盾构到达前突遇微承压水的处理方法及其启示

浅议土压平衡盾构在含微承压水软土地层中的到达风险 盾构到达前突遇微承压水的处理方法及其启示 提 要 盾构到达是盾构施工中的主要风险源之一。本文结合宁波市轨道交通1号线一期TJ标【福盛区间】左线盾构在即将到达前，螺旋机口突然发生喷涌现象及所采取的处理措施，分析了土压平衡盾构机在含有微承压水的软土地层中到达时的风险及其防范措施，为同类地层中的盾构到达提供了参考案例。关键词 土压平衡盾构 微承压水 盾构到达1、 事发经过*市轨道交通1号线一期工程盾构所穿越的地层较为复杂，主要为2-1层灰色淤泥、2-2层灰色淤泥质粘土，到达端底部含有少量的1层粉砂、2层灰色粉质粘土夹粉砂。该土层为软土地层，具有高压缩性、低透水性、强度低、稳定时间长的特点，在盾构机的扰动下易发生流变，地面易产生较大沉降。自今年4月7日始发以后，盾构推进过程一直较为顺利。至9月7日晚，当盾构推进至826环第四箱土（此时，刀盘距洞门仅剩3环，且洞门只剩外层钢筋和最后一层砼（厚约15cm）尚未破除）时，螺旋机出土口突然涌出大量泥水（约有12立方），其中水约占7成，皮带机打滑无法使用（如图1所示），当即停止掘进并紧急关闭螺旋机闸门。此后，出土口仍有少量渗水。现场勘查时，将螺旋机闸门打开，仍有泥水涌出，同时土压力从0.10MPa下降到0.04MPa；将螺旋机闸门关闭后，土压力即又迅速上升至0.10MPa。因此，初步判断该处存在微承压水层。针对以上情况，在勘查完现场后召开专题分析会，并于9月8日下午召开专家咨询会，就该事件的产生原因和处理措施提出意见。图1 螺旋机闸门流泥水 图2 出土呈稀泥状（换照片） 2、原因分析及处理意见（1）地层条件的影响该区间到达段土层主要为2-1、2-2和1层，其中，前两种地层为淤泥质粘土，透水性低；只有1层（粉砂层）含有微承压水，且占隧道断面约1/3，分析判断该地层应为此次螺旋机闸门涌水的主要来源。详见图3所示：图3 到达段盾构穿越土层示意图表1 盾构到达段土层分布及其特性层 号地层名称状 态特 征 描 述分布情况3淤泥质粘土流 塑上部局部为粘土，含少量有机质，局部夹薄层或团状粉砂-2.49-7.25m土质不均2-1淤泥流 塑局部为淤泥质粘土，含少量有机质-4.60-11.65m土质不均2-2淤泥质粘土流 塑局部为淤泥-10.1-14.05m土质不均1粉砂土质不均，夹粘性土，局部较多-13.1-17.49m2粉质粘土夹粉砂软 塑夹薄层粉砂，局部粉性较重为粘质粉土-16.04-22.07土质不均 （2）到达端降水井事先未施工按照设计要求，在该盾构到达端应打设三口降水井。由于盾构隧道上方为在建公路U型槽，且主体结构已施工完毕，在原设计位置施工降水井存在一定困难。因此，当盾构推进至826环时，该处降水井仍未施工。（3）端头加固质量存在问题根据设计要求，该盾构到达端洞门采用三轴搅拌桩加固，因隧道上方有公路U型槽，故加固长度为11米，且由福庆路站土建单位（非盾构施工单位）负责施工。尽管加固区抽芯检测报告显示的结果满足设计要求（1MPa），但抽芯的具体位置不详。根据此次漏水的情况判断，该端头加固的效果值得怀疑，要么是三轴搅拌桩底部开叉或断开，要么是桩体咬合不合要求。 综合考虑此次螺旋机闸门涌泥水对盾构到达造成的风险以及在上述地层条件下盾构到达的特殊性，经专家咨询会议研究，提出的处理意见如下：（1） 在盾构到达端实施地面降水。针对此次螺旋机闸门涌泥水的情况，降水应是最好的处理方法。即在福庆路站东端头公路U型槽两侧各打设三口降水井，在实施降水的过程中，对降水效果要及时进行观测，在确认地下水位降至隧道断面以下后，方可进行下一步施工。（2） 在盾体和已拼装管片上做环箍堵水。即分别在盾尾附近管片及中盾处用双液浆或聚胺脂做多道环箍，以隔绝盾体前、后方来水。（3） 在洞门安装密封系统防水。即在盾构到达洞口安装密封插板、橡胶帘布和扇形压板，且扇形压板用钢丝绳固定，防止泥水从盾构机外壳和洞门圈内侧涌出。（4） 为防止隧道到达段已成型管片松驰，从824环起在已成型管片环之间安装刚性拉杆。（5） 密切关注螺旋机及土仓内压力的变化，如果土压力能降下去，在做好保护措施后，盾构可以推进；一旦土压力降不下去，则暂缓推进。（6） 在洞门处及隧道内备好应急抢险物资（聚氨脂、聚氨脂泵、快硬水泥、水玻璃、双液浆泵、沙袋、棉被、海绵等），归类存放，以备抢险之用。（7） 在盾构机前盾已进入接收井时，还要时刻保持警惕，降水井继续降水，防止盾尾脱出洞门圈时，泥水从洞门圈处窜出。 3、处理方法与措施 针对螺旋机闸门处涌水涌泥现象，根据专家咨询会议的意见，经业主、监理和施工三方研究决定，从到达端地面、隧道内以及洞口三个方面采取措施加以处理，以防范盾构到达时可能出现的风险，确保该盾构能够恢复正常推进并安全到达。 3.1 到达端地面降水 为降低地下水位，保证该盾构在到达端能够恢复正常推进，在洞门加固区左线北侧及右线南侧各打三口降水井（见图4所示）。降水井深度在24m左右，在1层和2层布设滤管，以达到预期的降水效果。在降水井施工完成后，立刻开始降水。在降水过程中，时刻观察刀盘切口前方土压力的变化值，当土压力下降到0.04Mpa时（螺旋机喷水时切口前方土压力值）停止降水，观察土压力的变化量：若停止降水后，土压力值保持不变，则在停止降水2小时后继续降水并维持0.04Mpa的土压力值；若停止降水后，土压力值迅速攀升，则继续降水，将切口前方土压力维持在0.04Mpa左右的范围内。根据上述情况连续性降水36小时后，开启螺旋机闸门，探视刀盘切口前方土体含水量。降水井位置：如图4如示图4 补打降水井平面布置图 图5 真空泵降水 图6 抽排出的明水 水位变化情况统计：该处盾构中心标高为-12.876m，底部标高为-16.046m，降水井顶部标高为-2.2m，降水井距离盾构中线平面距离约10米。9月11日开始抽水，至9月20日上午，观测井水位由初始的5.3米降至19.7米，此时水位已降至隧道底部5.15米。水位变化情况如表2和图7所示：表2 降水井水位变化情况统计表测量时间水位深度（m）水位标高（m）9月11日53-7.79月15日上午7点10.65-12.859月15日下午3点10.96-13.169月16日上午8点12.65-14.859月17日上午8点10.85-13.059月18日上午8点10.88-13.089月19日上午8点13.00-15.209月19日下午5点19.00-21.209月20日上午9点19.70-21.90 图7 降水井降水示意图 3.2 隧道内打设环箍 在盾构机中盾处，利用8个预留孔，均匀、满圆注入聚胺脂二道，以封堵盾构机本体周边可能出现的水源，且每推进一环注一环，逐段控制水压来源；同时，在出盾尾处利用已成型管片上的吊装孔注入双液浆，分别在819、821和818环共注双液浆三道，注浆压力控制在0.4Mpa，每道环箍水泥用量约100包，以控制盾构机后方来水，详见表3所示。 表3 隧道内打设环箍统计环箍类型日期注浆时间环 号孔 位注入量双液浆9月8日2.5小时8195个孔3方9月9日3小时8215个孔5方9月10日3小时8185个孔5方聚氨酯9月8日2小时8245个孔120公斤9月9日2小时盾构机中盾4个孔90公斤 图8 双液浆环箍 图9 聚胺脂环箍3.3 洞口加密封 在盾构到达前，洞门处地下连续墙大部分已被凿除，只留有最后一排钢筋及15厘米厚的混凝土层。从水平探孔的情况来看，洞门情况良好，基本无明水渗出。为确保盾构到达时洞门的安全，除在洞口安装橡胶帘布及扇形压板之外，在洞圈内加设两道花纹钢板密封。（1）洞圈内加装两道密封钢板。在洞圈内360焊接两道高30cm厚4mm的钢板。在两道钢板间塞入海绵等止水材料，同时在钢板上预留注浆管（如图10、图11、图12所示）：预埋注浆管花纹钢板 图10 两道钢板及注浆管 图11 注浆孔示意图图12 两道花纹钢板示意图（2）洞圈外插板封堵 洞口密封主要由洞门帘布橡胶板、洞门插板及固定铁件组成，洞圈四周安装16mm钢板插板，在盾构本体进洞时进行贴合封堵（具体如图13、图14所示）： 图13 洞门圈安装的帘布及插板 图14 插板示意图3.4 洞口段各环管片之间增设纵向拉杆盾构到达时，由于盾构推力较小，洞门附近的管片环与环之间连接不紧密，容易引起管片松弛，为防止管片环缝及错台过大，从824环开始，采用6道槽钢纵向将相邻管片环连接成一个整体，并对该段管片螺栓进行多次紧固（如图15所示）。图15 洞口段管片之间增设纵向拉杆4、 恢复掘进后的推进情况与控制措施通过采取上述多项处理措施后，于9月20日16：00开始试推进，首先推826环剩下的最后3cm，盾构机推进速度控制在78mm/min，土仓压力（中部）设定在0.05Mpa。开始推进时，螺旋机出土口土样较干（能上皮带机），推完826环后立即进行管片拼装。当天晚班继续推进827环，螺旋机出土逐渐变稀，推至20cm时皮带机上渐有稀泥滑落；推至30cm时（晚上22：00），出土土样已变化成泥水状，皮带机无法带动，泥水直接从螺旋机出土口流至隧道内。项目部当即决定关闭螺旋机闸门，停止推进，清理隧道内泥水。盾构停止推进约2小时后，土仓压力逐步从0.03Mpa上升至0.06Mpa，之后又试推进了5cm左右，但螺旋机流出的仍然是泥水。至9月21日早上7点，土仓压力上升至0.10Mpa。此后，改用小土斗直接放在螺旋机出土口下方出土，让泥水直接从出土口流至小土斗内，最后两箱土为皮带机运送，直至隧道贯通。土仓压力具体变化过程如表4所示：表4 土仓压力变化表时 间施工状态土仓压力（MPa）9月20日19：40推进0.059月20日22：00停推0.109月21日00：30推进0.039月21日00：35停推0.039月21日00：370.059月21日00：410.069月21日00：490.079月21日1：050.089月21日1：220.099月21日1：360.109月22日推进0.109月23日推进0.10 9月23日晚9点，随着盾构机刀盘磨过最后一层加固体，刀盘鼻尖在洞口中心位置上先行露出（如图16），随后，第一时间将最后一层地墙钢筋割除，清理洞门下方流出的渣土。第二天上午该区间左线盾构刀盘顺利贯通（如图17）。 图16 刀盘鼻尖露出 图17 刀盘整体露出 6、几点启示 此次【福盛区间】左线盾构到达时遭遇微承压水事件的处理过程，尽管未造成任何事故，可谓是有惊无险，但前后毕竟耽误了近半个月时间，其中有不少教训值得总结。我们认为至少有以下几点启示值得记取： （1）盾构到达端降水井必须要按设计要求施工，不能存有侥幸心理。 根据设计要求，该盾构到达端设置有三口降水井，其位置分别在左、右线的南、北及中间。但由于盾构机上方公路U型槽主体结构已施工完成，左、右线中间的降水井已无法施工，且南、北两侧地理位置受限，加之建筑垃圾较多，考虑到降水井是应急措施，当时施工方存有侥幸心理便没有打设，监理方也未能坚持。通过此次事故的处理，使我们认识到盾构到达时降水井的重要性，尤其是在含有砂层的土层条件下。（2）到达端洞门加固宜由盾构施工单位负责施工。 由于多种原因，该盾构到达端洞门加固是由车站施工单位负责实施的，尽管加固体抽芯检测报告结论为合格，但并未显示出具体的抽芯位置。当盾构遭遇不明地下水时，由于该处洞门加固不是盾构单位负责施工，因而不便对当初端头加固的施工质量进行追究。有鉴于此，建议以后所有的盾构端头加固均由盾构施工单位负责实施，以利于保障端头加固的施工质量和责任追究。（3）盾构到达时洞门凿除时间不宜过早。由于该盾构到达端属于暗调头，洞门砼块无法吊装，只有将洞门打碎，用人工清理。当时考虑到工期因素，洞门处地下连续墙剥除时间过早（9月3日便已开始），当盾构机还剩3环才能抵达时，洞门就已经只剩最后一道钢筋及连续墙保护层，造成当时在洞内注双液浆时压力不能过大，以防击穿洞门。如果待盾构机刀盘顶上地下连续墙后再破除洞门，此时发现螺旋机闸门涌泥水处理起来便要方便得多。