盾構(gòu)穿越富水破碎帶不良地質(zhì)掘進(jìn)措施研究

鄭代靖

（中車智能交通工程技術(shù)有限公司，北京 豐臺(tái) 100078）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)也迎來了快速發(fā)展階段。在城市軌道交通建設(shè)過程中，盾構(gòu)法因其具有對(duì)周圍環(huán)境影響小、易于控制沉降、施工安全且進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，成為城市軌道交通建設(shè)中的常用施工方法[1]。城市軌道交通工程勘察過程中，往往會(huì)因勘探技術(shù)及作業(yè)環(huán)境的局限性，出現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)條件與勘察和設(shè)計(jì)的地質(zhì)條件并不吻合的情況，會(huì)存在一定的不確定性及復(fù)雜性，容易導(dǎo)致盾構(gòu)施工過程中發(fā)生事故。

盾構(gòu)施工開挖事故中，富水破碎帶噴涌坍塌是較為常見的情況，2014年南京地鐵3號(hào)線盾構(gòu)掌子面坍塌出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，2018年佛山軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間突發(fā)透水，引發(fā)隧道及路面坍塌[2]。許多專家學(xué)者也針對(duì)富水破碎帶噴涌坍塌事故進(jìn)行了大量研究，比如，宋蕾通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)克泥效材料性質(zhì)和微承壓砂層渣土改良技術(shù)進(jìn)行了研究，洪開榮等進(jìn)行了大直徑泥水盾構(gòu)復(fù)合地層速凝漿液的同步注入技術(shù)研究[3]。

本文結(jié)合無錫至江陰城際軌道交通工程施工案例，針對(duì)施工過程中遇到的勘察設(shè)計(jì)與實(shí)際施工不相符的情況，根據(jù)現(xiàn)場施工情況和補(bǔ)勘鉆孔地質(zhì)分析，對(duì)盾構(gòu)穿越富水破碎帶不良地質(zhì)掘進(jìn)措施進(jìn)行了研究，研究成果對(duì)類似條件下的盾構(gòu)隧道施工有借鑒作用，對(duì)提高我國盾構(gòu)隧道施工水平、保證盾構(gòu)施工安全具有重要意義。

1 工程概況

江陰高鐵站～南閘站盾構(gòu)區(qū)間右線長1499.331m，隧道埋深約5.71～87.8m。主要穿越①2素填土、②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2黏土、?2含碎石粉質(zhì)黏土、?2強(qiáng)風(fēng)化砂巖、?3中風(fēng)化砂巖等。區(qū)間沿線主要地表水為長江、東橫河、運(yùn)糧河、應(yīng)天河、工農(nóng)河，地下水主要為潛水和承壓水。潛水含水層主要存在于全新統(tǒng)Q4填土層、②2黏質(zhì)粉土層中，勘察可知線路區(qū)域內(nèi)均有分布，填土層由黏性土夾碎石構(gòu)成，顆粒級(jí)配不均勻、固結(jié)時(shí)間短，常常由于架空現(xiàn)象的存在而形成孔隙，成為賦存地下水的空間，透水性不均勻，主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給。承壓水賦存于⑦2粉土夾粉砂、⑧2粉質(zhì)黏土夾粉土、⑨2粉砂和⑩3粉砂中，含水層的補(bǔ)給來源主要為承壓水的越流補(bǔ)給及地下徑流補(bǔ)給，以地下徑流及人工抽吸為主要排匯方式。

2 富水破碎帶地層施工情況與地層特征分析

2.1 富水破碎帶地層施工情況

江陰高鐵站～南閘站盾構(gòu)區(qū)間右線掘進(jìn)至136環(huán)時(shí)進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖地層，掘進(jìn)至295環(huán)時(shí)下部逐漸進(jìn)入中風(fēng)化石英砂巖中，掘進(jìn)至345～383環(huán)時(shí)螺旋口頻繁噴涌，土倉壓力波動(dòng)異常，出土渣樣中含水量大(每環(huán)約30m3水)，出土量異常(90 m3渣土含水)，渣樣中含較多的中粗砂與部分黏土（夾層）（見圖1），管片上浮嚴(yán)重約70mm。

圖1 施工過程中實(shí)際渣樣圖

2.2 富水破碎帶設(shè)計(jì)與現(xiàn)場對(duì)比分析

江陰高鐵站~南閘站盾構(gòu)區(qū)間右線設(shè)計(jì)圖紙揭示該區(qū)域（345-397環(huán)）為?2強(qiáng)風(fēng)化砂巖區(qū)域與?3中風(fēng)化砂巖地層（地層同為弱透水層）。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，現(xiàn)場實(shí)際出土渣樣中含較多的中粗砂與少部分黏土（中粗砂，泥土和石子各占1/3），呈現(xiàn)的是典型的軟弱區(qū)/破碎帶發(fā)育區(qū)域；含水量大，揭示該區(qū)域內(nèi)基巖裂隙水富集，具有富水性，與圖紙所述地層存在差異。江陰高鐵站～南閘站盾構(gòu)區(qū)間右線盾構(gòu)掘進(jìn)工程中，該區(qū)域施工時(shí)盾構(gòu)出現(xiàn)螺旋口頻繁噴涌，土倉壓力波動(dòng)異常等現(xiàn)象（注：盾構(gòu)下穿花山段屬于生態(tài)一級(jí)管控區(qū)，勘察設(shè)計(jì)階段無法辦理現(xiàn)場施工作業(yè)手續(xù)，花山西側(cè)山體上勘探孔間距較大，前期地質(zhì)勘探采取物探取代鉆探）。

2.3 富水破碎帶地層特征

結(jié)合現(xiàn)場施工情況及地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，在右線391環(huán)附近的位置，補(bǔ)充鉆探了1個(gè)S1#機(jī)鉆取芯孔（現(xiàn)場條件受限），并在鉆孔完成后進(jìn)行1組單孔抽水試驗(yàn)，勘察后明確破碎帶地層特征如下：

（1）鉆孔的現(xiàn)場鉆探情況及采取巖芯顯示，孔內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖裂隙發(fā)育，為較破碎-破碎（局部極破碎）的較軟巖-較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V（見圖2）。

圖2 洞身范圍內(nèi)芯樣照片

（2）對(duì)盾構(gòu)施工有影響的基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖中，富集于強(qiáng)風(fēng)化破碎區(qū)。

（3）試驗(yàn)期間測得鉆孔內(nèi)基巖裂隙水靜止水位埋深約為15.70m，靜止水位標(biāo)高約為3.02m。

（4）鉆孔內(nèi)基巖裂隙水的水文地質(zhì)參數(shù)建議如下：滲透系數(shù)K=1.64m/d，影響半徑R=244.44m（抽水井S1降深19.11m時(shí)所得值）。

（5）本次抽水試驗(yàn)求得的水文地質(zhì)參數(shù)為孔內(nèi)承壓水的綜合參數(shù)值。

3 富水破碎帶盾構(gòu)掘進(jìn)措施

3.1 高分子聚合物改善倉內(nèi)排水

推進(jìn)過程中通過管路向盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)注入原液高分子聚合物[4]，利用高分子材料大量吸收渣土中水分后變?yōu)樗苄栽?，防止出土口噴涌?/p>

高分子聚合物配比通過現(xiàn)場渣土試驗(yàn)確定?，F(xiàn)場從螺旋機(jī)取土進(jìn)行試驗(yàn)，確定配比為“1m3水內(nèi)摻加6kg高分子聚合物”配出的漿液效果最佳，聚合物漿液加注量一般為每環(huán)6m3。高分子聚合物可以吸附渣土中大量的水分子，有效緩解噴涌現(xiàn)象。

3.2 速凝效改善螺旋噴涌

由于粉砂和粉砂巖自身的特性，開挖下來的渣土顆粒級(jí)配不良，大顆?？紫吨械募?xì)小顆粒會(huì)很快被承壓水流流搬運(yùn)走，留下的大顆粒之間的孔隙缺少細(xì)小顆粒填充，容易導(dǎo)致大顆粒失去穩(wěn)定性，而且也有利于孔隙水流動(dòng)，不斷形成新的噴涌條件。采用速凝效改良渣土的方法可以使渣土中的細(xì)小顆粒被包裹、聚集在大顆粒之間的孔隙中，將原本透水的渣土變?yōu)閾跛寥?，隨著不斷開挖、排出渣土，不斷加入速凝效，形成動(dòng)態(tài)的土塞效應(yīng)。在臺(tái)車尾部放置雙液注漿機(jī)，注漿機(jī)管路連接至土倉壁上，掘進(jìn)過程中通過二次注漿機(jī)注入土倉中。

3.3 克泥效工法封堵匯水通道

克泥效工法是將高濃度的泥水材料與塑強(qiáng)調(diào)整劑兩種液體分別以高管壓送到制定位置，再將此兩種液體以適當(dāng)比例混合成高粘度塑性膠化體后，再通過徑向孔注入的一種新型工法。由于開挖間隙的存在，盾體后方的地下水源源不斷匯入土倉。通過盾體徑向孔向開挖間隙填充注入克泥效，隨著盾構(gòu)過程的推進(jìn)，新的開挖間隙產(chǎn)生，克泥效也不斷補(bǔ)充注入，將匯水通道填充封堵，以達(dá)到切斷水源的效果。推進(jìn)過程中通過盾構(gòu)機(jī)徑向孔注入克泥效，填充盾殼外間隙[5-6]。

為了保證盾構(gòu)施工期間阻斷盾構(gòu)機(jī)后部水源，特別利用平時(shí)關(guān)閉的8個(gè)徑向注漿孔（位于盾構(gòu)機(jī)中盾和盾尾），在盾構(gòu)推進(jìn)同步通過盾構(gòu)機(jī)內(nèi)注漿機(jī)向盾構(gòu)機(jī)盾體外注入惰性材料，注入率控制在130%，同時(shí)控制注入壓力和注入量，采用克泥效漿液。這樣就能及時(shí)填充開挖直徑與盾體之間的空隙，隔斷盾體周圍和盾構(gòu)機(jī)后部的水源進(jìn)入土倉。

3.4 制作止水環(huán)阻斷隧道后部水源

每推進(jìn)8環(huán)對(duì)盾尾后10環(huán)管片進(jìn)行二次注漿，形成止水環(huán)箍，阻止后方來水。減小土倉內(nèi)的水量，保證盾構(gòu)機(jī)能正常推進(jìn)。

采用雙液漿每間隔8環(huán)做一道環(huán)箍（連續(xù)注入3環(huán)，單環(huán)5m3），使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，再在各環(huán)箍間進(jìn)行二次注漿，注漿順序由下至上。

3.4.1 注漿材料、配合比

破碎帶補(bǔ)強(qiáng)注漿時(shí)采用水泥凈漿進(jìn)行二次注漿，雙液漿進(jìn)行封環(huán)及封孔。雙液漿即：水玻璃+水泥砂漿。雙液漿液配比：水泥漿水灰比為1：1；注入時(shí)水泥漿液與水玻璃體積比為1：1。

3.4.2 注漿設(shè)備

注漿泵2臺(tái)（雙液注漿泵），小型漿液拌合筒2個(gè)，Ф32銅球閥25個(gè)，50mФ32注漿軟管4條，1條備用，三通4個(gè)。

3.4.3 注漿順序及注漿工藝

（1）注漿順序：同一環(huán)管片嚴(yán)格按“先頂部后腰部，兩腰對(duì)稱”的方法注入，注漿壓力控制在0.3～0.4MPa。

（2）止水環(huán)箍注漿工藝：在注漿前先選擇合理的注漿孔位，將注漿單向逆止閥戴上后，用電錘鉆穿該孔位后3cm保護(hù)層，接上三通以及水泥漿管與水玻璃管。二次注漿時(shí)，先注純水泥漿液達(dá)到預(yù)定壓力后，打開水玻璃閥進(jìn)行混合注入，終孔時(shí)應(yīng)加大水玻璃的濃度。在一個(gè)孔注漿完結(jié)后應(yīng)等待5~10min后將該注漿頭打開疏通查看注入效果，如果水很大，應(yīng)再次注入，至有較少水流出時(shí)可終孔，拆除注漿頭并用雙快水泥砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封堵，帶上塑料螺堵并進(jìn)行下一個(gè)孔位注漿。

注漿過程中應(yīng)有排氣孔，排氣孔原則上設(shè)在預(yù)注漿孔上，并安裝注漿單向逆止閥，同時(shí)打開球閥，直至出現(xiàn)冒漿時(shí)關(guān)閉球閥，10min后檢查注漿效果，如有水溢出，應(yīng)對(duì)該孔進(jìn)行注漿。

3.5 超前注漿地層加固

每推進(jìn)8環(huán)對(duì)盾體前方通過超前注漿孔WSS后退加固注入雙液漿，超前加固地層，改變地層破碎狀況。

3.6 優(yōu)化同步注漿配合比

將纖維素加入原同步注漿液中以優(yōu)化同步注漿漿液，加強(qiáng)盾尾的密封效果，同時(shí)在原有每環(huán)同步注漿液配合比上增加水泥配比，使同步注漿凝結(jié)時(shí)間提前。

（1）注漿壓力：注漿壓力控制在2~3bar范圍內(nèi)，超過4bar則自動(dòng)停止。

綜合考慮水土壓力的差異以及防止管片大幅度下沉和上浮的需求，各點(diǎn)的注漿控制壓力也不同，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)膲毫Σ?，以取得最?yōu)效果。初始?jí)毫υO(shè)定時(shí)，下部每孔壓力比上部每孔壓力稍微增大約0.5~1bar。

（2）注漿量：根據(jù)開挖的直徑以及管片的外徑，推算出每一環(huán)管片的理論注漿量。

（3）注漿速度：根據(jù)不同的地層選擇不同的掘進(jìn)速度以及不同凝結(jié)時(shí)間的漿液以達(dá)到有效控制注漿時(shí)間的效果。遵循“掘進(jìn)、注漿同步，不注漿、不掘進(jìn)”原則，以注漿量和同步注漿壓力雙重指標(biāo)來控制注漿時(shí)間[7]。注漿量和注漿壓力均達(dá)到設(shè)定值后方可完成注漿。

同步注漿的速度與盾構(gòu)掘進(jìn)的速度相對(duì)應(yīng)，按掘進(jìn)一環(huán)時(shí)間內(nèi)完成該環(huán)注漿量來控制其平均注漿速度。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：通過雙指標(biāo)控制，即當(dāng)注漿壓力達(dá)到控制值時(shí)，注漿量達(dá)到計(jì)算值95%以上時(shí)，方可認(rèn)為達(dá)到了注漿要求。對(duì)參數(shù)還需通過監(jiān)控量測進(jìn)行優(yōu)化，使注漿效果達(dá)到更佳。二次補(bǔ)充注漿主要采用水泥漿，在盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表建筑或管線影響可能較大的區(qū)域，可選擇速凝型漿液，如水泥-水玻璃雙液漿等。注漿壓力：0.5~1MPa；注漿量：0.5~1.2m3/環(huán)；注漿開始時(shí)間：管片脫出盾尾6~8環(huán)。

4 結(jié)束語

由于江陰高鐵站～南閘站盾構(gòu)區(qū)間勘探條件的局限性，在施工的過程中遇到了勘察設(shè)計(jì)與實(shí)際施工不相符的情況，通過專門研究制定合理的施工措施對(duì)安全穿越富水破碎帶不良地質(zhì)的特殊情況具有重要意義。本文通過無錫至江陰城際軌道交通工程施工案例，結(jié)合現(xiàn)場分析，對(duì)盾構(gòu)穿越富水破碎帶不良地質(zhì)掘進(jìn)方案進(jìn)行了研究，解決了盾構(gòu)掘進(jìn)現(xiàn)場土壓力波動(dòng)異常、出渣含水量大、出土量異常、管片上浮嚴(yán)重等問題，化解了噴涌坍塌風(fēng)險(xiǎn)，有效保證施工現(xiàn)場安全質(zhì)量。目前，江陰高鐵站～南閘站盾構(gòu)區(qū)間已安全穿越富水破碎帶，現(xiàn)場施工安全質(zhì)量可控，驗(yàn)證了方案的有效性。