富水復合地層盾構止水關鍵技術

溫文兵

(福州地鐵集團有限公司,福建 福州 350001)

1 概述

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

對于富水復合地層條件下的盾構隧道工程很多學者都進行了相關研究，戴志仁[3]針對蘭州地鐵1號線盾構下穿黃河隧道工程，對管片荷載模式與結構選型方面進行了研究，明確了高水壓下管片防水與耐久性控制因素；王強[4]基于山西省小浪底引黃工程引水干線盾構隧道工程，建立了復雜富水地層下盾構機掘進速度及刀盤扭矩的數學模型，得到刀盤總推力、盾體鉸接總力度和刀盤轉速與掘進速度成比例關系；胡欣雨等[5]針對富水砂卵石地層中盾構掘進遇到的刀盤與螺旋機磨損嚴重、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與欠壓掘進方法，在一定程度上提高了盾構掘進效率、減小了施工擾動；楊志團[6]對高壓富水砂卵石地層條件下的盾構管片內力與防水機理進行了深入研究，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掘進地表滯后沉降的主要誘因及其應對措施，對實際工程具有一定的指導意義。這些既有研究成果主要集中在數值計算及地層穩定性控制與盾構掘進效率方面，本文以福州地區復合地層盾構區間為基礎，通過梳理總結排水、施作止水環以及設備改造等措施，有效降低了地下水對掘進的影響,為后續類似地層掘進提供參考依據。

2 富水復合地層盾構施工面臨的關鍵問題和挑戰

2.1 盾構掘進效率低且設備損耗大

在節理裂隙較發育，滲透系數較大，地下水豐富，氣密性差，土體中黏性顆粒少、松散無黏結力的復合地層，在豐富的(承壓)地下水作用下，渣土難以在土倉內形成流塑狀，渣土通過螺旋機排出土倉過程中，難以在螺旋機內形成有效的“土塞”效應[8]，由于地下水源源不斷的匯集至刀盤前方，造成土倉內水壓較大，排土過程中易發生噴涌，掘進過程中經常陷入“掘進-噴涌-清渣-管片安裝”這一惡性循環中。同時由于出渣不易控制，容易發生超排現象，注漿方式不正確或注漿不及時容易引發地面沉降甚至地表塌陷這一嚴重后果。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，無法形成連續掘進,從而又進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，這不但嚴重影響掘進效率，而且因地下水問題造成的掘進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在類似地層的掘進功效，當盾構掘進陷入此類惡性循環中時，平均每天的掘進環數僅為1環。在砂層，粉細砂層及砂卵石地層組成的復合地層中，噴涌現象與流土破壞機理類似，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地表沉降，由于掘進的不連續，且氣壓輔助無法實現時，為保證安全時常會提高倉位甚至滿倉掘進，在推力扭矩都增大的情況下采用滿倉掘進的方式將進一步加劇盾構參數的惡化，造成刀具磨損。

2.2 隧道成型質量受到嚴重影響

由于地下水位較高，地層滲透系數大，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。同步注漿的漿液細顆粒還未凝固就被管片后方水流全部沖入土倉內，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上浮的現象，當管片上浮量超過10 cm時，不僅會形成較大錯臺、引發滲漏水等嚴重的質量問題，而且將導致隧道貫通后需要進行調線調坡。

3 原因分析

1)在類似區段范圍內，隧道洞身范圍內下伏基巖為安山質凝灰巖及燕山期侵入巖，裂隙發育，局部巖體呈碎裂狀，施工過程中曾多次出現漏漿，尤其是侵入巖與圍巖結合部漏漿嚴重，其破碎～較破碎巖體中風化裂隙、構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外地下水、地表水體的側向入滲補給，排泄方式主要為側向徑流、人工開采。根據詳勘資料結合開倉檢查結果，類似區段巖石裂隙發育，局部巖體呈碎裂狀，裂隙發育，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)。

本區段地層情況為：③-1b1+2層粉質黏土：灰黃色、黃灰色夾灰色，可塑～硬塑，標貫為7左右，含鐵錳質浸染及斑點，夾雜藍灰色條帶，切面稍光滑，韌性及干強度中等。該層間斷分布于低洼地段，工程地質性能一般。③-2b3層粉質黏土：灰色、黃灰色，軟塑，局部流塑，粉質含量高，土質不均，夾粉土，含腐殖質，標貫僅在3左右。該層間斷分布于低洼地段，工程地質性能較差，距離隧道頂板較近時易引起地面沉降變形。④-1b1+2層粉質黏土：灰黃色、褐黃色夾黃灰色，可塑～硬塑，局部為黏土，土質較均勻，標貫在14左右，含鐵錳質浸染及結核，偶含鈣質結核，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，強度較高，中偏低壓縮性，是較好的天然地基持力層，工程地質性能較好。據膨脹試驗，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，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雜，中偏低壓縮性，工程地質性能一般。該層在盾構掘進范圍內，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涌水、流砂、坍塌，其中單塊卵、礫石抗壓強度高，抗磨性能強，對盾構掘進施工影響較大。J3l-1全風化安山質凝灰巖：灰紫色、灰黃色，原巖結構已完全破壞，巖芯呈砂土狀，手捏即碎，浸水易軟化，夾強風化巖碎塊。J3l-2強風化安山質凝灰巖：灰紫色、灰黃色，原巖結構大部分被破壞，殘余凝灰結構，塊狀構造，裂隙極為發育，巖芯較破碎，呈塊狀及少量短柱狀，間隙為砂土狀風化巖碎屑充填，巖芯錘擊聲啞、易斷。J3l-3中風化安山質凝灰巖：青灰色夾紫色，殘余凝灰結構，塊狀構造，巖芯較完整，呈柱狀、短柱狀，節長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。在該區域巖石抗壓強度較低，僅為12.5 MPa。δμ5-1全風化閃長：玢巖灰黃色、黃灰色、灰白色，原巖結構已完全破壞，巖芯呈砂土狀，手捏即碎，灰刀易切割，夾強風化巖角礫、碎塊。δμ5-2強風化閃長玢巖：灰黃色、黃灰色夾紫褐色，原巖結構大部分被破壞，斑狀結構，塊狀構造，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中風化閃長玢巖：青灰色、灰色，斑狀結構，塊狀構造，巖石表面可見碳酸鹽細脈充填，巖芯較完整，呈柱狀、短柱狀，節長10 cm～120 cm，局部破碎，呈碎裂狀，錘擊不易碎。巖石抗壓強度較高，在75 MPa。各土層與巖層物理性質見表1,表2。

表1 土層物理性質表

表2 巖層物理性質表

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外地下水、地表水體的側向入滲補給，施工區段地面河水有互聯，施工過程中，湖面出現大量氣泡，洞內與湖面已有聯通空隙，根據監測數據，在該區域施工過程中，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)類似區段一般位于下坡段，進一步加劇后方來水匯集至刀盤前方，同時，在施工前，若對地層的復雜性認識不足，未提前施作止水環，易導致后期水量較大、水壓較高，無法有效的進行封堵。

4 盾構止水關鍵技術

為徹底有效的解決地下水難題，經認真分析總結梳理福州地區類似工程經驗，根據疏排結合的原則，制定出了盾構止水的關鍵技術：

1)隧道后方通過打開管片吊裝孔排水，以達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漿板，然后固定在前盾內側土倉壁上，進一步防止漿液流竄至土倉內，提高后方止水環施作質量；4)注入雙液漿止水環箍。其中，詳細技術措施有以下幾點。

4.1 隧道內主動排水

掘進過程中，在連接橋、1號臺車、2號臺車范圍內，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，進而保證了掘進效率，但對隧道內文明施工影響較大，且未能最終填充管片壁厚的空隙，對管片質量及后期隧道成型質量影響較大。故在采取該方法時，須利用吊裝孔接出的球閥，接水管路線，將水排在盾構機本身的污水箱內；同時，在排水過程中，加強管片的監測工作，管片變形超過規范值后應停止排水。

4.2 施工止水環

在類似地層施工中，要認真分析及研究地質勘查資料，在未出現大量地下水期間，提前做好管片后方止水環，根據目前經驗，至少需提前50環進行，且5環一道止水環。若在施工期間還是出現大量流水，考慮地下水處于流動狀態情況下，注漿止水效果較差，須對土倉進行膨潤土砂漿回填，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，同時為防止漿液流竄至土倉內，在盾殼徑向注入聚氨酯進行封堵水路(見圖5)，在連接橋位置(盾尾脫出5環～10環)施作止水環，止水環每3環一道，漿液采用雙液漿，凝結時間為25 s左右最佳，注漿過程中需要進行隔環跳孔注漿，同時，施工中加強對管片的監測工作，注漿過程中，需打開吊裝孔進行泄壓，每個孔遵循“少量多補，一孔多注、反復注漿”的原則。

4.3 設備改造

在刀盤與前盾之間的動間隙向前盾表面插入止漿板，然后固定在前盾內側土倉壁上，進一步防止漿液流竄至土倉內，提高后方止水環施作質量。以6 m級別常見盾構機為例，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漿板，然后固定在前盾內側土倉壁上。該前盾止漿板由螺栓連接，在損壞或者脫落的情況下可以方便更換。止漿板必須要有優異的彈性和耐磨性能，才能將刀盤的擴挖部分密封住。在實際使用過程中，配合止水環雙液注漿有較好的止水止漿效果。

5 結語

以上施工經驗主要遵循疏排結合、超前預防的原則，采用剛柔并濟的方法，掘進前施作止水環以減少后方來水；掘進時引導水流防止噴涌，減少掉渣；設備增加防水設施。對于最終提高成型隧道質量與文明施工，具有良好效果。對于今后類似地層中的土壓盾構掘進具有較高的指導意義。