盾構(gòu)在砂性土層中進出洞施工的風險控制

1、盾構(gòu)在砂性土層中進出洞施工的風險控制2011年6月第6期城市道橋與防洪管理施工211盾構(gòu)在砂性土層中進出洞施工的風險控制郭紅遠(上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站,上海200023)摘要:該文依據(jù)上海地區(qū)砂性土層,圍繞土壓平衡盾構(gòu)在砂性土層中進出洞的幾種涌砂情況進行分析,并提出針對性的防漏,堵漏等施工技術(shù)措施,為盾構(gòu)施工中類似風險控制起到些許參考作用.關(guān)鍵詞:盾構(gòu);進出洞;砂性土層;風險控制;上海市中圖分類號:u455.43文獻標識碼:b文章編號:10097716(2011)060211-040前言近年來,國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)規(guī)模宏大,盾構(gòu)隧道施工工藝得到廣泛應(yīng)用.經(jīng)過多年的研究與工程實踐,盾構(gòu)施

2、工工藝日臻成熟,作為關(guān)鍵控制工序,盾構(gòu)進出洞施工的風險控制也得到不斷深化和完善.但隨著施工環(huán)境的日趨復雜,環(huán)境安全問題日顯突出,優(yōu)秀操作隊伍十分缺乏,技術(shù)管理力量嚴重稀釋,而風險大小取決于風險事件發(fā)生的概率和風險事件造成的損失.所以,盾構(gòu)在砂性土體中進出洞引發(fā)涌砂涌水的風險其實越來越大,不斷探索和完善其風險控制的技術(shù)和管理措施依然非常必要.在本文中,主要依據(jù)上海地區(qū)砂性土層,圍繞土壓平衡盾構(gòu)盾構(gòu)在砂性土層中進出洞的幾種涌砂情況進行分析,并提出針對性的施工技術(shù)措施.1盾構(gòu)在砂性土層中進出洞施工的風險分析在盾構(gòu)法隧道施工過程中,盾構(gòu)的出洞和進洞工序即盾構(gòu)出工作井進入土層和穿出土層進入工作井的關(guān)鍵施

3、工階段,由于該工序面臨洞口土體直立暴露,極易發(fā)生土體坍塌和涌水涌砂的等情況,所以必須采取措施保證土體的自立,且過程中不得出現(xiàn)水土流失,盡量減小土體變形.1.1砂性土層特性(1)上海地區(qū)土層分布.上海地區(qū)位于長江三角洲人?？跂|南前緣,第四系覆蓋層厚度達200450m.該系系地層中蘊藏著豐富的地下水,其地層分布如表1所列.(2)砂性土層.根據(jù)目前及今后若干年上海地下工程建設(shè)趨勢,所涉及的砂性土層主要為,層,層,(或i)層,:層和層(微承壓收稿日期:2011-0407作者簡介:郭紅遠(1977一),男,河南人,工程師,從事地下工程安全質(zhì)量監(jiān)督工作.表1上海市第四系上部地層簡表地質(zhì)年代土層序號土層名稱

4、及特征含水層)及第層(第承壓含水層).當開發(fā)深度達到4050m時,有可能涉及第層(第二承壓含水層).(3)砂性土層特性.對于,層,層,(或i)層砂性土層,雖然無壓力,但由于其透水性強,埋深淺,一旦漏水將帶粉砂涌出,水土流失快,地表環(huán)境將迅速受到明顯影響.:層和層及第層是(微)承壓水層,一般埋深大些,但由于帶有壓力,所以往往表現(xiàn)為突涌,需封涌水通道并能降低或抵擋壓力,所以現(xiàn)場往往很難控制.一旦失控,后果也非常嚴重.212管理施工城市道橋與防洪2011年6月第6期1.2洞口土體加固形式及特點為保證洞el土體在暴露后能夠自立和不漏水,應(yīng)根據(jù)工程所處地層的土質(zhì),水文,環(huán)境條件和環(huán)境保護要求的等級等因素

5、,制定洞口土體加固方案.當前常用的土體穩(wěn)定技術(shù)有地基加固,凍結(jié)法,降水等.對于水文地質(zhì)條件差,風險比較大的工程,往往根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取兩種甚至三種方法綜合實施.(1)水泥基化學加固.地基加固可采用深層攪拌,高壓旋噴注漿,壓密注漿等方法.最常見的是采用深層攪拌樁加固保證土體自立性,在加固土體和圍護墻間加一排旋噴注漿止水.該方法對周邊環(huán)境影響較小,可在前期先行完成,但要求現(xiàn)場有一定的施工場地,且地基加固后的土體強度均勻性難以保證,特別是在軟土地層中尤為突出,所以必須加強檢測,使加固土體的強度,均勻性,范圍等符合加固設(shè)計的標準.(2)凍結(jié)法加固.在近幾年內(nèi),凍結(jié)法開始廣泛應(yīng)用與盾構(gòu)進出洞加固施工中

6、.其原理即利用鹽水或液氮循環(huán)系統(tǒng)將土體中水分凍結(jié),增加其強度和穩(wěn)定性,隔絕地下水與地下工程之間的聯(lián)系,在這種凍結(jié)土體的支護下,盾構(gòu)進入洞門圈內(nèi),在洞口密封裝置發(fā)揮作用之后再解除凍結(jié).該方法對砂性土體比較有利,且容易保證凍結(jié)體的均勻性,缺點是盾構(gòu)在進出洞過程中容易出現(xiàn)刀盤或螺旋機被動的情況.另外,凍融后對地面會產(chǎn)生一定沉降,需不斷進行融沉注漿.(3)降水.降水可有效地疏干砂性土中的地下水或降低水頭壓力,提高層土的密實度,但不能大幅度提高土體的強度,所以降水往往作為輔助手段,用來降壓或疏干洞口土體水量.降水對周邊環(huán)境影響也比較大,這在許多盾構(gòu)進出洞口會受到制約.1.3盾構(gòu)在砂性土層中出洞的幾種漏水

7、情況盾構(gòu)出洞前,一般將先在洞門中心及周邊布置5-9個觀察孔,以觀察土體的加固情況.在確認加固良好的情況下,采用人工粉碎性鑿除洞門鋼筋混凝土,或?qū)⒍纯阡摻罨炷练謮K割開后吊離,同時將由簾布橡膠板和鋼翻板組成的防水裝置在洞圈安裝牢固.如果沒有明顯滲漏水,在洞口鋼筋混凝土完全破除后,盾構(gòu)即靠上洞門向前頂進.但地下工程的特征決定了險情發(fā)生的不可預知性,即使在剝除最后一層鋼筋混凝土前情況比較正常,而將鋼筋混凝土完全剝除至盾構(gòu)出洞施工完成這段時問中,仍有流砂,突涌的可能,這種可能主要表現(xiàn)為三種形式.(1)打開洞門后漏水,涌砂.洞el圍護結(jié)構(gòu)剝除后,暴露后的土體出現(xiàn)漏水,涌砂,這主要是加固土體或加固體與圍護

8、墻間的夾心餅干不滿足隔水要求.此時,盾構(gòu)尚未進入土體,洞圈的密封裝置還不能阻擋洞外的土體,所以容易因水土流失造成地面沉陷,影響附近地下管線和地面建筑物的安全使用.(2)盾構(gòu)部分進入洞圈后出現(xiàn)漏水,涌砂.這種情況的最主要原因是洞口密封裝置在出洞施工時被破壞,或盾殼外凸起的同步注漿管與止水裝置問存在間隙,而泥砂從加固體后方沿滲水通道流出.盾構(gòu)進入加固體后必然會產(chǎn)生擾動,使土體產(chǎn)生滲水通道,尤其是在盾構(gòu)刀盤已出加固體,加固體外部水源會夾帶泥砂順著滲水通道涌出.且此時盾尾注漿尚無法進行,全靠洞圈密封裝置阻擋.所以,若密封裝置被破壞或存在間隙,則勢必造成水土外流,地面沉陷.(3)盾構(gòu)全部進入洞圈后出現(xiàn)漏

9、水,涌砂.如果洞口密封裝置在出洞施工時被損壞或外翻,即使盾構(gòu)完全進入洞圈,也可能出現(xiàn)涌砂險情或事故.當被損壞部位在洞圈下部時,修復工作難以及時進行,洞口在盾構(gòu)出洞后的填充注漿和止水注漿都會受到影響,故泥砂可能不斷從洞圈與成環(huán)管片的間隙涌人井內(nèi).若情況嚴重,將導致地面沉陷和洞口處已建造好的隧道產(chǎn)生過量沉降.1.4盾構(gòu)在砂性土層中進洞的幾種漏水情況近幾年,盾構(gòu)在砂性土層中進洞的施工風險已被高度重視,但從洞口最后一層鋼筋混凝土剝除至盾構(gòu)完全進洞后洞圈密閉這個時間段仍有很大漏水可能.該過程出現(xiàn)漏水,涌砂主要表現(xiàn)為兩種形式.(1)洞門打開后出現(xiàn)漏水,涌砂.與盾構(gòu)出洞前打開洞口一樣,主要是加固體或夾心餅干

10、存在滲水通道,在盾構(gòu)推進的擾動下,加固體外水流順著滲水通道涌出.(2)盾構(gòu)在進洞過程中出現(xiàn)漏水,涌砂.盾構(gòu)在洞圈中推進過程即盾構(gòu)刀盤露出之后出現(xiàn)漏水,涌砂,出現(xiàn)該情況的原因有兩種,一是盾構(gòu)進入加固體后,水源順著盾構(gòu)外殼與加固體的間隙涌出;二是洞門土體在進洞推進的持續(xù)擾動中逐漸形成滲水通道.2風險控制技術(shù)措施盾構(gòu)在砂性土層中進出洞風險控制的技術(shù)措施涉及很多方面,而且針對不同加固方式和進出洞形式也有所不同.本文主要就出洞施工和進洞2011年6月第6期城市道橋與防洪管理施工213施工,按工序環(huán)節(jié),針對可能出現(xiàn)的漏水,涌砂風險,提出相應(yīng)的加固防漏,封孔堵漏等處理措施.2.1洞口加固形式和工藝的選擇盾構(gòu)

11、在砂性土層中進出洞施工的風險很大,洞口土體加固是控制風險的第一道關(guān),也是最重要的一道關(guān).地基加固形式的選擇應(yīng)根據(jù)地質(zhì)和水文情況予以合理選擇,且必須滿足設(shè)計對于土體強度和抗?jié)B透性能的指標要求.2.1.1含潛水和微承壓水砂性土層洞口加固形式對盾構(gòu)進出洞遇.層,:層,(或i)層等粉砂性土層或:層微承壓水土層情況的,進出洞區(qū)域加固工藝可采取常規(guī)的攪拌樁加固,旋噴注漿加固形式,但建議優(yōu)先考慮采用旋噴加固,有利于保證加固體的均勻性.若有場地條件,加固長度應(yīng)大于盾構(gòu)長度.如果洞口環(huán)境保護要求允許,可輔以降水保證措施,但最好先將洞口一定區(qū)域用深層攪拌樁或旋噴樁圍起來,然后在被圍區(qū)域降水,一方面減小對周邊環(huán)境的

12、影響,同時能夠保證降水效果.2.1.2含承壓水砂性土層洞口加固形式對盾構(gòu)進出洞遇層土情況的,由于埋深深,承壓水水頭壓力大,旋噴加固質(zhì)量較難保證,若進出洞區(qū)域加固考慮采用水泥基加固工藝的,應(yīng)輔以降水措施.若場地小,周邊環(huán)境保護要求較高的,則優(yōu)先考慮凍結(jié)加固.凍結(jié)法加固可以選擇單純的垂直凍結(jié)或水平凍結(jié)(相對地面),也可以采取常規(guī)深層攪拌樁加固結(jié)合洞圈水平凍結(jié)(僅在洞圈周圍設(shè)凍結(jié)管)的方式.凍結(jié)法加固需高度注意的是,盾構(gòu)在穿越凍結(jié)區(qū)時,不宜停留,在拼裝管片及故障時,刀盤不能停轉(zhuǎn)(必須保證集中潤滑油充足,以避免刀盤不能正常運轉(zhuǎn)),同時螺旋機不斷正反轉(zhuǎn),另外拼裝分多次,拼裝時間應(yīng)控制在20min之內(nèi),以

13、防刀盤被凍住.盾構(gòu)出洞后,要嚴格按照少量,持續(xù)多次的原則,做好解凍后的融沉注漿.采用凍結(jié)法加固還應(yīng)做好防盾構(gòu)機被凍的應(yīng)急措施,如在盾構(gòu)機上配置蒸汽機.在刀盤被凍住且其它應(yīng)急措施都無效時,可采用蒸汽通過刀盤加水管路注入刀盤解凍,使盾構(gòu)機能更安全,更順利的穿越冰凍土體.蒸汽機的啟用應(yīng)慎重,若向刀盤前發(fā)射蒸汽,須遵循蒸汽機啟用令制度.2.2盾構(gòu)在砂性土層中出洞防漏,堵漏措施2.2.1洞口止水裝置是盾構(gòu)出洞時的主要防漏措施出洞止水裝置是用連接螺栓,螺母及墊圈將簾布橡膠板和扇形環(huán)板固定在洞圈上,通過簾布橡膠板的密封性和扇形環(huán)板的剛性承壓形成密封圈,以阻止泥沙外流.在盾構(gòu)出洞施工中應(yīng)注意以下幾點:(1)安

14、裝前,應(yīng)檢查螺孔的位置偏差不可過大,且要用鋼絲刷逐個清理螺孔內(nèi)螺紋,在其內(nèi)側(cè)均勻地涂上黃油.安裝時,先安裝簾布橡膠板,后扇形環(huán)板,扇形板長度應(yīng)與洞圈和盾構(gòu)外殼之間的間隙相適應(yīng),過短易翻出,過長則可能使壓板螺栓破壞.壓板螺栓應(yīng)盡可能擰緊,使簾布橡膠板緊貼洞門.(2)出洞時,應(yīng)防止盾構(gòu)外殼的外包同步注漿管拉壞密封圈,作為保證措施,可在四個注漿管位置采用可調(diào)長短的插板來代替該位置的扇形板.(3)盾構(gòu)完全出去后,在掘進+3環(huán)時開始進行同步注漿,注漿量應(yīng)在正常每環(huán)設(shè)計注漿量的2倍左右,其后可根據(jù)監(jiān)測信息適當調(diào)整.在掘進+5環(huán)后,通過管片注漿孔,用水泥水玻璃雙液漿或聚氨酯封堵第1,第2環(huán)管片背部和車站結(jié)構(gòu)

15、之間的建筑空隙,使?jié){液在此位置形成一個內(nèi)部密封環(huán).注漿時應(yīng)合理控制壓力,避免洞口止水裝置因注漿壓力過大而外翻.2.2.2堵漏應(yīng)根據(jù)出洞施工各階段和不同的滲漏情況采取相應(yīng)措施(1)在開始鑿除洞口鋼筋混凝土前,應(yīng)先從探孔情況判斷加固情況,若有帶砂水流出現(xiàn),應(yīng)對洞口進行加固和止水處理,待無明顯滲漏水方可開鑿.(2)當鑿至最后一層鋼筋混凝土時,應(yīng)再次觀察探孔和鋼環(huán)四周有無泥砂流出.若發(fā)生滲漏現(xiàn)象,須用注聚氨酯進行堵漏,并適當加快對鋼筋的切割速度.若鋼環(huán)底部發(fā)生流泥,流沙現(xiàn)象,即停止對鋼筋的切割,在流泥,流沙處進行注雙液漿,然后用鋼板將涌砂地方和鋼環(huán)焊接.若無滲漏水或僅有少量清水流出,則可以按照進洞計劃

16、,盾構(gòu)機迅速靠上洞門土體,向前推進.整個作業(yè)過程中,應(yīng)盡量縮短作業(yè)時間,以減少正面土體的流失.(3)對于受承壓水土層影響的洞口,現(xiàn)場可備鋼封門裝置,防止在盾構(gòu)靠上土體前出現(xiàn)突涌現(xiàn)象(見圖1).(4)如果出現(xiàn)突涌,且難以短時問控制的情況,如工作井外正面土體開始塌方時,應(yīng)及時推進盾構(gòu)機,將刀盤面靠上正面土體,并實施洞圈注漿和地面的加固,防止洞圈水土流失.通過地面的加固提高加固質(zhì)量,防止土體的再次塌方.214管理施工城市道橋與防洪2011年6月第6期圖1鋼封門裝置實景2.3盾構(gòu)在砂性土層中進洞防漏,堵漏措施2.3.1防漏措施盾構(gòu)在砂性土層中進洞時,防漏措施可以分兩種形式,一種是外擋型,另一種是內(nèi)堵型

17、,在復雜條件下進洞可兩種兼用.(1)外擋型即洞口靠內(nèi)側(cè)設(shè)置一圈花紋板,外緣設(shè)置可調(diào)伸長量的插板,中間可嵌入海綿(見圖2)圖2設(shè)花紋板,插板實景(2)內(nèi)堵型即在盾構(gòu)進入加固體一定長度后,利用盾構(gòu)殼體上的注漿孔(盾構(gòu)出洞前,應(yīng)在盾構(gòu)機前端沿圓周方向上設(shè)置注漿孔,可兼作應(yīng)急措施)注雙液漿或聚氨酯,形成堵水環(huán)箍.待盾尾進入加固體后,再通過隧道內(nèi)管片注漿孔注雙液漿或聚氨酯,再次封堵管片與加固土體間的空隙,避免加固體外泥砂順著盾構(gòu)外殼流出.2.3.2堵漏措施盾構(gòu)進洞的堵漏措施同樣是因施工各階段和不同的滲漏情況而不同:(1)當打開探孑l出現(xiàn)明顯水流或漏泥砂的,應(yīng)封閉探孔,并采取注漿或降水,凍結(jié)等其它處理方式

18、進行再加固.(2)當鑿至最后一層鋼筋混凝土時,應(yīng)再次觀察探孔和鋼環(huán)四周有無泥砂流出,若發(fā)生滲漏現(xiàn)象,須用注聚氨酯進行堵漏,并適當加快對鋼筋的切割速度.(3)當盾構(gòu)部分進入工作井時出現(xiàn)大量泥砂滲漏,應(yīng)立即將插板與盾殼焊死,并利用盾構(gòu)殼體上的注漿孔或隧道管片注漿孔注聚氨酯和雙液漿封堵,做好再次進洞的準備.(4)如果在盾構(gòu)尾部拖出洞圈前有漏水漏砂現(xiàn)象的,則建議用鋼板將洞圈和盾殼直接焊在一起,果斷割除盾尾.若正常進洞,同樣應(yīng)快速封堵洞圈,用鋼板將洞圈和進洞環(huán)鋼板間焊接封閉,并及時進行充填注漿.(5)對于受承壓水土層影響的洞口,現(xiàn)場同樣可備鋼封門裝置作為應(yīng)急物資.若在盾構(gòu)刀盤出洞圈前出現(xiàn)突涌現(xiàn)象,且無法封堵時,可立即安裝鋼封門封堵.3結(jié)語盾構(gòu)進出洞是一項非常成熟的施工工序,但在砂性土