復(fù)合地層盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道涌水處置方案研究

詹 濤,樊祥喜

(1.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司,南昌 330038； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410075)

復(fù)合地層盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道涌水處置方案研究

詹 濤1,樊祥喜2

(1.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司,南昌 330038； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410075)

依托南昌地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道工程,對(duì)富水復(fù)合地層條件下采用旋噴樁加固施工方案進(jìn)行總結(jié),并對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工發(fā)生的涌水、涌砂問題進(jìn)行分析,提出針對(duì)性土體注漿加固結(jié)合降水井降水的處置方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況以及現(xiàn)場(chǎng)地表監(jiān)控結(jié)果,處置方案能夠保證該地層條件下聯(lián)絡(luò)通道施工安全順利進(jìn)行。

地鐵；盾構(gòu)隧道；聯(lián)絡(luò)通道；旋噴樁加固；涌水、涌砂；降水井；處置方案

地鐵作為城市現(xiàn)代化軌道交通工具，承擔(dān)著越來越重要的短程大客流運(yùn)輸任務(wù)。地鐵結(jié)構(gòu)對(duì)于外部的災(zāi)害防御能力比較好，但是對(duì)來自內(nèi)部的災(zāi)害抵御能力較差。在地下狹小的空間里，一旦發(fā)生災(zāi)害，救援與疏散十分困難[1]。《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)明確規(guī)定，城市地鐵隧道修建過程中，當(dāng)隧道連貫長(zhǎng)度大于600 m時(shí)，為確保運(yùn)營(yíng)期間安全，需在兩條隧道之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道[2]。在富水條件下采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工，容易造成流砂、管涌等事故。聯(lián)絡(luò)通道施工一直是地鐵施工事故的多發(fā)點(diǎn)。如2003年7月1日上海軌道交通四號(hào)線發(fā)生的重大安全事故就是一個(gè)例子，由于聯(lián)絡(luò)通道的開挖而造成主隧道的破壞，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.5億人民幣，整條線路延遲開通3～4年[3]。富水條件下聯(lián)絡(luò)通道施工的風(fēng)險(xiǎn)以及相應(yīng)的研究越來越引起人們的重視。

富水砂礫復(fù)合地層條件下，由于地層的富水性以及砂層的強(qiáng)滲透性，施工時(shí)極易引發(fā)涌水、涌砂事故。近些年來，聯(lián)絡(luò)通道施工工法有所創(chuàng)新，主要有豎井與礦山法結(jié)合、隧道洞內(nèi)礦山法、土體凍結(jié)法、頂管法等[4-5]。王暉[6]等通過對(duì)4種聯(lián)絡(luò)通道施工方法的特點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)性等方面的分析與比較，提出富水砂層聯(lián)絡(luò)通道施工的優(yōu)選方案為凍結(jié)法。張偉[7]對(duì)南昌地鐵1號(hào)線越湖區(qū)間采用凍結(jié)法施工進(jìn)行了介紹總結(jié)，并結(jié)合施工實(shí)踐，進(jìn)一步指出了凍結(jié)法在南昌地層條件下聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)、施工中需注意的若干問題，為凍結(jié)法在南昌地鐵后續(xù)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用提供借鑒。由于凍結(jié)法造價(jià)高，且土體凍脹及融沉及容易造成地層變形，甚至引發(fā)地表路面以及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形，應(yīng)用方面具有一定局限性[8]。若采用其他針對(duì)性的隔水措施，由于施工經(jīng)驗(yàn)以及地勘的不準(zhǔn)確，地層中仍可能存在水路通道而引發(fā)涌水事故。在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生涌水事故后，能夠第一時(shí)間應(yīng)對(duì)，防止事態(tài)進(jìn)一步惡化，同時(shí)提出針對(duì)性的處置方案顯得尤為重要。

南昌市軌道交通1號(hào)線中～子區(qū)間前期采用旋噴樁加固并采用隧道內(nèi)礦山法開挖，施工時(shí)發(fā)生涌水、涌砂事故。現(xiàn)場(chǎng)第一時(shí)間對(duì)涌水掌子面進(jìn)行封堵并關(guān)閉安全門，并提出土體注漿加固結(jié)合降水井降水的處置方案?，F(xiàn)場(chǎng)后續(xù)施工安全順利進(jìn)行，該處置方案具有一定的實(shí)踐性，可為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

南昌市軌道交通1號(hào)線中山西路站～子固路站盾構(gòu)區(qū)間起止里程為SK13+016～SK13+681，區(qū)間隧道長(zhǎng)665 m。區(qū)間設(shè)置1處聯(lián)絡(luò)通道，中心里程為SK13+289。

聯(lián)絡(luò)通道采用噴錨構(gòu)筑法進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，襯砌采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，即以鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土和鋼架為初期支護(hù)，以模筑鋼筋混凝土襯砌為二次襯砌，初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)全封閉防水隔離層。聯(lián)絡(luò)通道為直墻半拱結(jié)構(gòu)，凈寬2 100 mm，凈高2 750 mm，二襯400 mm；廢水泵房?jī)魧? 100 mm，凈長(zhǎng)3 100 mm，二襯400 mm，采用礦山法施工[9]。聯(lián)絡(luò)通道二襯采用C40模筑混凝土。聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道襯砌結(jié)構(gòu)斷面(單位：mm)

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，聯(lián)絡(luò)通道處地層層序自上而下依次為雜填土、淤泥質(zhì)黏土、砂礫層、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。聯(lián)絡(luò)通道處隧道埋深為15.9 m，聯(lián)絡(luò)通道開挖面頂部埋深為16.5 m。聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房基本上位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中。聯(lián)絡(luò)通道洞身開挖面從上往下依次為淤泥質(zhì)黏土(0.2 m)、砂礫層(0.4 m)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(3.55 m)[10]。見圖2。

圖2 沿地鐵方向地質(zhì)縱斷面(單位：m)

聯(lián)絡(luò)通道地表處于新洲路與中山西路交叉路口，東臨撫河，西鄰贛江，三面環(huán)水，地下水較豐富，區(qū)域地下水為第四系松散巖類孔隙水，局部為承壓水，主要賦存于全新統(tǒng)(Q4al)沖積砂礫卵石層中，現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)顯示該含水層綜合滲透系數(shù)為110 m/d。聯(lián)絡(luò)通道處地面高程21.5 m，區(qū)域常年地下水位在地表以下7.5 m左右，主要接受贛江及撫河地表水體的側(cè)向補(bǔ)給[10]。聯(lián)絡(luò)通道周邊位置情況見圖 3。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道周邊位置情況

1.2 原設(shè)計(jì)施工方案

(1) 旋噴樁加固

針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道實(shí)際情況及設(shè)計(jì)要求，聯(lián)絡(luò)通道地基加固采用φ600@450 mm二重管高壓旋噴樁進(jìn)行加固，其設(shè)計(jì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.5 MPa，滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s。根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道位置條件，加固區(qū)域具體示意見圖4、圖5。

圖4 聯(lián)絡(luò)通道加固平面(單位：mm)

圖5 聯(lián)絡(luò)通道加固橫剖面(單位：mm)

聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)采用φ600@450 mm二重管高壓旋噴樁對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行預(yù)加固，加固區(qū)域長(zhǎng)度為兩條隧道中線之間14 m，加固寬度為聯(lián)絡(luò)通道中線左右各5.5 m，加固深度范圍為地表面以下17 m，加固嵌入巖層1 m。現(xiàn)場(chǎng)加固采用水灰比為1.5∶1的硅酸鹽水泥，當(dāng)旋噴樁插入預(yù)定深度時(shí)，按15～20 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)旋噴管，實(shí)樁區(qū)以20～30 MPa壓力輸入水泥漿，空樁區(qū)水泥漿壓力降低至5～10 MPa，同時(shí)以10～30 cm/min速度提升旋噴管。

(2) 聯(lián)絡(luò)通道開挖步驟

在完成旋噴樁加固后，聯(lián)絡(luò)通道施工采用礦山法進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。聯(lián)絡(luò)通道的施工步驟是：在區(qū)間隧道與聯(lián)絡(luò)通道接口處6環(huán)管片內(nèi)采用內(nèi)支撐加強(qiáng)，再以下行線盾構(gòu)隧道為工作面，拆除正線盾構(gòu)鋼管片；采用臺(tái)階法開挖聯(lián)絡(luò)通道并及時(shí)施作初期支護(hù)，向另一側(cè)正線隧道施工，在通道進(jìn)洞以后對(duì)在盾構(gòu)管片位置的土體進(jìn)行反挑施工；待聯(lián)絡(luò)通道貫通后，立即施做聯(lián)絡(luò)通道二襯(含洞門環(huán)框梁二襯)，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，再開挖廢水泵房，鋪設(shè)聯(lián)絡(luò)通道和廢水泵房的防水板，澆筑泵房的二襯；最后施作防火門。

2 現(xiàn)場(chǎng)涌水問題及分析

現(xiàn)場(chǎng)在聯(lián)絡(luò)通道開挖至1.0 m進(jìn)尺時(shí)，掌子面左上角和右上角有少量清水流出，對(duì)掌子面上方鉆設(shè)小導(dǎo)管并注漿后，滲水已封堵，無其他異常情況后，現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)開挖。繼續(xù)開挖過程中，發(fā)現(xiàn)開挖面砂礫層至少為1.5 m。在開挖至2.1 m進(jìn)尺(第五榀格柵處)，在開挖面靠右側(cè)上部砂層與風(fēng)化巖層交界面處突遇涌水，水量較大，中間夾雜泥沙(圖6)。

圖6 掌子面涌水、涌砂

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生涌水、涌砂原因主要有以下幾點(diǎn)。

(1)地勘顯示聯(lián)絡(luò)通道開挖面砂礫層只有0.2 m，實(shí)際開挖時(shí)開挖面處砂礫層至少1.5 m，且具有極強(qiáng)的透水性。實(shí)際開挖情況與原地勘有明顯出入，導(dǎo)致此處旋噴樁加固沒有覆蓋完全，加固效果不理想。尤其是砂礫層與風(fēng)化巖交界面處，是整個(gè)注漿加固的最薄弱的部位。

(2)旋噴樁在鉆進(jìn)施工時(shí)，由于工人熟練度及操作方法原因，樁間垂直度存在偏差，樁與樁之間沒有完全咬合，旋噴樁成樁效果不理想，樁與樁之間產(chǎn)生空隙，形成水路通道。

(3)開挖期間，正逢暴雨天氣，地下水位升高，造成涌水、涌砂的進(jìn)一步加劇。

3 現(xiàn)場(chǎng)處理方案及效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急方案

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的涌水、涌砂情況，現(xiàn)場(chǎng)立即進(jìn)行應(yīng)急處理，對(duì)涌水、涌砂處采用棉被封填，埋設(shè)導(dǎo)流管，對(duì)整個(gè)掌子面采用沙袋進(jìn)行封堵，掌子面未發(fā)生坍塌。為預(yù)防進(jìn)一步的突發(fā)險(xiǎn)情，現(xiàn)場(chǎng)決定啟用安全門，在關(guān)閉安全門前，對(duì)已開挖的區(qū)域全部采用沙袋進(jìn)行了堆填；安全門關(guān)閉后，只有少量清水從安全門縫隙流出，無漏砂情況。

聯(lián)絡(luò)通道地表處于新洲路與中山西路交叉路口，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通道地表可能發(fā)生沉降的區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)圍擋。聯(lián)絡(luò)通道掌子面涌水、涌砂后第一時(shí)間應(yīng)對(duì)，且臨近的新建中山橋正在養(yǎng)護(hù)，地面基本無行人及車輛通過，聯(lián)絡(luò)通道處地表未見裂縫等明顯損壞。為排查潛在空洞情況，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況在圍擋內(nèi)共鉆設(shè)19個(gè)垂直路面探孔進(jìn)行探查；探孔深度均為8 m，除18號(hào)孔4 m位置有約30 cm空洞外，其他孔均無發(fā)現(xiàn)空洞現(xiàn)象，由此可以判定現(xiàn)場(chǎng)已初步控制影響范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。地表探孔平面布置如圖7所示。

圖7 地表探孔平面布置(單位：mm)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)處置方案

聯(lián)絡(luò)通道開挖面上部約有1.5 m厚礫砂層，透水性極強(qiáng)，施工時(shí)容易發(fā)生涌水、涌砂事故。為確保開挖面穩(wěn)定，防止產(chǎn)生涌水、涌砂事故，現(xiàn)場(chǎng)處置方案主要采取土體注漿加固并結(jié)合降水井降水的措施。

(1)土體注漿加固

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原有的19個(gè)地表探孔采用靜壓注漿的方式加固聯(lián)絡(luò)通道上方砂層，在聯(lián)絡(luò)通道下行線隧道采用洞內(nèi)前進(jìn)式注漿加固。通過注漿加固，提高開挖區(qū)域土體參數(shù)，防止由于聯(lián)絡(luò)通道涌水產(chǎn)生地表塌陷，同時(shí)對(duì)開挖面上部及前方的水路通道進(jìn)行加固封堵。

(2)降水井降水

在原設(shè)計(jì)已完成旋噴加固區(qū)外設(shè)置6口深層井點(diǎn)降水井降水，使水位降低到地表以下16～17 m，確保聯(lián)絡(luò)通道在低壓力水環(huán)境下，且具有一定自穩(wěn)性、固結(jié)狀態(tài)下的砂層條件下進(jìn)行開挖。聯(lián)絡(luò)通道降水井平面布置如圖8所示。

圖8 降水井平面布置(單位：mm)

在降水井水位降水后，降水井中水位深度達(dá)到不超過中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與礫砂層交界面以上1 m位置時(shí)，檢查安全門無漏水漏砂情況后，打開安全門后，在原開挖掌子面前1.0 m處打設(shè)3個(gè)3 m長(zhǎng)地質(zhì)探孔，確保無涌水、涌砂情況才可向前開挖。

4 現(xiàn)場(chǎng)處置施工效果

現(xiàn)場(chǎng)在完成上述處置方案后，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道繼續(xù)開挖。現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)開挖面穩(wěn)定，開挖時(shí)只有點(diǎn)滴狀滲水，未見漏砂情況?，F(xiàn)場(chǎng)施工順利進(jìn)行。

降水井降水時(shí)，地層中孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，降水勢(shì)必引起地表沉降；另一方面聯(lián)絡(luò)通道開挖引起地層應(yīng)力重分布，地層產(chǎn)生沉降[12]。現(xiàn)場(chǎng)在降水井降水及開挖過程中，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9、圖10。

圖9 地表測(cè)點(diǎn)平面布置(單位：mm)

由圖示可以看出，降水井降水后，地表測(cè)點(diǎn)都有明顯沉降，由于前期旋噴樁加固及注漿加固的效果，地層參數(shù)提高，因此沉降值均不大；測(cè)點(diǎn) 1降水時(shí)沉降最大，為4.5 mm，推測(cè)可能是由于已開挖區(qū)域封堵不密實(shí)而引起沉降；聯(lián)絡(luò)通道下臺(tái)階開挖后，測(cè)點(diǎn)總體沉降均較小，其中最大值為測(cè)點(diǎn)2，最大沉降為10.5 mm，滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)30 mm[13]。地表沉降結(jié)果表明，后期處理方案能夠保證聯(lián)絡(luò)通道地層開挖變形要求。

圖10 地表沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)論

(1) 聯(lián)絡(luò)通道涌水事故后，現(xiàn)場(chǎng)第一時(shí)間對(duì)開挖面進(jìn)行應(yīng)急封堵，避免了事態(tài)進(jìn)一步惡化。采取土體注漿加固結(jié)合降水井降水的處置方案，繼續(xù)開挖后開挖面穩(wěn)定，開挖時(shí)只有點(diǎn)滴狀滲水，無漏砂情況，說明后續(xù)施工方案能較好應(yīng)對(duì)該富水砂層條件下涌水、涌砂事故。

(2) 針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道降水以及開挖可能引起的地表沉降問題，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控結(jié)果表明，由于前期旋噴樁加固以及處理時(shí)土體注漿加固作用，降水以及開挖引起的沉降均較小；聯(lián)絡(luò)通道開挖后最大沉降為10.5 mm，滿足地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)30 mm，說明該處置方案能夠滿足地層沉降變形要求。

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Study on Disposal of Water Inflow in Connected Aisle of Shield Tunnel in Complex Strata

ZHAN Tao1, FAN Xiang-xi2

(1.Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation, Nanchang 330038, China；2.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the construction of connected aisle of shield tunnel in Nanchang rail transit line 1, construction schemes of grouting pile reinforcement in watery complex strata are summarized. Problems of water inflow and sand inflow during the construction of connected aisle are analyzed and corresponding disposal program is put forward, which includes grouting reinforcement of soil and dewatering with dewatering well. Actual status and earth’s surface monitoring results of the construction site show that such disposal program can ensure the safe and smooth construction of connected aisle under this strata condition.

Subway; Shield tunnel; Connected aisle; Grouting pile reinforcement; Water inflow and Sand inflow; Dewatering well; Disposal program

2015-05-14；

2015-06-03

詹 濤(1981—)，男，高級(jí)工程師，工程碩士，E-mail：89014309@qq.com。

樊祥喜(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：fanxiangxi@126.com。

1004-2954(2015)12-0068-04

U231+.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.016