吳志強(qiáng) 鄒樹(shù)梁

(1.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001; 2.衡陽(yáng)市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖南 衡陽(yáng) 421000)

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)水下隧道數(shù)量迅速增長(zhǎng)，由于施工周邊環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件差異較大、地下水影響等諸多原因，施工過(guò)程面臨的不確定性風(fēng)險(xiǎn)也較大。若水下隧道工程建設(shè)或維護(hù)不當(dāng)，常有突水涌水和突發(fā)性塌方事故發(fā)生，甚至誘發(fā)泥石流災(zāi)害。一旦事故發(fā)生，將造成嚴(yán)重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外跨江水下隧道建設(shè)施工中仍然發(fā)生了多起重大安全事故，較為典型的事故主要有：2012年，日本岡山縣倉(cāng)敷市一條海底隧道發(fā)生了掌子面失穩(wěn)塌陷、海水倒灌事故，其中隧道結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)機(jī)全部被海水淹沒(méi)，導(dǎo)致多人遇難；我國(guó)常熟電廠輸水隧道和松花江隧道發(fā)生了掌子面失穩(wěn)塌方、江水倒灌事故；南京長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江緯三路過(guò)江通道的建設(shè)過(guò)程中，發(fā)生了掌子面失穩(wěn)冒漿的險(xiǎn)情。為了降低盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)并有效控制風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)展，依托衡陽(yáng)市合江套湘江隧道工程，對(duì)施工過(guò)程中存在的重大風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和評(píng)估，并采取針對(duì)性的控制措施，確保項(xiàng)目建設(shè)安全有序進(jìn)行。

2 工程背景

衡陽(yáng)市合江套湘江隧道地處耒水、蒸水、湘江的回水口位置，隧道全長(zhǎng)2.27 km，采用雙向四車道，時(shí)速設(shè)計(jì)值為60 km/h，過(guò)江段采用盾構(gòu)法施工，開(kāi)挖直徑為11.81 m，分為南北兩線，南北線盾構(gòu)段總長(zhǎng)1 867 m，該段湘江寬度為610 m，最淺覆土深度僅為9.14 m，隧道自東向西掘進(jìn)，依次穿越湘江東大堤、湘江東路、湘江、湘江西大堤、濱江北路，效果圖見(jiàn)圖1。

3 風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

3.1 盾構(gòu)穿越大堤壩風(fēng)險(xiǎn)源

西岸大堤地層從上到下依次為粉砂質(zhì)黏土、圓礫、中砂及強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，盾構(gòu)穿越大堤主要位于圓礫、中砂及強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中，屬于上軟下硬復(fù)合型地層。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，圓礫層和中砂層由沖洪積形成，飽和狀態(tài)透水性強(qiáng)，隧道地層分布情況如圖2所示。

3.2 江底淺埋段盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)源

盾構(gòu)段大部分區(qū)域埋深均小于1倍洞徑，最淺埋深僅為9.14 m。江底淺埋段盾構(gòu)隧道主要穿越強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和粉質(zhì)黏土。其中強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖透水性較強(qiáng)，粉質(zhì)黏土穩(wěn)定性較差，因此，在這類地層中大直徑盾構(gòu)容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上浮、冒頂透水、冒漿、河床塌陷以及泥餅現(xiàn)象等事故的發(fā)生，影響施工安全及隧道順利貫通。針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)事件，結(jié)合案例事故及工程自身特點(diǎn)，辨識(shí)了合江套隧道江底淺埋段盾構(gòu)掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)源，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 隧道江底淺埋段盾構(gòu)掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

3.3 江底巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)源

根據(jù)該隧道地質(zhì)勘查結(jié)果，盾構(gòu)機(jī)在江底掘進(jìn)時(shí)，附近可能存在大小不一溶洞區(qū)，分布情況見(jiàn)圖3，主要分布范圍在Kn4+150～Kn4+360之間，溶洞發(fā)育不規(guī)律，詳勘鉆孔中所揭示的溶洞高在0.6 m～11.6 m之間，頂板埋深在29.1 m～52.2 m之間，標(biāo)高在5.15 m～23.11 m之間，其風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別見(jiàn)表2。

表2 隧道巖溶區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

4 施工風(fēng)險(xiǎn)處治

4.1 盾構(gòu)穿越大堤壩風(fēng)險(xiǎn)處治

根據(jù)工程特點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，擬采用三重管高壓旋噴樁對(duì)大堤漫灘進(jìn)行加固。首先進(jìn)行旋噴樁的試樁，采用類似工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，試樁達(dá)到齡期要求后，測(cè)量成樁直徑，再進(jìn)行取芯檢測(cè)，試樁成樁直徑滿足要求后可以用該參數(shù)，如不滿足，則應(yīng)調(diào)整參數(shù)再次進(jìn)行試樁，直至滿足要求。

鉆機(jī)就位后，在地面進(jìn)行漿、水、氣試噴，檢查各項(xiàng)工藝參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后將噴射管下至設(shè)計(jì)高度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢人員確認(rèn)后方可進(jìn)行高壓旋噴樁施工，噴射過(guò)程中如果遇到特殊情況，應(yīng)將噴射管提出地面進(jìn)行處理，處理好后再進(jìn)行施工。在地面制漿后臺(tái)按照設(shè)計(jì)配合比拌制水泥漿和水玻璃水溶液，并計(jì)算漿液從后臺(tái)至噴嘴所需時(shí)間，參照該時(shí)間經(jīng)試驗(yàn)確定水泥漿液和水玻璃溶液的摻入體積比。在輸漿泵和輸水泵上安裝流量計(jì)，調(diào)節(jié)輸漿泵的電流大小使泵送至的水泥漿和水玻璃溶液比例符合設(shè)計(jì)要求。按照設(shè)計(jì)提速邊噴漿邊提升至設(shè)計(jì)強(qiáng)透水層頂標(biāo)高。施工工藝見(jiàn)圖4。

4.2 江底淺埋段掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)處治

由于最淺覆土深度僅為9.14 m小于盾構(gòu)1倍洞徑，盾構(gòu)施工對(duì)土體擾動(dòng)較大，為隧道整體上浮創(chuàng)造了條件。為防止上浮現(xiàn)象發(fā)生，采用改進(jìn)的壁后注漿工藝，具體如下：盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中壁后注漿分三步進(jìn)行，第一步：通過(guò)盾尾注漿孔在盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)對(duì)盾尾中部進(jìn)行壓注砂漿，保證管片中部以下填充密實(shí)，以防止管片脫出盾尾后下沉，造成管片破損和滲漏水；第二步：每掘進(jìn)10環(huán)構(gòu)成封閉環(huán)，在每個(gè)封閉環(huán)的起止環(huán)頂部預(yù)留注漿孔開(kāi)孔注雙液漿，形成封閉環(huán)，以防止補(bǔ)充注漿漿液進(jìn)入循環(huán)泥漿，造成漿液流失；第三步：封閉環(huán)形成后，在第五環(huán)管片的頂部預(yù)留注漿孔進(jìn)行開(kāi)孔注砂漿，及時(shí)對(duì)管片頂部間隙進(jìn)行填充。以上注漿步驟能保證壁后注漿密實(shí)度，有效地控制盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中引起地面沉降、管片上浮和減少滲漏水。施工工藝如圖5所示。

4.3 盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)風(fēng)險(xiǎn)處治

針對(duì)隧道主線穿越的5處溶洞區(qū)，采取灌注擠壓法置換江底溶洞低密度充填物方式對(duì)溶洞空腔進(jìn)行填充加固。首先搭建水上作業(yè)平臺(tái)，鉆孔后用鋼護(hù)筒護(hù)孔，采用兩根注漿管+1根封孔管組成漿液置換循環(huán)系統(tǒng)，先用雙液漿封孔，形成密閉環(huán)境后，再穩(wěn)固溶洞邊界，最后進(jìn)行灌注擠壓法置換低密度充填物施工。水泥漿從φ25的注漿管進(jìn)入，通過(guò)φ50的注漿管底部小孔流入溶洞空腔，將其填充，再?gòu)膬晒芸障读鞒?，形成漿液循環(huán)，在注漿管處放置壓力表進(jìn)行注漿和排漿壓力控制，流量之差即為溶洞內(nèi)填充的水泥漿方量。其注漿填充加固示意圖見(jiàn)圖6。

5 結(jié)語(yǔ)

依托衡陽(yáng)合江套湘江隧道工程實(shí)例，分析了該工程的三大施工風(fēng)險(xiǎn)源，分別是盾構(gòu)穿越大堤壩風(fēng)險(xiǎn)、淺埋段盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)和盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防控措施。經(jīng)實(shí)踐，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中安全平穩(wěn)，未出現(xiàn)上浮、陷落、沉降等現(xiàn)象，也表明防控措施的有效性。后續(xù)將繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化施工工藝，切實(shí)達(dá)到綠色環(huán)保、安全經(jīng)濟(jì)的施工目標(biāo)。