三号线盾构始发和到达施工技术
摘要：国内外工程实例证明盾构始发和到达是盾构工法的关键工序，也是施工中的事故多发环节。本文分析了盾构始发和到达阶段的风险和常见问题，讨论了针对性技术措施。
关键字：盾构，始发，到达，地层加固
1引言
盾构始发和到达是盾构工法的关键工序，也是施工中的事故多发环节。所谓盾构始发就是盾构在始发井或过站车站始发端，自安装调试与定位开始，然后沿设计线路向前掘进，直至具备拆除负环条件为止。而盾构到达是指盾构机刀盘到达吊出井或过站车站到达端的加固区开始，直至盾构机盾体完全上到接收托架。盾构始发阶段准备工作主要包括始发托架和反力架的安装固定、盾构机的安装调试、洞门密封安装、负环管片安装、洞门凿除、导向系统的安装调试及始发定位等。盾构到达阶段准备工作主要是到达前的定位测量、接收托架的安装、洞门密封的安装、管片连接装置的安装和洞门凿除等。应根据始发和到达端头的地质条件、场地条件、始发和到达方式确定始发和到达端头地层是否需要预加固，端头加固方法有很多种，其选择主要取决于地质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。
2盾构始发和到达的风险及常见问题
盾构始发和到达阶段是施工中的事故多发环节，主要风险是从洞门与盾体之间的空隙处涌水涌砂，造成地面沉降，甚至洞门失稳、地面塌陷。盾构始发和到达期间，由于在较长的一段时间内，盾体和围岩之间的空隙是得不到及时有效填充的，此时，若地层较差或加固体质量差，很容易形成渗流通道，造成涌水涌砂事故。另外，由于准备工作不充分或疏忽大意，常常出现以下问题：
1）反力架、始发托架、接收托架变形、移位
由于在盾构始发（到达）掘进过程中推力过大，或由于反力架和始发托架（接收托架）固定效果不好，常导致反力架和始发托架（接收托架）变形、移位，这将造成盾构姿态难以控制，甚至超限。
2）洞门密封失效
为了防止盾构始发（到达）掘进时泥水、浆液从盾壳和洞门的间隙处流失，需安装洞门临时密封装置，临时密封装置由橡胶帘布、压板、垫片和螺栓等组成。导致洞门密封失效的主要原因有：
（1）洞门预埋件与车站结构钢筋连接不够牢固；
（2）压板损坏或固定螺栓松动；
（3）盾构姿态太差或者安装精度差导致环向间隙不均,间隙过大处折形压板外翻。
3）盾构机栽头
盾构始发掘进阶段，由于盾构机盾体自重的原因，当盾体逐渐离开始发托架过程中，容易出现载头现象。
4）盾构滚动、轴线偏移
盾构始发掘进阶段，由于盾构机没有进洞后的周围岩土侧压力磨擦作用，且盾构油缸的推力和掌子面通过刀盘的反力都很小，所以，掘进过程中盾构姿态控制困难，容易造成盾构滚动、轴线偏移。
5）盾构上接收托架困难
盾构到达掘进阶段，由于接收托架定位误差大，或盾构出洞时姿态太差，导致盾构上接收托架困难。
3盾构始发和到达的技术措施
为了避免事故的发生，尽可能让盾构始发和到达顺利，应从以下几点进行控制：
1）根据地质条件、地下水、盾构机型、施工环境等因素选择合适的始发和到达方法，例如：当地质条件较差，但又不具备地层加固条件时，可考虑钢套筒接收、水中到达等盾构到达方法。
2）当地质条件较差，具备地层加固条件时，应根据地层情况合理选择端头加固方法和加固范围，严格控制加固质量，并且对加固效果进行抽芯检测。常用的处理方法有搅拌桩、旋喷桩、注浆法，SMW工法、冷冻法等。
3）严格控制盾构机姿态和盾构掘进参数，特别是盾构机推力、扭矩等。
4）通常采用始发推进前抬高盾构机的始发姿态,合理安装始发导轨,推进过程中加强盾构姿态控制,尽量避免盾构栽头。
5）应合理选择洞门密封形式，严格控制洞门预埋件与车站结构钢筋连接质量及密封装置安装质量。
6）为防止盾构滚动，除了在始发托架上焊接防滚动装置外，掘进过程要严格控制始发扭矩，并特别注意不能在千斤顶推力很小的情况下转动刀盘。
7）尽快拉紧洞门橡胶帘布将“开口”封堵，及时注浆填充管片背后空隙。
8）加强监测，及时反馈以指导施工。
4工程实例
4.1软弱地层中泥水盾构始发
1）始发地质条件
厦滘站北端头硐身绝大部分为<3-2>砂层，覆盖层薄，约7.5m，地下水丰富，由于淤泥砂层较厚，土体稳定性很差。如图1所示。
2）厦滘站北端头地层加固、涌水涌砂、地面塌方
初步加固方案（见图2）为核心区搅拌桩φ550mm@550mm，外包三排搭接的搅拌桩φ550mm@400mm，最外包一排单管旋喷桩φ550mm@400mm。抽芯显示搅拌桩在砂层中基本无效，旋喷桩有不连续水泥块。加固完成后，盾构井开挖时发现800mm厚的连续墙严重歪斜，在15m深处约向盾构井内歪斜860mm。在凿除连续墙过程中，从缝隙处多次发生间断涌砂现象，并引起地表塌陷，前后持续一个多月。于是进行补充加固，采用三管旋喷封堵，在连续墙歪斜区旋喷桩相应倾斜施工。但个别洞门水平探孔仍然有水砂流出，于是在两条隧道两侧各作一个降水井。虽然右线顺利开洞门，但左线仍然发生涌砂，导致地面在3#井旁边约2m处即原盾构井施工塌方处再次塌方。经分析认为3#井周边土体加固质量较好，但在加固体和连续墙接合部仍然有涌砂通道。
图2初步加固图
4.2大沥区间盾构机到达
1）沥滘站到达端地层加固
由于沥滘车站以北50m范围内隧道所处围岩不稳定，据现场地质勘查资料显示，该区域地层分布如图3。
根据沥滘站北端头的实际地质情况及场地条件，对沥滘站北端头的地层采取φ800mm素砼桩+旋喷桩的加固方案，以确保在盾构机即将到达，凿除车站围护结构时的安全。端头加固范围为29.6.m×3.75m，其施工顺序为：先在车站端头围护结构处施工四排、最外侧施工一排φ800mm素砼桩，桩间采用注浆加固止水，中间部分采用深孔注浆加固，加固桩呈梅花型布置。进入〈7〉地层后，采用深孔注浆充填强风化岩层裂隙及岩层与加固体的界面，以达到有效止水的目的。注浆深度从隧道底板下2m至隧道顶板上2m范围。加固后，经抽芯取样，符合规范要求。
2）盾构机到站时盾尾喷砂事故
（1）工程概况
2004年4月1日清晨6时沥滘车站北端发生大面积塌方，由此造成右线在2004年9月13日到达预计停机位后无法进站。
至2005年4月1日，沥滘站具备盾构进站条件，埋在地下7个月之久的盾构机终于可以进站。
为了确保进站安全，在加固体两肩处加设8根袖阀管深层注浆，以期堵住加固体外的地下水，2005年4月11日盾构机破土而出，露出了“久违”的刀盘。然而4月18日在盾尾仅剩1m左右就完成出洞的情况下，盾体周围出现了意想不到的喷砂现象。
（2）地质状况分析
沥滘车站以北50m范围内隧道上部和顶部存在不稳定的砂层，据现场地质勘查资料显示，该区地层分布如图3所示。
（3）原因分析
经过对砂样的分析可知：该砂呈灰白色，颗粒成分、大小与沥滘站开挖的<3-2>砂层一样，这说明是隧道周边的<3-2>砂层沿着盾壳外的空隙喷射而产生的。仔细分析原因有以下几方面：
（a）沥滘车站坍塌后，为防止事故的进一步扩展，现场及时采取反压混凝土，有可能造成坍塌面与稳定面之间的大量孔隙。
（b）该段地层较为复杂，隧道埋深浅，砂层覆盖厚。
（c）在车站开挖时和端头加固时均探明隧道断面为红层中风化带<8>、红层全风化带<6>、红层强风化带<7>，上部为富水的砂层<3-2>。
（d）端头加固体的范围为3.75m，没有完全包住盾体（9m），当端头地层不稳定时，则可能引发险情。
（e）在盾构机出站时，同步注浆的浆液没有及时将管片周边的砂层固结，当出现空隙后砂层随着管片背后的水喷射而出。
（g）在盾构机机头破洞后，用了一个夜班的时间用来拆卸和吊运刀盘，使被扰动的砂和水聚集在管片和地层之间超挖空隙内，并形成水土压力。
（i）盾构机刀盘露出后，洞门的钢丝绳没有及时拉紧，当夹杂物卡在橡胶帘布上时，就会形成较大的空隙，使砂和水有了喷射通道。
（4）现场处理
现场根据施工条件，及时在洞内和加固体外同时进行注浆加固，洞内二次双液注浆，地面深层压力注浆，共注约100t水泥，有效固结了砂层，确保日后盾构机的安全出洞。
5结语
盾构始发和到达施工是盾构掘进过程中的关键阶段，由于其边界条件不同于盾构正常掘进，开挖面平衡条件较差，容易发生事故，广州地铁三号线少数盾构标段在始发、到达阶段就出现过涌水涌砂、地面塌陷事故。但只要合理选择始发和到达方法、端头加固方式与加固范围，严格控制加固质量，准备工作充分，施工过程中严格控制各个环节，基本上可以避免事故发生。
参考文献：
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