軸線20mm進洞，盾構位于始發臺上時不進行任何姿態調整，待盾尾脫出始發托架進入地層后，若需調整姿態，原則上每環姿態調整量控制在6mm以內，并嚴格控制盾構機的抬頭趨勢≧+4。

為防止盾構機機身在未進入土體時產生旋轉，在始發臺上將焊接防滑擋塊，同時根據磨樁情況，及時調整刀盤轉向，盾構向前推進過程中必須注意到防滑擋塊的位置，避免損壞簾布橡膠板，待防滑擋塊將進入防水裝置前，必須割除。

③同步注漿控制

隨著盾體向前推進，盾尾進入簾布橡膠板后，盾尾開始不斷注入同步漿液，以填充洞門圈內的空隙以及洞門附近的地質松散區，注漿壓力控制3Bar以內，同時要密切的關注洞門密封處的折頁板，防止部分長度不夠翻轉或注漿壓力過大而導致注漿時漏漿。

根據盾構施工經驗，同步注漿擬采用表1所示的配比。在施工中，根據地層條件、地下水情況及周邊條件等，通過現場試驗優化確定。同步注漿漿液的主要物理力學性能應滿足下列指標：

表1 同步注漿材料配比和性能指標表

（a）膠凝時間：一般為3～10h，根據地層條件和掘進速度，通過現場試驗加入促凝劑及變更配比來調整膠凝時間，該始發段需要注漿提供較高的早期強度，可通過現場試驗進一步調整配比和加入早強劑，進一步縮短膠凝時間。

（b）固結體強度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa。

（c）漿液結石率：>95%，即固結收縮率<5%。

（d）漿液稠度：8～12cm。

（e）漿液穩定性：傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）小于5%。

4.3 針對小間距始發的輔助加固措施

（1）便捷、快速的跟隨式二次注漿

對盾構機上自帶的同步注漿設備進行了一些改造，使其具備二次注漿的功能，在經過多次試驗改進后，最終使同步注漿設備能完美的實現二次注漿功能，且相比傳統的二次注漿方式更為方便、快捷。每掘進完成1環，利用拼裝管片的時間對盾尾后5環進行跟隨式二次注漿，可迅速填補周圍地層的松散區，同時無需人工拌漿，大大節約勞動力。

設備改造及使用方法如圖10所示：黑線部分為同步注漿設備原有的管線，紅線部分為改造后新加入的管線及設備。盾構機自帶同步注漿設備是通過注漿泵將水泥漿液分四路從盾尾注入到管片后部，在這里不過多講解。改造方式為在原有流量計后部接入一個三通后，保持原有同步注漿管路正常，在增加出的一路管線上依次接入氣動球閥和壓力傳感器，之后將管線延伸至六號臺車。本次的改造中在一號臺車和六號臺車分別預留出一個注漿接頭，即圖中A、B兩處，A處注漿接頭主要負責盾尾5環后的跟隨式注漿；B處注漿接頭則是結合每日的監測沉降報告，在相應累計沉降大或沉降速率過大的位置補注砂漿。同時往管路中接入一條水管，如圖中C處所示，每次注完漿后可迅速將管路清洗干凈以備下次使用。為了操作方便，將新接入的電器設備的控制方式寫入了盾構機plc程序中，使操作手在駕駛室內便可以完成全部的操作，同時實現實時監控二次補漿的注漿量和注漿壓力。

圖10 注漿設備改造示意圖

①同步注漿泵；②氣動球閥；③流量計；④球閥；⑤壓力傳感器；⑥電動球閥

（2）地表輔助注漿加固

完成先行隧道的始發后，需對后行隧道的始發端頭進行水平及垂直探孔取芯檢測其抗滲性和強度，當檢測結果不符合設計要求時，需結合地層特性實施有針對性的地表深孔注漿。

深入剖析始發端頭的地層特性后，主要針對其含水層特別是砂層進行有針對性的地表深孔注漿，增強其地層的密實度，降低其地層的滲透性。始發端頭典型地層特性如圖11所示：

圖11 端頭典型地層特性分布圖

當先行隧道盾構機始發出洞后，由于擾動砂層會產生瞬時沉降，該沉降由于隔水粘土層的存在不會及時反應到地面，但后期沉降會很大。隨后后行隧道盾構機小間距始發，對地層產生雙重影響，更會加大地面的沉降，僅盾尾后的二次注漿不足以填充砂層的松散性。通過端頭的水平及垂直探孔檢測可清晰看出這一特點。

由此，待先行隧道出洞掘進20米以后，及時在左右線的地表有針對性的打入鉆孔后退式注入水泥-水玻璃雙液漿。鉆孔注漿范圍為砂層所在深度范圍，鉆孔平面布置宜分兩排梅花形布置于左右線端頭，孔間距宜為1.5米。注漿以壓力為控制標準（5Bar），注漿區域斷面及現場施工如下圖12、圖13所示。

圖12 注漿區域斷面圖

圖13 地表輔助注漿現場施工圖

（3）水平夾層土體加固

針對水平極小間距（3.15m）始發，前期素墻加固中已在左、右線始發端頭之間設置一緩沖中隔墻，但考慮隔墻距離隧道邊線較近（≤1.6米）。先行隧道盾構機始發后，隨著盾構機向前推進以及盾尾的同步、二次注漿難免不會破壞隔墻，故為了確保先行隧道的結構安全，擬對夾層土體進行局部的水平深孔注漿加固處理。

①特殊形式的管片設計

經與設計溝通，將出洞前10環管片專門設計3個注漿孔，以便于管片周圍注漿均勻。其特殊管片的設計圖如圖14所示。

圖14 特殊管片設計圖

②夾層土體的專項加固

待先行隧道盾構機掘進50米后，對洞口前10環，利用電動注漿泵有針對性的對管片側面夾層土體深孔注入單液水泥漿。每環選取3個注漿孔，均利用管片上特別設計的多個注漿孔進行均勻注漿，其平面注漿圖如圖15所示。

圖15 夾層土體平面注漿圖

每個注漿孔嵌入自制鉆桿（其長度根據左右線水平間距而定，鉆桿頭部距離中隔墻不小于10cm，DN32），其自制鉆桿如圖16所示，最終注漿結束標準以壓力（2Bar）和管片成型姿態監測為控制標準。

圖16 自制鉆桿施工圖

5 結束語

該工程中，始發環境復雜，工期要求緊，該工法能確保盾構機在類似復雜工況的情況下安全、順利、高效的完成始發進洞。本工程中，前期端頭加固方案的優化，有效的提高加固效率，相比傳統旋噴樁加固節約了施工工期10天。小間距始發過程中，以其關鍵措施作為安全保障，使得整個始發施工連續、快捷，無需停機進行專門的加固處理，相對大大節約了施工工期。

利用素墻成環，環內注漿加固端頭相比直接在端頭進行旋噴樁加固不僅節約成本10萬元，同時提高了端頭的加固效果。在小間距隧道間設置中隔墻，以及其他相關加固保障措施，以較低的間接施工成本，確保了小間距始發安全。

該工法施工中采用非常規施工方法，有效地解決了小間距始發中隧道變形大、地面沉降大、洞口涌水漏漿等施工難題，確保了盾構機進洞的施工安全，同時能夠縮短整個工程的施工工期，得到各級領導的好評，取得了良好的社會效益。

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[責任編輯：楊玉潔]