武漢地鐵突出巖土工程問題分析

代昂

【摘 要】根據(jù)武漢市軌道交通三號線工程詳勘、補(bǔ)勘成果，結(jié)合設(shè)計(jì)文件，分析了王家灣-宗關(guān)整個(gè)區(qū)間面臨的突出巖土工程問題，對盾構(gòu)施工過程中可能引發(fā)的巖溶塌陷、管片抗浮及突涌問題進(jìn)行了深入探討，分析了粘性土下伏灰?guī)r地區(qū)土洞的形成及巖溶塌陷機(jī)理、管片上浮的各種影響因素，探討了高壓富水砂層中盾構(gòu)施工可能面臨的突涌風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)勘察剖面，結(jié)合隧道洞身實(shí)際穿越地層情況對以上突出巖土工程問題進(jìn)行了分析，最后針對性提出了本區(qū)間地鐵施工盾構(gòu)選型及設(shè)計(jì)、施工注意事項(xiàng)。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu);巖溶塌陷;抗浮;突涌

中圖分類號： U231.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0174-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.083

【Abstract】According to the results of detailed geological investigation and supplemental geological investigation combining design document of Wuhan rail transit line Ⅲ， possible problems of projecting geotechnical engineering in Wangjiawan-Zongguan region are analysed in this essay. Karst collapse， anti floating tube and sudden surge which may appear during shield construction are discussed in depth. We discuss various factors affecting the formation of soil cave， the mechanism of karst collapse and the floating of segments in the clay underlying limestone area. Risk of burst in shield construction under high pressure and water rich sand layer are also discussed in this eassay. Finally， combining the geological explorative cross-sections， the problems of the above geotechnical engineering are analyzed and matters needing attention in selection， design and construction of shield for subway construction in this interval are put forward.

【Key words】Shield; Karst collapse; Anti-floating; Surge

武漢地區(qū)總體地貌形態(tài)由剝蝕堆積壟崗區(qū)過渡為沖洪積區(qū)，城區(qū)內(nèi)自北向南分布有多條可溶巖條帶，同時(shí)在漢江、長江一級階地分布大量富含承壓水的砂土地層，特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致區(qū)內(nèi)巖土工程問題復(fù)雜多變。近年來，由于城市建設(shè)尤其是軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷加大，因施工造成的巖溶塌陷、富水粉細(xì)砂層突涌及塌陷災(zāi)害，以其突發(fā)性、群發(fā)性以及強(qiáng)破壞性等顯著特征，給工程建設(shè)帶來了潛在威脅。

武漢市軌道交通三號線工程全線長28.0Km，其中第三標(biāo)段王宗區(qū)間（王家灣-宗關(guān)）線路區(qū)段里程右AK10+095～AK12+426，長度約2.331Km，其中AK11+600～AK11+920段穿越漢江，區(qū)間隧道采用雙線上、下行通道，鋼筋混凝土圓拱結(jié)構(gòu)，洞徑6米，底板埋深15～36米，采用盾構(gòu)法施工。過江段地鐵隧道布置情況見表1。

結(jié)合上表，根據(jù)詳細(xì)勘察報(bào)告成果可知，擬建地鐵線路按照設(shè)計(jì)基底標(biāo)高，越江段屬于水下淺覆隧道，洞身穿越多種特殊地層，包括富含承壓水的砂土層及軟硬不均的復(fù)合地層，而在漢陽段線路穿越較長的巖溶地層。

因此，整個(gè)區(qū)間面臨著特殊的巖土工程問題，最主要的即為盾構(gòu)施工過程中的巖溶塌陷及管片抗浮問題，尤其是越江段及漢口段高壓富水砂層中往往因抗浮問題而誘發(fā)嚴(yán)重的盾構(gòu)施工突涌及塌陷事故，給工程建設(shè)帶來巨大的潛在危害。

1 場地巖土構(gòu)成與分布特征

根據(jù)詳勘成果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及前期勘察資料綜合分析，勘區(qū)巖土主要為第四系全新統(tǒng)沖積土層、中-上更新統(tǒng)老粘性土，下伏基巖主要是石炭-二疊系灰?guī)r、泥灰?guī)r，泥盆系石英砂巖，基底為志留系泥巖，局部相變?yōu)槟噘|(zhì)砂巖、砂巖。因此本區(qū)間巖土種類多，工程性質(zhì)差異巨大，軟硬不均，且存在可溶巖，砂土層富含承壓水，屬于典型的復(fù)雜場地。根據(jù)工程分區(qū)，沿線不同地形地貌單元區(qū)間內(nèi)巖土層空間展布規(guī)律及厚度變化情況如圖1所示。

2 突出巖土工程問題影響分析與評價(jià)

2.1 巖溶塌陷問題

范士凱[1]總結(jié)了1931年以來武漢市區(qū)發(fā)生的巖溶地面塌陷分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)武漢市巖溶地面塌陷不僅在南部石灰?guī)r帶長江一級階地上的二元結(jié)構(gòu)地層中出現(xiàn)，而周邊的老黏土分布區(qū)在地下水變動(dòng)較大或存在土洞時(shí)也會(huì)發(fā)生塌陷，從“真空吸蝕機(jī)理”和“潛蝕機(jī)理”分別闡述了塌陷發(fā)生的原因。李勇峰[2]根據(jù)勘察資料及工程實(shí)例，通過靜力學(xué)分析了已發(fā)生的塌陷，發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷的直接誘因?yàn)槿祟惞こ袒顒?dòng)產(chǎn)生的外力，并以巖溶探測及地質(zhì)勘察資料為基礎(chǔ)，將巖溶塌陷區(qū)的蓋層結(jié)構(gòu)概化成兩種地質(zhì)模型：“黏性土+砂巖+灰?guī)r”及“黏性土+灰?guī)r”。

上述研究中，巖溶塌陷機(jī)理基本可以總結(jié)為土洞型塌陷機(jī)理，從土洞開始形成至土洞頂板厚度達(dá)到極限值是一個(gè)漸進(jìn)性破壞過程。在土洞拱效應(yīng)不斷生成和喪失過程中，土洞規(guī)模不斷增大，洞頂不斷上移。土洞洞頂坍塌過程中，地下水流不斷搬運(yùn)帶走洞底堆積物，這使得坍塌土體始終存在著一定的存儲(chǔ)空間;隨著時(shí)間的推移，土洞洞頂逐漸靠近隧道基底，此時(shí)，在觸發(fā)因素作用下，基底極易產(chǎn)生塌陷。

鉆探揭示漢陽段（長江三級階地）王家灣～江漢二橋沿江大堤，分布三疊、二疊～石炭系灰?guī)r。其中王家灣～江漢二橋漢陽體育訓(xùn)練基地段的三疊、二疊系灰?guī)r巖溶相對發(fā)育，鉆探揭示多處溶洞分布，洞徑一般在0.5～1米，個(gè)別大于3米，充填不均，灰?guī)r面埋深多在25～30m之間、巖面起伏不大，上覆連續(xù)分布硬塑～堅(jiān)硬狀厚層粉質(zhì)粘土、粘土隔水層，上層滯水難以直接滲流到巖層;但由于巖溶水受巖溶發(fā)育程度及周邊水文環(huán)境控制，其富水性、承壓性與巖溶裂隙的大小、貫通性及水源壓力密切相關(guān)，存在極大的差異性，根據(jù)抽水試驗(yàn)資料顯示，場區(qū)巖溶裂隙水有一定發(fā)育。

根據(jù)范士凱及李勇峰的研究成果可知，該段符合“黏性土+灰?guī)r”的致災(zāi)模式，由于地鐵施工活動(dòng)有可能改變局部的水文地質(zhì)環(huán)境條件而產(chǎn)生吸蝕和潛蝕作用，從而導(dǎo)至巖溶活動(dòng)的加劇或加速發(fā)展在土層與灰?guī)r界面附近形成土洞并進(jìn)一步發(fā)展為塌陷地質(zhì)災(zāi)害，工程設(shè)計(jì)與施工治理需要引起足夠的重視。

2.2 盾構(gòu)管片抗浮問題

越江段根據(jù)設(shè)計(jì)提供的資料，漢江河段的河床300年一遇沖刷線標(biāo)高約為-2.8m，該段擬建地鐵隧道頂板標(biāo)高-7.5m，距歷史最深沖刷線僅約4.7m，上覆土層自重過小，在汛期洪水的局部沖刷作用下可能引發(fā)嚴(yán)重的隧道盾構(gòu)管片上浮問題。

我國現(xiàn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范在盾構(gòu)隧道抗浮設(shè)計(jì)理論和施工控制措施上還沒有做出具體的規(guī)定，傳統(tǒng)的隧道抗浮分析主要是建立在相關(guān)假設(shè)模型的基礎(chǔ)上，通過簡化，以管片為研究對象利用簡單的受力平衡公式進(jìn)行校核來驗(yàn)證隧道抗浮穩(wěn)定性，未能考慮襯砌管片與周圍土體之間的相互作用，并且對隧道周圍土體在上浮力作用下的變形規(guī)律的研究還比較少[3]。導(dǎo)致的直接后果就是施工事故多發(fā)，例如：

上海地鐵七號線23A標(biāo)下行線隧道工程區(qū)間，0～50環(huán)管片最大上浮量達(dá)82mm，平均上浮量59mm[4]，如圖2所示。

圖3為武漢長江越江隧道實(shí)測的管片位移曲線，第 560～580 環(huán)，盾尾注漿出現(xiàn)了堵管事故，導(dǎo)致注漿不及時(shí)，未能及時(shí)填充盾尾間隙，導(dǎo)致管片上浮較大[5]。

近年來，盾構(gòu)隧道上浮問題受到國內(nèi)外越來越多學(xué)者的重視，隧道上浮問題主要由下列幾種因素共同作用產(chǎn)生：

（1）泥水浮力：當(dāng)盾構(gòu)處于飽和土中時(shí)，盾尾間隙未能及時(shí)填充，將被泥漿水占據(jù)，此時(shí)管片將會(huì)受到的泥水浮力作用，當(dāng)上覆土與襯砌管片自重之和的抗浮效應(yīng)已無法抵抗泥水浮力時(shí)，管片將會(huì)發(fā)生整體上浮。

（2）漿液浮力：當(dāng)管片脫離盾尾并進(jìn)行同步注漿時(shí)，由于漿液的時(shí)效性，在一定的時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到初凝和一定的早期強(qiáng)度，此時(shí)管片受到的漿液浮力比泥水浮力要大，更容易發(fā)生上浮，進(jìn)而擠壓上覆土體產(chǎn)生隆起變形。

（3）注漿壓力：為防止土體損失引起的變形過大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿以填充盾尾間隙，而若注漿壓力過大極易引起管片整體上浮、錯(cuò)臺(tái)、開裂、壓碎等破壞，注漿壓力的大小和分布形式與實(shí)際工程所采用的注漿工藝密切相關(guān)。

（4）泥漿后竄：隧道盾構(gòu)開挖過程中為保持開挖面的穩(wěn)定，泥水盾構(gòu)施工通常采用較大的泥水壓力來平衡切口處的水土壓力，較大的泥水壓力極易造成泥漿向隧道后方流竄，從而產(chǎn)生較大的浮力，造成隧道上浮。

（5）卸載回彈：盾構(gòu)機(jī)重量一般要比實(shí)際開挖出來的土體重量要小，從而導(dǎo)致隧道底部產(chǎn)生卸載回彈力，卸載回彈力與管片受到的水浮力或漿液浮力共同作用導(dǎo)致管片上浮。

（6） 盾尾間隙：由于盾構(gòu)施工工法的特性與管片拼裝的要求，盾構(gòu)開挖外徑往往比管片外徑要大，當(dāng)管片脫離盾尾后，管片與圍巖之間形成一定厚度的盾尾間隙，該間隙若不能及時(shí)有效地填充，將給管片的上浮提供有利的條件。

（7）上覆土的反向壓縮：盾構(gòu)隧道在漿液浮力與卸載回彈力共同作用下，發(fā)生上浮之后，會(huì)對被擾動(dòng)的上覆土產(chǎn)生反向壓縮作用進(jìn)而產(chǎn)生壓縮變形，造成隧道進(jìn)一步上浮。

（8）其它因素：隧道上方的基坑開挖、隧道所處相對不透水地層中地下水位的下降、盾構(gòu)機(jī)從較硬土層進(jìn)入軟土區(qū)時(shí)的磕頭等都會(huì)引起隧道上浮現(xiàn)象。

勘察成果及設(shè)計(jì)文件顯示，越江段地鐵隧道洞身主要從粉細(xì)砂（4-2）中和強(qiáng)風(fēng)化泥巖（19b-1）中通過，局部穿切了中風(fēng)化泥巖地基。地鐵隧道頂板以上覆蓋層厚12.6～19.00m，根據(jù)試驗(yàn)成果，粉細(xì)砂（4-2）一般中密狀，含水飽和，而泥巖強(qiáng)度相對較高，且透水性差。因此該段主要存在泥漿水、注漿漿液上下滲透性不均，易加大隧道上下壓差而使浮力增大，以及盾構(gòu)施工中軟硬不均地層易導(dǎo)致刀盤姿態(tài)不穩(wěn)等效應(yīng)，造成管片變形而失穩(wěn)。同時(shí)刀盤姿態(tài)不穩(wěn)，則易在管片與圍巖間形成不均勻間隙，影響漿液的及時(shí)填充及均勻填充，將給管片上浮提供有利條件。

2.3 突涌問題

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，漢江河床下以及漢口段，特別是漢口段漢江一級階地范圍內(nèi)，地鐵隧道洞身主要從粉細(xì)砂（4-2）中和中粗砂（4-3）中通過，根據(jù)試驗(yàn)成果，粉細(xì)砂（4-1）（4-2）一般稍密—中密狀，中粗砂（4-3）一般呈密實(shí)狀，均含水飽和。該段地下水類型主要是孔隙潛水，孔隙水壓力大，與漢江水有直接水力聯(lián)系。隧道洞身處于高水頭含水層中，盾構(gòu)施工中易形成土層流動(dòng)或砂層涌水而造成開挖面失穩(wěn)。地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)將承受較大地下水壓力，有可能因結(jié)構(gòu)破損而造成大量地下水滲入。而此類地鐵施工突涌事故包括武漢本地在內(nèi)，各地均有發(fā)生，應(yīng)引起必要的重視。

3 結(jié)語及建議

本區(qū)間地鐵圍巖巖性復(fù)雜，變化較大，存在各類特殊的巖土工程問題，隧道洞身穿過多種復(fù)雜地層，安全隱患巨大，特別是漢江河床至漢口段隧道圍巖土體強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，并承受較大的外水壓力，應(yīng)引起設(shè)計(jì)及施工的高度重視。除應(yīng)選擇合適的盾構(gòu)類型外，還應(yīng)采取多種施工措施，確保施工順利進(jìn)行。

越江段隧道洞身主要穿過河床以下富含承壓水的粉細(xì)砂、中粗砂層，并局部切割下伏泥巖，盾構(gòu)施工中面臨著復(fù)雜的隧道管片上浮問題，以及由于土層流動(dòng)或砂層涌水而造成開挖面失穩(wěn)等突涌問題，需選用密閉型盾構(gòu)施工，建議優(yōu)選泥水平衡盾構(gòu)。

考慮到本區(qū)間的復(fù)雜地層情況，在盾構(gòu)施工中，建議采用同步壓漿或二次壓漿方式進(jìn)行壁后注漿等輔助工法，使襯砌壁后空隙及時(shí)回填，使隧道砌體與周圍土體凝結(jié)在一起，改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和防水效能，提高隧道圍土穩(wěn)定性。據(jù)大量盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，泥水平衡盾構(gòu)施工中，泥水易后竄至成環(huán)隧道，引發(fā)成環(huán)隧道上浮，故在正常施工前提下，應(yīng)采取隧道抗浮技術(shù)。

過江隧道將堤內(nèi)外含水層連通，兩岸豎井與周圍巖、土體接觸面不作防滲處理或處理工程失效時(shí)，在汛期高水位情況下江水可能沿其接觸面形成接觸沖刷，導(dǎo)致管涌險(xiǎn)情發(fā)生。因此兩岸豎井設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)對堤基采取有效防滲透變形措施，豎井開挖應(yīng)考慮防汛安全，并應(yīng)有可靠的防汛預(yù)案。施工過程中須加強(qiáng)監(jiān)測，采用信息法施工，完善變形觀測系統(tǒng)和質(zhì)量檢測程序，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)地鐵工程施工的全過程。

【參考文獻(xiàn)】

[1]范士凱.武漢（湖北）地區(qū)巖溶地面塌陷[J].資源環(huán)境與工程，2006，S1：608-616.

[2]李勇峰.深圳大運(yùn)中心場地巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2013.

[3]楊國祥，林家祥，楊芳勤.超大直徑盾構(gòu)法隧道施工期襯砌結(jié)構(gòu)安全性研究[C].地下施工與風(fēng)險(xiǎn)防范技術(shù).2007年第三屆上海國際隧道工程研討會(huì)議論文集，2007：597-606.

[4]王選祥.盾構(gòu)隧道管片上浮機(jī)理及控制技術(shù)[J].鐵道建筑，2009（5）：52-56.

[5]田華軍.武漢長江盾構(gòu)隧道管片上浮控制技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2009，29（3）：364-367.作者簡介：代昂，男（1981.07—），漢族，湖北武漢人，高級工程師，從事巖土設(shè)計(jì)工作。