溫文兵

(福州地鐵集團(tuán)有限公司,福建 福州 350001)

1 概述

近年來,隨著我國各大城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市軌道交通工程的發(fā)展迅速,在軌道交通的建設(shè)中，盾構(gòu)法因其對周邊環(huán)境影響小、施工進(jìn)度快、施工更安全等特點，成為城市隧道建設(shè)中的主要施工方法。而在富水復(fù)合地層條件下盾構(gòu)隧道工程遇到的各類問題也越來越突出[1],土壓平衡盾構(gòu)在富水復(fù)合地層中掘進(jìn)時，受大量地下水的影響，常常遭遇掘進(jìn)困難，螺旋輸送機(jī)噴涌，注漿效果不理想，造成渣土處理量加大，管片姿態(tài)不易控制,拼裝完成后易發(fā)生盾尾后方隧道上浮、成型隧道偏離設(shè)計軸線、管片碎裂與滲漏等問題，甚至造成隧道貫通后需要進(jìn)行大范圍調(diào)線調(diào)坡[2]，對工程安全、進(jìn)度、質(zhì)量及安全文明施工帶來巨大挑戰(zhàn)。

對于富水復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)隧道工程很多學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究，戴志仁[3]針對蘭州地鐵1號線盾構(gòu)下穿黃河隧道工程，對管片荷載模式與結(jié)構(gòu)選型方面進(jìn)行了研究，明確了高水壓下管片防水與耐久性控制因素；王強(qiáng)[4]基于山西省小浪底引黃工程引水干線盾構(gòu)隧道工程，建立了復(fù)雜富水地層下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度及刀盤扭矩的數(shù)學(xué)模型，得到刀盤總推力、盾體鉸接總力度和刀盤轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速度成比例關(guān)系；胡欣雨等[5]針對富水砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)遇到的刀盤與螺旋機(jī)磨損嚴(yán)重、排土困難及開挖面難以平衡等情況，提出了加泥式土壓盾構(gòu)與欠壓掘進(jìn)方法，在一定程度上提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率、減小了施工擾動；楊志團(tuán)[6]對高壓富水砂卵石地層條件下的盾構(gòu)管片內(nèi)力與防水機(jī)理進(jìn)行了深入研究，明確了單層襯砌的合理性；羅松等[7]提出了富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表滯后沉降的主要誘因及其應(yīng)對措施，對實際工程具有一定的指導(dǎo)意義。這些既有研究成果主要集中在數(shù)值計算及地層穩(wěn)定性控制與盾構(gòu)掘進(jìn)效率方面，本文以福州地區(qū)復(fù)合地層盾構(gòu)區(qū)間為基礎(chǔ)，通過梳理總結(jié)排水、施作止水環(huán)以及設(shè)備改造等措施，有效降低了地下水對掘進(jìn)的影響,為后續(xù)類似地層掘進(jìn)提供參考依據(jù)。

2 富水復(fù)合地層盾構(gòu)施工面臨的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)效率低且設(shè)備損耗大

在節(jié)理裂隙較發(fā)育，滲透系數(shù)較大，地下水豐富，氣密性差，土體中黏性顆粒少、松散無黏結(jié)力的復(fù)合地層，在豐富的(承壓)地下水作用下，渣土難以在土倉內(nèi)形成流塑狀，渣土通過螺旋機(jī)排出土倉過程中，難以在螺旋機(jī)內(nèi)形成有效的“土塞”效應(yīng)[8]，由于地下水源源不斷的匯集至刀盤前方，造成土倉內(nèi)水壓較大，排土過程中易發(fā)生噴涌，掘進(jìn)過程中經(jīng)常陷入“掘進(jìn)-噴涌-清渣-管片安裝”這一惡性循環(huán)中。同時由于出渣不易控制，容易發(fā)生超排現(xiàn)象，注漿方式不正確或注漿不及時容易引發(fā)地面沉降甚至地表塌陷這一嚴(yán)重后果。由于噴涌造成拼裝前需要花費大量的時間人工清理渣土，從而長時間停機(jī)，無法形成連續(xù)掘進(jìn),從而又進(jìn)一步加劇了刀盤前方水流匯集，且影響了同步注漿及二次注漿的施工，這不但嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，而且因地下水問題造成的掘進(jìn)效率低下且注漿不及時問題又為地表沉降埋下了隱患。通過分析梳理福州地區(qū)在類似地層的掘進(jìn)功效，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)陷入此類惡性循環(huán)中時，平均每天的掘進(jìn)環(huán)數(shù)僅為1環(huán)。在砂層，粉細(xì)砂層及砂卵石地層組成的復(fù)合地層中，噴涌現(xiàn)象與流土破壞機(jī)理類似，都是由于滲流引起土顆粒懸浮和移動造成的，在這種情況下，大水壓造成的噴涌容易引發(fā)地表沉降，由于掘進(jìn)的不連續(xù)，且氣壓輔助無法實現(xiàn)時，為保證安全時常會提高倉位甚至滿倉掘進(jìn)，在推力扭矩都增大的情況下采用滿倉掘進(jìn)的方式將進(jìn)一步加劇盾構(gòu)參數(shù)的惡化，造成刀具磨損。

2.2 隧道成型質(zhì)量受到嚴(yán)重影響

由于地下水位較高，地層滲透系數(shù)大，管片壁后水壓較大(見圖1)，這直接影響了盾尾同步注漿填充效果。同步注漿的漿液細(xì)顆粒還未凝固就被管片后方水流全部沖入土倉內(nèi)，無法起到填充間隙作用，在地下水的作用下將造成管片出現(xiàn)上浮的現(xiàn)象，當(dāng)管片上浮量超過10 cm時，不僅會形成較大錯臺、引發(fā)滲漏水等嚴(yán)重的質(zhì)量問題，而且將導(dǎo)致隧道貫通后需要進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡。

3 原因分析

1)在類似區(qū)段范圍內(nèi)，隧道洞身范圍內(nèi)下伏基巖為安山質(zhì)凝灰?guī)r及燕山期侵入巖，裂隙發(fā)育，局部巖體呈碎裂狀，施工過程中曾多次出現(xiàn)漏漿，尤其是侵入巖與圍巖結(jié)合部漏漿嚴(yán)重，其破碎～較破碎巖體中風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙處有地下水分布，其透水性及賦水性受裂隙連通性、充填物及補給來源等因素控制，水量貧富不均，巖面起伏較大，局部基巖埋藏淺，枯水期一般水量不大，但豐水期在大氣降水、上層潛水補給下水量較大，其余較為完整的巖體中透水性和賦水性均較差?；鶐r裂隙水主要接受上覆松散層中孔隙潛水、大氣降水的入滲補給及場區(qū)外地下水、地表水體的側(cè)向入滲補給，排泄方式主要為側(cè)向徑流、人工開采。根據(jù)詳勘資料結(jié)合開倉檢查結(jié)果，類似區(qū)段巖石裂隙發(fā)育，局部巖體呈碎裂狀，裂隙發(fā)育，地下水位高，水壓高，此類地層地下水容易從刀盤與盾體的間隙匯入刀盤(見圖2)。

本區(qū)段地層情況為：③-1b1+2層粉質(zhì)黏土：灰黃色、黃灰色夾灰色，可塑～硬塑，標(biāo)貫為7左右，含鐵錳質(zhì)浸染及斑點，夾雜藍(lán)灰色條帶，切面稍光滑，韌性及干強(qiáng)度中等。該層間斷分布于低洼地段，工程地質(zhì)性能一般。③-2b3層粉質(zhì)黏土：灰色、黃灰色，軟塑，局部流塑，粉質(zhì)含量高，土質(zhì)不均，夾粉土，含腐殖質(zhì)，標(biāo)貫僅在3左右。該層間斷分布于低洼地段，工程地質(zhì)性能較差，距離隧道頂板較近時易引起地面沉降變形。④-1b1+2層粉質(zhì)黏土：灰黃色、褐黃色夾黃灰色，可塑～硬塑，局部為黏土，土質(zhì)較均勻，標(biāo)貫在14左右，含鐵錳質(zhì)浸染及結(jié)核，偶含鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑5 mm～10 mm，底部混少量砂顆粒及卵、礫石。該層分布普遍，僅少量孔缺失，厚度大，強(qiáng)度較高，中偏低壓縮性，是較好的天然地基持力層，工程地質(zhì)性能較好。據(jù)膨脹試驗，該層自由膨脹率為38%～42%，具弱膨脹性。④-4e1+2層卵、礫石夾粉質(zhì)黏土：雜色，以灰色、灰黃色為主，中密～密實，卵、礫石粒徑一般10 mm～60 mm左右，最大粒徑超過10 cm，成分為石英質(zhì)，亞圓形，一般含量約占50%～80%，黏性土混砂充填，局部含量略低，約占20%～40%，以黏性土混砂為主。該層大部分地段揭露，僅局部缺失，厚度變化大，受充填物影響成分較為復(fù)雜，中偏低壓縮性，工程地質(zhì)性能一般。該層在盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)，含承壓水，賦水性、透水性受充填物、補給來源等因素控制分布不均勻，水量較大時施工易出現(xiàn)涌水、流砂、坍塌，其中單塊卵、礫石抗壓強(qiáng)度高，抗磨性能強(qiáng)，對盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響較大。J3l-1全風(fēng)化安山質(zhì)凝灰?guī)r：灰紫色、灰黃色，原巖結(jié)構(gòu)已完全破壞，巖芯呈砂土狀，手捏即碎，浸水易軟化，夾強(qiáng)風(fēng)化巖碎塊。J3l-2強(qiáng)風(fēng)化安山質(zhì)凝灰?guī)r：灰紫色、灰黃色，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，殘余凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙極為發(fā)育，巖芯較破碎，呈塊狀及少量短柱狀，間隙為砂土狀風(fēng)化巖碎屑充填，巖芯錘擊聲啞、易斷。J3l-3中風(fēng)化安山質(zhì)凝灰?guī)r：青灰色夾紫色，殘余凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯較完整，呈柱狀、短柱狀，節(jié)長10 cm～40 cm，局部呈碎裂狀，巖芯破碎，呈碎塊狀，碳酸鹽化明顯，錘擊聲脆、不易碎。在該區(qū)域巖石抗壓強(qiáng)度較低，僅為12.5 MPa。δμ5-1全風(fēng)化閃長：玢巖灰黃色、黃灰色、灰白色，原巖結(jié)構(gòu)已完全破壞，巖芯呈砂土狀，手捏即碎，灰刀易切割，夾強(qiáng)風(fēng)化巖角礫、碎塊。δμ5-2強(qiáng)風(fēng)化閃長玢巖：灰黃色、黃灰色夾紫褐色，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯較破碎，呈塊狀及少量短柱狀，手折能斷，巖塊互擊聲啞、易斷。δμ5-3中風(fēng)化閃長玢巖：青灰色、灰色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石表面可見碳酸鹽細(xì)脈充填，巖芯較完整，呈柱狀、短柱狀，節(jié)長10 cm～120 cm，局部破碎，呈碎裂狀，錘擊不易碎。巖石抗壓強(qiáng)度較高，在75 MPa。各土層與巖層物理性質(zhì)見表1,表2。

表1 土層物理性質(zhì)表

表2 巖層物理性質(zhì)表

2)由于基巖裂隙水主要接受上覆松散層中孔隙潛水、大氣降水的入滲補給及場區(qū)外地下水、地表水體的側(cè)向入滲補給，施工區(qū)段地面河水有互聯(lián)，施工過程中，湖面出現(xiàn)大量氣泡，洞內(nèi)與湖面已有聯(lián)通空隙，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在該區(qū)域施工過程中，1個月期間，湖面水位共計下降15 cm，湖水的補給也是地下水較大的原因之一(見圖3)。

3)類似區(qū)段一般位于下坡段，進(jìn)一步加劇后方來水匯集至刀盤前方，同時，在施工前，若對地層的復(fù)雜性認(rèn)識不足，未提前施作止水環(huán)，易導(dǎo)致后期水量較大、水壓較高，無法有效的進(jìn)行封堵。

4 盾構(gòu)止水關(guān)鍵技術(shù)

為徹底有效的解決地下水難題，經(jīng)認(rèn)真分析總結(jié)梳理福州地區(qū)類似工程經(jīng)驗，根據(jù)疏排結(jié)合的原則，制定出了盾構(gòu)止水的關(guān)鍵技術(shù)：

1)隧道后方通過打開管片吊裝孔排水，以達(dá)到減少后方水流的目的；2)通過徑向孔注入聚氨酯，防止注入的雙液漿竄入刀盤前方；3)在刀盤與前盾之間的動間隙向前盾表面插入止?jié){板，然后固定在前盾內(nèi)側(cè)土倉壁上，進(jìn)一步防止?jié){液流竄至土倉內(nèi)，提高后方止水環(huán)施作質(zhì)量；4)注入雙液漿止水環(huán)箍。其中，詳細(xì)技術(shù)措施有以下幾點。

4.1 隧道內(nèi)主動排水

掘進(jìn)過程中，在連接橋、1號臺車、2號臺車范圍內(nèi)，主動打開管片吊裝孔，在吊裝孔處安裝球閥，而后卸掉地層中的水流(見圖4)，這在一定程度上減少了后方的水量，進(jìn)而保證了掘進(jìn)效率，但對隧道內(nèi)文明施工影響較大，且未能最終填充管片壁厚的空隙，對管片質(zhì)量及后期隧道成型質(zhì)量影響較大。故在采取該方法時，須利用吊裝孔接出的球閥，接水管路線，將水排在盾構(gòu)機(jī)本身的污水箱內(nèi)；同時，在排水過程中，加強(qiáng)管片的監(jiān)測工作，管片變形超過規(guī)范值后應(yīng)停止排水。

4.2 施工止水環(huán)

在類似地層施工中，要認(rèn)真分析及研究地質(zhì)勘查資料，在未出現(xiàn)大量地下水期間，提前做好管片后方止水環(huán)，根據(jù)目前經(jīng)驗，至少需提前50環(huán)進(jìn)行，且5環(huán)一道止水環(huán)。若在施工期間還是出現(xiàn)大量流水，考慮地下水處于流動狀態(tài)情況下，注漿止水效果較差，須對土倉進(jìn)行膨潤土砂漿回填，壓力大于地下水壓力0.2 bar，確保連接橋位置，地下水處于“停滯”狀態(tài)，同時為防止?jié){液流竄至土倉內(nèi)，在盾殼徑向注入聚氨酯進(jìn)行封堵水路(見圖5)，在連接橋位置(盾尾脫出5環(huán)～10環(huán))施作止水環(huán)，止水環(huán)每3環(huán)一道，漿液采用雙液漿，凝結(jié)時間為25 s左右最佳，注漿過程中需要進(jìn)行隔環(huán)跳孔注漿，同時，施工中加強(qiáng)對管片的監(jiān)測工作，注漿過程中，需打開吊裝孔進(jìn)行泄壓，每個孔遵循“少量多補，一孔多注、反復(fù)注漿”的原則。

4.3 設(shè)備改造

在刀盤與前盾之間的動間隙向前盾表面插入止?jié){板，然后固定在前盾內(nèi)側(cè)土倉壁上，進(jìn)一步防止?jié){液流竄至土倉內(nèi)，提高后方止水環(huán)施作質(zhì)量。以6 m級別常見盾構(gòu)機(jī)為例，刀盤開挖直徑為6 480 mm，前盾直徑為6 450 mm，因此前盾盾體表面與土層之間會有1 cm～2 cm的間隙。從刀盤與前盾之間的動間隙向前盾表面插入止?jié){板，然后固定在前盾內(nèi)側(cè)土倉壁上。該前盾止?jié){板由螺栓連接，在損壞或者脫落的情況下可以方便更換。止?jié){板必須要有優(yōu)異的彈性和耐磨性能，才能將刀盤的擴(kuò)挖部分密封住。在實際使用過程中，配合止水環(huán)雙液注漿有較好的止水止?jié){效果。

5 結(jié)語

以上施工經(jīng)驗主要遵循疏排結(jié)合、超前預(yù)防的原則，采用剛?cè)岵?jì)的方法，掘進(jìn)前施作止水環(huán)以減少后方來水；掘進(jìn)時引導(dǎo)水流防止噴涌，減少掉渣；設(shè)備增加防水設(shè)施。對于最終提高成型隧道質(zhì)量與文明施工，具有良好效果。對于今后類似地層中的土壓盾構(gòu)掘進(jìn)具有較高的指導(dǎo)意義。