復合式TBM穿越富水地層常見危害及解決辦法

楊　帆

(重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司　重慶　401122)

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復合式TBM穿越富水地層常見危害及解決辦法

楊帆

(重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司重慶401122)

以重慶軌道交通6號線二期復合式TBM(全斷面隧道鉆掘機)試驗段工程蔡家段為例，分析復合式TBM在穿越富水地層時常見的掘進參數異常、反復噴渣、管片滲漏水嚴重及異常上浮、自旋轉等問題的危害，認為保證復合式TBM安全穿越富水地段的關鍵就是控制地下水涌入，并探討控制地下水涌入的具體辦法。關鍵詞城市軌道交通；復合式TBM；穿越；富水地層

隨著社會的發展和中國城市化進程的展開，軌道交通已成為城市基礎設施的重要組成部分。而復合式TBM施工因其具有成型好、適應面廣、對地層軟硬通吃、自動化程度高、施工安全、掘進快速、對周邊環境影響小等優點，而迅速在城市軌道交通施工中得到廣泛應用[1]。

但復合式TBM作為改進后的盾構，在穿越江、河、湖泊等富水地層時，仍存在掌子面失穩、掘進噴渣、管片上浮、旋轉現象嚴重、隧道滲漏水較大等問題。筆者以重慶軌道交通6號線二期復合式TBM試驗段蔡家段工程為例，詳細闡述復合式TBM在穿越富水地層時的常見危害，分析探討復合式TBM穿越富水地層時的具體辦法及技術控制要點。

1　工程概況

曹家灣站—蔡家站復合式TBM區間隧道位于重慶市北碚區蔡家組團，起于蔡家鎮雙碑村雙碑水庫旁，終點接蔡家鎮蔡家站。隧道采用盾構工法掘進施工，使用機械為復合式TBM。該機械與復合式盾構構造及原理相近，均為城市地鐵硬巖隧道施工而研發的一種隧道掘進機，其將軟土掘進機(盾構)與硬巖掘進機(TBM)的功能進行了綜合，配有大功率推進油缸及復合刀盤，具有一機三模式功能(土壓平衡式、開敞式、半開敞式)[2]，并配有自動導向系統、隨動鉸接裝置、可分區控制推進油缸，具有適應地層廣、掘進速度快等特點。

該區間隧道穿越地層大部分為砂巖，隧道埋深5.9～30.8 m，長1 777.043 m，期間需側穿雙碑水庫水文影響范圍(約390 m)。沿線最小轉彎半徑為500 m，長855 m。設計最大縱坡為-27‰，豎曲線一般地段半徑為5 000 m，困難地段采用3 000 m。隧道具有小半徑和大坡度等特點，易導致拼裝成型的管片因一側間隙過大而發生隧道滲漏水。

2　水文情況

該區間隧道所屬場地隸屬淺丘溝谷地貌，丘包與溝槽相間分布。場區地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發育程度控制，為大氣降雨和地面水體滲漏補給，水量大小與降水因素關系密切，受氣候和季節性變化較大。特別是起點段鄰近雙碑水庫段主要為砂巖，受水體浸潤影響存在潛在水位，水量豐富、水壓較大[3]。

根據沿線地下水的賦存條件、水理性質及水力特征，沿線地下水可劃分為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。其中，松散層孔隙水均為潛水，該地下水在原始地形為溝、槽的人工填土層和殘坡積層中分布不連續，動態變化幅度大，水質成分由含水介質的性質決定，水量大小受地貌和覆蓋層范圍、厚度、透水性制約，主要由大氣降水補給，受季節、氣候影響大。

基巖裂隙水則包括風化裂隙水和構造裂隙水。風化裂隙水分布在淺表層基巖強風化帶中，為局部上層滯水或小區域潛水，水量小，受季節性影響大，各含水層自成補給、徑流、排泄系統；構造裂隙水分布于厚層塊狀砂巖層中，以層間裂隙水或脈狀裂隙水的形式儲存，砂質泥巖相對隔水，水量稍小，動態不穩定。該類地下水主要賦存于基巖裂隙中，由于巖層傾斜，局部砂巖中的裂隙水具承壓性。該段地質勘察期間鉆孔抽水試驗詳見表1[4]。

表1　鉆孔抽水試驗成果

隧道距雙碑水庫岸邊最近處20 m，涌水量預測參見《鐵路工程地質手冊》[5]，隧道最大漏水量，有

(1)

式中：q0為水底隧洞施工中單位長度最大涌水量，m3/d·m；H為地表水體底部至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m；K為水體下部含水體的滲透系數，m/d；H0為地表水體的厚度距離,m；r0為洞身橫斷面換算成等價圓的半徑,m。

依據式(1)計算，該段隧道涌水量預測為290 m3/d。

3　穿越富水地層施工的常見問題

復合式TBM從曹家灣站始發后不久就進入受雙碑水庫影響的富水地層，在此地層掘進中多次出現異常，導致掘進困難，嚴重時影響到管片的成型質量。這些異常主要表現為：

1) 掘進時盾構姿態控制困難、刀盤掌子面多次出現失穩跡象、螺旋輸送機噴渣，軟土地層還會發生地面異常沉降等問題。

2) 拼裝后的管片在拖出盾尾后，開始出現較大面積滲漏水，嚴重時甚至發生帶壓力的噴水。

3) 區間已成型管片出現異常的大幅上浮，且管片自旋轉嚴重。雖然復合式TBM反復更換刀盤的旋轉方向，仍然無法改變管片的旋轉趨勢。

4　富水地段常見問題的危害及解決思路

4.1富水地段施工中常見問題的危害

富水地段復合式TBM掘進參數出現異常的主要原因就是因為地層中地下水含量過于豐富，且多帶有承壓性。因此，TBM掘進時掌子面會有大量的地下水涌入土倉，出渣時由于土倉水壓過大，導致泥水混合物從螺旋輸送機上口直接噴射而出，并將位于底部的管片吊裝機淹沒，使管片安裝作業無法正常進行，對洞內設備及施工人員安全構成了嚴重威脅。同時，噴涌而出的泥水混合物必須組織大量的人力、物力進行清除，否則無法進行管片拼裝作業，一般而言，掘進一環噴出的渣土清理工作需約2 d的時間，嚴重影響了施工進度，待管片安裝完成掘進下一環時，由于沒有堵住涌水源頭，導致土倉內又積滿地下水，出渣時同樣會出現噴渣現象。這樣周而復始的惡性循環，導致施工進入半停工狀態。除此以外，當掘進地層位于軟土地層時，大量的地下水涌出，還會導致刀盤所對應處的地面出現大面積沉降，將嚴重威脅到地面建筑及管線安全，發生噴渣時復合式TBM掘進的重要控制參數之一的出渣量無法控制[6]。

另一方面，大量的地下水涌入到管片與巖層之間的縫隙，會稀釋掘進時注入管片與巖層之間的同步漿液，使漿液很難凝固，最終導致漿液喪失防水與固結效果，并加劇管片的上浮，使之錯臺、破損。這不僅會嚴重影響管片的最終成型質量，更重要的是破壞了管片的整體防水、止水構造，使成型隧道出現大量滲漏水點，影響到運營安全[7]。

最后，管片的異常上浮、旋轉，會導致盾尾上部間隙過小，進而使TBM掘進姿態控制困難，在管片姿態與地下水的共同作用下，甚至會導致TBM一直“栽頭”掘進，嚴重影響到隧道最終的線形控制[8]。

4.2整體解決思路

復合式TBM通過富水地段困難的主要原因在于巖層中地下水過于豐富，因此要想順利地掘進就必須控制地下水的涌入。具體而言，首先要盡可能地封堵掌子面周邊地下水的涌入、降低土倉內渣土的含水量，使出渣時盡可能少地帶走地下水，避免在刀盤處形成地下水的漏斗口，以免危及周邊地面建(構)筑物的安全；其次，需在管片周圍構筑穩固的止水帶，使之形成密閉空腔，這樣才能通過同步漿液填充盾尾環形空隙，并給予其凝固時間，使同步漿液能夠成為隧道的防水屏障，并使管片與周圍巖體一體化。

5　穿越富水地段的具體辦法

基于以上思路，可將復合式TBM掘進分為3個階段(掘進前、掘進中、掘進后)進行防水、止水。

5.1掘進前的超前預加固

1) 超前注漿原理：要保證復合式TBM正常掘進，必須盡可能封堵地下水的涌入，并使管片周圍無補給水。因此，需對掌子面開挖輪廓四周的圍巖進行超前注漿止水處理，以盡量減少地下水涌入土倉；同時超前注漿也可以保證掘進開始后無補給水進入已拼裝成型的管片周圍。

2) 超前注漿方法：一般在復合式TBM設計時，都在中盾位置預留了6根φ114 mm的超前注漿孔。因此，可通過這6個注漿孔，采用鉆孔形式打超前注漿孔，并利用注漿機進行超前注漿加固處理，保證在開挖輪廓外形成一道止水環，達到止水目的，確保下一步掘進施工的正常進行。

3) 超前注漿參數：采用潛孔鉆通過6根預留注漿孔打設φ65 mm鋼花管，一次打孔長度為10～15 m，采用雙液注漿機注入1∶1水泥-水玻璃進行超前注漿(地下水異常豐富時也可采用聚氨酯)止水處理，注漿壓力達到設計值后停止注漿，待漿液凝固后恢復掘進，超前注漿止水長度暫定為10 m。

4) 在進行超前注漿時，實驗室根據現場試驗來確定雙液漿的凝膠時間，凝膠時間的選擇不得超過5 min，但也不宜小于60 s。凝膠時間太長，達不到止水效果，凝膠時間太短，注漿管路容易堵塞(見圖1)。

圖1　超前注漿

5) 注漿效果檢查：注漿加固作業完成后進行開倉檢查，檢查內容為地層加固后的穩定性及涌水量。檢查的總涌水量要求小于30 m3/h，并要求掌子面穩定，則可進行下步施工；若盾構涌水量大于30 m3/h，則應根據地下水來源再次進行封堵。

5.2掘進中的參數控制及高分子聚合物的摻入

1) 控制原理：為保證復合式TBM順利通過富水地段，施工中應積極調整復合式TBM掘進參數，采用諸如：土壓平衡模式、低姿態掘進(掘進中線低于隧道中線掘進)、適當增加土倉土壓力、減少出渣量(原則上按理論出渣量出渣，可適當欠挖，保持土體的密實，以免地下水滲透入土體并進入土倉)、均衡快速掘進；同時，針對土倉中地下水較多的特點，可通過注入高分子材料來改良開挖后的土體，改善開挖土體的流塑性、滲透性等，從而有效地防止螺旋機噴涌狀況的發生。

2) 參數控制要點：通過加快掘進速度、調整出渣量、注入高壓空氣等方式加大土倉土壓，使土倉內土壓力值大于靜水壓力和地層土壓力之和，以減少地下水涌入土倉；同時，出渣時應注意調整螺旋輸送機轉速，適當地減小出渣量，使切削的土體可以起到一定的阻水效果。

3) 高分子聚合物的摻入[9]：參數調整必須配合土體改良同步進行，這是因為盡管可以通過調整土壓、增大土倉內切削土體量起到一定的平衡阻水作用，但由于砂巖中孔隙率較大(細砂成分少)、滲透性較好、受擾動后易水土分離、無法阻止地下水侵入。因此，要滿足掘進中封堵地下水涌入的要求，必須通過注入高分子聚合物來改善開挖土體的流塑性、滲透性。

5.3掘進后的聚氨酯及雙液漿注入

1) 注漿思路：通過掘進前超前注漿及掘進中的參數調整，雖阻擋地下水涌入土倉造成掘進困難及“噴渣”，但無法阻止地下水涌入到成型管片與巖層之間的縫隙，稀釋掘進時注入的同步漿液，造成管片上浮并侵入隧道；因此，為保證隧道防水效果，有必要在掘進通過該段后，先灌注聚氨酯形成穩固的止水帶，再通過雙液漿的二次補注填充、密實管片與巖體之間的縫隙。最終凝結的漿液將作為復合式TBM施工隧道的第一道防水屏障，增強隧道的防水能力，也將為管片提供早期的穩定，并使管片與周圍巖體一體化，這有利于管片上浮的控制，并能確保區間隧道的最終穩定。

2) 聚氨酯優點：聚氨酯遇水后自行分散、乳化、發泡，立即進行化學反應，形成不透水的彈性膠狀固結體，有良好的止水性能；漿液遇水反應形成彈性固結體物質的同時，釋放CO2氣體，借助氣體壓力，漿液可進一步壓進結構的空隙，使多孔性結構或地層能完全充填密實，具有二次滲透的特點；漿液的膨脹性好，包水量大，具有良好的親水性和可灌性，同時漿液的黏度、固化速度可以根據需要進行調節；不用開槽,不會破壞結構體,而且可以帶水帶壓施工,可縮短工期。

3) 施工方法：以管片有滲漏、涌水的位置為中心，對中心點前后各10環管片，每隔3環進行一次灌注聚氨酯，以形成封堵地下水的止水帶；封堵完成后，對止水帶之間的管片采用雙液漿進行二次補強注漿，以便漿液填充空隙，使管片四周形成完整的防水屏障，封堵地下水的涌入，從而達到止水目的(見圖2)。。

圖2　掘進后注漿孔位布置

6　結語

富水地段掘進時如何控制地下水涌入是復合式TBM掘進施工的一個難題，也是保證施工質量的關鍵所在。一般而言，如果條件允許或長距離掘進時，在富水地層尤其是高富水砂層中應優先選用泥水平衡式盾構，但當條件不允許或在富水地段短距離掘進而選用復合式TBM掘進時，絕對不能麻痹大意[10-11]。應事先制定較為完善的針對性施工方案，并采取配套 性 措 施，對施工過程嚴格實施動態管理，可以做到減小地下水的危害，其隧道的施工質量及施工安全也可以得到保證。

[1] 王俊.復合式TBM在重慶地鐵實踐中的關鍵技術研究[J].現代隧道技術,2011(6):88-93.

[2] 李洪祺.復合式TBM在重慶地區復合地層的適應性分析[J].建筑與工程,2011(9):678-683.

[3] 重慶軌道交通(集團)有限公司.重慶軌道交通六號線二期工程曹家灣站巖土工程詳細勘察報告[R].重慶,2010.[4] 重慶軌道交通(集團)有限公司.重慶軌道交通六號線二期工程曹家灣站—蔡家站區間巖土工程詳細勘察報告[R].重慶,2010.

[5] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京: 中國鐵道出版社, 1999:191-197.

[6] 朱偉,秦建設,魏康林.土壓平衡盾構噴涌發生機理研究[J].巖土工程學報,2004(5):589-593.

[7] GB 50299—1999 地下鐵道工程施工及驗收規范[S].北京: 中國計劃出版社,1999.

[8] 常江，趙一，王巖.盾構隧道管片上浮原因分析及控制措施[J].隧道與地下工程,2010(3): 123-125.

[9] 吳群慧.新型泡沫材料在土壓平衡盾構穿越富水砂性地層中的研制與應用[J].鐵道標準設計,2006(8):54-57.

[10] 周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京: 中國建筑工業出版社, 2004:32-36.

[11] 蘇明輝,張朋.重慶地鐵六號線隧道掘進機選型[J].都市快軌交通,2009,2(2):80-82.

(編輯：郝京紅)

Common Harms of Composite TBM Crossing Water-rich Rock Formation and the Countermeasures

Yang Fan

(Chongqing Rail Transit Design and Research Institute, Chongqing 401122)

Taking the TBM embankment engineering in Caijiaduan part in the second phase of Chongqing Rail Transit Line 6 as an example, the paper analyzes the common harms like tunneling parameters abnormality, repeatedly sprayed slag, serious segment seepage, abnormal rising, and spinning happening when the composite TBM ,the whole section tunnel drilling and digging machine, crosses the water formation. It is put forward that secure compound TBM through rich water area is the key to control the influx of the groundwater. The concrete methods of how to control the groundwater inflow are discussed.

urban rail transit; composite TBM; crossing; water-rich rock formation

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.023

2014-03-13

2014-04-21

楊帆，男，工程師，長期從事地下工程與城市軌道交通工程的施工、管理、設計工作，yangfan19800304@163.com

U231.3

A

1672-6073(2015)01-0101-04