沿海深埋富水松散地層土壓盾構(gòu)水中接收技術(shù)

代 為

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司 廣東廣州 511455)

1 引言

盾構(gòu)接收是盾構(gòu)法隧道施工中風(fēng)險較大的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其在不良地層盾構(gòu)接收過程中，易發(fā)生洞門滲漏、地面沉降、隧道管片錯臺、主體結(jié)構(gòu)變形等一般事故，嚴(yán)重時可導(dǎo)致地面和隧道坍塌、盾構(gòu)被埋、線路被淹、主體結(jié)構(gòu)破壞等重大事故。為了實現(xiàn)不良地質(zhì)條件下或環(huán)境敏感地段盾構(gòu)安全接收，業(yè)界已探索出多種行之有效的端頭加固和盾構(gòu)接收方式。陳曉忠[1]對重疊隧道的下線隧道采取垂直凍結(jié)＋明洞接收箱接收工藝進(jìn)洞；吳瓊[2]在富水圓礫地層中采用短套筒進(jìn)行盾構(gòu)接收，有效避免了洞門涌水涌砂事故；鄭石等[3]采用鋼套筒輔助泥水平衡盾構(gòu)到達(dá)接收，有效地抑制了地面沉降和結(jié)構(gòu)變形；趙亮等[4]在軟弱富含水地層中采用了杯型水平凍結(jié)法端頭加固與鋼套筒輔助的盾構(gòu)接收施工工藝，并對水平凍結(jié)加固區(qū)的溫度以及盾構(gòu)接收期間地表沉降進(jìn)行了現(xiàn)場實測研究；于加云[5]在處理盾構(gòu)到達(dá)突發(fā)涌水事故時，采用了密閉的箱形鋼筋混凝土接收洞室與隧道洞門密閉連接進(jìn)行盾構(gòu)水中接收；刁鵬程等[6]采用液氮垂直局部凍結(jié)水泥土加固后仍存在涌水涌砂風(fēng)險的盾構(gòu)端頭，進(jìn)行二次加固封水，取得了很好的效果；劉攀[7]通過在盾構(gòu)接收端頭增設(shè)液氮垂直凍結(jié)與水中接收的綜合施工方案，有效控制地層損失率，車站、隧道結(jié)構(gòu)以及周邊建筑物沉降量均在安全范圍內(nèi)；潘榮凱等[8]在滲透系數(shù)較大的砂性地層中采用三軸攪拌樁＋垂直凍結(jié)法加固端頭后，安全進(jìn)行了盾構(gòu)水中接收；賁志江等[9]等采用水泥土三軸攪拌樁＋高壓旋噴樁＋垂直冷凍固結(jié)的方式進(jìn)行端頭加固處理后進(jìn)行了大直徑泥水盾構(gòu)水中接收，接收段加固區(qū)域內(nèi)地表沉降≤46 mm；張連凱[10]在盾構(gòu)進(jìn)洞時覆土深度33 m且承壓水水頭高的情況下進(jìn)行了盾構(gòu)水中接收；李克金[11]預(yù)先對工作井基坑連續(xù)墻外側(cè)一定范圍內(nèi)的含水地層采用液氮垂直凍結(jié)進(jìn)行加固，使之具有一定的強(qiáng)度、封水性和一定承載能力，在泉域富水地層進(jìn)行了盾構(gòu)水中接收；安宏斌等[12]在端頭地層具有一定自穩(wěn)能力的情況下，進(jìn)行了無端頭加固條件下的土壓平衡盾構(gòu)水下接收。

分析現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和成功案例可知，近年來業(yè)界傾向于使用鋼套筒接收、洞門凍結(jié)法＋水中接收兩種方式應(yīng)對風(fēng)險較大的盾構(gòu)接收。其中盾構(gòu)水中接收要求端頭能夠自穩(wěn)或加固后能夠自穩(wěn)才能確保安全，目前尚未檢索到在松散地層無加固或加固效果不好條件下土壓平衡盾構(gòu)水中接收的成功案例。本文對沿海深埋富水松散地層端頭加固無效條件下進(jìn)行土壓盾構(gòu)水中接收的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2 工程概況

某工程盾構(gòu)區(qū)間隧道左右線全長2 749 m，設(shè)計采用“外包800 mm素砼墻＋三軸攪拌樁”端頭加固(見圖1)、井點降水(兩口降水井)輔助的接收方案。盾構(gòu)距離接收端頭外包800 mm素砼墻1 m左右時，洞門水平鉆孔取芯時涌水涌沙，端頭加固無效；水平注漿進(jìn)行補(bǔ)救，情況沒有明顯改善。此時，若按照設(shè)計方案進(jìn)行接收，則存在洞門涌水涌沙乃至地面和隧道坍塌的重大風(fēng)險；若對端頭采取深孔水平注漿進(jìn)行止水加固補(bǔ)救，則極易串漿造成盾構(gòu)在地層中裹漿抱死、刀盤刀具和開挖艙糊死；若采用凍結(jié)法進(jìn)行加固止水，則工期不允許。綜合上述情況，為確保盾構(gòu)安全到達(dá)，比選后決定采用水中接收方案。

圖1 盾構(gòu)接收端頭加固

2.1 盾構(gòu)接收井基本情況

盾構(gòu)接收井基坑深41.6 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚的地下連續(xù)墻，為地下三層明挖結(jié)構(gòu)，基坑設(shè)計總長度為22.4 m(含地連墻)，寬為40.2 m，采用內(nèi)支撐＋環(huán)框梁體系，豎向共設(shè)置7道支撐(均采用混凝土支撐)，接收端頭處左右線中心線間距為21.7 m，見圖2。盾構(gòu)井東側(cè)為雙向十車道城市交通主干道，呈南北走向，施工圍蔽在主路上；盾構(gòu)井西側(cè)為某生態(tài)莊園，主要為1～2層彩鋼房，與盾構(gòu)井最小距離12 m。盾構(gòu)井施工期間涉及的給水管、供水管、通信及電力等管線均已遷改完成，盾構(gòu)達(dá)到接收無影響。見圖3。

圖2 盾構(gòu)接收井剖面圖

圖3 盾構(gòu)接收端航拍圖

2.2 接收段工程地質(zhì)與水文情況

盾構(gòu)接收端頭處隧道頂部埋深30.2 m，接收段隧道上覆土地層(從地表至隧道接觸面)依次為:＜1-1＞雜填土、＜2-1B＞、淤泥質(zhì)土、＜2-2＞淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、＜2-1B＞淤泥質(zhì)土、＜2-4＞粉質(zhì)黏土、＜3-2＞中砂，隧道洞身范圍為＜3-2＞中砂、＜3-3＞/＜3-4＞圓礫、＜7-3＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜8-3＞中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。隧道穿越地層為＜8-2＞中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、＜7-2＞強(qiáng)中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、＜3-2＞中粗砂、局部夾＜3-3＞/＜3-4＞圓礫層。

盾構(gòu)井接收端地下水位高，實測初見水位約5.0 m，且具有承壓性，地下水主要為第四系松散層孔隙和基巖裂隙水，地下水豐富，主要含水層是砂層和強(qiáng)風(fēng)化帶及中等風(fēng)化帶。砂層中等～強(qiáng)透水層，基巖弱透水層，基巖裂隙水與上層第四系水存在一定的水力聯(lián)系；周邊小河涌、小河溝、魚塘較多，地表水較發(fā)育，且周邊120°范圍距珠江入?？谒蛑本€距離不足10 km，地表水和地下水位受潮汐漲跌影響較大，地下水埋深變化規(guī)律與潮汐相同稍滯后，動態(tài)穩(wěn)定水位約5.0～7.5 m；盾構(gòu)水中接收時，地下水埋深按5.0 m計，蓄水深度為36.6 m。

2.3 盾構(gòu)基本情況

區(qū)間施工采用的兩臺型號ZTE8800土壓平衡盾構(gòu)為全新機(jī)，開挖直徑8 840 mm，管片規(guī)格(外徑/內(nèi)徑-寬度)8 500/7 700-1 600 mm。盾構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)中，主驅(qū)動、盾尾鉸接、盾尾刷、螺旋輸送機(jī)出渣閘門和中心回轉(zhuǎn)接頭等5處關(guān)鍵密封的承壓能力對能否水中接收有決定性影響。該兩臺盾構(gòu)的主驅(qū)動密封采用外1道端面聚氨酯密封＋1道軸向聚氨酯密封＋唇形密封、內(nèi)2道唇形橡膠密封，最大工作壓力1.0 MPa；盾尾鉸接采用2道充氣與橡膠密封共生密封，最大工作壓力0.6 MPa；盾尾密封采用4道尾盾密封刷＋1道尾盾止?jié){板，最大工作壓力0.6 MPa；螺旋輸送機(jī)后部采用2道出渣閘門，最大工作壓力0.6 MPa；中心回轉(zhuǎn)接頭最大工作壓力1.0 MPa。按照木桶理論，該兩臺盾構(gòu)的設(shè)計最大工作壓力為0.6 MPa，可以承受60 m高水頭壓力，理論上滿足本次水中接收要求。

3 風(fēng)險分析與應(yīng)對措施

3.1 盾構(gòu)主要密封失效的風(fēng)險與應(yīng)對措施

本工程所用盾構(gòu)設(shè)計承壓能力滿足本次水中接收要求，但經(jīng)過2 740 m左右的掘進(jìn)，各處密封不可避免地存在一定的磨損。若水中接收時出現(xiàn)主要密封失效，輕則會造成盾構(gòu)設(shè)備損毀，重則會導(dǎo)致地面和隧道坍塌、盾構(gòu)被埋、相鄰聯(lián)通隧道和車站被淹，是不可承受之重。因此，必須對前述5處關(guān)鍵部位密封的可靠性進(jìn)行逐一排查和確認(rèn)。

3.1.1 主驅(qū)動密封可靠性排查與確認(rèn)

對兩臺盾構(gòu)主驅(qū)動密封腔加氣壓1.0 MPa進(jìn)行氣密性試驗，檢查后確認(rèn)可靠。

3.1.2 盾尾鉸接、盾尾鋼絲刷、中心回轉(zhuǎn)接頭、螺旋輸送機(jī)閘門密封可靠性排查與確認(rèn)

土倉加氣壓至0.6 MPa，開啟盾構(gòu)自動保壓系統(tǒng)，對上述密封進(jìn)行氣密性試驗，并逐一排查，發(fā)現(xiàn)除左線盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)閘門滲漏外，其余均完好；更換該閘門后，對左線盾構(gòu)重復(fù)進(jìn)行氣密性試驗，確認(rèn)全部密封可靠。

3.2 潮汐對地下水的影響與應(yīng)對措施

潮汐對接收井處的地下水位影響較大，漲潮時較退潮時高約2.5 m，盾構(gòu)破除洞門地下連續(xù)墻以后至洞門封堵完成階段，內(nèi)外水體處于連通狀態(tài)。此時，潮汐引起的地下水周期性漲跌和流動，可能攜帶端頭的松散地層進(jìn)入接收井，造成接收端頭的沉降和坍塌。

因此，盾構(gòu)接收過程中，要始終確保接收井內(nèi)水位高于地下水位，避免潮汐運動造成端頭松散地層進(jìn)入接收井。

3.3 端頭松散地層在重力作用下流失的風(fēng)險與應(yīng)對措施

洞門破除后至封堵完成前，端頭處不能自穩(wěn)的松散地層不可避免地會在重力作用下沿著盾體與地下連續(xù)墻切口之間的環(huán)形縫隙流入接收井，若不采取措施加以控制，勢必造成接收端沉降乃至坍塌，這也是通常情況下盾構(gòu)水中接收要求端頭地層必須有一定自穩(wěn)能力的根本原因。本工程接收端為上軟下硬地層，盾構(gòu)開挖面上半部及拱頂大部為松散砂層，加固效果較差且未進(jìn)行補(bǔ)充加固處理，加之加固作業(yè)過程中對地層的擾動，因此，在自身重力作用下，端頭松散地層流失的風(fēng)險非常大，具體采取以下措施進(jìn)行控制:

(1)盾尾脫出連續(xù)墻前，及時進(jìn)行有效的洞門封堵。

(2)增設(shè)一道延長洞門密封:寬500 mm洞門延長鋼環(huán)＋1道盾尾鋼絲刷＋1道鋼板束；此外，在延長鋼環(huán)上半部預(yù)留2排8路雙液漿應(yīng)急注漿管路，見圖4。

圖4 延長鋼環(huán)洞門密封及應(yīng)急注漿管路

(3)洞門處堆土反壓。

(4)盾體徑向孔注聚氨酯。

3.4 地面沉降和坍塌風(fēng)險與應(yīng)對措施

在盾構(gòu)接收過程中，只要確保接收井內(nèi)水位高度，地面沉降和坍塌風(fēng)險就可控。本工程地面沉降和坍塌風(fēng)險存在于接收井降水階段，此時，若洞門滲漏或端頭地層損失在接收井內(nèi)降水前沒有及時回填，則極易造成地面沉降和坍塌。因此，接收井降水疏干前，一定要確保洞門封堵完好、端頭地層注漿填充密實。

除上述風(fēng)險外，還存在盾構(gòu)被漿液包裹抱死、洞門密封失效、接收井泄露失壓等風(fēng)險，在此不再贅述。

4 土壓盾構(gòu)水中接收關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾構(gòu)水中接收作業(yè)

4.1.1 盾構(gòu)進(jìn)入端頭加固區(qū)前準(zhǔn)備階段

接收井內(nèi)進(jìn)行接收導(dǎo)臺施作、洞門安裝、洞門處堆填渣土等準(zhǔn)備工作，完成后盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，至刀盤到達(dá)800 mm厚C20素砼連續(xù)墻端面后停止掘進(jìn)，進(jìn)行盾構(gòu)及配套設(shè)備維保、盾尾附近管片二次注漿隔水環(huán)施作，同時應(yīng)急物資材料機(jī)具就位。

4.1.2 盾構(gòu)通過端頭加固區(qū)階段

盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，通過800 mm C20素砼連續(xù)墻、端頭加固區(qū)，至刀盤到達(dá)1 200 mm厚C35玻璃纖維筋砼地下連續(xù)墻端面后停止掘進(jìn)；對盾構(gòu)5處關(guān)鍵密封的可靠性進(jìn)行確認(rèn)、端頭加固范圍內(nèi)管片二次注漿；上述工作完成后接收井蓄水至設(shè)計深度。

4.1.3 盾構(gòu)通過洞門地下連續(xù)墻階段

盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，通過1 200 mm C35玻璃纖維筋砼地下連續(xù)墻，至盾尾剩余約300 mm脫出連續(xù)墻停止推進(jìn)；盾體徑向孔注聚氨酯、端頭加固區(qū)內(nèi)管片深層注雙液漿、盾尾注雙液漿；盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)，至盾尾剩余約500 mm脫出延長洞門時停止推進(jìn)；盾尾注雙液漿再次封堵洞門。

4.1.4 收尾階段

接收井排水疏干；盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)至拆機(jī)位置。

4.2 控制要點

(1)盾構(gòu)5處關(guān)鍵密封的可靠性確認(rèn)，是整個作業(yè)流程的重中之重，關(guān)乎盾構(gòu)水中接收的本質(zhì)安全，一定要專人負(fù)責(zé)、換手復(fù)核。

(2)端頭連續(xù)墻與管片之間的洞門環(huán)形切口能否得到及時有效的封堵，將決定端頭松散地層損失程度和數(shù)量、損失地層能否及時得到充填、接收井能否降水等，關(guān)乎盾構(gòu)水中接收成敗的關(guān)鍵。

(3)接收井內(nèi)降水需分兩階段進(jìn)行，重要且特殊:第一階段，在退潮階段將接收井內(nèi)水位降至與地下水齊平，停止降水；隨后觀察接收井內(nèi)水位是否上升，若上升則說明接收洞門處端頭滲漏，需進(jìn)行洞內(nèi)管片補(bǔ)注漿封堵。第二階段，確認(rèn)端頭封堵完好后，接收井繼續(xù)降水；在盾構(gòu)露出水面以后，減小降水速度，注意觀察洞門是否存在滲漏并及時處理；若洞門滲漏較大，應(yīng)停止降水直至堵漏完成。降水階段，若不注意上述細(xì)節(jié)，則極易引起地面沉降乃至坍塌，造成水中接收功虧一簣。

(4)全部工序中的注漿作業(yè)，對地面沉降控制、盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量及盾構(gòu)水中接收安全等非常重要；注漿的同時要做好預(yù)防盾構(gòu)裹漿抱死、刀盤刀具及開挖艙糊死等次生災(zāi)害防范措施。

4.3 盾構(gòu)水中接收結(jié)果

兩臺盾構(gòu)均安全接收，洞內(nèi)注漿洞門封堵效果良好，接收井降水過程中左右線洞門僅有局部滲漏點，簡單處理后使用單液漿完成封堵；監(jiān)測結(jié)果顯示，接收端頭地面最大累計沉降量10.5 mm；洞門處存在砂層淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、中粗砂等端頭松散地層淤積；左線洞門預(yù)埋鋼環(huán)連同洞門延長鋼環(huán)密封一起脫落。盾構(gòu)水中接收情況見圖5。

圖5 盾構(gòu)安全接收

5 結(jié)論與建議

松散地層接收端頭加固無效的情況下進(jìn)行土壓盾構(gòu)水中接收，端頭地層損失不可避免，存在一定的施工風(fēng)險；及時洞內(nèi)注漿進(jìn)行有效的洞門封堵和端頭回填，可以控制風(fēng)險、確保安全。

沿海地區(qū)深埋松散地層的止水加固工法選擇時，要充分考慮潮汐的不利影響；條件允許的情況下，一定要優(yōu)先確保端頭加固質(zhì)量，這是降低盾構(gòu)接收風(fēng)險的根本；水中接收時增設(shè)的洞門延長鋼環(huán)密封為冗余安全措施，有條件時仍然建議安裝。