復(fù)合式TBM穿越富水地層常見危害及解決辦法

楊　帆

(重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司　重慶　401122)

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復(fù)合式TBM穿越富水地層常見危害及解決辦法

楊帆

(重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司重慶401122)

以重慶軌道交通6號(hào)線二期復(fù)合式TBM(全斷面隧道鉆掘機(jī))試驗(yàn)段工程蔡家段為例，分析復(fù)合式TBM在穿越富水地層時(shí)常見的掘進(jìn)參數(shù)異常、反復(fù)噴渣、管片滲漏水嚴(yán)重及異常上浮、自旋轉(zhuǎn)等問題的危害，認(rèn)為保證復(fù)合式TBM安全穿越富水地段的關(guān)鍵就是控制地下水涌入，并探討控制地下水涌入的具體辦法。關(guān)鍵詞城市軌道交通；復(fù)合式TBM；穿越；富水地層

隨著社會(huì)的發(fā)展和中國城市化進(jìn)程的展開，軌道交通已成為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。而復(fù)合式TBM施工因其具有成型好、適應(yīng)面廣、對(duì)地層軟硬通吃、自動(dòng)化程度高、施工安全、掘進(jìn)快速、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，而迅速在城市軌道交通施工中得到廣泛應(yīng)用[1]。

但復(fù)合式TBM作為改進(jìn)后的盾構(gòu)，在穿越江、河、湖泊等富水地層時(shí)，仍存在掌子面失穩(wěn)、掘進(jìn)噴渣、管片上浮、旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重、隧道滲漏水較大等問題。筆者以重慶軌道交通6號(hào)線二期復(fù)合式TBM試驗(yàn)段蔡家段工程為例，詳細(xì)闡述復(fù)合式TBM在穿越富水地層時(shí)的常見危害，分析探討復(fù)合式TBM穿越富水地層時(shí)的具體辦法及技術(shù)控制要點(diǎn)。

1　工程概況

曹家灣站—蔡家站復(fù)合式TBM區(qū)間隧道位于重慶市北碚區(qū)蔡家組團(tuán)，起于蔡家鎮(zhèn)雙碑村雙碑水庫旁，終點(diǎn)接蔡家鎮(zhèn)蔡家站。隧道采用盾構(gòu)工法掘進(jìn)施工，使用機(jī)械為復(fù)合式TBM。該機(jī)械與復(fù)合式盾構(gòu)構(gòu)造及原理相近，均為城市地鐵硬巖隧道施工而研發(fā)的一種隧道掘進(jìn)機(jī)，其將軟土掘進(jìn)機(jī)(盾構(gòu))與硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)的功能進(jìn)行了綜合，配有大功率推進(jìn)油缸及復(fù)合刀盤，具有一機(jī)三模式功能(土壓平衡式、開敞式、半開敞式)[2]，并配有自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、隨動(dòng)鉸接裝置、可分區(qū)控制推進(jìn)油缸，具有適應(yīng)地層廣、掘進(jìn)速度快等特點(diǎn)。

該區(qū)間隧道穿越地層大部分為砂巖，隧道埋深5.9～30.8 m，長1 777.043 m，期間需側(cè)穿雙碑水庫水文影響范圍(約390 m)。沿線最小轉(zhuǎn)彎半徑為500 m，長855 m。設(shè)計(jì)最大縱坡為-27‰，豎曲線一般地段半徑為5 000 m，困難地段采用3 000 m。隧道具有小半徑和大坡度等特點(diǎn)，易導(dǎo)致拼裝成型的管片因一側(cè)間隙過大而發(fā)生隧道滲漏水。

2　水文情況

該區(qū)間隧道所屬場地隸屬淺丘溝谷地貌，丘包與溝槽相間分布。場區(qū)地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度控制，為大氣降雨和地面水體滲漏補(bǔ)給，水量大小與降水因素關(guān)系密切，受氣候和季節(jié)性變化較大。特別是起點(diǎn)段鄰近雙碑水庫段主要為砂巖，受水體浸潤影響存在潛在水位，水量豐富、水壓較大[3]。

根據(jù)沿線地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，沿線地下水可劃分為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。其中，松散層孔隙水均為潛水，該地下水在原始地形為溝、槽的人工填土層和殘坡積層中分布不連續(xù)，動(dòng)態(tài)變化幅度大，水質(zhì)成分由含水介質(zhì)的性質(zhì)決定，水量大小受地貌和覆蓋層范圍、厚度、透水性制約，主要由大氣降水補(bǔ)給，受季節(jié)、氣候影響大。

基巖裂隙水則包括風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。風(fēng)化裂隙水分布在淺表層基巖強(qiáng)風(fēng)化帶中，為局部上層滯水或小區(qū)域潛水，水量小，受季節(jié)性影響大，各含水層自成補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng)；構(gòu)造裂隙水分布于厚層塊狀砂巖層中，以層間裂隙水或脈狀裂隙水的形式儲(chǔ)存，砂質(zhì)泥巖相對(duì)隔水，水量稍小，動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。該類地下水主要賦存于基巖裂隙中，由于巖層傾斜，局部砂巖中的裂隙水具承壓性。該段地質(zhì)勘察期間鉆孔抽水試驗(yàn)詳見表1[4]。

表1　鉆孔抽水試驗(yàn)成果

隧道距雙碑水庫岸邊最近處20 m，涌水量預(yù)測參見《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》[5]，隧道最大漏水量，有

(1)

式中：q0為水底隧洞施工中單位長度最大涌水量，m3/d·m；H為地表水體底部至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m；K為水體下部含水體的滲透系數(shù)，m/d；H0為地表水體的厚度距離,m；r0為洞身橫斷面換算成等價(jià)圓的半徑,m。

依據(jù)式(1)計(jì)算，該段隧道涌水量預(yù)測為290 m3/d。

3　穿越富水地層施工的常見問題

復(fù)合式TBM從曹家灣站始發(fā)后不久就進(jìn)入受雙碑水庫影響的富水地層，在此地層掘進(jìn)中多次出現(xiàn)異常，導(dǎo)致掘進(jìn)困難，嚴(yán)重時(shí)影響到管片的成型質(zhì)量。這些異常主要表現(xiàn)為：

1) 掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)控制困難、刀盤掌子面多次出現(xiàn)失穩(wěn)跡象、螺旋輸送機(jī)噴渣，軟土地層還會(huì)發(fā)生地面異常沉降等問題。

2) 拼裝后的管片在拖出盾尾后，開始出現(xiàn)較大面積滲漏水，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生帶壓力的噴水。

3) 區(qū)間已成型管片出現(xiàn)異常的大幅上浮，且管片自旋轉(zhuǎn)嚴(yán)重。雖然復(fù)合式TBM反復(fù)更換刀盤的旋轉(zhuǎn)方向，仍然無法改變管片的旋轉(zhuǎn)趨勢。

4　富水地段常見問題的危害及解決思路

4.1富水地段施工中常見問題的危害

富水地段復(fù)合式TBM掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)異常的主要原因就是因?yàn)榈貙又械叵滤窟^于豐富，且多帶有承壓性。因此，TBM掘進(jìn)時(shí)掌子面會(huì)有大量的地下水涌入土倉，出渣時(shí)由于土倉水壓過大，導(dǎo)致泥水混合物從螺旋輸送機(jī)上口直接噴射而出，并將位于底部的管片吊裝機(jī)淹沒，使管片安裝作業(yè)無法正常進(jìn)行，對(duì)洞內(nèi)設(shè)備及施工人員安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。同時(shí)，噴涌而出的泥水混合物必須組織大量的人力、物力進(jìn)行清除，否則無法進(jìn)行管片拼裝作業(yè)，一般而言，掘進(jìn)一環(huán)噴出的渣土清理工作需約2 d的時(shí)間，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，待管片安裝完成掘進(jìn)下一環(huán)時(shí)，由于沒有堵住涌水源頭，導(dǎo)致土倉內(nèi)又積滿地下水，出渣時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)噴渣現(xiàn)象。這樣周而復(fù)始的惡性循環(huán)，導(dǎo)致施工進(jìn)入半停工狀態(tài)。除此以外，當(dāng)掘進(jìn)地層位于軟土地層時(shí)，大量的地下水涌出，還會(huì)導(dǎo)致刀盤所對(duì)應(yīng)處的地面出現(xiàn)大面積沉降，將嚴(yán)重威脅到地面建筑及管線安全，發(fā)生噴渣時(shí)復(fù)合式TBM掘進(jìn)的重要控制參數(shù)之一的出渣量無法控制[6]。

另一方面，大量的地下水涌入到管片與巖層之間的縫隙，會(huì)稀釋掘進(jìn)時(shí)注入管片與巖層之間的同步漿液，使?jié){液很難凝固，最終導(dǎo)致漿液喪失防水與固結(jié)效果，并加劇管片的上浮，使之錯(cuò)臺(tái)、破損。這不僅會(huì)嚴(yán)重影響管片的最終成型質(zhì)量，更重要的是破壞了管片的整體防水、止水構(gòu)造，使成型隧道出現(xiàn)大量滲漏水點(diǎn)，影響到運(yùn)營安全[7]。

最后，管片的異常上浮、旋轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致盾尾上部間隙過小，進(jìn)而使TBM掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，在管片姿態(tài)與地下水的共同作用下，甚至?xí)?dǎo)致TBM一直“栽頭”掘進(jìn)，嚴(yán)重影響到隧道最終的線形控制[8]。

4.2整體解決思路

復(fù)合式TBM通過富水地段困難的主要原因在于巖層中地下水過于豐富，因此要想順利地掘進(jìn)就必須控制地下水的涌入。具體而言，首先要盡可能地封堵掌子面周邊地下水的涌入、降低土倉內(nèi)渣土的含水量，使出渣時(shí)盡可能少地帶走地下水，避免在刀盤處形成地下水的漏斗口，以免危及周邊地面建(構(gòu))筑物的安全；其次，需在管片周圍構(gòu)筑穩(wěn)固的止水帶，使之形成密閉空腔，這樣才能通過同步漿液填充盾尾環(huán)形空隙，并給予其凝固時(shí)間，使同步漿液能夠成為隧道的防水屏障，并使管片與周圍巖體一體化。

5　穿越富水地段的具體辦法

基于以上思路，可將復(fù)合式TBM掘進(jìn)分為3個(gè)階段(掘進(jìn)前、掘進(jìn)中、掘進(jìn)后)進(jìn)行防水、止水。

5.1掘進(jìn)前的超前預(yù)加固

1) 超前注漿原理：要保證復(fù)合式TBM正常掘進(jìn)，必須盡可能封堵地下水的涌入，并使管片周圍無補(bǔ)給水。因此，需對(duì)掌子面開挖輪廓四周的圍巖進(jìn)行超前注漿止水處理，以盡量減少地下水涌入土倉；同時(shí)超前注漿也可以保證掘進(jìn)開始后無補(bǔ)給水進(jìn)入已拼裝成型的管片周圍。

2) 超前注漿方法：一般在復(fù)合式TBM設(shè)計(jì)時(shí)，都在中盾位置預(yù)留了6根φ114 mm的超前注漿孔。因此，可通過這6個(gè)注漿孔，采用鉆孔形式打超前注漿孔，并利用注漿機(jī)進(jìn)行超前注漿加固處理，保證在開挖輪廓外形成一道止水環(huán)，達(dá)到止水目的，確保下一步掘進(jìn)施工的正常進(jìn)行。

3) 超前注漿參數(shù)：采用潛孔鉆通過6根預(yù)留注漿孔打設(shè)φ65 mm鋼花管，一次打孔長度為10～15 m，采用雙液注漿機(jī)注入1∶1水泥-水玻璃進(jìn)行超前注漿(地下水異常豐富時(shí)也可采用聚氨酯)止水處理，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后停止注漿，待漿液凝固后恢復(fù)掘進(jìn)，超前注漿止水長度暫定為10 m。

4) 在進(jìn)行超前注漿時(shí)，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)來確定雙液漿的凝膠時(shí)間，凝膠時(shí)間的選擇不得超過5 min，但也不宜小于60 s。凝膠時(shí)間太長，達(dá)不到止水效果，凝膠時(shí)間太短，注漿管路容易堵塞(見圖1)。

圖1　超前注漿

5) 注漿效果檢查：注漿加固作業(yè)完成后進(jìn)行開倉檢查，檢查內(nèi)容為地層加固后的穩(wěn)定性及涌水量。檢查的總涌水量要求小于30 m3/h，并要求掌子面穩(wěn)定，則可進(jìn)行下步施工；若盾構(gòu)涌水量大于30 m3/h，則應(yīng)根據(jù)地下水來源再次進(jìn)行封堵。

5.2掘進(jìn)中的參數(shù)控制及高分子聚合物的摻入

1) 控制原理：為保證復(fù)合式TBM順利通過富水地段，施工中應(yīng)積極調(diào)整復(fù)合式TBM掘進(jìn)參數(shù)，采用諸如：土壓平衡模式、低姿態(tài)掘進(jìn)(掘進(jìn)中線低于隧道中線掘進(jìn))、適當(dāng)增加土倉土壓力、減少出渣量(原則上按理論出渣量出渣，可適當(dāng)欠挖，保持土體的密實(shí)，以免地下水滲透入土體并進(jìn)入土倉)、均衡快速掘進(jìn)；同時(shí)，針對(duì)土倉中地下水較多的特點(diǎn)，可通過注入高分子材料來改良開挖后的土體，改善開挖土體的流塑性、滲透性等，從而有效地防止螺旋機(jī)噴涌狀況的發(fā)生。

2) 參數(shù)控制要點(diǎn)：通過加快掘進(jìn)速度、調(diào)整出渣量、注入高壓空氣等方式加大土倉土壓，使土倉內(nèi)土壓力值大于靜水壓力和地層土壓力之和，以減少地下水涌入土倉；同時(shí)，出渣時(shí)應(yīng)注意調(diào)整螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，適當(dāng)?shù)販p小出渣量，使切削的土體可以起到一定的阻水效果。

3) 高分子聚合物的摻入[9]：參數(shù)調(diào)整必須配合土體改良同步進(jìn)行，這是因?yàn)楸M管可以通過調(diào)整土壓、增大土倉內(nèi)切削土體量起到一定的平衡阻水作用，但由于砂巖中孔隙率較大(細(xì)砂成分少)、滲透性較好、受擾動(dòng)后易水土分離、無法阻止地下水侵入。因此，要滿足掘進(jìn)中封堵地下水涌入的要求，必須通過注入高分子聚合物來改善開挖土體的流塑性、滲透性。

5.3掘進(jìn)后的聚氨酯及雙液漿注入

1) 注漿思路：通過掘進(jìn)前超前注漿及掘進(jìn)中的參數(shù)調(diào)整，雖阻擋地下水涌入土倉造成掘進(jìn)困難及“噴渣”，但無法阻止地下水涌入到成型管片與巖層之間的縫隙，稀釋掘進(jìn)時(shí)注入的同步漿液，造成管片上浮并侵入隧道；因此，為保證隧道防水效果，有必要在掘進(jìn)通過該段后，先灌注聚氨酯形成穩(wěn)固的止水帶，再通過雙液漿的二次補(bǔ)注填充、密實(shí)管片與巖體之間的縫隙。最終凝結(jié)的漿液將作為復(fù)合式TBM施工隧道的第一道防水屏障，增強(qiáng)隧道的防水能力，也將為管片提供早期的穩(wěn)定，并使管片與周圍巖體一體化，這有利于管片上浮的控制，并能確保區(qū)間隧道的最終穩(wěn)定。

2) 聚氨酯優(yōu)點(diǎn)：聚氨酯遇水后自行分散、乳化、發(fā)泡，立即進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成不透水的彈性膠狀固結(jié)體，有良好的止水性能；漿液遇水反應(yīng)形成彈性固結(jié)體物質(zhì)的同時(shí)，釋放CO2氣體，借助氣體壓力，漿液可進(jìn)一步壓進(jìn)結(jié)構(gòu)的空隙，使多孔性結(jié)構(gòu)或地層能完全充填密實(shí)，具有二次滲透的特點(diǎn)；漿液的膨脹性好，包水量大，具有良好的親水性和可灌性，同時(shí)漿液的黏度、固化速度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；不用開槽,不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)體,而且可以帶水帶壓施工,可縮短工期。

3) 施工方法：以管片有滲漏、涌水的位置為中心，對(duì)中心點(diǎn)前后各10環(huán)管片，每隔3環(huán)進(jìn)行一次灌注聚氨酯，以形成封堵地下水的止水帶；封堵完成后，對(duì)止水帶之間的管片采用雙液漿進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，以便漿液填充空隙，使管片四周形成完整的防水屏障，封堵地下水的涌入，從而達(dá)到止水目的(見圖2)。。

圖2　掘進(jìn)后注漿孔位布置

6　結(jié)語

富水地段掘進(jìn)時(shí)如何控制地下水涌入是復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工的一個(gè)難題，也是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵所在。一般而言，如果條件允許或長距離掘進(jìn)時(shí)，在富水地層尤其是高富水砂層中應(yīng)優(yōu)先選用泥水平衡式盾構(gòu)，但當(dāng)條件不允許或在富水地段短距離掘進(jìn)而選用復(fù)合式TBM掘進(jìn)時(shí)，絕對(duì)不能麻痹大意[10-11]。應(yīng)事先制定較為完善的針對(duì)性施工方案，并采取配套 性 措 施，對(duì)施工過程嚴(yán)格實(shí)施動(dòng)態(tài)管理，可以做到減小地下水的危害，其隧道的施工質(zhì)量及施工安全也可以得到保證。

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(編輯：郝京紅)

Common Harms of Composite TBM Crossing Water-rich Rock Formation and the Countermeasures

Yang Fan

(Chongqing Rail Transit Design and Research Institute, Chongqing 401122)

Taking the TBM embankment engineering in Caijiaduan part in the second phase of Chongqing Rail Transit Line 6 as an example, the paper analyzes the common harms like tunneling parameters abnormality, repeatedly sprayed slag, serious segment seepage, abnormal rising, and spinning happening when the composite TBM ,the whole section tunnel drilling and digging machine, crosses the water formation. It is put forward that secure compound TBM through rich water area is the key to control the influx of the groundwater. The concrete methods of how to control the groundwater inflow are discussed.

urban rail transit; composite TBM; crossing; water-rich rock formation

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.023

2014-03-13

2014-04-21

楊帆，男，工程師，長期從事地下工程與城市軌道交通工程的施工、管理、設(shè)計(jì)工作，yangfan19800304@163.com

U231.3

A

1672-6073(2015)01-0101-04