盾构在砂性土层中进出洞施工的风险控制.doc

盾构在砂性土层中进出洞施工的风险控制2011年6月第6期城市道桥与防洪管理施工211盾构在砂性土层中进出洞施工的风险控制郭红远(上海市建设工程安全质量监督总站,上海200023)摘要:该文依据上海地区砂性土层,围绕土压平衡盾构在砂性土层中进出洞的几种涌砂情况进行分析,并提出针对性的防漏,堵漏等施工技术措施,为盾构施工中类似风险控制起到些许参考作用.关键词:盾构;进出洞;砂性土层;风险控制;上海市中图分类号:u455.43文献标识码:b文章编号:10097716(2011)060211-040前言近年来,国内城市轨道交通建设规模宏大,盾构隧道施工工艺得到广泛应用.经过多年的研究与工程实践,盾构施工工艺日臻成熟,作为关键控制工序,盾构进出洞施工的风险控制也得到不断深化和完善.但随着施工环境的日趋复杂,环境安全问题日显突出,优秀操作队伍十分缺乏,技术管理力量严重稀释,而风险大小取决于风险事件发生的概率和风险事件造成的损失.所以,盾构在砂性土体中进出洞引发涌砂涌水的风险其实越来越大,不断探索和完善其风险控制的技术和管理措施依然非常必要.在本文中,主要依据上海地区砂性土层,围绕土压平衡盾构盾构在砂性土层中进出洞的几种涌砂情况进行分析,并提出针对性的施工技术措施.1盾构在砂性土层中进出洞施工的风险分析在盾构法隧道施工过程中,盾构的出洞和进洞工序即盾构出工作井进入土层和穿出土层进入工作井的关键施工阶段,由于该工序面临洞口土体直立暴露,极易发生土体坍塌和涌水涌砂的等情况,所以必须采取措施保证土体的自立,且过程中不得出现水土流失,尽量减小土体变形.1.1砂性土层特性(1)上海地区土层分布.上海地区位于长江三角洲人海口东南前缘,第四系覆盖层厚度达200450m.该系系地层中蕴藏着丰富的地下水,其地层分布如表1所列.(2)砂性土层.根据目前及今后若干年上海地下工程建设趋势,所涉及的砂性土层主要为,层,层,(或i)层,:层和层(微承压收稿日期:2011-0407作者简介:郭红远(1977一),男,河南人,工程师,从事地下工程安全质量监督工作.表1上海市第四系上部地层简表地质年代土层序号土层名称及特征含水层)及第层(第承压含水层).当开发深度达到4050m时,有可能涉及第层(第二承压含水层).(3)砂性土层特性.对于,层,层,(或i)层砂性土层,虽然无压力,但由于其透水性强,埋深浅,一旦漏水将带粉砂涌出,水土流失快,地表环境将迅速受到明显影响.:层和层及第层是(微)承压水层,一般埋深大些,但由于带有压力,所以往往表现为突涌,需封涌水通道并能降低或抵挡压力,所以现场往往很难控制.一旦失控,后果也非常严重.212管理施工城市道桥与防洪2011年6月第6期1.2洞口土体加固形式及特点为保证洞el土体在暴露后能够自立和不漏水,应根据工程所处地层的土质,水文,环境条件和环境保护要求的等级等因素,制定洞口土体加固方案.当前常用的土体稳定技术有地基加固,冻结法,降水等.对于水文地质条件差,风险比较大的工程,往往根据现场实际情况采取两种甚至三种方法综合实施.(1)水泥基化学加固.地基加固可采用深层搅拌,高压旋喷注浆,压密注浆等方法.最常见的是采用深层搅拌桩加固保证土体自立性,在加固土体和围护墙间加一排旋喷注浆止水.该方法对周边环境影响较小,可在前期先行完成,但要求现场有一定的施工场地,且地基加固后的土体强度均匀性难以保证,特别是在软土地层中尤为突出,所以必须加强检测,使加固土体的强度,均匀性,范围等符合加固设计的标准.(2)冻结法加固.在近几年内,冻结法开始广泛应用与盾构进出洞加固施工中.其原理即利用盐水或液氮循环系统将土体中水分冻结,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程之间的联系,在这种冻结土体的支护下,盾构进入洞门圈内,在洞口密封装置发挥作用之后再解除冻结.该方法对砂性土体比较有利,且容易保证冻结体的均匀性,缺点是盾构在进出洞过程中容易出现刀盘或螺旋机被动的情况.另外,冻融后对地面会产生一定沉降,需不断进行融沉注浆.(3)降水.降水可有效地疏干砂性土中的地下水或降低水头压力,提高层土的密实度,但不能大幅度提高土体的强度,所以降水往往作为辅助手段,用来降压或疏干洞口土体水量.降水对周边环境影响也比较大,这在许多盾构进出洞口会受到制约.1.3盾构在砂性土层中出洞的几种漏水情况盾构出洞前,一般将先在洞门中心及周边布置5-9个观察孔,以观察土体的加固情况.在确认加固良好的情况下,采用人工粉碎性凿除洞门钢筋混凝土,或将洞口钢筋混凝土分块割开后吊离,同时将由帘布橡胶板和钢翻板组成的防水装置在洞圈安装牢固.如果没有明显渗漏水,在洞口钢筋混凝土完全破除后,盾构即靠上洞门向前顶进.但地下工程的特征决定了险情发生的不可预知性,即使在剥除最后一层钢筋混凝土前情况比较正常,而将钢筋混凝土完全剥除至盾构出洞施工完成这段时问中,仍有流砂,突涌的可能,这种可能主要表现为三种形式.(1)打开洞门后漏水,涌砂.洞el围护结构剥除后,暴露后的土体出现漏水,涌砂,这主要是加固土体或加固体与围护墙间的夹心饼干不满足隔水要求.此时,盾构尚未进入土体,洞圈的密封装置还不能阻挡洞外的土体,所以容易因水土流失造成地面沉陷,影响附近地下管线和地面建筑物的安全使用.(2)盾构部分进入洞圈后出现漏水,涌砂.这种情况的最主要原因是洞口密封装置在出洞施工时被破坏,或盾壳外凸起的同步注浆管与止水装置问存在间隙,而泥砂从加固体后方沿渗水通道流出.盾构进入加固体后必然会产生扰动,使土体产生渗水通道,尤其是在盾构刀盘已出加固体,加固体外部水源会夹带泥砂顺着渗水通道涌出.且此时盾尾注浆尚无法进行,全靠洞圈密封装置阻挡.所以,若密封装置被破坏或存在间隙,则势必造成水土外流,地面沉陷.(3)盾构全部进入洞圈后出现漏水,涌砂.如果洞口密封装置在出洞施工时被损坏或外翻,即使盾构完全进入洞圈,也可能出现涌砂险情或事故.当被损坏部位在洞圈下部时,修复工作难以及时进行,洞口在盾构出洞后的填充注浆和止水注浆都会受到影响,故泥砂可能不断从洞圈与成环管片的间隙涌人井内.若情况严重,将导致地面沉陷和洞口处已建造好的隧道产生过量沉降.1.4盾构在砂性土层中进洞的几种漏水情况近几年,盾构在砂性土层中进洞的施工风险已被高度重视,但从洞口最后一层钢筋混凝土剥除至盾构完全进洞后洞圈密闭这个时间段仍有很大漏水可能.该过程出现漏水,涌砂主要表现为两种形式.(1)洞门打开后出现漏水,涌砂.与盾构出洞前打开洞口一样,主要是加固体或夹心饼干存在渗水通道,在盾构推进的扰动下,加固体外水流顺着渗水通道涌出.(2)盾构在进洞过程中出现漏水,涌砂.盾构在洞圈中推进过程即盾构刀盘露出之后出现漏水,涌砂,出现该情况的原因有两种,一是盾构进入加固体后,水源顺着盾构外壳与加固体的间隙涌出;二是洞门土体在进洞推进的持续扰动中逐渐形成渗水通道.2风险控制技术措施盾构在砂性土层中进出洞风险控制的技术措施涉及很多方面,而且针对不同加固方式和进出洞形式也有所不同.本文主要就出洞施工和进洞2011年6月第6期城市道桥与防洪管理施工213施工,按工序环节,针对可能出现的漏水,涌砂风险,提出相应的加固防漏,封孔堵漏等处理措施.2.1洞口加固形式和工艺的选择盾构在砂性土层中进出洞施工的风险很大,洞口土体加固是控制风险的第一道关,也是最重要的一道关.地基加固形式的选择应根据地质和水文情况予以合理选择,且必须满足设计对于土体强度和抗渗透性能的指标要求.2.1.1含潜水和微承压水砂性土层洞口加固形式对盾构进出洞遇.层,:层,(或i)层等粉砂性土层或:层微承压水土层情况的,进出洞区域加固工艺可采取常规的搅拌桩加固,旋喷注浆加固形式,但建议优先考虑采用旋喷加固,有利于保证加固体的均匀性.若有场地条件,加固长度应大于盾构长度.如果洞口环境保护要求允许,可辅以降水保证措施,但最好先将洞口一定区域用深层搅拌桩或旋喷桩围起来,然后在被围区域降水,一方面减小对周边环境的影响,同时能够保证降水效果.2.1.2含承压水砂性土层洞口加固形式对盾构进出洞遇层土情况的,由于埋深深,承压水水头压力大,旋喷加固质量较难保证,若进出洞区域加固考虑采用水泥基加固工艺的,应辅以降水措施.若场地小,周边环境保护要求较高的,则优先考虑冻结加固.冻结法加固可以选择单纯的垂直冻结或水平冻结(相对地面),也可以采取常规深层搅拌桩加固结合洞圈水平冻结(仅在洞圈周围设冻结管)的方式.冻结法加固需高度注意的是,盾构在穿越冻结区时,不宜停留,在拼装管片及故障时,刀盘不能停转(必须保证集中润滑油充足,以避免刀盘不能正常运转),同时螺旋机不断正反转,另外拼装分多次,拼装时间应控制在20min之内,以防刀盘被冻住.盾构出洞后,要严格按照少量,持续多次的原则,做好解冻后的融沉注浆.采用冻结法加固还应做好防盾构机被冻的应急措施,如在盾构机上配置蒸汽机.在刀盘被冻住且其它应急措施都无效时,可采用蒸汽通过刀盘加水管路注入刀盘解冻,使盾构机能更安全,更顺利的穿越冰冻土体.蒸汽机的启用应慎重,若向刀盘前发射蒸汽,须遵循蒸汽机启用令制度.2.2盾构在砂性土层中出洞防漏,堵漏措施2.2.1洞口止水装置是盾构出洞时的主要防漏措施出洞止水装置是用连接螺栓,螺母及垫圈将帘布橡胶板和扇形环板固定在洞圈上,通过帘布橡胶板的密封性和扇形环板的刚性承压形成密封圈,以阻止泥沙外流.在盾构出洞施工中应注意以下几点:(1)安装前,应检查螺孔的位置偏差不可过大,且要用钢丝刷逐个清理螺孔内螺纹,在其内侧均匀地涂上黄油.安装时,先安装帘布橡胶板,后扇形环板,扇形板长度应与洞圈和盾构外壳之间的间隙相适应,过短易翻出,过长则可能使压板螺栓破坏.压板螺栓应尽可能拧紧,使帘布橡胶板紧贴洞门.(2)出洞时,应防止盾构外壳的外包同步注浆管拉坏密封圈,作为保证措施,可在四个注浆管位置采用可调长短的插板来代替该位置的扇形板.(3)盾构完全出去后,在掘进+3环时开始进行同步注浆,注浆量应在正常每环设计注浆量的2倍左右,其后可根据监测信息适当调整.在掘进+5环后,通过管片注浆孔,用水泥水玻璃双液浆或聚氨酯封堵第1,第2环管片背部和车站结构之间的建筑空隙,使浆液在此位置形成一个内部密封环.注浆时应合理控制压力,避免洞口止水装置因注浆压力过大而外翻.2.2.2堵漏应根据出洞施工各阶段和不同的渗漏情况采取相应措施(1)在开始凿除洞口钢筋混凝土前,应先从探孔情况判断加固情况,若有带砂水流出现,应对洞口进行加固和止水处理,待无明显渗漏水方可开凿.(2)当凿至最后一层钢筋混凝土时,应再次观察探孔和钢环四周有无泥砂流出.若发生渗漏现象,须用注聚氨酯进行堵漏,并适当加快对钢筋的切割速度.若钢环底部发生流泥,流沙现象,即停止对钢筋的切割,在流泥,流沙处进行注双液浆,然后用钢板将涌砂地方和钢环焊接.若无渗漏水或仅有少量清水流出,则可以按照进洞计划,盾构机迅速靠上洞门土体,向前推进.整个作业过程中,应尽量缩短作业时间,以减少正面土体的流失.(3)对于受承压水土层影响的洞口,现场可备钢封门装置,防止在盾构靠上土体前出现突涌现象(见图1).(4)如果出现突涌,且难以短时问控制的情况,如工作井外正面土体开始塌方时,应及时推进盾构机,将刀盘面靠上正面土体,并实施洞圈注浆和地面的加固,防止洞圈水土流失.通过地面的加固提高加固质量,防止土体的再次塌方.214管理施工城市道桥与防洪2011年6月第6期图1钢封门装置实景2.3盾构在砂性土层中进洞防漏,堵漏措施2.3.1防漏措施盾构在砂性土层中进洞时,防漏措施可以分两种形式,一种是外挡型,另一种是内堵型,在复杂条件下进洞可两种兼用.(1)外挡型即洞口靠内侧设置一圈花纹板,外缘设置可调伸长量的插板,中间可嵌入海绵(见图2)图2设花纹板,插板实景(2)内堵型即在盾构进入加固体一定长度后,利用盾构壳体上的注浆孔(盾构出洞前,应在盾构机前端沿圆周方向上设置注浆孔,可兼作应急措施)注双液浆或聚氨酯,形成堵水环箍.待盾尾进入加固体后,再通过隧道内管片注浆孔注双液浆或聚氨酯,再次封堵管片与加固土体间的空隙,避免加固体外泥砂顺着盾构外壳流出.2.3.2堵漏措施盾构进洞的堵漏措施同样是因施工各阶段和不同的渗漏情况而不同:(1)当打开探孑l出现明显水流或漏泥砂的,应封闭探孔,并采取注浆或降水,冻结等其它处理方式进行再加固.(2)当凿至最后一层钢筋混凝土时,应再次观察探孔和钢环四周有无泥砂流出,若发生渗漏现象,须用注聚氨酯进行堵漏,并适当加快对钢筋的切割速度.(3)当盾构部分进入工作井时出现大量泥砂渗漏,应立即将插板与盾壳焊死,并利用盾构壳体上的注浆孔或隧道管片注浆孔注聚氨酯和双液浆封堵,做好再次进洞的准备.(4)如果在盾构尾部拖出洞圈前有漏水漏砂现象的,则建议用钢板将洞圈和盾壳直接焊在一起,果断割除盾尾.若正常进洞,同样应快速封堵洞圈,用钢板将洞圈和进洞环钢板间焊接封闭,并及时进行充填注浆.(5)对于受承压水土层影响的洞口,现场同样可备钢封门装置作为应急物资.若在盾构刀盘出洞圈前出现突涌现象,且无法封堵时,可立即安装钢封门封堵.3结语盾构进出洞是一项非常成熟的施工工序,但在砂性土