張子敏

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

盾構(gòu)進出洞施工既是盾構(gòu)法隧道施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是一道風險性較大的工序，其中進出洞主要的風險來自盾構(gòu)進出洞過程中產(chǎn)生的滲漏水，若處理不當，易造成洞門的涌水涌砂，帶來難以預估的后果。洞門滲漏水的產(chǎn)生通常為突發(fā)情況，需及時進行應急處置，應急手段是否有效取決于是否對癥下藥，所以在盾構(gòu)進出洞施工前進行事前管控，通過對地質(zhì)情況、環(huán)境情況、結(jié)構(gòu)情況等可能產(chǎn)生滲漏水的狀況進行預判，并制定針對性應急預案顯得尤為重要[1-5]。

在上海地區(qū)，軟土地層本身地質(zhì)條件不利，加之近年來的工程建設(shè)發(fā)展迅速，地鐵建設(shè)埋深越來越大，工況越來越復雜，所以盾構(gòu)進出洞面臨的風險也越來越大。

本文結(jié)合上海軌道交通工程盾構(gòu)進出洞施工實際，對其作業(yè)過程中出現(xiàn)滲漏水的原因進行分析，并探索相應的預防措施。

1 盾構(gòu)進出洞滲漏水的常見形式

在盾構(gòu)進出洞的整個施工作業(yè)過程中，滲漏水的產(chǎn)生可能發(fā)生在2個時間段。

第1個時間段為洞門鑿除時。洞門鑿除常規(guī)作業(yè)方式為通過人工由洞圈頂部往底部逐步鑿除洞圈內(nèi)地下連續(xù)墻混凝土，最后僅保留外排鋼筋及混凝土保護層抵擋外部土體。整個鑿除過程中，洞圈位置面對的圍護結(jié)構(gòu)水平力逐步減小，且混凝土保護層在鑿除過程中易產(chǎn)生裂縫，若此時外部土體內(nèi)存在動水，會通過混凝土保護層裂縫進入端頭井。第2個時間段為盾構(gòu)進出洞過程中，盾構(gòu)機穿越加固土體時產(chǎn)生的滲漏水。此時的滲漏水通常為2種表現(xiàn)形式，一是通過盾構(gòu)機殼體與洞圈鋼板間隙產(chǎn)生滲漏水情況，二是通過盾構(gòu)機螺旋機的通道產(chǎn)生滲水情況。

2 盾構(gòu)進出洞滲漏水來源分析

根據(jù)近期上海軌道交通工程建設(shè)中的實際案例，對盾構(gòu)進出洞階段出現(xiàn)的滲漏水情況進行了分析總結(jié)，滲漏水的產(chǎn)生主要受以下3個因素影響：盾構(gòu)進出洞區(qū)域復雜地層影響、盾構(gòu)進出洞區(qū)域外部環(huán)境影響、盾構(gòu)進出洞加固土體與地層因素綜合影響。

2.1 復雜地層影響

上海地區(qū)的地層為軟土地層，地層中含水量較高，且不良的地層覆蓋面較廣。對工程地質(zhì)不利的既有淺層的②、③層粉土層，又有常規(guī)深度的⑤2層微承壓含水層，還有深層的⑦層承壓含水層。無論如何進行線路位置、標高優(yōu)化，都無法完全避開不良地層的影響。盾構(gòu)進出洞施工過程中對土體擾動的同時，洞門位置存在壓力釋放點，不良地層內(nèi)的水源通過盾構(gòu)機殼體間隙進入端頭井內(nèi)，引起施工風險。

2.2 外部環(huán)境影響

2.2.1 進出洞區(qū)域存在上部既有結(jié)構(gòu)

鑒于城市地下交通發(fā)展的趨勢，市內(nèi)、城際交通走廊尚需面對軌交網(wǎng)絡(luò)與地下快速通道網(wǎng)絡(luò)在地下空間使用上的沖突。在城市軌交、地下快速路網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)展的當前，將兩者有機結(jié)合，進行一體化的建設(shè)模式，較好地解決了城市地下空間局限性的難題。

解決難題的辦法就是將城市快速路地下通道結(jié)構(gòu)與軌道交通工程在同一位置、同一線路呈上下疊交的方式進行施工，軌道交通區(qū)間隧道常規(guī)位于地下通道結(jié)構(gòu)下方。按照上述設(shè)計結(jié)構(gòu)布局，正常的施工流程為：先進行地鐵地下車站施工，后進行地下車站之間的地下立交通道施工，最后進行地鐵區(qū)間隧道施工。

按照常規(guī)施工流程，地下車站結(jié)構(gòu)完成后即開始區(qū)間盾構(gòu)推進施工，基本無時間間隔。但若考慮上下疊交的工況，地下車站結(jié)構(gòu)完成后還需進行地下通道施工，方可進行盾構(gòu)始發(fā)，時間間隔近1年。

該工況下實施盾構(gòu)進出洞施工，排除復雜地層的因素，仍存在以下2種滲漏水通道的可能：

1）地下車站結(jié)構(gòu)、地下立交結(jié)構(gòu)以及后澆帶先后施工完成，相鄰結(jié)構(gòu)施工段時間間隔長、沉降穩(wěn)定周期不一致，地下立交結(jié)構(gòu)與地下車站結(jié)構(gòu)施工縫位置質(zhì)量不可控，施工縫本身受差異沉降或外力影響易產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)滲漏水通道。

2）地下立交通道為地下1層結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)深度通常為15～20 m；而地鐵車站通常為地下3層結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)于地下3層結(jié)構(gòu)出洞推進，盾構(gòu)中心標高深度一般在20 m以下，此時地下通道圍護結(jié)構(gòu)深度無法超過區(qū)間隧道底埋深，無法起到隔水帷幕的作用（圖1）。

圖1 盾構(gòu)與上部既有結(jié)構(gòu)關(guān)系示意

但由于圍護結(jié)構(gòu)底部位于區(qū)間隧道兩側(cè)甚至頂部，導致圍護結(jié)構(gòu)與周邊土體的交接縫易形成滲水通道，將淺層水、地表水引至區(qū)間斷面內(nèi)，造成施工時滲漏水。

2.2.2 進出洞區(qū)域存在雨污水管線

城市內(nèi)進行地鐵工程施工，地下車站不可避免需設(shè)置在現(xiàn)有道路上，施工前需進行道路翻交、管線搬遷。尤其是大口徑的雨污水管，設(shè)計流量大，在管線搬遷后，需做好管口的封口處理。

由于管口封堵質(zhì)量涉及人為因素較多，一旦封堵質(zhì)量不佳，封堵口仍有水流通道，管內(nèi)正常排放水流或積水會通過斷管位置流入土層，在土層內(nèi)形成水團積聚。一旦盾構(gòu)施工擾動土體，打破土體應力平衡后，積聚在土層內(nèi)的水會從洞口流入盾構(gòu)結(jié)構(gòu)，引發(fā)滲漏水。

2.3 進出洞加固體與土層的綜合影響

盾構(gòu)進出洞區(qū)域為保證風險可控，常規(guī)應采用水泥系進行加固，水泥系加固工藝通常采用三軸攪拌樁及高壓旋噴樁施工工藝，再根據(jù)原狀土層的情況選擇是否應用凍結(jié)法加固。水泥系加固的范圍一般為洞圈上下左右各3 m的范圍，長度一般為6～10 m。以下結(jié)合具體案例進行分析。圖2為某區(qū)間盾構(gòu)出洞端頭井地質(zhì)剖面示意。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)井剖面示意

該盾構(gòu)出洞加固區(qū)原方案全部采用高壓旋噴樁工藝進行加固施工，因加固區(qū)域內(nèi)有1組寬約1.1 m的電力排管，中心深度約2 m，所以電力排管兩側(cè)加固方式調(diào)整為各1排MJS工法樁加固，其余位置仍為高壓旋噴樁。另考慮地層因素，洞圈范圍內(nèi)存在⑤1t灰色砂質(zhì)粉土層，該土層滲透性較強，且與⑤2a微承壓含水層相連，故在水泥系加固基礎(chǔ)上增加了水平冷凍法加固，其凍結(jié)板塊長度為2.21 m，外圈凍結(jié)壁長度為3.7 m。

該工程盾構(gòu)出洞施工所出現(xiàn)的情況為：盾構(gòu)機刀盤在切削凍結(jié)杯底時一切正常，當?shù)侗P擊穿凍結(jié)壁杯底后進入高壓旋噴樁加固區(qū)時，螺旋機出土口出現(xiàn)噴水噴砂情況；盾構(gòu)機刀盤進入MJS工法樁加固區(qū)后，螺旋機出土恢復正常掘進狀態(tài)；盾構(gòu)機刀盤再次進入高壓旋噴樁加固區(qū)后，盾構(gòu)機與洞圈鋼板間隙出現(xiàn)少量滲水情況；盾構(gòu)機刀盤完全進入原狀土層后，施工恢復正常。圖3為某區(qū)間盾構(gòu)進洞端頭井地質(zhì)剖面示意。

圖3 盾構(gòu)接收井剖面示意

該盾構(gòu)進洞加固區(qū)原方案采用三軸攪拌樁結(jié)合高壓旋噴樁工藝進行加固施工，長度12 m（攪拌樁加固11.5 m，高壓旋噴樁加固0.5 m），寬度22.701 m。

其中，三軸攪拌樁分為加固1區(qū)（弱加固區(qū)）、加固2區(qū)（強加固區(qū)）。施工前考慮盾構(gòu)進洞區(qū)域距區(qū)間隧道底部約1 m存在⑤2a層微承壓含水層，故在原水泥系加固基礎(chǔ)上增加了水平凍結(jié)法加固，其凍結(jié)板塊長度為2 m，外圈凍結(jié)壁長度為10 m。

該工程盾構(gòu)進洞施工所出現(xiàn)的情況為：盾構(gòu)機刀盤自原狀土層進入水泥系加固區(qū)之后，螺旋機出現(xiàn)噴水噴涌的情況；盾構(gòu)機刀盤進入凍結(jié)杯底后，螺旋機出土恢復正常；盾構(gòu)機刀盤擊穿杯底進入井內(nèi)時，洞圈底部出現(xiàn)滲漏水情況。

綜合上述實際案例分析，盾構(gòu)機出洞時穿越加固土體后、進洞時進入加固土前、盾構(gòu)機位于原狀土層時，均未發(fā)生滲漏水情況。盾構(gòu)一旦經(jīng)過加固土層與原狀土層交界面，滲漏水情況即發(fā)生，且在類似土層條件下，不同加固工藝施工的加固體施工效果也有較大差異。滲漏水來源判斷為加固體深入微承壓含水層后，水源通過加固樁體與原狀土層間隙進入盾構(gòu)作業(yè)面產(chǎn)生。

因此，滲漏水的產(chǎn)生原因均取決于加固體與地層的綜合影響，主要的因素有如下幾個：加固體的工藝選擇、加固體的深度、復雜地層的深度、加固體深度與復雜地層深度的關(guān)系。

3 預防措施

3.1 水泥系加固工藝選擇

根據(jù)地質(zhì)情況，決定采取水泥系加固施工工藝，若進出洞區(qū)域存在不良地質(zhì)條件，例如⑦層承壓含水層、⑤2層微承壓含水層，建議優(yōu)先選擇MJS工法樁或三軸攪拌樁進行加固施工，成樁效果較好。

3.2 水泥系加固深度選擇

水泥系加固常規(guī)加固范圍為洞圈周邊3 m，若加固范圍內(nèi)存在不良地層，且距離洞圈底部1 m以上，建議水泥系加固深度不進入不良地層，避免將地下水引入隧道斷面。

3.3 水平凍結(jié)加固范圍選擇

涉及復雜地層的盾構(gòu)進出洞加固，建議在水泥系加固的基礎(chǔ)上增加水平凍結(jié)加固，采用杯形凍結(jié)加固，杯壁長度大于盾構(gòu)機長度。

3.4 盾構(gòu)進出洞施工過程中的注漿優(yōu)化

施工過程中良好的環(huán)箍注漿質(zhì)量能有效避免出現(xiàn)洞門滲漏水的情況。

1）盾構(gòu)出洞環(huán)箍建議不少于3道，應在圍護結(jié)構(gòu)與地層交界面、加固區(qū)土體與未加固區(qū)土體交界面分別設(shè)置1道有效環(huán)箍，其他位置環(huán)箍需根據(jù)實際情況確定。

2）盾構(gòu)進洞時，在盾構(gòu)機刀盤接觸圍護結(jié)構(gòu)時，在盾尾位置及時進行環(huán)箍注漿，建議采用滿堂環(huán)箍。

3.5 其他注意事項

若盾構(gòu)進出洞施工區(qū)域上部存在既有結(jié)構(gòu)、雨污水管線，應注意以下事項：

1）水泥系加固時間盡可能提前，確保主加固區(qū)有足夠的養(yǎng)護時間。

2）洞門探孔在盾構(gòu)進場前提前打設(shè)，觀察探孔情況，如有異常考慮增加凍結(jié)，避免因盾構(gòu)機下井后再增加凍結(jié)，導致盾構(gòu)機需平移后退及工期延誤等問題。

4 結(jié)語

上海地區(qū)軟土地層實施盾構(gòu)進出洞時，若發(fā)生滲漏水情況，是極其需要重視的風險情況。但是滲漏水的產(chǎn)生可能是由多方面原因共同造成的，既有可能是土層內(nèi)的水源，也有可能是地表水源。土層內(nèi)的水源比地表水源的施工風險要大得多，所以根據(jù)施工位置的地層情況、周邊環(huán)境情況預判可能發(fā)生滲漏水的原因，提前采取針對性措施，對降低施工風險能夠起到?jīng)Q定性作用。