關(guān)于盾構(gòu)法施工滲水通道成因猜想及初步驗(yàn)證

譚輝 深圳市寶安區(qū)水務(wù)局

陳小衛(wèi) 中國水利水電第七工程局有限公司

穆建波 深圳市寶安區(qū)福永街道辦事處

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法。它是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌。同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。因其特有的在盾構(gòu)的掩護(hù)下進(jìn)行開挖和襯砌作業(yè)，有足夠的施工安全性；地下施工不影響地面交通,在河底下施工不影響河道通航;施工操作不受氣候條件的影響;產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲等環(huán)境危害較小;對地面建筑物及地下管線的影響較小等優(yōu)越性，在城市隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。

為確保盾構(gòu)掘進(jìn)順利進(jìn)行，減少盾體推進(jìn)時(shí)的摩擦阻力，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)即考慮從刀盤盾體至管片之間的結(jié)構(gòu)尺寸逐步減小的方式以減少土體對盾體的摩擦。以中鐵裝備190土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖直徑為6280mm，前盾外徑為6250mm，中盾外徑為6240mm，尾盾外徑為6230mm，盾構(gòu)管片外徑為6000mm。

受盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)原理限制，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工完成后，在刀盤與盾體，盾體與管片之間必然存在一定的間隙，在不考慮刀盤開挖的擴(kuò)孔系數(shù)及周圍土體部分塌陷的情況下，最終在管片周圍存在一個(gè)至少14cm的間隙。

為避免盾構(gòu)掘進(jìn)過程中施工區(qū)域地表沉降，同時(shí)提高隧道的防水性，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的同時(shí)，通過同步注漿系統(tǒng)將漿液同步注入管片和開挖洞身之間的環(huán)形間隙之中，通過同步注漿，最大限度的最快充填環(huán)形間隙，使管片盡快同周圍地層形成一個(gè)整體，對周圍土體起到支撐作用，防止地面變形過大引起塌陷或危及周圍構(gòu)作物。另一方面，由于充填及時(shí)，對剛拼好的幾環(huán)管片的支撐和承托作用加強(qiáng)，減小了管片移動(dòng)的可能性，從而減少管片在推力作用下開裂和錯(cuò)臺(tái)的可能。同步注漿一般采用4個(gè)孔同時(shí)注漿，分別為位于1點(diǎn)、4點(diǎn)、8點(diǎn)及11點(diǎn)方向，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中進(jìn)行同步注入。理想狀態(tài)下，同步注漿應(yīng)完全充填管片與掘進(jìn)通道之間的間隙。漿液同周圍土體結(jié)合并凝結(jié)為一個(gè)整體，為后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)提供反力。由于管片拼裝完成后處于封閉狀態(tài)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，在管片拖出盾尾的情況下，管片因受到周圍同步注漿漿液的浮力影響，承受較大的上浮力，僅靠管片螺栓連接將盾體內(nèi)正在拼裝的管片以及已成環(huán)且同步注漿漿液已固結(jié)的管片共同鎖定管片，確保漿液凝結(jié)前管片位置相對穩(wěn)定，管片形態(tài)控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，直至漿液固結(jié)，屆時(shí)盾構(gòu)管片則與周圍土體連成一個(gè)整體，盾構(gòu)隧道將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在地下水發(fā)育的沿海地段進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，為確保施工順利進(jìn)行，在盾構(gòu)土倉內(nèi)需建立土壓平衡，土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)就是利用切削刀盤，將正面土體切削下來，進(jìn)入刀盤后面的貯留密封艙內(nèi)，并使艙內(nèi)具有適當(dāng)壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少盾構(gòu)推進(jìn)對地層土體的擾動(dòng)。當(dāng)泥土倉和螺旋輸送機(jī)中的渣土積累到一定數(shù)量時(shí)，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入泥土倉的阻力增大，當(dāng)泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時(shí)，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對應(yīng)的地面部分也不致坍塌或隆起，這時(shí)只要保持從螺旋輸送機(jī)和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時(shí)，開挖工作就能順利進(jìn)行。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于土倉內(nèi)通過不斷注入空氣確保土倉內(nèi)一直存在相對穩(wěn)定的壓力。此時(shí)，土倉內(nèi)的土體和地下水因此壓力的存在而無法泌出，隨著刀盤的不斷掘進(jìn)，盾體同周圍切削面因自身尺寸變小導(dǎo)致盾體與周圍土體之間的空腔的變大，此時(shí)，因部分土倉壓力傳導(dǎo)可能部分存在一定的壓力，當(dāng)?shù)侗P逐步掘進(jìn)而無法平衡周圍土體水位自身產(chǎn)生的壓強(qiáng)時(shí)，則周圍土體開始向盾體周圍間隙內(nèi)泌水，并在重力的作用下主要存在于盾體下半部分。隨著盾構(gòu)的進(jìn)一步掘進(jìn)，當(dāng)盾構(gòu)管片推出盾尾后，因管片直徑僅為6000mm，較盾體進(jìn)一步縮小，導(dǎo)致一旦管片拖出盾尾前期在盾尾泌出水流及前期管片周圍泌出的水流立即充實(shí)在管片底部。根據(jù)盾構(gòu)施工工藝基本情況，在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，必須要等到整個(gè)盾體全部進(jìn)入隧道內(nèi)后，方可在盾構(gòu)管片拼裝完成一環(huán)后方可同步注漿，理論上可認(rèn)為此時(shí)管片底部及盾體周圍已存在不同層度的泌水現(xiàn)象，雖在施工過程中部分考慮了進(jìn)行端頭降水措施，但受降水范圍限制，掘進(jìn)端頭仍存在少量泌水現(xiàn)象，導(dǎo)致盾構(gòu)施工全過程中均存在一條相對完整的滲水通道條件。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片拖出盾體后，此時(shí)在管片周圍進(jìn)行同步注漿，由于盾構(gòu)設(shè)備自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，僅在1點(diǎn)、4點(diǎn)、8點(diǎn)及11點(diǎn)方向存在注漿口，其中4點(diǎn)、8點(diǎn)方向進(jìn)行注漿時(shí)，由于為兩側(cè)注漿，無法保證漿液將底部水流排出，同時(shí)受盾構(gòu)設(shè)備盾尾刷擊穿強(qiáng)度的限制，無法采用大壓力注漿，快速將管片底部水流快速壓至周圍土體以內(nèi)。導(dǎo)致筆者盾構(gòu)實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下盾構(gòu)施工結(jié)束以后存在如下現(xiàn)象：當(dāng)?shù)叵滤回S富時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片洞門止水簾布無滲水現(xiàn)象，當(dāng)盾構(gòu)一旦停機(jī)或暫停施工時(shí)，簾布端下部會(huì)存在不同程度的滲水，簾布止水未發(fā)揮完全止水效果段尤為明顯。區(qū)間在兩端洞門封閉成型后，盾構(gòu)掘進(jìn)軸線存在2-3cm不同程度抬動(dòng)現(xiàn)象，具備最大能達(dá)到5-8cm。

由于盾構(gòu)隧道成型后的抬動(dòng)現(xiàn)象長期存在，且抬動(dòng)高度存在較大不確定性，不利于盾構(gòu)掘進(jìn)線型的有效控制及隧道本身的長期結(jié)構(gòu)安全。故筆者根據(jù)自身觀察到的現(xiàn)象，對滲水通道及抬動(dòng)現(xiàn)象原因初步分析如下：

由于地下水位較高，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，土倉中存在土壓力，用于平衡刀盤掌子面土壓力及水壓力，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中掌子面滲水可得到有效抑制，但由于刀盤切口直徑大于盾體直徑3cm，導(dǎo)致土倉壓力在傳導(dǎo)至盾體時(shí)存在一定的壓力降，依次類推，管片直徑較刀盤直徑小14cm，則管片周圍壓力則進(jìn)一步降低，且管片距離單盤距離約10m，管片周圍壓力降無法得到有效的補(bǔ)充，當(dāng)此時(shí)的壓力不足以平衡周圍水壓力時(shí)，周圍地下水析出，并迅速沿管片周圍通道存于管片底部，導(dǎo)致管片同步注漿時(shí)由于為4點(diǎn)、8點(diǎn)同步平衡注入漿液，無法完全排出水體，雖盾構(gòu)機(jī)埋設(shè)了一定數(shù)量的監(jiān)控原件，但無法完全確定管片外圍是否完全充填密實(shí)，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的不斷進(jìn)行，管片外圍滲水通道則永久存在并隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)逐步形成一個(gè)滲水通道；由于4點(diǎn)及6點(diǎn)方向注漿時(shí)，注漿通道無法完全對稱，故滲水通道的位置存在較大的隨機(jī)性，而管片二次注漿僅能通過固定的注漿孔，位置相對固定，故二次注漿亦無法全面阻斷并填充滲水通道。由于滲水通道的存在，導(dǎo)致管片兩端洞門一旦封閉，地下水位重新恢復(fù)到原始高程，水的浮力將導(dǎo)致管片整體上浮，而同步注漿的注入的水泥漿液，在凝結(jié)過程中在自身重力和管片浮力的反作用力下，部分滲入底部及周圍土體，導(dǎo)致管片頂部存在一定的空洞；盾構(gòu)注漿漿液凝結(jié)后自身的體積收縮，也同樣導(dǎo)致管片頂部存在一定的空洞。盾構(gòu)施工工藝在兩端洞門封閉完成后由于地下水位重新沿滲水通道作用在管片上，導(dǎo)致管片上浮，造成盾構(gòu)隧道成型后的整體抬動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)通過在施工的部分盾構(gòu)區(qū)間通過在土倉內(nèi)拋投顏料的方式，已驗(yàn)證了部分區(qū)間滲水通道的連通性。

可能存在的隱患：由于滲水通道的存在，在部分盾構(gòu)區(qū)間剛好位于地下水位線的砂土粉土地質(zhì)的地鐵段落，由于受地鐵運(yùn)行時(shí)震動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)下，導(dǎo)致土體重黏性物資同砂質(zhì)分離并隨著地下水位的升降而產(chǎn)生流動(dòng)，導(dǎo)致周邊土體空洞加大，承載力下降，導(dǎo)致該段落后期沉降影響乘車舒適性及結(jié)構(gòu)安全。

目前受已有設(shè)備工況限制，無法進(jìn)行進(jìn)一步研究，僅提出幾點(diǎn)構(gòu)想：改進(jìn)盾構(gòu)設(shè)備，在同步注漿過程中在管片利用部分管道作為空隙內(nèi)負(fù)壓真空管，在注漿的同時(shí)進(jìn)行負(fù)壓排氣，確保管片同步注漿充填密實(shí)；改進(jìn)設(shè)備，在盾尾底部增加一個(gè)排水管，在同步注漿時(shí)同時(shí)對管片底部進(jìn)行抽排水，直至抽出水體見同步注漿漿液，從下排出全部水體；在底部管片段增加埋設(shè)二次注漿孔，封閉洞門前從縱坡底部向頂部進(jìn)行一次二次注漿，確保漿液充填密實(shí)。

結(jié)語

由于目前滲水通道無法解決，現(xiàn)場實(shí)施過程中仍為一個(gè)忽略的部位。本文基于筆者了解的現(xiàn)場實(shí)際情況及本人的思考提出的個(gè)人觀點(diǎn)，可能存在一定的片面性或不足之處。希望在后續(xù)的過程中大家相互學(xué)習(xí)溝通。