深圳地鐵巖溶隧道下穿河流段盾構(gòu)施工技術(shù)

張細(xì)寶

（中國(guó)中鐵五局集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)速度不斷加快，地鐵在大型城市中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，而地鐵盾構(gòu)施工因具有安全、高效、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但盾構(gòu)施工涌現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件成為阻礙盾構(gòu)順利推進(jìn)的主要因素，其中下穿河流施工狀況引起了許多學(xué)者關(guān)注［1-2］。張寶良等［3］利用有限元軟件和地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)下穿河流施工造成地表沉降的原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明，盾構(gòu)襯砌同步灌漿層厚度越大，填隙效果越好，地面沉降隨盾構(gòu)的掘進(jìn)壓力的增大而減小。王偉和辛振省［4］利用力學(xué)平衡原理及河堤的破壞機(jī)理，并考慮確保施工安全的最小覆土厚度，對(duì)盾構(gòu)下穿河流的實(shí)際案例進(jìn)行研究，其結(jié)果證明拋土法可有效得降低覆土過(guò)薄的地方的過(guò)大沉降。姚春橋等［5］從掘進(jìn)參數(shù)、河堤注漿等方面對(duì)盾構(gòu)下穿河流的實(shí)際案例進(jìn)行分析研究，認(rèn)為加強(qiáng)施工設(shè)備管理、嚴(yán)格控制出渣量，是盾構(gòu)水利通過(guò)的重要保證。GURSOY［6］利用有限元分析軟件對(duì)盾構(gòu)隧道穿越河流施工開(kāi)挖引起的土體沉降情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，非均勻注漿形式與實(shí)際情況相符，壁后注漿能夠有效減少土體沉降。

1 工程概況

14 號(hào)線區(qū)間隧道左線ZDK27+967—ZDK28+044 段（79～130 環(huán)）、右線DK27+962—DK28+005（86～115 環(huán)）下穿龍崗河。河寬約43 m，交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)河底高程為31.32 m，現(xiàn)狀河底高程約32 m；龍崗河南側(cè)截污箱涵（87～89 環(huán)）為3.5 m×2.5 m的預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，北側(cè)污水箱涵（121～123環(huán)）為1.2 m×1.8 m 的預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該段79～86 環(huán)為R=750 cm 右圓曲線段，87～130 環(huán)為R=750 cm 右緩和曲線，均為擬合27.4‰的下坡。掘進(jìn)74 環(huán)時(shí)刀盤(pán)進(jìn)入龍崗河南側(cè)河堤；掘進(jìn)82 環(huán)時(shí)刀盤(pán)進(jìn)入截污箱涵；掘進(jìn)83 環(huán)時(shí)刀盤(pán)進(jìn)入龍崗河?xùn)|側(cè)河灘；掘進(jìn)87 環(huán)時(shí)刀盤(pán)進(jìn)入龍崗河河床；掘進(jìn)92環(huán)時(shí)盾尾脫離截污箱涵；掘進(jìn)116 環(huán)時(shí)刀盤(pán)進(jìn)入污水箱涵；掘進(jìn)118環(huán)時(shí)刀盤(pán)開(kāi)始進(jìn)入龍崗河北側(cè)河灘；掘進(jìn)124 環(huán)時(shí)盾尾脫離污水箱涵；掘進(jìn)132 環(huán)時(shí)盾構(gòu)脫離龍崗河北側(cè)河堤范圍，盾構(gòu)完成下穿龍崗河。

1.1 巖溶處理

由于巖溶發(fā)育區(qū)位于龍崗河河床區(qū)域，需進(jìn)行河內(nèi)圍堰施工，共分兩期進(jìn)行，兩期圍堰范圍均為22 m×52 m，一期施工龍崗河北側(cè)圍堰，二期施工南側(cè)圍堰，分期導(dǎo)流，采用沙袋圍堰，圍堰施工時(shí)采用水上拋填沙袋、搭設(shè)鋼管架，外側(cè)迎水面設(shè)置復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)作為倒濾層。施工先進(jìn)行北側(cè)圍堰施工，先將北側(cè)圍堰內(nèi)的巖溶處理完成后，再進(jìn)行南側(cè)圍堰施工，同時(shí)拆除北側(cè)圍堰。

1.2 巖溶處理原則

（1）溶洞探邊原則。施工前根據(jù)詳勘報(bào)告及巖溶專項(xiàng)勘察報(bào)告，對(duì)推測(cè)溶洞范圍進(jìn)行施工鉆孔探邊，施工前布置2 m×2 m 鉆孔摸探溶洞邊界，梅花形分布，鉆孔深度要求進(jìn)入隧道底板以下不少于10 m，揭露溶洞時(shí)根據(jù)工程需要適當(dāng)加深。（2）溶洞處理原則。對(duì)于處理范圍內(nèi)的溶洞（隧道頂板3 m 至隧底10 m范圍內(nèi)），被充填情況可分為全充填、半充填及未充填三種類型，處理方式主要采用袖閥管注漿填充。（3）封孔原則。巖溶處理完成后對(duì)孔口下2.0 m 設(shè)止?jié){段，采用水泥砂漿封堵袖閥管與孔壁之間的縫隙。

2 盾構(gòu)下穿龍崗河關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)間隧道下穿河流作業(yè)可以劃分為隧道內(nèi)以及隧道外兩個(gè)部分。對(duì)于貫穿河流道隧道外項(xiàng)目工程來(lái)說(shuō)，主要以下穿河流圍巖導(dǎo)流、鉆孔探邊和巖溶注漿處置工作為主。施工工程應(yīng)更加注重洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)，二次驗(yàn)證探邊狀況，經(jīng)檢驗(yàn)巖溶是否得到完全處置，以避免因巖溶裂隙與隧道貫通造成盾構(gòu)掘進(jìn)事故發(fā)生，并且調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

HSP 法在地鐵盾構(gòu)法施工隧道中，采用一發(fā)多收空間陣列式測(cè)試布置方法，即在兩側(cè)壁各布置一排接收檢波器。測(cè)試時(shí)，兩排距有一點(diǎn)偏移距的檢波器接收隧道輪廓，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)切割巖體產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，每次接收都形成一個(gè)振動(dòng)記錄波形，見(jiàn)圖1。數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)用多個(gè)共炮波形信號(hào)，結(jié)合激發(fā)與接收點(diǎn)位信息，并通過(guò)深度域繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)進(jìn)行波場(chǎng)空間成像技術(shù)，進(jìn)行反演解釋。

圖1 HSP 探測(cè)布置

深圳地鐵14 號(hào)線采用探測(cè)方法為HSP 法儀器系統(tǒng)為HSP217 型超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀及配套分析軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)采用空間陣列式探測(cè)布置方式，對(duì)隧道28+128 工作面前方進(jìn)行了測(cè)試，預(yù)報(bào)里程范圍為28+128—28+048（80 m）；對(duì)隧道28+047 工作面前方進(jìn)行了測(cè)試，預(yù)報(bào)里程范圍為28+047—27+967（80 m）。見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)反演分析成果

2.2 盾構(gòu)試驗(yàn)推進(jìn)狀況

54～57 環(huán)由于剛復(fù)推，參數(shù)變化較大。57～60 環(huán)參數(shù)基本穩(wěn)定，其中61 環(huán)有波動(dòng)，62～69 環(huán)參數(shù)基本穩(wěn)定。從70 環(huán)開(kāi)始推力、扭矩明顯增大，54～57 環(huán)由于剛復(fù)推，參數(shù)波動(dòng)較大，后續(xù)57～69 環(huán)參數(shù)基本穩(wěn)定，這段地層主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。第61 環(huán)參數(shù)有波動(dòng)，推力、扭矩明顯增大，結(jié)合第一次HSP 地質(zhì)預(yù)報(bào)：第67～68 環(huán)存在波阻抗差異，巖體存在軟弱夾層，不排除巖溶發(fā)育。第70 環(huán)開(kāi)始推力及扭矩持續(xù)增大，推進(jìn)過(guò)程中抖動(dòng)明顯，土壓相比之前地層，保不起來(lái)，同時(shí)地層含水量明顯增大，出來(lái)的渣土也以碎石塊為主，結(jié)合第一次HSP 地質(zhì)預(yù)報(bào)，第75～76 環(huán)存在波阻抗差異，巖體存在軟弱夾層，不排除巖溶發(fā)育。以上現(xiàn)象，驗(yàn)證了HSP 地質(zhì)預(yù)報(bào)較準(zhǔn)確，表明了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在下穿河流施工的可行性。

2.3 擬定掘進(jìn)參數(shù)

通過(guò)前期掘進(jìn)過(guò)程中收集的掘進(jìn)參數(shù)收集與分析可知，在強(qiáng)/全風(fēng)化砂巖段保持推力≤18 000 kN，扭矩≤2 500 kN·m、推進(jìn)速度30～40 mm/min、土壓力控制在1.2 bar、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.5 r/min；全斷面微風(fēng)化灰?guī)r段保持推力≤22 000 kN、扭矩≤3500 kN·m、推進(jìn)速度10～20 mm/min、土壓力控制在0 bar、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.8 r/min；溶洞段保持推力≤22 000 kN、扭矩≤3 500 kN·m、推進(jìn)速度為20～30 mm/min、土壓力0.5 bar、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.8 r/mm，可較好地減輕地表沉降狀況，因此，將上述參數(shù)設(shè)為掘進(jìn)參數(shù)。

2.4 防螺機(jī)噴涌及防漏水

為防止在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生螺機(jī)噴涌，在螺機(jī)出閘口下方放小土斗，減少掘進(jìn)完成后盾尾清泥工作量；同時(shí)購(gòu)買聚合物進(jìn)行配比試驗(yàn)，地下水豐富時(shí)可在土倉(cāng)內(nèi)注入聚合物減小水的流動(dòng)性，使其與渣土膠凝，避免發(fā)生螺機(jī)噴涌。每環(huán)掘進(jìn)完成后，對(duì)鉸接密封、盾尾密封進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行維保。

2.5 防管片上浮

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，每15 環(huán)進(jìn)行一次管片測(cè)量，發(fā)現(xiàn)管片在脫出盾尾后的上浮量約為20 mm，在掘進(jìn)過(guò)程中將垂直姿態(tài)控制在-20 左右。因此，在管片脫離盾尾10 環(huán)后，使用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行止水環(huán)施作，防止管片上浮，同時(shí)可以起到一定的防水作用。

2.6 突發(fā)情況處置

下穿龍崗河盾構(gòu)在掘進(jìn)至第100 環(huán)時(shí)，地面巡視發(fā)現(xiàn)河面刀盤(pán)位置水面有冒泡現(xiàn)象（105 環(huán)、106環(huán)位置），見(jiàn)圖3，水面無(wú)漩渦倒流情況，冒泡位置水面清澈，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)正常，盾尾密封正常。該處為巖溶處理區(qū)域，有溶洞侵入隧道底部，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看該處存在巖層裂隙，掘進(jìn)過(guò)程中保壓打氣造成漏氣形成冒氣泡現(xiàn)象。使用沙袋在冒泡處周邊圍堰，確認(rèn)冒泡位置后，用土工布配合砂袋進(jìn)行了反壓，后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中土壓能一直保持1.2 bar，河水無(wú)反灌現(xiàn)象。

圖3 掘進(jìn)過(guò)程中河水冒泡

2.7 地表沉降監(jiān)測(cè)

收集地面沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系，刀盤(pán)在距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)還有4 環(huán)前，地面開(kāi)始隆起，累計(jì)最大隆起0.73 mm，盾體穿越及通過(guò)后，每天沉降約0.5 mm，較為穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）下穿前將應(yīng)急物資鉆機(jī)、注漿機(jī)、沙袋、水玻璃、水泥放在龍崗河南側(cè)河堤上方，以便險(xiǎn)情發(fā)生的第一時(shí)間能夠及時(shí)按照應(yīng)急預(yù)案實(shí)施搶險(xiǎn)作業(yè)，避免險(xiǎn)情的擴(kuò)大；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)位于巖層交接面處時(shí)，巖層裂隙水較多，要采取措施避免或減少螺機(jī)噴涌對(duì)施工連續(xù)性的影響。（2）下穿龍崗河段為巖溶發(fā)育區(qū)地層裂隙多，流通性好，在掘進(jìn)過(guò)程中控制打氣壓力，保證不高于水壓力，該處最淺埋深11.6 m，水壓力最小為1.2 bar；下穿過(guò)程中，掘進(jìn)參數(shù)及盾構(gòu)姿態(tài)沒(méi)有異常，說(shuō)明溶洞已被填充得較為密實(shí)，出土量相較平常要少，每環(huán)為70 方左右；在溶洞位置時(shí)，增大泡沫、膨潤(rùn)土的注入量。（3）下穿過(guò)程中，在管片脫出盾尾10 環(huán)后使用水泥-水玻璃雙液漿施作止水環(huán)，并及時(shí)進(jìn)行管片測(cè)量，根據(jù)管片上浮情況及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)和二次補(bǔ)漿參數(shù)，防止管片脫出盾尾后上浮導(dǎo)致管片姿態(tài)超限；在每環(huán)掘進(jìn)前后對(duì)盾尾密封、鉸接密封情況進(jìn)行檢查，有異常及時(shí)進(jìn)行維保。