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富水砂层中土压平衡盾构到达接收技术研究

摘 要:盾构到达接收作为盾构区间掘进的最后一道工序,特别是在富水砂层中,地下水丰富,粉砂、粉质砂土遇水流动性大,易发生涌水涌沙事故,引起地面沉降甚至端头坍塌等风险。以某地铁 1 号线海~盘区间盾构到达接收为背景,针对富水砂层地质条件下到达施工阶段易发生端头沉降、洞门涌水涌砂、端头坍塌等施工风险,研究了接收关键技术。 研究结果表明:通过盾构到达前端头加固、降水、洞门密封、洞门封堵等综合技术,确保了盾构机安全平稳到达,综合效益显著,也为同类地层条件下盾构施工提供经验参考。
0 引 言
  近年来,随着我国综合国力的不断提升,国内基础设施建设也在飞速发展,不少成城市开始了地铁兴建,其中盾构法施工在地铁隧道及其他下管廊施工中被广泛运用。然而,地铁施工事故也每年都有发生,其中不少涉及到地面沉降、坍塌的事故。在富水砂层中盾构到达是盾构法施工中的一个巨大风险,需要引起高度重视,并给出关键环节的合理技术控制措施,以保障盾构的安全、顺利到达接收。盾构到达接收阶段可大致分为四个关键环节:盾构到达前准备、盾构到达洞门密封、盾构到达技术控制、盾构到达洞门封堵,这些关键工序的把控直接关乎整个工程的安全与质量。
1 工程概况
  海~盘区间含 2 个平面曲线,曲线半径均为 3000m。本区间设置一联络通道。区间线路纵坡呈“V”字坡,线路最大坡度 24‰,最小坡度 2‰。隧道埋深约 14.9~21.9m。到达端头覆土约 10.12m 平曲线处于直线段上,竖曲线为向上2‰纵坡,主要穿越③-1 层粉砂夹砂质粉土、③-2 层粉砂。
2 盾构到达前准备
2.1 端头加固
  为提高地层自稳性,防止开挖面坍塌及地面沉降,减小盾构到达时涌水、涌砂风险,盾构到达前需对到达端头提前进行加固处理。海~盘区间端头加固长度为 9.7m,加固宽度为盾构隧道结构每侧 3m,竖向加固范围为盾构隧道结构上下各 3m;盾构井端头加固体采用 覬850@600mm 三轴搅拌桩,加固一区的综合水泥掺量为 9.7%(即:每幅三轴搅拌桩全断面水泥掺量为 7%(152kg/m)),加固二区的综合水泥掺量为 27.69%(即:每幅三轴搅拌桩全断面水泥掺量为 20%(434.7kg/m))。采用 P42.5 级普通硅酸盐水泥;止水帷幕与围护结构接缝处采用 3 根 覬800 三重管旋喷桩补强,水泥掺量为 250kg/m;围护结构与加固区施工冷缝采用 覬800@500三重管旋喷桩补强,水泥用量为 300kg/m。在盾构到达前对端头加固体强度、加固体整体性、均匀性情况进行了验收,加固情况达到了设计要求。
2.2 降 水
  富水砂层由于地下水位较高,导致施工困难,需在施工前进行降水作业,降低地层含水量,将地下水降低到合理位置,减少施工风险。海~盘区间到达段主要地层为③-1 粉砂夹砂质粉土,地下水主要为潜水和微承压水。降水能够起到促使土体固结,提高土体强度,改善施工条件的作用。
  海~盘区间到达端头设计置 6 口降水井及 2 口观测井,降水井内径300mm,前期因水位无法降低至区间底部 1m,后在止水帷幕四个边角补充了 4 口降水井,之后稳定地下水位位于隧底 lm 以下。
2.3 盾构到达前洞门密封
2.3.1 洞门防水密封安装
  盾构机到达前,在管片和洞圈间安装橡胶帘幕板及折页压板,以避免可能的泥水涌入端头井内。当盾构前体推进端头井时,通过压板卡环上的钢丝绳调整折叶压板使其尽量压紧帘布橡胶板,以防止洞门泥土及浆液漏出。
2.3.2 洞门止水钢板
  由于接收井洞门圈直径大于盾构机外径,盾构机出洞时盾体与洞门钢环之间存在一定的间隙,为了填补这些间隙,防止盾构出洞时洞门漏水、漏砂,在洞门钢环内焊接两道整圈的止水钢板。止水钢板采用 1cm厚、宽 25cm 的弧形钢板焊接,两道止水钢板间距 15cm,两道止水钢板之间填充 15cm×15cm 的海绵条,如图 1 所示。当盾体推进洞门圈时,止水钢板受力外翻,起到止水效果。
3 盾构到达控制技术
3.1 沉降控制
  在富水砂层中,地层含水量大,粉砂及砂质粉土在地下水的作用下具有极强的流动性。因此,在富水砂层盾构到达过程中,如果不加以合理的控制极易造成地面大幅沉降。经验证,盾构到达加固体前土仓土压控制在 1.2bar 左右、同步注浆浆液每环 5m3左右;刀盘在抵达地连墙前 3~5环,采用气压辅助模式,逐步减少土仓内的渣土量,使用气压来维持土压平衡,地面沉降控制在 8mm 以内,满足要求。
3.2 同步注浆
  盾构完全进入加固体前保证同步注浆浆液饱满,及时填充盾尾间隙,同时浆液填充到位能够起到堵截后放来水的效果。同步注浆采用消石灰、粉煤灰、砂、膨润土、水混合搅拌成的惰性浆液。盾构进洞门钢环前20 环开始尽可能加大同步注浆量,注浆方量控制在 5m3以上,以盾尾不漏浆为控制标准。
4 盾构到达洞门封堵技术
4.1 止水环
  为阻断盾构区间后方水流,在止水帷幕位置进行壁后二次注浆,形成第一道环箍,将地下水阻隔在止水帷幕外。在加固区前进行二次注浆,形成第二道环箍,将水阻挡在加固体外。盾构进洞门前,在洞口位置二次注浆,形成第三道环箍,阻隔加固区内的水,防止水从洞门位置流出。三道环箍二次注浆浆液全部采用双液浆 (水泥浆+水玻璃) 注浆压力按0.5MPa 控制。注浆完成后,开孔检查成环情况,若管片壁后出现漏水则再次实施补充注浆。
4.2 注聚氨酯
  该区间刀盘到达地连墙时,打开土仓 3、9 点位球阀发现有大量清水喷出后,立即在盾体径向孔及盾尾后三环管片开孔注聚氨酯,同时对土仓内的积水进行抽排。完成聚氨酯封堵、土仓内积水抽排完毕后,无积水汇入土仓,聚氨酯封堵效果良好。
4.3 洞门封堵
  盾构到达接收托架后,要对洞门进行封堵,在洞门钢环和最后一环管片整环焊接弧形钢板,并在钢板上留置球阀。弧形钢板焊接完成后对洞门进行注浆封堵,并通过打开预留球阀观察的方式检查注浆是否饱满,直至顶部预留球阀有浆液流出,洞门注浆饱满。
5 结束语
  由于富水砂层,土体自稳能力差,因隧道施工引起的土体变形反应迅速,易产生管涌、流砂现象。在此类地层中进行盾构接收施工作业风险大,技术难度高。通过实际工程案例,研究分析了到达施工的关键节点技术,主要得出以下结论:
  (1)端头加固及降水至关重要。富水砂层盾构到达端头必须高质量的进行加固处理并做降水施工,从而提高地层自稳性。
  (2)地面沉降的控制关键在土压控制及注浆控制。
  (3)盾构的托架需严格控制安装精度,确保盾构接收姿态与洞门线形吻合,避免损伤帘布。
  (4)加强洞门密封防水是盾构安全到达及到达接收的前提保障。洞门钢环焊接焊止浆板、帘布的正确安装、拉紧设施,以及洞门同步、二次注浆方法措施能够起到很好的洞门密封效果。

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