復(fù)雜軟弱富水塌方地層TBM清倉脫困技術(shù)研究

周澤民

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065200）

0 引言

隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)環(huán)境越來越復(fù)雜，特別是沿海城市發(fā)展過程中受陸地面積限制，向海上填海造陸，形成濱海堆積區(qū)，在此類地層中采用TBM修建地鐵時(shí)易出現(xiàn)涌水塌方，設(shè)備卡死被困。與以往研究不同，本文主要針對TBM濱海堆積區(qū)掘進(jìn)時(shí)由于涌水塌方被困的情況進(jìn)行研究，以青島地鐵1號線1工區(qū)安—薛區(qū)間TBM始發(fā)被困為例，總結(jié)提出了一套濱海堆積區(qū)復(fù)雜軟弱富水地層TBM前方近距離加固構(gòu)建安全穩(wěn)定地下進(jìn)倉作業(yè)空間技術(shù)。

1 項(xiàng)目概況

青島市地鐵1號線土建施工一標(biāo)一工區(qū)地處青島市黃島區(qū)。起于井人區(qū)間商業(yè)開發(fā)交界處至薛家島站（不含），薛瓦區(qū)間風(fēng)井止。其中暗挖礦山法區(qū)間長度左右線合計(jì)1212m，明挖礦山法區(qū)間236.5m，TBM區(qū)間長度左右線合計(jì)6.72km，采用2臺改良型雙護(hù)盾TBM施工，襯砌采用管片襯砌模式。

安子?xùn)|站—薛家島站區(qū)間由安子?xùn)|站（明挖車站）出發(fā)，沿新港山路前進(jìn)穿過北輔路及濱海大道后沿南輔路下方鋪設(shè)到達(dá)薛家島站（暗挖拱蓋法車站），區(qū)間全長為1757.950m；區(qū)間臨近安子?xùn)|站大里程端采用明挖施工（236.550m），在明挖區(qū)間大里程端設(shè)置一座TBM始發(fā)井，采用礦山法施工TBM始發(fā)洞（15.000m）；臨近薛家島站小里程端采用礦山法施工TBM接收洞（5.000m）；其余區(qū)間采用TBM施工。

根據(jù)地勘資料顯示：TBM始發(fā)約100m范圍掘進(jìn)地層為強(qiáng)風(fēng)化石英，二長巖為粒狀結(jié)構(gòu)，遇水易軟化。根據(jù)安薛明挖基坑開挖揭露，雜填土層中含填石層，層厚約2～4m，填石最大粒徑約70cm。

安—薛區(qū)間右線掘進(jìn)18.9m，刀盤上方突發(fā)涌水，伴隨地面出現(xiàn)塌陷，前期涌水量約2400m3·h-1；后期水量逐漸減小至500m3·h-1，刀盤倉被塌方體填滿，TBM隧道被淹，同時(shí)左線也被迫停機(jī)。TBM涌水、塌方被困現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 TBM涌水、塌方現(xiàn)場情況

2 TBM被困原因分析

綜合本工程地質(zhì)情況分析，出現(xiàn)涌水塌方，TBM受困原因分析如下：

（1）TBM掘進(jìn)段位于填海區(qū)域，據(jù)調(diào)查，該區(qū)填海前為淺海養(yǎng)殖基地，非自然形成的原狀地層。地層中填石層有可能存在泥囊、水囊等薄弱地質(zhì)環(huán)境。

（2）施工區(qū)域距膠州灣較近，實(shí)測氯離子含量顯示，突水后，前三天水樣的氯離子含量依次為3650mg·L-1、16400mg·L-1、 5920mg·L-1，實(shí)測安薛附近海域氯離子含量實(shí)測值為21300mg·L-1。

（3）地勘資料TBM穿越的強(qiáng)風(fēng)化層裂隙節(jié)理發(fā)育，巖層分界線起伏較大。可能局部存在強(qiáng)風(fēng)層厚度較薄，甚至部分裂隙與水囊、泥囊連通。

（4）TBM在掘進(jìn)過程中對地層進(jìn)一步擾動(dòng)，使薄弱層破壞，造成水囊、泥囊及海水補(bǔ)給通路連通。

根據(jù)以上影響因素分析，最終在掌子面形成突水、塌方。

3 TBM脫困方案選擇及實(shí)施要點(diǎn)

3.1 TBM脫困方案

地面采用膜袋樁及控制性注漿施工工藝對刀盤周圍土體進(jìn)行加固、止水。隧道內(nèi)通過管片預(yù)留，注漿孔內(nèi)采用控制性注漿施工工藝進(jìn)行二次注漿，以封堵TBM管片與圍巖之間的流水通路；加固工作完成，穩(wěn)定進(jìn)倉環(huán)境構(gòu)建形成后，進(jìn)行開倉作業(yè)，人工清理刀盤倉內(nèi)淤泥、碴土，并對刀盤周邊圍巖進(jìn)行處理。

3.2 TBM脫困實(shí)施要點(diǎn)

在TBM掌子面發(fā)生了不同程度的突泥涌水、地面塌陷后，脫困的首要任務(wù)是人工進(jìn)倉對刀盤倉內(nèi)的土體、淤泥進(jìn)行清理，確保刀盤正常啟動(dòng)。

TBM設(shè)備沒有建壓功能，而刀盤前方地層已經(jīng)發(fā)生過塌陷，清倉過程中很有可能發(fā)生二次坍塌，地層中原本已經(jīng)封堵的地下水也很可能因清倉作業(yè)二次擾動(dòng)，造成流水通道二次連通，再次發(fā)生涌水事件，危及進(jìn)倉人員及周邊環(huán)境安全，是本研究的前提。

傳統(tǒng)注漿、土體置換、堵水方法雖能穩(wěn)固刀盤前方地層，但受填石地層影響成孔/樁困難，且注漿壓力、擴(kuò)散范圍難以控制，壓入的水泥基類材料可能進(jìn)入TBM設(shè)備造成設(shè)備損壞或盾殼、刀盤與地層固結(jié)，為后續(xù)施工帶來進(jìn)一步困難，為此“恰到好處”的實(shí)施加固是TBM脫困的關(guān)鍵。

3.3 膜袋樁支護(hù)體系施工

（1）膜袋樁施工理論依據(jù)：膜袋樁自身抗壓強(qiáng)度高，具有很好的承載力和抗破壞能力。樁身在膨脹過程中，對周圍泥土進(jìn)行擠壓，提高了周圍泥土的物理特性及力學(xué)性能，同時(shí)樁底灌漿，樁根變大，使得樁身、樁根和周圍泥土形成了結(jié)合緊密的整體，大大提高了樁的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

（2）膜袋樁施工流程：根據(jù)設(shè)計(jì)資料和其他工程中膜袋擠密樁施工經(jīng)驗(yàn)，采用隔孔分序分段進(jìn)行膜袋灌漿工程施工。刀盤前方1.5m至刀盤后方4m區(qū)域內(nèi)采用膜袋樁施工，膜袋樁徑為?300mm，膜袋樁分為每段7m成樁施工。

（3）膜袋樁關(guān)鍵施工參數(shù)：灌漿材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿液，漿液水灰比約1∶1～0.5∶1。為便于TBM脫困后掘進(jìn)切削，刀盤掘進(jìn)范圍內(nèi)注漿管采用PVC管，其余部位采用鋼管，膜袋采用雙層高強(qiáng)聚合物化纖合成布現(xiàn)場裁剪縫制。采用分排分序施工，灌漿順序根據(jù)成孔順序進(jìn)行，成孔一個(gè)施工一個(gè)。膜袋由下而上進(jìn)行分段阻塞壓漿，分段膜袋達(dá)到一定飽和程度后，提升止?jié){塞至上一段繼續(xù)灌漿，灌漿到頂部后根據(jù)充盈情況進(jìn)行補(bǔ)灌施工。壓力控制范圍為0.5～5MPa。

3.4 控制性注漿施工

（1）控制性注漿施工理論依據(jù)：該注漿工藝充分利用流動(dòng)水具有的水流壓力,通過控制液的摻加時(shí)機(jī)和數(shù)量，利用凝膠時(shí)間控制和凝膠后水泥的塑性變形。

（2）控制性注漿施工流程：刀盤前方1.5m至5m區(qū)域內(nèi)采用控制性注漿，洞口三環(huán)管片范圍內(nèi)通過二次注漿口進(jìn)行控制性注漿。

（3）控制性注漿關(guān)鍵施工參數(shù)：灌漿材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿液，漿液水灰比約1∶1～0.5∶1，較高的濃液才能保證良好的膠凝效果。控制液主要成分為水玻璃溶液，按一定比例摻加高分子化學(xué)材料。水泥漿液與控制液混合控制的凝膠時(shí)間為10～30s左右，最佳控制在20s，較快的膠凝時(shí)間使水泥漿不被水沖散。控制液注入壓力控制在1MPa，根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)整。

4 TBM脫困過程及效果

待所有地面、洞內(nèi)加工工作完成后，組織人員進(jìn)倉清理，整個(gè)清理過程掌子面非常穩(wěn)定，掌子面滲水量很小，進(jìn)倉清理作業(yè)完成后，TBM刀盤順利啟動(dòng)。本次脫困加固處理方法得當(dāng)，成功構(gòu)建地下安全進(jìn)倉作業(yè)空間，最終TBM成功脫困。

5 結(jié)論

膜袋樁加固工藝、控制性注漿工藝對TBM周圍近距離實(shí)施止水、加固，構(gòu)建地下安全穩(wěn)定進(jìn)倉作業(yè)空間是可行的。其中膜袋樁能夠避免常規(guī)鉆孔灌注樁工藝施工中出現(xiàn)的塌孔問題，且膜袋樁在地層中膨脹，擠密樁間土體，固結(jié)排水起到一定的樁間止水效果。控制性灌漿可通過調(diào)節(jié)控制液用量和壓力達(dá)到控制漿液擴(kuò)散范圍的目的，既能起到加固止水的效果，又可防止?jié){液固結(jié)TBM設(shè)備，非常適合TBM附近“定點(diǎn)加固”施工。