广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510000
摘要：盾构到达出洞因周边环境受限无端头加固条件，在富水砂层中未进行端头加固的情况下盾构到达采用密闭钢套筒接收，盾构机盾尾脱离洞门环处安全风险较大，洞门环注浆封堵不好，盾尾脱出后会出现涌水涌砂现象，影响周边建筑物、管线，结合本工程实例，对富水砂层中盾构到达钢套筒接收盾尾脱出洞门环封堵施工进行介绍，以供同类工程参考。
关键词：富水砂层 盾构到达接收 钢套筒 洞门封堵
1工程概况
1.1区间线路情况
官湖车辆段出入段线位于新107国道南侧原贝雷油脂厂内（目前已拆迁），地势起伏较大，沿线为密集建筑群，从官湖车辆段出入段线西端在R=300m圆曲线段上割线始发，出段线在CDK1+359.155~CDK1+26.272，入段线在RDK1+370.546~ RDK1+91.474分别以250m、260m的转弯半径下穿西联新村的大批厂房及民宅，然后入段线在107国道下方下穿新官区间正线，出入段线在官湖站站前明挖段近400m小间距施工（最小线间距8m），在距接收端200m处正上方下穿直径2.4m给水管，下穿长度约150m，净距约6.27m，最后到达站前明挖段西端吊出。
1.2到达接收端头工程地质
出入段线接收端隧道穿越地层主要：<2-1B>淤泥质土层；<2-4>粉质粘土层；<3-2>冲积-洪积中粗砂层；<5N-2>、<5Z-1>砂质黏性土；<4F-2>粉土，出入段线埋深8.8m、入段线埋深9.3m；且在入段线距接收端正上方有一条直径2.4m给水管，净距约6.27m，接收端端头加固区与箱涵结构重合，由于箱涵优先施工，所以导致接收端地质无法加固。
1.3水文地质
地下水主要有两种基本类型，分别为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。地下水初见水位埋深为0.3~1.4m（标高6.90~13.43m），稳定水位埋深为0.7~2.5m（标高5.8~13.33）。
1.4到达接收端头周边概况
广州市轨道交通十三号线官湖站前明挖段西端，是十三号线官湖车辆段出入段线的出段线、入段线盾构隧道的盾构接收端，也是十三号线新塘站至官湖站右线盾构隧道的盾构接收端，在25.7m宽的基坑内，三台盾构机在同一平面平行接收，洞门净距不足2.5m，隧道断面范围内，隧道中线以上至地面均为<3-2>砂层，加上接收端头因上部有市政排洪箱渠及公路桥，河涌宽约25米，隧道拱顶至河涌底覆土约4米，接收端受周边环境限制无法进行端头加固，三台盾构机在富水砂层地层中未经端头加固直接采用钢套筒接收，大大增加了采用钢套筒接收盾尾脱出洞门环风险，存在涌水涌砂、塌陷及临近范围2.4米水管沉降风险，盾构接收施工的安全风险巨大。
出入段线接收端原为既有桥，现侵入隧道的桥桩已拔除处理，改为箱涵结构，此外入段线距接收端200m处正上方有一条直径2.4m给水管，下穿长度约150m，净距约5.97m，水管上方2车道双向通行的新塘环城路，车流量较大，距离入段线隧道11米。如图1~2所示。
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图1出入段线接收端平面位置图 图2市政排洪箱渠及公路桥
1.5盾构接收方式
1.5.1原接收方式
原端头加固方案采用U型外包式800厚C20素连续墙（墙间600@450双管旋喷止水桩）+800@650双管双管旋喷桩+降水井加固，连续墙深度至隧道底3米，旋喷桩加固深度为隧道顶6.3米隧道底3米，加固宽度为19.50m，加固长度为10m。
1.5.2采用钢套筒辅助接收的原因
由于接收端受周边环境限制无法进行端头加固，且接收段地质较差，出入段线盾构接收会出现涌水、漏砂及地面塌陷，盾构接收风险较大。为了保证盾构安全出洞，采用钢套筒接收方式。同时由于在箱涵底部不具备在接收位置组装钢套筒的条件，需要组装好套筒后平移至接收位置。盾构机掘进至钢套筒内，停机后拆掉螺旋机及连接桥，然后整体（含盾体）平移至盾构井后拆解吊出。
2盾构到达钢套筒接收前准备
2.1接收钢套筒设计说明
钢套筒设计：盾构机接收时土仓压力约为0.2Mpa，钢套筒设计耐压0.5Mpa，满足要求。钢板选择：Q235B，板厚δ=30mm。整个钢套筒结构由过渡环、筒体、环梁、后端盖、反力架等部分组成。
2.2钢套筒安装及验收
2.2.1 密闭套筒的安装
安装时先首先安装A1块与过渡环下半圆，其次安装过渡环上半圆，底座A块与过渡环整体定位后安装底座A2块与A3块。然后两侧B块安装，钢套筒两侧B块分为B1、B2两块，B块与过渡环、下半圆A块均为螺栓连接。然后钢套筒顶部C块安装，钢套筒顶部C块与两侧块、过渡环均为螺栓连接。最后钢套筒环梁及端盖安装，钢套筒环梁及端盖与钢套筒之间通过螺栓连接反力架安装及加固，反力架轴线与套筒轴线重合，保证20组预应力千斤顶全部作用在反力架上。
2.2.2钢套筒填料
在顶板及中板位置均预留出填料口，所有填料均从预留口放下。下料时，由顶板上的挖掘机将中粗砂转运至中板，再由中板预留洞口处的下料斗进行填料。先填充20cm碎石，再填充中粗砂及水直至填满钢套筒。
2.2.3套筒的密闭性
1、安装过程密闭性保证措施
1）套筒各部件之间通过双道橡胶进行密封，在安装前在密封槽内涂抹黄油，防止橡胶条脱落；注意事项：密封条对接及块与块对接处，严格控制橡胶条的对接间距，防止接缝处漏气、漏水。
2）A板与内衬结构墙混凝土间缝隙使用速凝水泥或者玻璃胶进行封堵。
3）A板螺栓孔使用螺栓封堵及A板与过渡环之间缝隙通过焊接进行封堵。
2、钢套筒密闭性检查试验
待钢套筒填料完成后，将填料口封闭，安装好压力表，将压力水引入套筒内进行试压，试验压力值为接收时上土压力值+0.2Bar，压力到达后进入稳压阶段，稳压时间为2h。出段线接收上土压1Bar，试验压力1.2Bar。
3接收段盾构到达掘进
3.1盾构机姿态调整
盾构机到达前50m地段即加强盾构姿态和隧道线形测量，及时纠正偏差确保盾构顺利地从到达口进入。并根据实测的车站洞门位置进行必要的调整隧道贯通时的盾构机刀盘位置。隧道贯通时其刀盘平面偏差允许值：平面≤±20mm、高程≤±50mm，盾构坡度较设计坡度略大0.2%。
盾构机导向系统水平与垂直姿态-18mm、-8mm，实测管片姿态-3，+3，均低于20mm，满足姿态要求，通过模拟计算，不会接触到钢套筒护壁。
3.2盾构掘进参数控制
按盾构机与洞门的相对位置情况，将盾构机参数控制分为三个阶段：碰到围护结构、破出围护结构、进入钢套筒内。过程中通过间隙控制、推力调整及二次注浆跟进，确保盾构顺利接收。
3.2.1碰到围护结构掘进
在盾构机碰到围护结构前，注意盾构机掘进参数选择，防止纠偏过急以及保证正确管片选型，保证盾构机碰壁时良好盾构机姿态。盾构到达连续墙前掘进参数：推力1200~1400T，刀盘扭矩800~1400KN.m，刀盘转速0.8~1.0rpm，土压1.0/1.1/1.6bar，推进速度10mm/min。
3.2.2破出围护结构掘进
盾构机磨墙时，降低盾构掘进速度、推力，适当增加刀盘转速，盾构掘进连续墙参数：推力1200~1500T，刀盘扭矩2300KN.m，刀盘转速1.0rpm，土压1.0/1.0/1.6bar，推进速度10mm/min。
3.2.3刀盘进入钢套筒掘进
在钢套筒内掘进，土仓压力应以气压为主，增加螺旋机转速，可避免由于砂土板结造成推力大、扭矩大、速度低的现象。
出段线在掘进时，土仓上土压力1Bar，螺旋机转速4rmp，进入钢套筒第1~2环，推力1000~1200T，掘进速度10~20mm/min，扭矩1000Kn.m，在掘进第三环时推力逐渐增加至1600T，掘进速度降低至5mm以内、扭矩增加3000KN.M，且测定钢套筒前后位移的千分表有1mm位移显示，暂停掘进，打开泄水孔泄砂，后将土仓内平衡阀打开，并将压力调至1Bar，螺旋机转速增加至12rmp出土，待出土40m3后，恢复掘进，此时参数恢复正常，推力1000t、速度20mm/min、扭矩1000KN.m。
原因分析：套筒内全部为中粗砂，掘进时土仓内基本为实土压，螺旋机转速低、出土慢，导致砂土板结，砂体密实度与推力均呈递增趋势。
4盾尾脱出最后一环前注浆止水
钢套筒接收盾构安全到达原则：保压、注浆饱满、姿态精准且匀速通过。本区间在无端头加固条件下，采用密闭钢套筒到达接收，风险较大，尤为在盾构机进入钢套筒盾尾脱出最后一环管片时风险较大，若最后一环管片壁后注浆封堵效果不好，盾尾脱出将出现涌水涌砂，砂土进入钢套筒造成过渡环与洞门A环板连接处拉裂，造成地面坍塌、到达井淹没、影响周边建筑物、管线等，引发严重的安全隐患。
因站前接收段为同一断面三台盾构机钢套筒到达接收，出段线位于中间洞门，顶部为中板，钢套筒与盾构机一起须整体平移，又为了避免施做洞门结构造成二次风险，根据管片里程计算最后一环管片与A环板间的关系，通过采用1500mm、1200mm混凝土管片或者定制钢管片保证最后一环管片前端面凹进A环板。出入段线隧道管片拼装使用1200mm管片，接收最后两环采用1500mm混凝土管片，确保了管片前端面凹进A板15~20cm。
4.1注浆材料及浆液配比
采用水泥、水、水玻璃按照一定比例拌合的浆液作为主要的二次补浆材料，该浆材具有初凝时间短的特点，能快速填充管片壁后空隙，迅速形成止水环，起到止水作用。特殊管片采用Φ20mm花管打入管片注浆孔0.7~1m，注浆压力：0.6MPa，扩散半径：0.8m。如图15、16所示。
二次注浆拟采用配比：水泥浆：水玻璃=1：0.5，水：水泥=1：1；此配合比初凝时间约为120s。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。
4.2注浆范围
接收段最后8环停机二次注浆，浆液为双液浆，使其形成密闭环箍，防止因同步注浆不饱满导致涌水、涌砂。
4.3注浆孔位布置
1、出段线注浆孔位布置
出段线接收段最后3~10环没有增设注浆孔，为每环6个注浆孔进行注浆；最后1~2环单排增设注浆孔，每环注浆孔16个进行注浆；由于砂层中注浆效果不佳，浆液扩散范围小，凝结强度低，管片背部存在局部未填充，通过检查孔检查水压、量较大，又在倒数第一环与第二环环缝处开孔注浆，开孔数量14个，采用钻孔埋钢化管注浆。
2、入段线注浆孔位布置
入段线最后3~8环管片单排增设注浆孔（均布16个），入段线最后1~2环管片三排增设注浆孔（每排均布16个）。
4.4注浆量、压力
保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生过大的变形和损坏，根据计算和经验，注浆压力取值为：0.8MPa。933~942环累计注浆水泥73吨，971~974环累计注浆水泥44吨，水玻璃10方。
4.5注浆效果的检查
为保证注浆效果满足接收条件，注浆完成凝固后对壁后浆液进行检查。
将二次注浆孔处的阀门打开，观察阀门是否有流水、流沙的现象，如打开阀门一小时后无流水、流沙，证明效果良好；在过渡环均布四个观察孔（50球阀），打开观察孔观察是否流水、流沙；将套筒填料口打开，观察水位是否上涨，仓内是否有流水声。
4.5.1出段线注浆过程及效果
出段线于2016年5月18日掘进至最后一环剩余3道盾尾刷脱出，941、942环（最后两环未进行同步注浆），暂停掘进进行注浆封堵，注浆范围为最后10环，通过盾尾后第3~10环采用管片注浆孔二次注双液浆形成止水环，最后1~2环采用单排增设注浆孔（每环16个注浆孔）进行预埋钢化管注双液浆，钢花管预埋70cm，期间经过三次盾构推进（每次推进脱出一道盾尾刷），5月23日推进脱出第一道盾尾刷时漏水暂停掘进，对进行942环进行钢花管注浆；9月25日对942检查孔检查无漏水，再次推进脱出第二大道盾尾刷时再次漏水暂停掘进；通过检查孔打开球阀水压、水量（含砂）较大，注浆效果较差；然后在942与941环缝处开孔注浆，开孔数量14个，采用钻孔埋钢化管注浆。于5月31日最终注浆封堵无水，盾尾脱出最后一环。
原因分析：941、942环最后两环未进行同步注浆，上方富水砂层已沉降下来，在942~941环连续墙缝处间形成水囊，致使打开941环检查孔无水，推进脱出一道盾尾刷时漏水；在942环注浆后打开检查孔无水，再次推进脱出第二道盾尾刷时漏水，导致水随着盾构推进流动。
4.5.2入段线注浆过程及效果
入段线于2016年7月29日掘进至最后一环剩余3道盾尾刷脱出，暂停掘进进行注浆封堵，注浆范围为最后8环，通过盾尾后第3~8环采用单排增设注浆孔（每环16个注浆孔）进行预埋钢化管注双液浆形成止水环，最后1~2环采用每环三排增设注浆孔（每排16个注浆孔）进行预埋钢化管注双液浆，钢花管预埋1m，期间经过两次盾构推进，8月6日推进脱出2道盾尾刷，通过对973环检查孔检查水压、水量（含砂）较大，注浆效果较差（相比出段线较好），暂停掘进；然后对973、974环进行注浆，注完浆后开孔检查无水，于8月8日最终注浆封堵无水，盾尾脱出最后一环。入段线与出段线比较，注浆时间节约8天，注浆量少且注浆效果较好。
原因分析：最后一环与连续墙缝处注浆不够，未彻底注浆止水封堵，经过再次注浆后到达止水封堵效果。
5洞门封堵
注浆完成后，待检查效果良好后，盾构继续掘进，盾尾脱离管片40~50cm后进行洞门封堵。
5.1到达环钢板的安装
出段线因到达环管片无预埋钢板，采用对到达环管片每一块前端加装钢板（钢板厚度14mm，宽度250mm），并用特制螺栓对其进行固定；后续入段线则采用管片预埋钢板。
5.2扇形钢板
在注浆封堵完成后，盾构机继续向前掘进，待盾尾完全脱出管片后，继续向前掘进40~50cm后，安装扇形钢板。扇形钢板（板厚10mm）总计需29块，一端与管片前端钢板进行焊接，另一端通过50mm方管与A环板进行焊接。方管与洞门环板连接，用于加固扇形钢板，防止因水压过大，使扇形钢板脱焊，导致涌水、涌沙。与扇形钢板焊接好后，用快硬水泥将缝隙封堵。
洞门封堵后，因入段线到达掘进扰动及气压，从连续墙与内衬墙缝隙间击穿了出段线管片背后通道，出现涌水涌沙现象，立即进行注浆止水封堵，并再次对洞门附近环进行了系统注浆封堵。
6小结
在富水砂层中及地质情况较差、接收端头受周边环境影响无法进行端头加固或加固质量达不到设计要求情况下，采用盾构机到达密闭钢套筒接收，盾构机盾尾脱离洞门环处安全风险较大，盾尾脱出后会出现涌水涌砂及地面塌陷，导致盾构接收风险，洞门环注浆封堵是关键，从到达环管片设计预埋钢板、设计预埋注浆孔，在掘进过程保证同步注浆饱满等措施，确保盾构到达接收安全，给类似工程提供指导意见。
参考文献：
[1]王 晖，钟长平等．地铁工程技术与典型案例分析汇编[M]．广州轨道交通建设监理有限公司．2015
[2]钟长平，孔少波等．广州地铁二/八号线拆解段盾构隧道工程施工技术研究．第1 版．北京：人民交通出版社，2011.6