复杂环境下高承压水粉细砂层盾构进出洞土体加固关键技术

范根先

摘要：以武汉市轨道交通工程6号线16标段唐家墩站-石桥站区间盾构进出洞施工为背景，详细阐述了复杂环境下高承压水粉细砂层盾构进出洞土体加固的关键技术，有效控制了盾构进出洞施工对周边构建筑物的影响，确保了周边建构筑物的安全和盾构机的安全进出洞。

Abstract： Taking interval shield tunnel construction of Wuhan rail transit line 6 project 16 tenders Tangjiadun Station-Shiqiao Station as background， this paper discusses soil reinforcement technology of high pressure water fine sand layers shield tunnel in complex environment， which effectively controls the influence of shield tunnel construction on surrounding buildings， and ensures the safety of the surrounding buildings and the safety of the shield machine.

关键词：复杂环境；高承压水粉细砂层；盾构进出洞；土体加固；强降水；沉降影响

Key words： complex environment；high pressure water fine sand layer；shield tunnel；soil reinforcement；precipitation；settlement effect

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0124-03

0 引言

盾构法因其具有较好的地层适应性和较高的安全系数，已广泛运用于国内外城市轨道交通工程。盾构法常规施工技术日趋成熟，但在复杂环境、高承压水粉细砂层、周边建构筑物沉降要求苛刻的盾构接收过程中易产生流砂、涌水，降水效果差、周边建构筑物沉降超限等突发情况，施工安全风险非常高，易造成重大安全事故。

本文以武汉市轨道交通工程6号线唐家墩站～石桥站区间盾构进出洞施工为背景，在承压水、渗透系数大的粉细砂地层、周边建构筑物复杂、主城立交桥有限空间等条件下，创新采用水平定点注浆+强降水的施工方法，成功解决了复杂环境下高承压水粉细砂层盾构进出洞土体加固施工的关键技术，确保了周边建构筑物的安全和盾构机的安全进出洞。

1 工程简介

1.1 工程概况

武汉市轨道交通工程6号线16标唐家墩站～石桥站区间唐家墩站为地下三层车站，车站主体结构高度为23.401m，宽度27m，围护结构为1m厚钢筋混凝土地下连续墙。盾构隧道底埋深25.2m。

1.2 工程地质水文

区间位于长江一级阶地，地下水丰富，地下水位高。区间下穿段地质主要为3-5粉质粘土、粉土、粉砂互层、4-1粉砂层、4-2粉细砂层。

1.3 原设计盾构进出洞土体加固效果检查

2016年4月10日发现盾构隧道左、右线进出洞门存在不同程度的漏水，局部漏水存在带砂现象。2016年4月14、15日，分别对左、右线洞门钻孔探查土体加固质量，在洞门左下、正下、右下角开设Φ50mm探孔，计划取芯深度3m，各探孔钻至1.5m时，均出现流水、流砂现象，且呈喷射状态，判断原设计土体加固质量不满足盾构进出洞条件。

2 周边建构筑物及管线调查

2.1 建构筑物现状调查

根据调查，周边建构筑物较为复杂、安全风险高。车站上方为姑嫂树路高架桥和二环线唐家墩立交桥，车站东北角为31层顶绣晶城住宅楼，西北角为8层发展大厦，东南角为7层全国服装贸易中心，西南角为中央锦城。具体统计如表1。

2.2 地下管线现状调查

唐家墩站盾构接收端地处汉口中心城区，在本工程范围内道路沿线现状地下管线较多，有给水、雨水、污水、电力、电信、有线电视、路灯及交通信号等管线。具体统计如表2。

3 原设计加固方案失效及原因分析

武汉市轨道交通工程6号线唐家墩站～石桥站区间盾构进出洞施工，存在承压水、渗透系数大的粉细砂地层、周边建构筑物复杂、主城立交桥有限空间等施工难度，而原设计加固方案中的盾构法虽然日趋成熟，但在复杂环境、高承压水粉细砂层、周边建构筑物沉降要求苛刻的盾构接收过程中易产生流砂、涌水，降水效果差、周边建构筑物沉降超限等突发情况，施工安全风险非常高，易造成重大安全事故。

3.1 原设计土体加固方案

3.1.1 旋喷桩土体加固方案

采用？准800@600mm（靠近车站端头4m范围及素地连墙内侧2排旋喷桩采用？准800@500旋喷桩）的高压旋喷桩加固盾构进出洞土体。加固宽度为隧道结构外侧3m，竖向加固范围为结构上下各3m范围，旋喷桩桩长28.5m，加固有效长度12m，左、右线各443根+28根（止漿缝处）。在素混凝土地下连续墙接缝处设置3根旋喷桩，在素混凝土地下连续墙与车站结构搭接处设置5根旋喷桩，桩长28.5m。

3.1.2 外包地连墙止水帷幕

区间左、右线端头井旋喷桩外侧四周设置宽度800mm素混凝土地下连续墙，成槽深度47m，槽底进入强风化砂砾岩层，采用C15水下砼灌注。墙体与唐家墩站地下连续墙形成四周“口”型封闭的止水帷幕。

3.1.3 墙内降水兼观测井

左、右线设计降水井兼观测井共6口，单井深度40m，井径600mm。降水井管全部采用钢质焊管，其中井壁管长度为27m，壁厚6mm，过滤管长度为13m，壁厚6mm，管径250mm。自井底至井深15m的承压含水层深度段换填硅质圆砾，以形成良好的人工反滤层，在井口至井深25m段换填粘土球以进行管外封填。

3.2 加固土体失效原因分析

3.2.1 加固土体探孔检验

2016年4月10日发现左线、右线车站地下连续墙和加固体之间存在不同程度的漏水，局部漏水存在带砂现象。

2016年4月14日，为检查左线接收端土体加固质量，对洞门1#、3#、5#、7#、9#孔位进行了探孔检查。探孔孔径Φ50mm，计划取芯深度3m，探孔钻至2m时，出现流水、流砂现象，芯样呈液态流塑状。立即用木楔塞牢洞门探孔，判定土体加固失效，不满足盾构接收条件。

3.2.2 土体加固失效原因分析

①在高承压水全断面粉砂层地质条件下，采用旋喷桩加固很难达到土体加固的均匀性及强度。旋喷桩加固时水泥浆液在高承压水高渗透性粉细砂地层易随地下水流失或贯入度不足，难以与土层粉细砂形成完整匀质的加固体。此外，该进出洞土体加固深度达28.2m，按设计搭接长度及垂直度要求，下部旋喷桩咬合很难达到，加固效果必大打折扣。

②左线接收端土体加固完成后进行车站施工，基坑开挖施工过程中存在地下连续墙收敛，致使加固体与车站围护结构间形成缝隙，该缝隙贮存了大量富水泥砂。初步判断，探孔中涌出的是该部分泥砂。

③由于车站深基坑施工降水，加固体土层在失水沉降作用下，整体性受到了影响。同时，在车站施工时，地下连续墙接缝漏水漏砂，车站数次抢险，在接近加固体处抢险一次。原地下连续墙接缝漏水漏砂对加固区的整体性、完整性也形成了一定影响。

4 盾构进出洞土体再加固关键技术

针对原设计土体加固质量不满足盾构进出洞条件，需对土体进行重新加固，项目部采用水平定点注浆加固土体，填充地下连续墙墙缝及与车站地下连续墙接缝，挤密富水粉细砂层，固结加固土体；在水平定点注浆完成后，在盾构进出洞影响范围内布设29口降水井，坑内降水以减小承压水水位为目的，降水至隧道底1.0m以下，坑外降水以降压、泄压为目的，降水至隧道腰部以下，达到盾构接收条件。

4.1 水平定点注浆加固关键技术

4.1.1 水平定点注浆孔位设计

沿洞圈设置三圈水平注浆管，梅花形布置、水平喷入管注浆孔，注浆孔长度7m、5m、4m、2m四种规格，加固体有效长度为6m。

外圈环向间距1.037m，中圈环向间距1.445m，内圈环向间距0.822m，径向间距1m。

①外圈在洞圈外缘设置20孔，编号为单数的注浆孔管长2m，径向外偏25°。双数孔W-4、W-6、W-8、W-14、W-16、W-18共6孔、管长为7m，径向外偏7°，其余双数孔管长5m，径向外偏15°。②中圈设置10孔，编号为Z，单数的注浆孔管长4m，双数孔管长7m。③内圈设置11孔，编号为N，单数的注浆孔管长4m，双数孔管长7m。

4.1.2 钻孔及注浆管安装

钻孔采用取芯机成孔，钻头直径Φ50mm，按照预设角度打设注浆孔。钻孔达到预定深度后埋入Φ25mmPVC管，采用快硬水泥封堵孔口，连接好球阀及三通管。

4.1.3 注浆浆液配合比设计

水平定点注浆加固采用水泥浆-水玻璃液的双液浆液，主要材料为普通硅酸盐水泥和40Be水玻璃。

双浆液配比A液水：水泥=1：1，B液水：水玻璃=2：1，A液：B液（体积比）=1：1。

4.1.4 注浆施工

注浆时以压力控制为准，控制注浆压力在2.0～2.5 MPa（以盾构进出洞土体水土压力的2～3倍进行计算）。注浆结束后对注浆孔进行密封，恢复原状。

4.2 降水关键技术

4.2.1 涌水量计算

管井降水出水量按“大井”法承压完整井公式计算： Q=2.73kMS/（lgR0-lgγ0）

Q-降水出水量（m3/d）；M-含水层厚度（m）；k-导水系数，按降水经验，取k=15m/d；S-洞门中心水位降，按上述抗突涌验算；R-降水期间影响半径，取R=250～280m；γ0-大井圆概化半径。

经计算结果唐家墩站大里程：Q=20660m3/d。

4.2.2 降水井数量计算及布置

根据水文地质勘察结果，取干扰井群单井出水量q=1920m3/d，则需降水井数量为：

N=Q/q

唐家墩站北端头井：N=11口。

经优化布置，天汉降水软件模拟计算后，为确保坑内承压水降低至隧道底以下1.0m，達到左、右线盾构接收的条件，故降水井设计为强降水（安全系数不小于2.5），降水井数量设计为左线15口（含坑内5口）、右线14口（含坑内6口）。（图3）

4.2.3 降水对周边环境影响理论分析

根据武汉地区类似降水引起周边地面沉降的监测数据表明，在距洞门周边10倍于水位下降值范围处，其沉降量仅为最大沉降量的45%，而相当于30倍水位下降值范围处，其沉降量仅为最大沉降量的12%左右，根据地面沉降等值线图，唐家墩站盾构接收端最大沉降为22.5mm，其不均匀沉降率<1‰。

因此对于洞门附近的桩基础建筑物，降水所产生的沉降对其影响较小。但对于浅基础的建（构）筑物来说，降水会对其产生不同程度的影响，但只要降水井的出水含砂量控制好，抽排水量的顺序组织合理，亦不致危害这些建（构）筑物的安全使用。

5 结论

①武汉市轨道交通6号线16标唐家墩站～石桥站区间左、右线盾构机先后于2016年5月18日、6月11日安全、顺利的实现了接收。周边建构筑物累计最大沉降7.6mm，管线累计最大沉降6.8mm，有效控制了盾构接收、强降水施工对周边建构筑物、管线的影响。

②实际效果表明在选好高承压水粉细砂层盾构进出洞土体加固方法，控制好强降水出水含砂量，及时跟进二次注浆环箍止水和洞门封堵，加强施工监测、合理组织施工生产、优化施工工序等工作，复杂环境下高承压水粉细砂层盾构接收是切实可行的，确保了周边建构筑物、管线的安全，确保了盾构机安全、顺利的进出洞。

参考文献：

[1]刘根宁.富水砂层中盾构端头加固失效原因分析及防治[J].山西建筑，2014，40（6）.

[2]刘玉林，刘天祥.富水砂层地质条件下盾构接收技术[J].施工技术，2012，41（Z）.

[3]李曙光，方理刚.土压平衡盾构在富水饱和粉细砂层中掘进事故实测分析[J].铁道建筑，2005（12）.