不良地質(zhì)條件下盾構(gòu)機(jī)整體下沉處理技術(shù)
——基于凍結(jié)帷幕加固技術(shù)

艾零件

(福州市地鐵建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 福建福州 350025)

0 引言

當(dāng)前，城市軌道交通建設(shè)處于高速發(fā)展時期，面臨著難得的時代發(fā)展機(jī)遇，但同時也面臨著巨大的工程技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最主要、最關(guān)鍵的一個原因是:城市軌道交通工程基本穿行于地下，許多工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境極其復(fù)雜，地下隱藏的風(fēng)險因素多、風(fēng)險大，且難以預(yù)測和掌控，稍不留意，就會導(dǎo)致事故發(fā)生，給工程施工造成諸多困難，甚至是人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失、社會影響。事故發(fā)生后，為減少損失和降低影響，最重要的工作之一就是研究制定科學(xué)的處理方案，妥善處置意外事故，盡快恢復(fù)工程施工。

基于此，本文以某地鐵工程盾構(gòu)機(jī)整體下沉的處理為案例，側(cè)重從設(shè)計(jì)、施工兩個方面對事故的處理技術(shù)進(jìn)行介紹，為今后類似事故處理提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福州地鐵6號線潘林(潘墩站～林浦站)盾構(gòu)區(qū)間隧道，詳細(xì)平面布置如圖1所示。平面線路基本呈曲線布置，曲線半徑分別為590m、550m，左線全長682.244m，右線全長728.105m。采用一臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，先從林浦站始發(fā)掘進(jìn)左線，待在潘墩站接收出洞后再將盾構(gòu)機(jī)吊出，運(yùn)至林浦站右線進(jìn)行二次始發(fā)。隧頂埋深約15m，管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，長1.2m。盾構(gòu)接收端頭加固采用高壓旋噴樁+降水井(4口)+鋼套筒接收技術(shù)。地連墻結(jié)構(gòu)洞門迎土側(cè)為玻璃纖維筋，背土側(cè)主筋為普通鋼筋。盾構(gòu)接收前背土側(cè)鋼筋已鑿除，鑿除厚度10cm。

圖1 潘林區(qū)間平面布置

1.2 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)區(qū)間的主要工程地質(zhì)分布為：淤泥、粉質(zhì)黏土、含泥中細(xì)砂，其中接收端頭工程地質(zhì)分布為：填石1-5、填砂1-4、淤泥2-4-1、(含泥)中細(xì)砂2-4-6、淤泥質(zhì)土3-4-2。盾構(gòu)區(qū)間和盾構(gòu)接收端的工程地質(zhì)情況如圖2～圖3所示。具體描述如下：

填石1-5：以條石、塊石、碎石回填為主，形狀不規(guī)則，粒徑大小不一，夾雜少量的砂質(zhì)成分及粘性土，厚度為0.50m～6.00m。

填砂1-4：松散-稍密，以中粗砂為主，偶夾少量碎石，系人工回填，厚度為1.80m～7.40m，密實(shí)度、均勻性差異大，抗剪強(qiáng)度低，承載力低，工程性能較差。

淤泥2-4-1：流塑狀，以粘粒、粉粒為主，夾有少量砂質(zhì)成分，含有少量腐殖質(zhì)，屬欠固結(jié)土、高靈敏土，厚度為0.90m～14.30m，承載力低，工程性能差。

中細(xì)砂(含泥)2-4-6：以中密狀為主，局部為稍密狀，飽和，級配不良，以石英顆粒為主，泥質(zhì)含量約15%～20%，局部粘粒成分含量較高，以細(xì)砂和中砂為主，含少量淤泥，海積成因，厚度為1.90m～25m，承載一般，工程性能一般。

淤泥質(zhì)土3-4-2：軟塑狀，飽和，成分以粘粒、粉粒為主，土質(zhì)均勻，含少量的腐殖質(zhì)及少量的砂粒，干強(qiáng)度、韌性中等，無搖震反應(yīng)，海積成因，厚度為1.50m～19.60m，承載力低，工程性能差。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間工程地質(zhì)

圖3 接收端工程地質(zhì)

1.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)間地下水豐富，主要分為上層滯水(埋深1.00～3.00m )、松散巖孔隙承壓水(水頭標(biāo)高在2.00～4.00m )、風(fēng)化巖層的孔隙裂隙承壓水(水頭標(biāo)高在1.00～2.00m之間)3大類。地下水初見水位埋深1.20～5.40m，地下水混合穩(wěn)定水位埋深1.00～5.00m，場地地下水與鄰近(約550m)閩江水具有較密切的水力聯(lián)系，與閩江水相互補(bǔ)給。

1.4 不良地質(zhì)條件

(1)流塑狀淤泥地層

淤泥和淤泥質(zhì)土具有觸變性，在機(jī)械振動的作用下會發(fā)生液化，土體結(jié)構(gòu)受到破壞，強(qiáng)度降低；當(dāng)荷載作用停止后，又重新恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。因此，在流塑狀淤泥地層中掘進(jìn)時，易出現(xiàn)盾構(gòu)“磕頭”“沉降”等問題[1]，其結(jié)果是盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，進(jìn)而造成管片的錯臺、開裂、破損等。

(2)富水含砂地層

該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)開挖斷面內(nèi)大部分為中細(xì)砂，且砂層連續(xù)性好，地下水與閩江水連通。砂層在地下水的作用下極不穩(wěn)定，在掘進(jìn)施工中一旦出現(xiàn)土倉欠壓，就會造成過量的砂涌入土倉，容易在螺旋機(jī)出土?xí)r產(chǎn)生噴涌，造成地層損失，繼而引發(fā)地面沉陷。

2 盾構(gòu)機(jī)整體下沉經(jīng)過及原因分析

2.1 事故過程

盾構(gòu)區(qū)間左線于2018年10月25日上午掘進(jìn)558環(huán)，各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)均正常，中午掘進(jìn)559環(huán)，在559環(huán)掘進(jìn)至1162mm時，盾構(gòu)機(jī)刀盤抵達(dá)地連墻。當(dāng)油缸行程至776mm(起始行程為716)時，土倉壓力突然由1.0bar降至0.2bar，油缸行程至1036mm時，掘進(jìn)困難，刀盤扭矩高達(dá)5692kN·m，渣溫60℃。開倉檢查刀具，同時為冷卻刀盤，潤滑刀具，向土倉內(nèi)加注泡沫。

盾構(gòu)機(jī)刀盤抵達(dá)地連墻時，盾構(gòu)姿態(tài)前端-8mm，后端-50mm。因地連墻強(qiáng)度較高，在掘進(jìn)地連墻過程中刀盤扭矩逐漸升高，掘進(jìn)速度逐漸放緩。在11月2日12∶00左右，掘進(jìn)560環(huán)至油缸行程1150mm時，盾構(gòu)機(jī)前端垂直姿態(tài)下降至-49mm，仍在正常姿態(tài)范圍內(nèi)，但在11月2日至5日期間，盾構(gòu)姿態(tài)已逐漸下沉至前端-122mm，后端-147mm；11月6日23∶55，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)突發(fā)下沉，前端姿態(tài)下降至-298mm，后端姿態(tài)下降至-228mm。期間造成地面累計(jì)沉降850mm。后經(jīng)過地面注漿處理，盾構(gòu)姿態(tài)穩(wěn)定在前端姿態(tài)-360mm，后端姿態(tài)-360mm。盾構(gòu)機(jī)與地連墻位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)機(jī)與地連墻位置關(guān)系

2.2 原因分析

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)變化、土倉壓力及出渣量，結(jié)合工程地質(zhì)、水文條件，分析判斷造成盾構(gòu)機(jī)整體下沉的直接原因，主要有以下3個方面：

(1)長時間(10月25日至11月5日期間盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)有效時間73.33h)低速切削高強(qiáng)度地連墻(經(jīng)試驗(yàn)檢測試塊強(qiáng)度最高53MPa)，對軟弱不良地層擾動較大，可能造成開挖區(qū)域與其它水源貫通，在刀盤破除掌子面的瞬間形成涌水，螺旋機(jī)超排，引起水土大量流失。

(2)接收端盾構(gòu)機(jī)下部地層為淤泥質(zhì)土，長時間掘進(jìn)振動，地層承載力下降，且該盾構(gòu)主機(jī)重達(dá)430t，造成盾構(gòu)機(jī)整體下沉。

(3)掘進(jìn)振動時間較長，造成鋼套筒密封性失效，掌子面范圍內(nèi)上部地連墻碎裂后，土倉與套筒之間也形成了通道，又加劇了水土流失。

3 設(shè)計(jì)處理方案

按照當(dāng)時的盾構(gòu)姿態(tài)，已不能滿足正常鋼套筒接收條件，須拆除鋼套筒，鑿除洞門鋼環(huán)及底部結(jié)構(gòu)。拆除鋼套筒前須確保盾構(gòu)機(jī)、管片及地層穩(wěn)定。事故發(fā)生后，為防止盾構(gòu)機(jī)整體繼續(xù)下沉，同時為盡快恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工(復(fù)推)和確保盾構(gòu)機(jī)在端頭的順利接收，項(xiàng)目部研究提出了多個處理方案，并多方組織專家咨詢會審。通過對方案的反復(fù)篩選、優(yōu)化和完善，最終確定盾構(gòu)機(jī)接收方案采用凍結(jié)加固法。

3.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

凍結(jié)加固法的設(shè)計(jì)原則：保證凍土墻的厚度、強(qiáng)度及接收端的封水性應(yīng)滿足盾構(gòu)出洞時土體的穩(wěn)定性要求[2]。為保證凍結(jié)加固效果及盾構(gòu)復(fù)推安全，凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)采用垂直+水平孔的凍結(jié)方案。凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)如圖5～圖7所示。地面設(shè)計(jì)凍結(jié)孔53個(垂直孔39個，斜孔14個),盾殼內(nèi)凍結(jié)孔7個，并在地面設(shè)置測溫孔8個(垂直孔5個，斜孔3個)，在盾殼內(nèi)設(shè)置測溫孔2個，測溫孔采用鉆孔埋設(shè)，要求與凍結(jié)孔相同。凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下：

(1)凍結(jié)壁有效厚度：沿盾構(gòu)接收方向布置凍結(jié)孔，凍結(jié)范圍為盾殼外側(cè)1.8m～3.0m，縱向長度3.0m。

(2)凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度不高于-10℃。

(3)設(shè)計(jì)地面積極凍結(jié)時間為30d，盾殼內(nèi)積極凍結(jié)時間為40d，實(shí)際積極凍結(jié)時間以凍結(jié)壁與盾殼和地連墻膠接情況而定。凍結(jié)孔單孔流量不小于5m3/h；積極凍結(jié)7d鹽水溫度降至-20℃以下；積極凍結(jié)15d鹽水溫度降至-25℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃；拆除鋼套筒時，鹽水溫度須降至-28℃以下。如鹽水溫度和鹽水流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)延長積極凍結(jié)時間。每米凍結(jié)管的設(shè)計(jì)散熱量不應(yīng)小于100kcal/h。

(4)積極凍結(jié)期間對凍土影響范圍內(nèi)的盾構(gòu)機(jī)內(nèi)表面進(jìn)行保溫，保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質(zhì)塑料泡沫軟板，厚度40mm，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04W/Mk，吸水率不大于2%。鋪設(shè)范圍不小于凍土帷幕邊界1.0m以外。

(5)積極凍結(jié)期間，在凍結(jié)區(qū)附近200m范圍內(nèi)不得采取降水措施。在凍結(jié)區(qū)內(nèi)土層中不得有集中水流。

(6)遇施工中地層及環(huán)境條件異常時，及時修改凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)。

圖5 凍結(jié)帷幕平面設(shè)計(jì)圖

圖6 凍結(jié)帷幕橫剖面設(shè)計(jì)圖

圖7 凍結(jié)帷幕縱剖面設(shè)計(jì)圖

3.2 凍結(jié)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1～表4。

表1 地面垂直、傾斜凍結(jié)孔特征一覽表

表3 測溫孔特征一覽表

表4 凍結(jié)主要技術(shù)參數(shù)表

4 施工處理技術(shù)

4.1 施工總流程

施工總流程：鋼套筒先行修復(fù)并注入惰性漿液→(地面、盾尾內(nèi))鉆孔、布設(shè)冷凍管→積極凍結(jié)→探孔確認(rèn)→待凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行鋼套筒拆除，鑿除洞門鋼環(huán)及底部側(cè)墻，清除盾構(gòu)機(jī)出洞障礙→根據(jù)盾構(gòu)的姿態(tài)恢復(fù)洞門鋼環(huán)、安裝引軌、恢復(fù)鋼套筒→盾體與凍結(jié)壁交界面局部強(qiáng)制解凍→盾構(gòu)機(jī)復(fù)推、出洞接收→地面自然解凍并融沉補(bǔ)償注漿。

4.2 凍結(jié)孔及測溫孔施工技術(shù)要求

凍結(jié)孔及測溫孔施工的具體技術(shù)要求如下：

(1)凍結(jié)孔有效深度(土體內(nèi)凍結(jié)管循環(huán)鹽水段長度)不小于凍結(jié)孔設(shè)計(jì)深度，不大于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度0.5m。不能循環(huán)鹽水的管頭長度不得大于300mm。

(2)地面凍結(jié)管采用20#(Q235B)φ127×5mm低碳無縫鋼管；盾殼內(nèi)凍結(jié)管采用20#(Q235B)φ89×8mm低碳無縫鋼管。凍結(jié)管耐壓不低于0.8MPa，并且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5倍。凍結(jié)管接頭抗壓強(qiáng)度不低于母管75%。

(3)地面垂直凍結(jié)孔和測溫孔施工過程，每鉆進(jìn)10m測斜一次，偏斜過大時及時糾偏，鉆孔最大偏斜值不大于200mm；水平鉆孔最大偏斜值不大于150mm；所有鉆孔均應(yīng)進(jìn)行終孔測斜，并繪制鉆孔偏斜圖和各鉆孔位置成孔圖，據(jù)此確定是否補(bǔ)孔及補(bǔ)孔位置。

(4)施工凍結(jié)孔時，土體流失量不大于凍結(jié)孔體積，否則，及時進(jìn)行注漿控制地層沉降。

(5)凍結(jié)管下放長度不小于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度，不大于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度0.3m；鉆孔施工開孔誤差不大于50mm。

(6)凍結(jié)管下入地層后必須進(jìn)行試壓。試驗(yàn)壓力為凍結(jié)工作面鹽水壓力的2.0倍，經(jīng)試壓30min壓力下降不超過0.05MPa，再延續(xù)15min壓力保持不變?yōu)楹细瘛?/p>

(7)凍結(jié)期間，在凍結(jié)區(qū)附近200m范圍內(nèi)不采取降水措施。在凍結(jié)區(qū)內(nèi)土層中不能有集中水流。若附近有降水，應(yīng)密切關(guān)注降水施工情況，加強(qiáng)測溫，根據(jù)降水影響情況采取有效措施。

(8)積極凍結(jié)期應(yīng)對凍土影響范圍內(nèi)的盾構(gòu)機(jī)內(nèi)表面進(jìn)行保溫。保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質(zhì)塑料泡沫軟板，厚度40mm，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04W/Mk，吸水率不大于2%。鋪設(shè)范圍不小于凍土帷幕邊界1.0m以外。

(9)當(dāng)凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，在洞門上打若干探孔，探孔深入土體外深度不小于0.3m，且避免打孔對凍結(jié)管及凍結(jié)壁的影響，檢驗(yàn)凍結(jié)壁形成狀況及與地連墻結(jié)構(gòu)膠結(jié)情況，探孔應(yīng)無泥水流出，溫度低于地層冰點(diǎn)以下。

4.3 積極凍結(jié)

地面積極凍結(jié)時間為30d,盾殼內(nèi)積極凍結(jié)時間為40d。凍結(jié)孔單孔流量5～6m3/h；積極凍結(jié)7d鹽水溫度降至-18℃以下；積極凍結(jié)15天鹽水溫度降至-25℃以下，去、回路鹽水溫差控制在2℃以內(nèi)。拆鋼套筒前鹽水溫度降至-28℃以下。

4.4 鋼套筒拆除

在積極凍結(jié)過程，根據(jù)實(shí)測溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕已形成并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度后，還應(yīng)進(jìn)行打探孔確認(rèn)，當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求后方可拆除鋼套筒。

鋼套筒拆除條件：

(1)在積極凍結(jié)期間，凍結(jié)系統(tǒng)不得超過連續(xù)24h以上的間斷；

(2)根據(jù)測溫孔溫度推算，所有凍結(jié)孔之間已全部交圈；

(3)凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度和平均溫度均符合設(shè)計(jì)要求；

(4)在凍結(jié)薄弱區(qū)打探孔進(jìn)行溫度檢測，實(shí)際驗(yàn)證凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

(5)在確認(rèn)凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，在洞門前方和盾殼內(nèi)不同位置打探孔，進(jìn)一步確認(rèn)盾殼四周及盾構(gòu)與地連墻交接處有無動水，若有動水，則需要對延長凍結(jié)時間；若探孔無流水，且凍土與地連墻界面溫度在-5℃以下，方可進(jìn)行洞門開鑿施工。

4.5 強(qiáng)制解凍

在盾構(gòu)準(zhǔn)備復(fù)推前，需要對盾殼周圍進(jìn)行強(qiáng)制解凍，同時必須防止融沉帶來的二次沉降。具體措施如下：

(1)割除盾尾內(nèi)的水平冷凍管。

(2)地表的垂直、傾斜冷凍管繼續(xù)積極凍結(jié)，同時在盾體內(nèi)部進(jìn)行加熱。方法：在盾殼內(nèi)上部和下部分別放入熱風(fēng)機(jī)，對盾殼四周凍土進(jìn)行強(qiáng)制解凍。

(3)通過盾構(gòu)機(jī)徑向注漿孔監(jiān)測盾體溫度。當(dāng)盾殼四周溫度回升至20℃以上時，打開注漿孔，探測盾殼四周凍土解凍厚度。在強(qiáng)制解凍過程中，可慢速轉(zhuǎn)動刀盤，刀盤在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生大量的熱能，用于輔助前部盾殼強(qiáng)制解凍。

4.6 盾構(gòu)復(fù)推與接收

當(dāng)盾殼四周凍土解凍厚度達(dá)50mm時，開始盾構(gòu)機(jī)復(fù)推。在盾構(gòu)復(fù)推前，對總推力設(shè)定明確的限定值[1]，復(fù)推時的推力不得大于限定值。復(fù)推時慢慢加大盾構(gòu)推力；若復(fù)推力接近限定值，可繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)制解凍，直至成功復(fù)推并接收。

4.7 融沉注漿施工

凍結(jié)孔拔除完成后，根據(jù)凍結(jié)區(qū)域凍土融化情況進(jìn)行融沉注漿，控制地面沉降。融沉注漿以控制地面沉降變形為控制標(biāo)準(zhǔn)。融沉注漿應(yīng)配合測溫孔測溫及隧道變形、地面變形監(jiān)測進(jìn)行。利用盾構(gòu)隧道管片上的預(yù)留注漿孔和設(shè)計(jì)預(yù)埋注漿孔作為地層融沉注漿孔。注漿順序?yàn)椋骸八淼赖装濉淼纼蓚?cè)→隧道頂板”。

融沉補(bǔ)償注漿材料以水泥-水玻璃雙液漿為主，單液水泥漿為輔。水泥-水玻璃雙液漿配比為：水泥和水玻璃的溶液體積比為1∶1，其中水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃溶液采用B40水玻璃加1～2倍體積的水稀釋。注漿壓力不大于0.5MPa，注漿范圍為整個凍結(jié)區(qū)。當(dāng)一天隧道沉降大于0.5mm，或累計(jì)隧道沉降大于1.0mm時，應(yīng)進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿；當(dāng)隧道隆起達(dá)到2.0mm時，應(yīng)暫停注漿。凍結(jié)壁已全部融化，且未注漿的情況下實(shí)測地層沉降持續(xù)半個月，每天不大于0.1mm，即可停止融沉補(bǔ)償注漿。

5 結(jié)語

該工程按上述設(shè)計(jì)方案和施工技術(shù)處理后，已成功進(jìn)行了盾構(gòu)復(fù)推和端頭接收。工程通過采用凍結(jié)加固處理技術(shù)將盾體、盾體周邊土體及接收端的地連墻冷凍膠結(jié)成一體，既提高了盾體周圍地層的承載力，也提高了掌子面和土倉的封水止水能力，不僅有效地防止了水土流失與盾構(gòu)機(jī)整體繼續(xù)下沉問題，而且為后續(xù)拆除鋼套筒、清除盾構(gòu)機(jī)出洞障礙、安裝引軌和進(jìn)行盾構(gòu)復(fù)推、端頭接收創(chuàng)造了條件[3]。從應(yīng)用的效果來看，該技術(shù)安全可靠。該技術(shù)的成功應(yīng)用，為今后類似工程事故的處理提供了極有價值的經(jīng)驗(yàn)和參考。