盾構(gòu)到達(dá)突發(fā)涌水處理及水中到達(dá)方案分析

于加云

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

盾構(gòu)法因其具有安全性好、施工速度快、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)逐漸普及，應(yīng)用廣泛。盾構(gòu)到達(dá)是盾構(gòu)工法的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在很大程度上決定著工程的成敗，而在實(shí)際工程中，盾構(gòu)到達(dá)施工往往是風(fēng)險(xiǎn)控制的難點(diǎn)［1］。在盾構(gòu)到達(dá)風(fēng)險(xiǎn)控制方面已有許多相關(guān)研究:文獻(xiàn)［2］主要從盾構(gòu)姿態(tài)、土體加固及洞門密封等施工風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)做了論述;文獻(xiàn)［3－4］在盾構(gòu)到達(dá)的加固工法選擇及穩(wěn)定性分析方面做了具體研究;文獻(xiàn)［5－6］針對(duì)盾構(gòu)到達(dá)施工中易發(fā)生的涌水、涌砂等風(fēng)險(xiǎn)提出了鋼套筒接收方案。鋼套筒雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)踐中也存在工期長(zhǎng)、費(fèi)用高和保管麻煩等問(wèn)題。本文結(jié)合工程實(shí)例，從控制工程風(fēng)險(xiǎn)及施工便利等角度提出了鋼筋混凝土洞室接收方案。鋼筋混凝土洞室具有密封性可靠及結(jié)構(gòu)整體受力性能良好等特點(diǎn)。

1 工程概況

某盾構(gòu)區(qū)間左線盾構(gòu)隧道到達(dá)洞門平面位置距河流僅 10 m。河面寬為 12 m，河水水位標(biāo)高為1.008 m，河床底標(biāo)高為－0.76 m，地面標(biāo)高為4.2 m。河岸堤為2004年新建，均為漿砌片石擋墻。經(jīng)挖槽探測(cè)發(fā)現(xiàn)，岸堤(盾構(gòu)到達(dá)端)地下4 m為形狀不規(guī)則的砌筑體，堆砌雜亂，深淺不一，類似拋填片石和塊石。地勘資料顯示，盾構(gòu)到達(dá)端頭地層由上至下依次為:雜填土、3〈1〉層黏土、〈3〉2 層粉質(zhì)黏土、〈3〉3 層粉土夾粉質(zhì)黏土、〈4〉層粉砂層以及〈6〉1－1層粉質(zhì)黏土中。其中〈3〉3層及〈4〉層均為強(qiáng)透水性地層。工程地質(zhì)情況如圖1所示。

盾構(gòu)到達(dá)洞門直徑為6.7 m，底部埋深約17.7 m。盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)8 900 mm，刀盤直徑6 390 mm，盾體直徑6 370 mm。盾構(gòu)到達(dá)端采用水平凍結(jié)法加固地層。水平凍結(jié)體長(zhǎng)12 m，從車站盾構(gòu)井向隧道施作。凍結(jié)于盾構(gòu)到達(dá)前1個(gè)月施工完成，并經(jīng)探孔檢測(cè)，無(wú)滲漏水現(xiàn)象，加固效果良好。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile of engineering geology

2 盾構(gòu)到達(dá)突發(fā)涌水事故及處理

2012年12月13日11時(shí)左右，盾構(gòu)刀盤到達(dá)車站地連墻處，此時(shí)已拼裝了1 081環(huán)管片，還剩8環(huán)未拼裝，地連墻混凝土已破除至迎土側(cè)鋼筋;而后刀盤開(kāi)始掘削地連墻薄層混凝土，至12時(shí)左右刀盤完全破除地連墻混凝土;當(dāng)?shù)侗P全部露出時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)刀盤左下方有一小股水帶泥砂流出;13時(shí)左右，下部刀盤面突然大涌水，且迅速越涌越大，導(dǎo)致盾構(gòu)被淹沒(méi)。

涌水發(fā)生后，首先向河底回填黏土截?cái)嗨?，同時(shí)緊急抽排車站內(nèi)積水。當(dāng)涌水基本截?cái)嗪?，在接收端隧道兩?cè)和隧道中線地表打設(shè)豎向深孔，盾構(gòu)兩側(cè)注漿管深度超過(guò)盾構(gòu)底2 m，盾構(gòu)上部注漿管深度距離盾構(gòu)頂1 m，注油溶性聚氨脂進(jìn)行堵水。同時(shí)，在洞內(nèi)采用棉砂和速凝水泥封堵盾構(gòu)環(huán)周邊小股出水。最終，涌水險(xiǎn)情得到了有效控制。地面注漿管布置見(jiàn)圖2。

圖2 地面注漿管布置Fig.2 Layout of grouting pipes installed from ground surface

3 涌水原因分析

1)河堤為漿砌片石舊堤岸，隧道頂部地面以下4 m為類似拋填塊片石地層，場(chǎng)區(qū)地下水位與河水面基本齊平，客觀上存在地下水與河水的水平動(dòng)水聯(lián)系，這種水平動(dòng)水易對(duì)維持冷凍效果產(chǎn)生較大影響。

2)隧道頂部斷面地質(zhì)有粉土夾粉質(zhì)黏土層，盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)粉土，被擾動(dòng)的粉土與上層類似拋填塊片石且有動(dòng)水的漿砌片石層存在豎向動(dòng)水聯(lián)系，這種豎向動(dòng)水對(duì)維持冷凍效果產(chǎn)生很大影響。

3)在洞門圈水平凍結(jié)體施工期間，在打水平孔時(shí)，可能遇洞頂上方塊片石，導(dǎo)致偏孔，形成凍結(jié)體薄弱區(qū)，在凍結(jié)維持期間，動(dòng)水進(jìn)一步弱化了薄弱區(qū)的凍結(jié)效果。

綜上所述，雖然盾構(gòu)到達(dá)前經(jīng)探孔檢測(cè)凍結(jié)效果良好，但是，由于盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)土體的擾動(dòng)，影響了地下片石障礙物及粉土的凍結(jié)效果，在掘進(jìn)過(guò)程中形成水力通道，造成涌水。

4 盾構(gòu)水中到達(dá)施工技術(shù)

為防止盾構(gòu)繼續(xù)到達(dá)施工時(shí)再次出現(xiàn)涌水，經(jīng)過(guò)討論，決定采用盾構(gòu)水中到達(dá)方案，即在車站左線盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)施作鋼筋混凝土接收洞室，在洞室中回灌水及砂土的狀態(tài)下，將盾構(gòu)推進(jìn)洞室。鋼筋混凝土接收洞室主要是基于平衡到達(dá)理念，密閉的箱型混凝土結(jié)構(gòu)與洞門密閉連接，通過(guò)在結(jié)構(gòu)內(nèi)灌入填充物和壓水達(dá)到與土層平衡的壓力，模擬盾構(gòu)在土體中的掘進(jìn)狀態(tài)，使盾構(gòu)直接通過(guò)洞門，安全進(jìn)入接收洞室內(nèi)。

4.1 水中到達(dá)接收流程

盾構(gòu)檢修與調(diào)試—盾構(gòu)機(jī)況評(píng)估—盾構(gòu)井底抽水清淤—導(dǎo)臺(tái)拆除—接收洞室施工—洞室墻體反力架安裝—洞室填料—管片背后壓漿與管片拉緊加固—盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，管片拼裝—洞口環(huán)管片背后注漿堵水—開(kāi)孔檢查洞口注漿堵水效果—清除洞室填料—拆卸盾構(gòu)—拆除洞口3環(huán)管片—施作外掛洞門—拆除洞室墻體—清理井底—安設(shè)軌道，拆卸盾構(gòu)后配套—地表融沉和補(bǔ)償注漿—結(jié)束。

4.2 洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工荷載計(jì)算，洞室墻體及蓋板鋼筋主筋和分布筋均采用Ⅱ級(jí)螺紋鋼筋φ－22@150，C35混凝土，墻厚500 mm，蓋板厚600 mm。側(cè)墻預(yù)留出水觀測(cè)孔，蓋板設(shè)置2個(gè)觀測(cè)孔，管口緊貼碎石過(guò)濾層，并用無(wú)紡布包裹。洞室下部1.0 m范圍采用中粗砂和水混合填充，防止盾構(gòu)在洞室中掘進(jìn)時(shí)由于砂土不密實(shí)而下沉;其余部分填砂土，使盾構(gòu)在洞室中掘進(jìn)時(shí)與正常土中掘進(jìn)狀態(tài)一致。

洞室端墻采用2排4根D375鋼管斜撐墻體預(yù)埋鋼板，側(cè)墻采用2排6根D609、壁厚14 mm鋼管，水平對(duì)撐至盾構(gòu)井西側(cè)墻體。整個(gè)結(jié)構(gòu)體系滿足施工受力要求，洞室結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.3 蓄水井設(shè)計(jì)

洞室蓋板施作完成后，在蓋板上施作蓄水池，以平衡洞室與外水壓力。蓄水池采用50 mm厚鋼模板拼裝成型作支擋，內(nèi)貼無(wú)紡布，支擋內(nèi)外腳碼砌砂袋。支擋外安設(shè)D375鋼管斜撐至中板。

4.4 管片背后壓漿與管片拉緊加固

盾尾1～2環(huán)壓注油溶性聚氨脂，3～8環(huán)壓注雙液漿。盾構(gòu)在推進(jìn)、拼裝管片過(guò)程中，同步每一環(huán)注水泥漿，漿液凝固時(shí)間控制在4～6 h。同時(shí)，采用半圓弧鋼板，將河道下的盾構(gòu)管片進(jìn)行縱向及環(huán)向拉緊加固，以增加管片剛度，防止施工引起管片較大錯(cuò)位，從而影響注漿止水效果。

4.5 盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)要點(diǎn)

1)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中須同步左右對(duì)稱注漿，漿液采用水泥漿，凝固時(shí)間控制在4～6 h，每環(huán)注漿量控制在3.2 m3為宜。

2)在掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)及時(shí)觀測(cè)后部管片的變位情況，出現(xiàn)異常要及時(shí)停止，并在該段及時(shí)注水泥－水玻璃雙液漿回填封堵。

4.6 洞口環(huán)管片開(kāi)孔注漿封堵地下水

為了保證背后注漿的密封效果，在洞口環(huán)管片處預(yù)先增加二次注漿孔，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)及楔形環(huán)處各增加2個(gè)二次注漿孔，封頂塊處不增加;在盾尾位置，對(duì)洞口環(huán)管片在洞內(nèi)開(kāi)孔注漿，封堵地下水。注漿順序?yàn)椤坝衫锵蛲?，先下后上”。注漿時(shí)先注水泥漿，再注雙液漿，必要時(shí)壓注聚氨酯封堵。

4.7 注漿效果檢查

1)注漿完成后，打開(kāi)洞室側(cè)墻預(yù)留孔進(jìn)行注漿效果檢查，若發(fā)現(xiàn)仍未堵住地下水，則采取繼續(xù)在洞內(nèi)壓注油溶性聚氨脂進(jìn)一步封堵;同時(shí)，分階段抽排洞室水，觀測(cè)水位上漲情況，發(fā)現(xiàn)水位變化異?；蛩簧仙?，要及時(shí)回灌水，并在隧道內(nèi)繼續(xù)注雙液漿或聚氨酯封堵。

2)開(kāi)孔檢查注漿效果滿足要求后，確定將井外滲水通道全部封堵，則開(kāi)始清除洞室砂、土。在清除砂、土過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)水位變化異?；蛩簧仙瑒t應(yīng)及時(shí)回灌水，并在隧道內(nèi)繼續(xù)注雙液漿或聚氨酯封堵，達(dá)到注漿效果后方可繼續(xù)清除砂、土和抽水。

4.8 洞室砂、土清除

待水位下降后人工清除砂、土。人工清除時(shí)，要對(duì)稱進(jìn)行，高差不大于0.5 m。清除洞室砂、土?xí)r，盾構(gòu)兩側(cè)要平衡清除，防止偏壓，并及時(shí)架設(shè)對(duì)頂支撐，防止盾構(gòu)機(jī)翻滾。

清除完畢后，再對(duì)洞門口位置進(jìn)行觀測(cè)，若發(fā)現(xiàn)小的滲流通道，及時(shí)使用聚氨酯再次封堵。

4.9 洞室結(jié)構(gòu)拆除

洞室結(jié)構(gòu)拆除采用切割機(jī)解體，吊機(jī)分塊吊至地面破碎，盾構(gòu)主機(jī)吊裝完畢后，安裝軌道，進(jìn)行后配套接收。

4.10 地表融沉和補(bǔ)償注漿

整個(gè)實(shí)施過(guò)程中，在重要建(構(gòu))筑物及周邊地表預(yù)埋注漿管，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)進(jìn)行地表融沉和補(bǔ)償注漿，漿液采用水泥單液漿。

4.11 施工效果

通過(guò)采用水中到達(dá)方案，盾構(gòu)安全進(jìn)入接收洞室內(nèi)，并在二次注漿完成后，對(duì)洞室進(jìn)行探孔檢查，所有探孔均無(wú)流水、流沙現(xiàn)象，加固效果良好。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，到達(dá)端成型隧道結(jié)構(gòu)與險(xiǎn)情發(fā)生前隧道結(jié)構(gòu)相比，管片最大沉降1.11 mm，最大抬升0.90 mm。后期繼續(xù)觀測(cè)顯示，成型隧道狀態(tài)穩(wěn)定。

5 結(jié)論及體會(huì)

混凝土結(jié)構(gòu)接收洞室適應(yīng)性廣，不受地層及場(chǎng)地條件的限制，安全可控，盾構(gòu)在密閉體內(nèi)平衡到達(dá)，風(fēng)險(xiǎn)小，而且可在密閉體內(nèi)進(jìn)行觀察、處理，不會(huì)對(duì)密閉體外造成影響;同時(shí)，具有施作方便、造價(jià)低及結(jié)構(gòu)整體受力性能良好等優(yōu)點(diǎn)，較適用于易發(fā)生涌水、涌砂等工程的盾構(gòu)到達(dá)接收。

本工程采用盾構(gòu)水中到達(dá)措施后，安全完成后續(xù)盾構(gòu)施工。該方案可供類似工程借鑒，以減少特殊情況下的施工風(fēng)險(xiǎn)。

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