4.1洞口处理技术

1地基处理

(1)地质和施工环境的调查

泥 水加压式盾构在出洞和进洞施工方案制订以前，务必充分了解盾构工作井洞口周围地层的土质状况，确实掌握各层土的主要物理力性能指标。根据各种土层的特性， 认真分析不同施工方法，预测可能发生出洞和进洞施工时的复杂变化，对于盾构工作井施工期间所引起洞口周围的变化更不能掉以轻信，必须加以认真分析和检查， 避免因此而导致施工险情及不利于工程质量局面的情况发生。

对洞口周围地层的工程地质情况的了解，不能仅仅局限于对工程地质勘探报告的分析上，还在于盾构工作井制筑施工过程中所暴露的全断面土体状况，认真加以观察和详细了解，掌握土壤分类分层的确切位置，为盾构进、出洞的施工方案提供可靠的工程地质依据。 泥 水加压平衡盾构在出洞时要建立起正常的泥水循环，并不使之遭受破坏，必须事先对周围的施工环境进行详细的实地调查。首先应根据提供的资料对所影响的区域范 围内的各种地上地下建筑物、构筑物、公用设施、地下管线等作现场实地调查，了解地面建筑结构况状、地下管线走向、埋深分布情况，量测在影响区域内的构筑物 与隧道工程相对位置尺寸，对于重要的地面建筑物及地下管线应与有关单位密切联系，以控制沉降量及制订相应的监护措施。 在 盾构进、出洞施工前尚须对洞口处的地下障碍物及非正常性的地下水来源进行调查。洞口附近的地下障碍物有历史上遗留下来的原因，也有盾构工作井施工时遗留下 来的。历史遗留下来的障碍物通常有被遗弃的旧桥台、驳岸木桩、钢筋混凝土桩、废弃了的人防地下构筑物等，此外还有被抛弃了的钢碴、废钢材、大石块等，盾构 工作井施工时遗落下来的建筑垃圾有大石块、枕木、钢管等废钢材。这些建筑垃圾埋深大小不等，如果在盾构通过的位置上，则往往必须人工进入盾构开挖面将其排 除。遇到形状大、重量重、长度长的废钢材，还需在开挖面用气割后才能取出。在泥水加压平衡盾构开挖面要完成这些工作并非容易的事，还有一定的风险，但不排 除这些障碍物，盾构就无法前进，泥水加压舱的正常泥水循环就无法建立。因此，对这些地下障碍物在查清楚以后必须在出洞前采取处理措施加以排除。非正常性的 地下水源对洞口土体稳定不利，会引起土体流失，不仅如此，还将恶化泥水质量并使泥水循环失去常态。非正常性地下水源主要由地下的上下水道管线破裂及非正常 的地面排水系统所致。对此，事前应作调查并加以防护不使之破裂，施工期间一经发现应及时对该水源进行封堵处理。 (2)洞口地基处理

①泥水加压式盾构出洞口地基处理

采 用泥水加压平衡盾构施工时，当盾构掘进机从工作井内开始推进时，开挖面被盾构掘进机的旋转刀盘所覆盖。此外，盾构掘进机出洞前必须要凿除洞口井壁的混凝 土，以满足盾构掘进机顺利出洞，而洞口的井壁混凝土有时要达800mm，洞口的凿除时间较长。为避免洞口暴露过程中的土体塌坍，因此需对洞口周围的土体进 行改良加固和处理，使开挖面稳定后，然后出洞。对于大直径的泥水加压平衡盾构，由于开挖面土体的暴露面积大、土层情况复杂，更需要认真加固和处理。对洞口 加固和处理方法有多种，选用时应根据工程规模、工程地质条件、施工环境、现场具备的条件，经过经济技术比较后进行确定。一般使用的洞口地基加固和处理方法 如下： ·注浆加固

在土层中通过注浆来改良土质，使原有土体强度增大、防渗性提高。注浆加固可分为渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆、旋喷注浆和深层搅拌注浆等类别。

注浆加固适合各类土质，但由于加固后的土体固结强度较大，设计时应考虑盾构旋转切削刀盘的切削能力。采用注浆加固不仅便于泥水加压平衡盾构出洞施工，并且有利于洞口处地表沉降的控制。洞口注浆加固示意见图96。

图96 洞口注浆加固示意图

洞 口注浆加固一般采用深层搅拌注浆，注浆加固范围及强度按照洞口土体滑裂面的抗剪强度来确定，其中加固土体强度还应根据盾构刀盘设计负荷。在注浆加固时应严 格按照操作规程规定的要求，充分注意被加固土体强度的均匀性，尤其盾构出洞口处理暴露时间较长，在加固后的土体强度较差的断面处将会导致洞口土体塌坍。对 于洞口井壁粘贴部位的土体是注浆加固主要部位，须使土体达到充分压密和重新固结的效果，避免洞口土体在暴露期间塌落和涌水现象发生。尤其是泥水加压平衡盾 构的出洞口土体稳定相当重要，一旦洞口土体受到扰动和破坏，势必对刚出洞的泥水支护盾构切口土体能力大为降低，被扰动后的土体难以达到良好的泥膜止水效 应，并将导致泥水冒溢至地面。因此，为了使盾构顺利出洞，确保洞口土体的稳定性，也有在洞口连续墙外壁设置一排直径250mm钢管，使加固的土体具有较长 时间的自立能力。 图97为泥水加压平衡盾构出洞地基注浆加固实例。

图97泥水加压平衡盾构出洞地基加固实例

·开挖面置换法

用优质土或化学浆液、砂浆等置换、改良开挖面，见图98。 ·冻结法

当用其它方法难以达到稳定开挖面土体时，采用冻结法可取得较好的效果。冻结法的主要功能：

图98 开挖面置换法

使不稳定的含水地层能形成强度很高的冻土体； 能够形成完整的防水屏蔽，起到隔水作用； 能起到良好的挡土墙作用，以承受外来荷载。

在泥水加压式盾构施工中，冻结法常用来加固盾构的出洞和进洞部位的土体，亦用于盾构在地下对接的工程。

一般采用的冻结法可分为a、b两大类。 a.直接冻结方式

这是一种低温液化气方法。从工厂将低温液化气(液氮-193℃)直接运达到工地，输入到预先埋设在地层中的冷冻管内，液氮在冷冻管中气化而使冷冻管周围地层的土壤冻结，气化后的氮气放入大气中。 液氮冻结温度极低，冻结速度快，时间短。一般适用于暂时性的小规模工程施工，常用在一些地下的危急工程。 b.间接冻结方式

通 常是采用盐水冻结法。盐水冻结法是利用氨压缩调节制冷，并通过盐水媒介热传导原理进行冻结。一般是在工地现场设置冷冻设备，冷却不冻液(一般为盐水)，到 -20℃～-30℃，然后盐水进入冻结管内使地层土壤冻结，温度升高后的盐水回流到冷冻机再冷却。这样，盐水就在热交换过程中循环不息，冻结管周围地层的 冻土圆柱体直径不断扩展变大，并与相邻冻土圆柱体相交，在工程施工范围内形成完整的屏蔽，成为具有一定厚度和强度的又能防渗的挡土墙或拱形体。 盐水冻结法一般适用于规模较大的冻结工程。 采用冻结法时应注意下列事项：

在布置冻结管时，应适当设置测温管和水位观测孔，用以测定地层中的温度变化，确切掌握地层中土壤冻结发展状况，如冻土厚度、冻土圆柱体之间的交圈情况等； 在冷冻过程中必须防止因冻结管折损而引起盐水泄漏；

在地下水丰富而且透水性大的砂层和砂砾层中，应注意流动的地下水对冻土发展的影响，必要时应根据实际情况采取化学注浆或设置板桩等技术措施以减低地下水的流动速度，使冻土容易形成交圈； 随着冷冻温度的降低，冻土强度随之增大。但是，当土壤含水率少时(10%以下)，则冻土强度不会较高；

冻结时的冻土膨胀和隆起，以及解冻时的地基下沉很难避免。为此，必要时应根据实际需要采取相应措施来加以解决。

隆起和下沉值是根据土质、冻结时间、冻结和解冻速度，以及荷载条件等因素而变化。通常在砂性土和砂砾层中，隆起和下沉量较小，在粘土、粉砂、亚砂土中隆起或下沉量较大，腐植质土的沉降量特别大。 对于解冻时产生的地表下沉，可采用化学注浆加以约束。 盾构出洞部位冻结法加固见图99。

图99 冻结法盾构出洞

·竖井加气压法

在用作盾构工作井的竖井内加气压，以辅助开挖面的稳定，见图100。 ·挖填法

用钢板桩挡土，开挖后将盾构掘进机埋入地下土中，然后拔除钢板桩，使盾构在土中开始推进，见图101。

图100 竖井加气压法

图101 挖填法出洞

·化学注浆结合钢板桩法

在竖井洞口外侧适当距离打钢板桩，并在外井壁与钢板桩之间进行化学注浆。打钢板桩的目的是减轻土压和减小化学注浆范围，推进后拔除钢板桩，见图102。 ②盾构进洞口的地基加固处理

为了使泥水加压平衡盾构在控制地表沉降基础上能正确、安全、平稳地顺利进洞贯通，对进洞口的土体应适当的进行土体加固处理。上海越江隧道工程为防止盾构在进洞过程中因停滞时间较长而引起“磕头”现象，曾在进洞口的底部采用旋喷注浆加固，见图103。

图102 化学注浆结合钢板桩法处理出洞口

图103 进洞地基加固图

与 此同时，考虑到盾构在洞口处的覆土浅仅有4.2m厚度，而盾构直径11.22m，且地表层厚约2m的杂填土。在这种环境下，上部土体在泥水作用下，失去土 拱效应，土体平衡立即受到破坏。为了防止盾构在近洞口冒溢泥水，避免洞口土体坍塌，在洞口两侧及顶部采用了土体冻结加固以利盾构进洞。在-20℃低温条件 下冻结后土体强度可达3.96MPa，且加固后的土体整体性、均匀性都较其它加固形式更好。 进洞口土体经过上述加固处理后，盾构在进洞过程中洞口土体一直处于良好稳定状态，避免了一般大型盾构在进洞过程中难免的土体流失现象。而且盾构在洞口停滞一个星期时间未发现沉降，对控制盾构以良好姿态进洞起到重要作用。

2洞圈密封止水装置

盾 构在出洞过程中，洞口与盾构掘进机的壳体之间形成环形的建筑空隙，而泥水加压平衡盾构要建立泥水平衡的压力来稳定开挖面，首先要满足在这一部位的建筑空隙 能形成良好的密封效果，其密封性能的要求远高于其它形式的盾构。因此必须在洞圈设置良好的密封止水装置，才能防止盾构泥水流失，不致大量窜入井内，从而使 盾构切口泥水压力保持稳定。这是泥水加压平衡盾构在出洞过程中应具备的必不可少的施工条件。

有 关洞圈止水装置见图104和图105。图104所示的洞圈止水装置是一种锯齿形橡胶止水带，它是由氯丁橡胶材料制成。其内部充填海绵体，两锯齿紧贴盾构壳 体，在水力作用下能更加紧密地贴紧盾构壳体，

以形成较好的止水效果。一种好的止水装置，若使用不当，同样会使止水失效，上述止水装置曾在盾构出洞过程中， 由于未能把握好盾构姿态，使止水带遭受破损而失去止水效果。

图105所示是一种可调节的洞圈止水装置，在使用时能根据盾构姿态的变化而改变建筑空隙来及时调整止水装置中的橡胶板位置。

图104 锯齿形洞圈止水装置

图105 可调节的洞圈止水装置