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【摘要】：盾构始发及到达是盾构施工中最大的风险环节之一，特别在粉土粉砂等软土地层中盾构始发及到达容易发生漏水涌砂而引起周边地面塌陷、房屋沉陷及盾构被埋等事故。本文结合工程实例，针对粉砂地层特点，总结施工经验，提炼在粉砂地层中端头降水的控制要点和作用，保证盾构在类似地层中始发及到达的安全顺利。
【关键词】：盾构始发及到达、粉砂地层、端头降水应用
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
盾构施工技术已被广泛的应用于城市地铁、南水北调、公路及城际轨道等工程，而在粉土粉砂等软土地层中因盾构始发和到达中常有事故发生，盾构始发及到达施工技术中的诸如洞门围护结构、端头地基加固、盾构姿态控制等已受到足够重视，但端头降水往往只是作为备用辅助措施而被忽略。本文结合某城市地铁项目盾构始发及到达各四次中吸取的教训和总结的经验，阐述端头降水的关键控制要点及所起的作用。
2工程概况
本工程两区间隧道左、右线分别采用小松φ6340和海瑞克φ6390土压平衡盾构机施工，隧道外径6200mm，内径5500mm；洞门直径为6700mm。洞门处隧道埋深18.2～19.3m，围护结构为1000mm地下连续墙。
2.1工程地质情况
隧道基本全断面处于④2层粉砂层，位于微承压水层，自然水头埋深约3.2m。场地范围22米深度内土层结构共分7层，具体见图1及表1所示。
表1 土层参数表
图 1地质剖面图
2.2设计端头加固及降水井
1）盾构始发及到达土体加固体均为9m，范围为盾构隧道结构上下、左右每侧各3m。采用Φ850@600三轴搅拌桩加固，水泥掺入量为A区为20%，B区为15%，加固范围以上空桩水泥掺入量为7%。靠近端头地连墙采用单排Φ800@300双重管高压旋喷桩加固，旋喷桩水泥掺量为300kg/m。
2）设计在端头两端及两端加固体中间各设Φ273mm、深度比加固区深3m降水井1口共3口以备用，如地下水从围护地连墙和止水旋喷桩间流入洞门，则启用降水井。具体端头加固及降水井布置详见图2。
3盾构首次始发及到达时出现的问题及解决措施
3.1盾构首次始发及到达时出现的问题
在盾构首次始发前7天，对始发端头两侧2口降水井进行了试运行，在2天的试运行过程中，降水井井管水位能降至洞门底以下，但距离降水井5米的观测井水位维持在洞门顶4米不再下降。鉴于端头加固质量及洞门探孔情况良好，且降水只是作为备用。于是在专家参加的盾构始发条件验收通过后，开始凿除洞门混凝土，进行盾构的始发。在盾构刀盘进入洞门约1.2米时，洞门发生漏水并带小量粉砂，施工人员立即对洞门止水装置进行加固和堵漏处理，5个小时后盾构继续始发掘进，本次漏水漏砂量不大，总计漏出约20立方，未造成大的不良影响。
图2 原端头加固及降水井布置图 图3 调整后端头加固及降水井布置图
经过近4个月的掘进该台盾构准备首次到达，洞门加固质量、洞门探孔及降水等情况基本同始发的条件下，开始凿除洞门（洞门分两层人工用风镐粉碎性凿除，第一层厚60cm，第二层厚40cm），此时盾构刀盘距离洞门围护地连墙0.5m。在第二层凿至洞门高度约1/3时，洞门1点方向发生轻微渗漏，施工人员即刻对渗漏点进行封堵，但30分钟后渗漏情况明显加剧，水中携带大量粉砂。在此情况下，项目部通知专业抢险队进场进行堵漏。在地面采用垂直注入聚氨酯、洞门上方结构采用钻孔水平注入聚氨酯及渗漏点处采用钢板与主筋焊接并用棉絮、快干水泥等多种办法同时封堵的情况下，经过近20个小时的抢险作业，渗漏点才彻底被封堵住。由于渗漏带出大量水和砂，导致地面沉陷，在加固体旁边出现一个面积约220m2、深度约2m的圆形坍塌孔。所幸坍塌孔上部的6根管线未出现破损、开裂等不良现象，对离坍塌孔约3.5米的道路也未造成大的影响，且盾构姿态稳定。
3.2原因分析及解决措施与方案
针对出现的上述情况，项目部邀请多方单位进行原因分析及商讨解决措施与方案。
1）原因分析
（1）洞门全断面位于④-2粉砂层，该层渗透系数较大，土体稳定性差，沉降速率很大。渗漏点正好位于该地层，从现场渗漏出的水和砂来分析，符合该判断。
（2）现场北侧围挡范围内的一根污水管线可能存在较大渗漏现象，长期的渗漏水流带动土体，破坏了土体本身的稳定性，旋喷桩夹芯饼干可能在水流的冲刷下形成渗水通道。
（3）水流受加固体阻挡形成绕流，从而对固体与地连墙之间的夹缝薄弱处造成较大冲击，形成流水通道并在一定条件下（洞门凿除过程）发生突涌状况。
2）解决措施与方案
（1）增加止水帷幕
除对洞门处采用垂直和水平及隧道内注入水泥浆、水泥-水玻璃双液浆加固，隧道内管片和洞门密封止水装置加固等措施外，与会人员讨论决定为彻底隔断加固区外部水源，阻止地下水向涌水点位汇集，在加固区外侧5米处增設一道φ800@600的旋喷桩止水帷幕。
（2）降水井布置及运行
因先前打设的降水井在渗漏和堵漏加固过程中基本被毁坏，旋喷桩施工完成后，在旋喷桩和加固区之间重新施工降水井，这样相当于在坑内疏干降水，尽量把水位降低至少至洞门中心以下，以减少水对洞门的压力，加强洞门处土体强度，降低洞门破除和盾构到达时的渗漏风险。降水井数量由2口增加至4口，即在北侧和中间各增加1口。经过24小时的试运行和水位监测，观测井水位在降至地面下14.6m（洞门中心为地面下15.6m）后趋于稳定，具体详见图4。鉴于水位未降至洞门中心以下，且渗漏点处新打的探孔仍然存在轻微渗漏，于是在北侧2口井之间再增打1口井，井管管径由273mm增大至430mm。再次经24小时的试运行，水位降至16.5m后趋于稳定，具体详见图5。在此情况下决定进行洞门的凿除，最终盾构机到达过程中未出现渗漏，安全、顺利到达。
图4 降水水位曲线图（一） 图5 降水水位曲线图（二）
4后续盾构始发及到达端头降水
针对前2次盾构始发和到达出现的问题，项目部特别重视端头降水对盾构到达和始发的作用，与业主和设计等单位协商沟通后，决定在不改变端头加固及增加止水帷幕等其他措施下，增加端头降水井的数量并加强对盾构始发到达时降水井的运行管理，把水位降低至洞门中心以下作为盾构始发到达条件验收的关键内容。
4.1降水井布置
采用布置减压井方式，降低始发到达端头附近地下水水位至盾构中心线以下，第④层水头降深Sw=12.7m，以满足盾构安全始发到达要求。端头第④层微承压含水层厚约M=12.24m，渗透系数k=2.16m/d，等效半径取r0=30.0m，抽水影响半径，总涌水量按下述公式计算：
Q=2ΠKMSW/(lnR0/r0)=2×3.14×2.16×12.24×12.7/（ln186.65/30）=1152.25m3/d。
验算每口井的允许最大进水量：q=120Πrl=120×3.14×0.1365×4×1.29=265.4m3/d。（注：其中r为井管内径；l为滤管长度）。
理论降水井布置数量为：n=1.1×Q/q=1.1×1152.25/265.4≈5口。
实际井位布置主要根据场地条件、盾构端头加固形式等并结合计算总涌水量和实际单井出水量計算及地下管线渗漏等影响，共布置10口降水井，其中在加固体两侧和中间区域各布置1口观测井，具体井位布置见图3。
降水井深度根据降水深度，含水层分布，降水井过滤器管材以及围护结构等因素综合而定，深度为25.0m。
4.2降水井施工控制要点
1）选择有相应资质的专业降水单位，做好专项降水方案编制、评审及交底。施工过程中严格按经评审的方案执行。
2）成井施工技术控制要点
（1）测放井位：按方案要求测放井位，测放误差小于30cm。
（2）护孔管埋设：护孔管应插入原状土层中，管外应用粘性土封堵，护孔管应高出地面10～30cm。
（3）钻机安装：钻机底座应安装稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘、与孔中心应成三点一线。
（4）钻进成孔：开终孔孔径直径均为Ø700mm，一径到底，开孔时应轻压慢转，以保证开孔的垂直度，成孔垂直度满足每50 m小于0.5º，深度小于设计井深的2%
（5）清孔换浆：钻至设计标高后，将钻具提升至距孔底20～30cm处，开动泥浆泵清孔，孔内沉渣应小于20cm。
（6）下井管：直接提吊法下管。下管前应检查井管及滤水管是否符合质量要求，下管时滤水管上下两端应设置扶正器，以保证井管居中，井管应焊接牢固、垂直、不透水。
（7）回填砾料：采用动水投砾。先将钻杆提至滤水管下端，井管上口加闷头密封，从钻杆内泵送泥浆，使泥浆由井管和孔壁之间上返，并逐渐调小泵量，待泵量稳定后开始投放滤料。投送滤料的过程中，应边投边测投料高度，直至砾料下入预定位置为止。
（8）止水与回填：在地表以下回填3m厚粘性土。
（9）洗井：采用高压清水洗井法，通过高压水泵向井内注入高压清水，以冲击清洗孔壁泥皮及泥浆，直到水清砂净为止。
（10）安装抽水设备：成井施工结束后，下入井泵并联接真空管路、排设排水管道、安装真空泵、接通电源，安装完毕后进行安装效果检查。
（11）抽水：采用真空泵与潜水泵交替抽水，真空抽水时管路系统的真空度不小于－0.06MPa，以确保真空抽水的效果。
4.3降水运行控制要点
1）为获取水文地质参数及验证降水方案的可行性，对降水井需做抽水试验。
2）降水运行前准确测定各井口、地面标高及地下水位。
3）降水运行现场应备有双电源，确保关键时候保证降水的连续运行。
4）运行过程中应做好记录，内容包括井涌水量、水位降深，并绘制流量、观测孔水位、各监测点观测资料与时间的关系曲线，以掌握动态，指导降水运行，不断优化降水运行方案；
5）连续性降水对周围环境影响较大，为减少降水引起周围环境的变化，在盾构始发及到达前7天进行降水试运行，根据降水试运行情况确定洞门凿除和盾构到达前的运行时间（一般提前1～2天开始运行），并在盾构进洞后结束降水。
6）降水过程中加强对周边环境的监测，根据监测情况调整运行方案，必要时采取间歇或减少运行降水井数量等方法，即在保证端头地下水位满足盾构始发和到达要求下尽量少抽水，确实做到按需降水。
4.4降水运行结果
在后续6次盾构始发和到达中，按上述要求施工并运行降水井，根据水位监测情况，端头水位都能降至盾构洞门中心以下甚至洞门底。盾构在始发和到达过程中均极少出现渗漏现象。
5、结语
在粉土粉砂等软土地层中盾构始发到达过程中，采用降低端头水位能有效减少洞门发生漏水涌砂现象的发生，且相对其他如增加止水帷幕、调整端头加固方法及加大端头加固范围等措施，费用较低。
参考文献
[1] 《基坑降水手册》2006版 中国建筑工业出版社出版
[2]张卫国.深基坑承压含水层抽水试验及控制运行研究[J].上海地质,2010.12
【关键词】：盾构始发及到达、粉砂地层、端头降水应用
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
盾构施工技术已被广泛的应用于城市地铁、南水北调、公路及城际轨道等工程，而在粉土粉砂等软土地层中因盾构始发和到达中常有事故发生，盾构始发及到达施工技术中的诸如洞门围护结构、端头地基加固、盾构姿态控制等已受到足够重视，但端头降水往往只是作为备用辅助措施而被忽略。本文结合某城市地铁项目盾构始发及到达各四次中吸取的教训和总结的经验，阐述端头降水的关键控制要点及所起的作用。
2工程概况
本工程两区间隧道左、右线分别采用小松φ6340和海瑞克φ6390土压平衡盾构机施工，隧道外径6200mm，内径5500mm；洞门直径为6700mm。洞门处隧道埋深18.2～19.3m，围护结构为1000mm地下连续墙。
2.1工程地质情况
隧道基本全断面处于④2层粉砂层，位于微承压水层，自然水头埋深约3.2m。场地范围22米深度内土层结构共分7层，具体见图1及表1所示。
表1 土层参数表
图 1地质剖面图
2.2设计端头加固及降水井
1）盾构始发及到达土体加固体均为9m，范围为盾构隧道结构上下、左右每侧各3m。采用Φ850@600三轴搅拌桩加固，水泥掺入量为A区为20%，B区为15%，加固范围以上空桩水泥掺入量为7%。靠近端头地连墙采用单排Φ800@300双重管高压旋喷桩加固，旋喷桩水泥掺量为300kg/m。
2）设计在端头两端及两端加固体中间各设Φ273mm、深度比加固区深3m降水井1口共3口以备用，如地下水从围护地连墙和止水旋喷桩间流入洞门，则启用降水井。具体端头加固及降水井布置详见图2。
3盾构首次始发及到达时出现的问题及解决措施
3.1盾构首次始发及到达时出现的问题
在盾构首次始发前7天，对始发端头两侧2口降水井进行了试运行，在2天的试运行过程中，降水井井管水位能降至洞门底以下，但距离降水井5米的观测井水位维持在洞门顶4米不再下降。鉴于端头加固质量及洞门探孔情况良好，且降水只是作为备用。于是在专家参加的盾构始发条件验收通过后，开始凿除洞门混凝土，进行盾构的始发。在盾构刀盘进入洞门约1.2米时，洞门发生漏水并带小量粉砂，施工人员立即对洞门止水装置进行加固和堵漏处理，5个小时后盾构继续始发掘进，本次漏水漏砂量不大，总计漏出约20立方，未造成大的不良影响。
图2 原端头加固及降水井布置图 图3 调整后端头加固及降水井布置图
经过近4个月的掘进该台盾构准备首次到达，洞门加固质量、洞门探孔及降水等情况基本同始发的条件下，开始凿除洞门（洞门分两层人工用风镐粉碎性凿除，第一层厚60cm，第二层厚40cm），此时盾构刀盘距离洞门围护地连墙0.5m。在第二层凿至洞门高度约1/3时，洞门1点方向发生轻微渗漏，施工人员即刻对渗漏点进行封堵，但30分钟后渗漏情况明显加剧，水中携带大量粉砂。在此情况下，项目部通知专业抢险队进场进行堵漏。在地面采用垂直注入聚氨酯、洞门上方结构采用钻孔水平注入聚氨酯及渗漏点处采用钢板与主筋焊接并用棉絮、快干水泥等多种办法同时封堵的情况下，经过近20个小时的抢险作业，渗漏点才彻底被封堵住。由于渗漏带出大量水和砂，导致地面沉陷，在加固体旁边出现一个面积约220m2、深度约2m的圆形坍塌孔。所幸坍塌孔上部的6根管线未出现破损、开裂等不良现象，对离坍塌孔约3.5米的道路也未造成大的影响，且盾构姿态稳定。
3.2原因分析及解决措施与方案
针对出现的上述情况，项目部邀请多方单位进行原因分析及商讨解决措施与方案。
1）原因分析
（1）洞门全断面位于④-2粉砂层，该层渗透系数较大，土体稳定性差，沉降速率很大。渗漏点正好位于该地层，从现场渗漏出的水和砂来分析，符合该判断。
（2）现场北侧围挡范围内的一根污水管线可能存在较大渗漏现象，长期的渗漏水流带动土体，破坏了土体本身的稳定性，旋喷桩夹芯饼干可能在水流的冲刷下形成渗水通道。
（3）水流受加固体阻挡形成绕流，从而对固体与地连墙之间的夹缝薄弱处造成较大冲击，形成流水通道并在一定条件下（洞门凿除过程）发生突涌状况。
2）解决措施与方案
（1）增加止水帷幕
除对洞门处采用垂直和水平及隧道内注入水泥浆、水泥-水玻璃双液浆加固，隧道内管片和洞门密封止水装置加固等措施外，与会人员讨论决定为彻底隔断加固区外部水源，阻止地下水向涌水点位汇集，在加固区外侧5米处增設一道φ800@600的旋喷桩止水帷幕。
（2）降水井布置及运行
因先前打设的降水井在渗漏和堵漏加固过程中基本被毁坏，旋喷桩施工完成后，在旋喷桩和加固区之间重新施工降水井，这样相当于在坑内疏干降水，尽量把水位降低至少至洞门中心以下，以减少水对洞门的压力，加强洞门处土体强度，降低洞门破除和盾构到达时的渗漏风险。降水井数量由2口增加至4口，即在北侧和中间各增加1口。经过24小时的试运行和水位监测，观测井水位在降至地面下14.6m（洞门中心为地面下15.6m）后趋于稳定，具体详见图4。鉴于水位未降至洞门中心以下，且渗漏点处新打的探孔仍然存在轻微渗漏，于是在北侧2口井之间再增打1口井，井管管径由273mm增大至430mm。再次经24小时的试运行，水位降至16.5m后趋于稳定，具体详见图5。在此情况下决定进行洞门的凿除，最终盾构机到达过程中未出现渗漏，安全、顺利到达。
图4 降水水位曲线图（一） 图5 降水水位曲线图（二）
4后续盾构始发及到达端头降水
针对前2次盾构始发和到达出现的问题，项目部特别重视端头降水对盾构到达和始发的作用，与业主和设计等单位协商沟通后，决定在不改变端头加固及增加止水帷幕等其他措施下，增加端头降水井的数量并加强对盾构始发到达时降水井的运行管理，把水位降低至洞门中心以下作为盾构始发到达条件验收的关键内容。
4.1降水井布置
采用布置减压井方式，降低始发到达端头附近地下水水位至盾构中心线以下，第④层水头降深Sw=12.7m，以满足盾构安全始发到达要求。端头第④层微承压含水层厚约M=12.24m，渗透系数k=2.16m/d，等效半径取r0=30.0m，抽水影响半径，总涌水量按下述公式计算：
Q=2ΠKMSW/(lnR0/r0)=2×3.14×2.16×12.24×12.7/（ln186.65/30）=1152.25m3/d。
验算每口井的允许最大进水量：q=120Πrl=120×3.14×0.1365×4×1.29=265.4m3/d。（注：其中r为井管内径；l为滤管长度）。
理论降水井布置数量为：n=1.1×Q/q=1.1×1152.25/265.4≈5口。
实际井位布置主要根据场地条件、盾构端头加固形式等并结合计算总涌水量和实际单井出水量計算及地下管线渗漏等影响，共布置10口降水井，其中在加固体两侧和中间区域各布置1口观测井，具体井位布置见图3。
降水井深度根据降水深度，含水层分布，降水井过滤器管材以及围护结构等因素综合而定，深度为25.0m。
4.2降水井施工控制要点
1）选择有相应资质的专业降水单位，做好专项降水方案编制、评审及交底。施工过程中严格按经评审的方案执行。
2）成井施工技术控制要点
（1）测放井位：按方案要求测放井位，测放误差小于30cm。
（2）护孔管埋设：护孔管应插入原状土层中，管外应用粘性土封堵，护孔管应高出地面10～30cm。
（3）钻机安装：钻机底座应安装稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘、与孔中心应成三点一线。
（4）钻进成孔：开终孔孔径直径均为Ø700mm，一径到底，开孔时应轻压慢转，以保证开孔的垂直度，成孔垂直度满足每50 m小于0.5º，深度小于设计井深的2%
（5）清孔换浆：钻至设计标高后，将钻具提升至距孔底20～30cm处，开动泥浆泵清孔，孔内沉渣应小于20cm。
（6）下井管：直接提吊法下管。下管前应检查井管及滤水管是否符合质量要求，下管时滤水管上下两端应设置扶正器，以保证井管居中，井管应焊接牢固、垂直、不透水。
（7）回填砾料：采用动水投砾。先将钻杆提至滤水管下端，井管上口加闷头密封，从钻杆内泵送泥浆，使泥浆由井管和孔壁之间上返，并逐渐调小泵量，待泵量稳定后开始投放滤料。投送滤料的过程中，应边投边测投料高度，直至砾料下入预定位置为止。
（8）止水与回填：在地表以下回填3m厚粘性土。
（9）洗井：采用高压清水洗井法，通过高压水泵向井内注入高压清水，以冲击清洗孔壁泥皮及泥浆，直到水清砂净为止。
（10）安装抽水设备：成井施工结束后，下入井泵并联接真空管路、排设排水管道、安装真空泵、接通电源，安装完毕后进行安装效果检查。
（11）抽水：采用真空泵与潜水泵交替抽水，真空抽水时管路系统的真空度不小于－0.06MPa，以确保真空抽水的效果。
4.3降水运行控制要点
1）为获取水文地质参数及验证降水方案的可行性，对降水井需做抽水试验。
2）降水运行前准确测定各井口、地面标高及地下水位。
3）降水运行现场应备有双电源，确保关键时候保证降水的连续运行。
4）运行过程中应做好记录，内容包括井涌水量、水位降深，并绘制流量、观测孔水位、各监测点观测资料与时间的关系曲线，以掌握动态，指导降水运行，不断优化降水运行方案；
5）连续性降水对周围环境影响较大，为减少降水引起周围环境的变化，在盾构始发及到达前7天进行降水试运行，根据降水试运行情况确定洞门凿除和盾构到达前的运行时间（一般提前1～2天开始运行），并在盾构进洞后结束降水。
6）降水过程中加强对周边环境的监测，根据监测情况调整运行方案，必要时采取间歇或减少运行降水井数量等方法，即在保证端头地下水位满足盾构始发和到达要求下尽量少抽水，确实做到按需降水。
4.4降水运行结果
在后续6次盾构始发和到达中，按上述要求施工并运行降水井，根据水位监测情况，端头水位都能降至盾构洞门中心以下甚至洞门底。盾构在始发和到达过程中均极少出现渗漏现象。
5、结语
在粉土粉砂等软土地层中盾构始发到达过程中，采用降低端头水位能有效减少洞门发生漏水涌砂现象的发生，且相对其他如增加止水帷幕、调整端头加固方法及加大端头加固范围等措施，费用较低。
参考文献
[1] 《基坑降水手册》2006版 中国建筑工业出版社出版
[2]张卫国.深基坑承压含水层抽水试验及控制运行研究[J].上海地质,2010.12