淺談大埋深水工輸水隧洞土壓盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)斷裂帶施工措施

賴俊厚

(廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣州 510228)

1 概述

廣東粵東三江連通工程是廣東省委、省政府從粵東地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局高度謀劃建設(shè)的重大水資源配置工程，對(duì)解決粵東地區(qū)資源性缺水和工程性缺水問(wèn)題，支撐粵東地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

粵東地區(qū)山多地少，水資源配置線路穿山而行，具有埋深大，水系發(fā)達(dá)，富水?dāng)嗔褞Я严栋l(fā)育等特點(diǎn)，而大埋深水工輸水隧洞常規(guī)采用鉆爆法或者TBM法進(jìn)行施工，但是在山嶺隧洞斷裂帶水系發(fā)達(dá)的地質(zhì)條件下，采取鉆爆法及TBM法均存在涌水塌方等風(fēng)險(xiǎn)，而采取盾構(gòu)法施工，可大大降低這一風(fēng)險(xiǎn)。

采用盾構(gòu)法，特別是土壓盾構(gòu)施工，在這種山嶺隧洞斷裂帶水系發(fā)達(dá)的地質(zhì)條件下，如何引水排水，防治噴涌，做好背填注漿，安全高效通過(guò)富水?dāng)嗔褞顷P(guān)鍵所在。

2 工程背景

該工程的首期工程——韓江鹿湖隧洞引水工程取水于韓江下游潮州，是交水至榕江的二級(jí)支流西山溪的水資源配置工程，設(shè)計(jì)引水規(guī)模為46.52 m3/s，具有改善水環(huán)境、灌溉和城鎮(zhèn)供水等綜合效益。

韓江鹿湖隧洞引水工程線路長(zhǎng)7.76 km，主要建設(shè)內(nèi)容包括取水口、鹿湖～古巷段隧洞(3.5 km長(zhǎng)鉆爆法隧洞和2 km穿山盾構(gòu)隧洞)、古巷～西山溪段隧洞(2.12 km平原盾構(gòu)法隧洞)及西山溪出水口箱涵(如圖1所示)。盾構(gòu)區(qū)間采用兩臺(tái)8.8 m的海瑞克土壓盾構(gòu)機(jī)，其中穿山段盾構(gòu)隧洞從位于永安村山腳下的盾構(gòu)始發(fā)井向西北方向掘進(jìn)，穿山越嶺直至到達(dá)擴(kuò)大洞室，總長(zhǎng)為2 002 m。

圖1 韓江鹿湖隧洞引水工程工程量示意

3 穿山段地質(zhì)情況分析

1)盾構(gòu)穿山段隧道全長(zhǎng)2 002 m(K3+500～K5+502)，從盾構(gòu)始發(fā)井向北方向掘進(jìn)，至擴(kuò)大洞室與鉆爆段對(duì)接。采用8.84 m的海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，管片外徑為8.5 m，內(nèi)徑為7.7 m，環(huán)寬為1.6 m。盾構(gòu)段穿越山體，山體高程為30～80 m。從地質(zhì)上看，盾構(gòu)穿多條斷裂帶，根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，穿山段盾構(gòu)隧洞埋深為20～100 m，主要為透水性強(qiáng)的粉質(zhì)泥沙巖，圍巖破碎發(fā)育，地下水位高，山體內(nèi)可能含有承壓水(地質(zhì)斷面見(jiàn)圖2)。如何在掘進(jìn)過(guò)程中克服山體內(nèi)裂隙水，斷裂帶內(nèi)水系是土壓盾構(gòu)在此段的重點(diǎn)[1]。

2)根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘資料顯示，其中在 650～760環(huán)位置，盾構(gòu)機(jī)將連續(xù)穿越F147、F148、1#埡口，2條斷裂帶均為南北走向(注：穿山段盾構(gòu)向正北方掘進(jìn))，主要為角礫巖，風(fēng)化深呈全風(fēng)化土狀或呈糜棱巖泥化夾層；其中1#埡口由于裂隙水的影響，已經(jīng)形成1個(gè)小魚塘，還有當(dāng)?shù)氐拇迕裨陴B(yǎng)殖，該斷裂帶與埡口可能呈連通狀況。而這一段也是穿山段土壓盾構(gòu)需克服的重中之重，一旦控制不好，容易造成盾尾漏漿[2]、螺旋機(jī)噴涌等不利后果。

4 盾構(gòu)過(guò)斷裂帶掘進(jìn)情況及采取措施

穿山段土壓盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)至625環(huán)時(shí)，出現(xiàn)大量的裂隙水涌進(jìn)土倉(cāng)內(nèi)，導(dǎo)致螺旋出土器發(fā)生噴涌現(xiàn)象，同時(shí)皮帶機(jī)輸送出來(lái)的大部分為非常稀的泥漿和磨碎的石粉，造成橋架下方掉落大范圍的泥漿與泥渣，需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行人工清理；由于裂隙水從四面八方涌入，即使按照始發(fā)階段的應(yīng)對(duì)措施，在管片注入雙液漿形成止水環(huán)，封閉后方來(lái)水(平均1 d完成1～2環(huán)的進(jìn)度)，也不能徹底解決此問(wèn)題。因此，吸取經(jīng)驗(yàn)，重新制定了排渣措施，具體如下。

1)刀具尺寸及氣壓輔助掘進(jìn)

穿山段盾構(gòu)進(jìn)洞后，由于扭矩過(guò)高，掘進(jìn)速度過(guò)慢，時(shí)間長(zhǎng)造成土倉(cāng)進(jìn)水大，從而導(dǎo)致渣土過(guò)稀及無(wú)法正常排渣的困難[3]。

針對(duì)此情況，開倉(cāng)檢查刀具，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要在于刀具配置，由于刀盤前面焊了很多貝殼刀，開始安裝的都是17寸的滾刀，但由于17球齒滾刀與貝殼刀的高差較小，導(dǎo)致滾刀切削的過(guò)程中，貝殼刀部分也產(chǎn)生了切削巖層的情況，造成刀盤與巖接觸面積大，從而出現(xiàn)推力大和扭矩大的情況，產(chǎn)生一系列后續(xù)不利于掘進(jìn)的因素。

決策判斷，通盤滾刀除中心刀外，全部更換成18寸滾刀，在扭矩可控的前提下，提高盾構(gòu)推進(jìn)速度，通過(guò)時(shí)間差，把切削下來(lái)的渣土與進(jìn)入土倉(cāng)的水混合后及時(shí)通過(guò)螺旋機(jī)排出，減少噴涌情況的出現(xiàn)。

另外，氣壓輔助措施在此斷裂帶中過(guò)程中也起到了至關(guān)重要的作用。斷裂帶中粉質(zhì)泥沙巖的存在，在一定的攪和作用下，能形成一層泥膜，在高氣壓作用下，這層泥膜能滲透進(jìn)入到斷裂帶縫隙中[4]，由于氣壓撐住這層泥膜，在某種程度上減少了斷裂帶裂隙中的來(lái)水量。但在大來(lái)水的過(guò)程中，泥膜也容易被沖破而達(dá)不到實(shí)際的效果。

2)管片排水

在管片的-3～-4環(huán)，所有的管片注漿孔打開進(jìn)行排水泄壓(見(jiàn)圖3)；排水的注漿孔在漿罐前(-8～-10環(huán))進(jìn)行二次補(bǔ)漿[5]。主要是利用管片排水泄壓，可以降低土倉(cāng)水壓力，減少單位時(shí)間內(nèi)地層裂隙水進(jìn)入土倉(cāng)的量，緩解螺旋機(jī)噴涌的沖擊力度，減少因噴涌而灑落的渣土量，進(jìn)而減少清理渣土的時(shí)間，提高掘進(jìn)效率。

圖3 管片排水

由于在盾尾刷后面一直打開的注漿孔在大量排水，故推進(jìn)時(shí)沒(méi)法做到同步注漿，不能利用水泥砂漿填充管片壁后的空隙，隨著推進(jìn)長(zhǎng)度的增加，管片壁后的匯水通道和面積越大，相當(dāng)于形成了深層的“降水井”，因此必須要定時(shí)定距離進(jìn)行大量的二次補(bǔ)漿(見(jiàn)圖4)，以彌補(bǔ)同步注漿量的空缺，措施中加強(qiáng)二次管片注漿時(shí)的堆填注漿措施為跟進(jìn)措施，能形成一段一段的排水空間和注漿空間，作為兩者結(jié)合使用。

圖4 二次補(bǔ)漿止水

3)土倉(cāng)壁排水

分別在土倉(cāng)壁7點(diǎn)位、9點(diǎn)位的4寸球閥處接鋼管至加裝在螺旋旁邊的22 kW水泵；在土倉(cāng)壁10點(diǎn)位開孔焊接1條8寸的鋼管延伸至4號(hào)臺(tái)車的污水箱、并且在中盾處加焊1條4寸三通管連接至22 kW水泵，在推進(jìn)過(guò)程中抽排至4號(hào)臺(tái)車污水箱，再利用污水箱的55 kW水泵抽至井口(見(jiàn)圖5～圖6)。

圖5 土倉(cāng)壁4寸管排水示意

圖6 8寸管安裝示意

優(yōu)點(diǎn)：可以根據(jù)倉(cāng)內(nèi)水位的高低和泥漿的濃度切換排水管路進(jìn)行靈活抽排，減少土倉(cāng)內(nèi)水的含量。

缺點(diǎn)：由于刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，切削下來(lái)的小石塊和石粉混進(jìn)土倉(cāng)內(nèi)的裂隙水，在使用22 kW水泵進(jìn)行抽排時(shí)很容易進(jìn)入4寸管。泵距離土倉(cāng)壁遠(yuǎn)、泵口的進(jìn)水管長(zhǎng)且轉(zhuǎn)彎角度大以及中間的三通和蝶閥多，管路頻繁被石子石粉堵塞，由于空間狹小且電器設(shè)備多，清通管路的難度大、時(shí)間長(zhǎng)。

4)抽水措施

管片小車后方安裝可移動(dòng)的18.5 kW水泵，把掘進(jìn)過(guò)程中掉下的渣漿水抽排至井口；管片小車上放小土斗，皮帶下掛18.5 kW水泵，及時(shí)把放置在橋架平臺(tái)下小土斗里的泥漿水抽上皮帶(見(jiàn)圖7～圖8)。

圖7 管片小車上放土斗加大水泵示意

圖8 排水到皮帶機(jī)示意

相對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)中標(biāo)配的盾尾放置1臺(tái)5.5 kW水泵，增加的18.5 kW水泵能有效提高隧道的抽水能力，特別是在采取管片排水措施時(shí)，管片小車后方聚積了大量的泥漿水，無(wú)法有效地從管片小車邊流至盾尾進(jìn)行抽排，加快了清理渣土的速度，有效提高掘進(jìn)效率。

但由于小土斗體積有限，在噴涌嚴(yán)重時(shí)，小土斗內(nèi)渣位上升快，需要專人根據(jù)實(shí)際情況邊提升水泵邊抽水，否則很容易堵管或者因渣土過(guò)多而引起軟管被擊破甚至爆泵殼。

5)盾體注CMC

CMC是化學(xué)泥粉的簡(jiǎn)稱，提前拌制好的CMC溶液，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌和溶解后，能達(dá)到稠度較大，比重較大的果凍效果，且在水流較急的情況下不容易被沖散。在盾構(gòu)機(jī)盾體上注入此種溶液，一方面可以填充空隙，減少各方來(lái)水，另外一方面，由于其在一次溶解后不產(chǎn)生固結(jié)，對(duì)盾體不會(huì)產(chǎn)生裹緊狀態(tài)，因此，在一定程度上，可以實(shí)現(xiàn)封堵后方來(lái)水的功能，且能達(dá)到一定的實(shí)際效果，特別是在堆填砂漿的過(guò)程中能有效預(yù)防水泥漿液進(jìn)入盾體范圍，并由于此作用得到廣泛應(yīng)用。

在前盾1.11點(diǎn)位和中盾3.9點(diǎn)位的徑向孔注入惰性漿CMC。主要目的是填充盾體周邊空隙，有效阻隔后方來(lái)水進(jìn)入土倉(cāng)[6]。

6)加強(qiáng)管片二次補(bǔ)漿[7]

在地層裂隙水較大時(shí)，采取管片壁后大量堆填注漿。不同于一般的管片二次補(bǔ)漿時(shí)水泥漿和水玻璃同時(shí)注入的程序，注入步驟改為：在停止推進(jìn)時(shí)關(guān)閉所有的排水球閥，使地層斷裂帶裂隙水處于相對(duì)靜止流動(dòng)狀態(tài)，在-10環(huán)分別從1點(diǎn)、11點(diǎn)位同時(shí)注入2 m3水玻璃，接著注入水泥砂漿共40 m3(漿液進(jìn)行調(diào)整，增加骨料，增加稠度，粉煤灰300，砂700，水泥200，注入時(shí)，每立方米添加1～2 kg減水劑)，主要目的是經(jīng)過(guò)調(diào)整配合比的水泥砂漿稠度大、和易性好、流動(dòng)能力強(qiáng)(注入后不易被水稀釋)，先注入水玻璃與地層裂隙水混合，再注入砂漿，可以延長(zhǎng)雙液漿的初凝時(shí)間，讓漿液在管片壁后有足夠的時(shí)間擴(kuò)散流動(dòng)，通過(guò)大量堆填，可以讓漿液形成有效封閉環(huán)。漿液的配合比在實(shí)際堆填過(guò)程中根據(jù)初凝時(shí)間的形狀及時(shí)調(diào)整，需要達(dá)到的雙液漿狀態(tài)應(yīng)該是具有一定的流動(dòng)性，初凝時(shí)間應(yīng)該在20～30 s之間，通過(guò)管底的充分混合后，經(jīng)過(guò)管片預(yù)留孔注入管片與圍巖的裂隙中，同時(shí)擴(kuò)散到兩個(gè)注漿孔之間至少一半的距離，才能達(dá)到封閉堆填的效果[8-10]。

7)具體掘進(jìn)過(guò)程操作步驟[11]

① 每環(huán)的第1車，2條排水管打開、刀盤不轉(zhuǎn)、螺旋機(jī)(約10轉(zhuǎn))排渣至土倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有渣土(判斷依據(jù)為螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速15+都關(guān)不住水)，目標(biāo)排3斗再轉(zhuǎn)刀盤推進(jìn)(看實(shí)際情況、不能少于2斗)。

② 從第2車開始，每1車都是2條排水管打開、刀盤不轉(zhuǎn)、螺旋機(jī)(約10轉(zhuǎn))排渣至土倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有渣土(判斷依據(jù)為螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速15+都關(guān)不住水)，目標(biāo)排2斗再轉(zhuǎn)刀盤推進(jìn)(看實(shí)際情況、不能少于1斗)。

③ 推進(jìn)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速1.5(出渣以不大于10 cm為特征現(xiàn)象，如較多大于10 cm的石頭出現(xiàn)，逐漸加快刀盤轉(zhuǎn)速至1.8)，扭矩上限為6，速度能推多快就多快，每推30 cm就停止推進(jìn)繼續(xù)排完渣土(判斷依據(jù)為螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速15+都關(guān)不住水)，目的是防止2點(diǎn)位的排水管被堵(可視實(shí)際渣土濃度停止推進(jìn)先排渣，但長(zhǎng)度不能大于30 cm)[12]。

④ 推進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)土壓突然上漲至1.2 bar或者噴得嚴(yán)重時(shí)，及時(shí)檢查2點(diǎn)位的排水管是否堵塞(專人蹲守，及時(shí)搖動(dòng)12點(diǎn)位和2點(diǎn)位的4寸碟閥，減少堵塞幾率)，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時(shí)及時(shí)停止推進(jìn)，排渣或通管后再推進(jìn)。

5 掘進(jìn)效果及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

采取此系列措施，是在推進(jìn)過(guò)程中主要控制要點(diǎn)為排水和堵水相結(jié)合原則，盡可能減少斷裂帶水系進(jìn)入艙內(nèi)的水量，從而減少盾尾漏漿和螺旋機(jī)噴涌的不利影響。

依據(jù)此原則，各項(xiàng)措施根據(jù)不同的條件單獨(dú)或者相互結(jié)合采用，盾構(gòu)在通過(guò)這一連續(xù)斷裂帶過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)相對(duì)可控，推力保持在1 600～2 400 t，扭矩控制在3 000～6 500 kN·m，上部土壓力保持在0.4～0.8 bar，可以保持速度在10～25 mm/min之間[13]。土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)水量也逐步減小，推進(jìn)過(guò)程中切削下來(lái)的渣土能與水中和，出渣開始順暢。

在拼裝管片、換車以及設(shè)備故障時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)還是會(huì)大量進(jìn)水，為保證推進(jìn)過(guò)程出渣順利，采取如下措施：

1)推進(jìn)時(shí)采取低土壓推進(jìn)，盡可能地降低土倉(cāng)內(nèi)渣位，使推力減小、刀盤扭矩減小，進(jìn)而保護(hù)刀具，必要時(shí)在出土性狀能達(dá)到泥漿性能時(shí)采取氣壓輔助掘進(jìn)[14]。

2)在管片后-3至-4環(huán)位置裝球閥進(jìn)行開孔排水泄壓；停機(jī)時(shí)采用憋土保壓且及時(shí)加氣輔助保壓至1.6～2.0 bar，防止外部裂隙水在停機(jī)過(guò)程中涌進(jìn)土倉(cāng)[15]。

3)推進(jìn)過(guò)程中在管片-8～-10環(huán)進(jìn)行二次補(bǔ)漿堆填9 m3/環(huán)，每20環(huán)做3環(huán)的封閉環(huán)(多孔管片處于-8～-10環(huán)時(shí)，對(duì)所有注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)漿，自下而上，跳孔交替，每環(huán)至少4個(gè)孔，每孔2～3 m3)。

自此，各項(xiàng)措施在過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行，每日掘進(jìn)精細(xì)控制，反復(fù)掘進(jìn)的過(guò)程中也順利通過(guò)了此區(qū)間最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

歷經(jīng)25天，穿山段土壓盾構(gòu)機(jī)順利通過(guò)此段連續(xù)性斷裂帶水系，區(qū)間110環(huán)前后影響，日均4.4環(huán)8 m的進(jìn)度。

廣東地區(qū)山體隧道裂隙發(fā)育，斷裂帶較多，特別是在粵東水資源配置工程中，盾構(gòu)隧洞也將替代傳統(tǒng)的鉆爆開挖方式。遇到的不良地質(zhì)，特別是在穿山越嶺的隧洞開挖過(guò)程中所能預(yù)見(jiàn)性的斷裂帶水系發(fā)育所帶來(lái)的施工的影響，本文也專門提供了一些措施以作參考，后續(xù)隨著科技的進(jìn)步，這些措施也將在一次又一次的工程實(shí)踐中得到優(yōu)化和深化，更好地解決工程中遇到的各種各樣的難題。