富水砂層中盾尾涌水涌砂處置措施

喬曉鋒,蔡怡欣

(1. 廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340;2. 廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣州 511340)

1 概述

1.1 工程簡介

半洋盾構(gòu)隧洞位于潮州市潮安區(qū)古巷鎮(zhèn)內(nèi)，河涌較多，居民區(qū)建筑物密集，人類活動較頻繁，沿線地表多為陶瓷廠房、魚塘、農(nóng)田等。盾構(gòu)隧洞全長為1.552 km。隧道最小曲線半徑為300 m，最大坡度為4.5‰。采用海瑞克Φ6 280土壓平衡盾構(gòu)機進行施工，盾構(gòu)隧洞外襯采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m，襯砌管片厚為0.3 m，襯砌環(huán)寬為1.5 m。

1.2 地質(zhì)水文概況[1]

根據(jù)地質(zhì)勘探揭露，主要巖土分層從上至下劃分為：人工填土層(Qs)；(2-1)粘土、粉質(zhì)粘土層；(2-2)沖積砂層；(3)海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)土夾淤質(zhì)砂層；(4-1)沖積粘土、粉質(zhì)粘土層；(4-2)沖積細砂～粗砂層；(4-3)沖積砂卵礫石層(Qal)；(5-1)沖積粘土、粉質(zhì)粘土層。盾構(gòu)隧洞段沿線地下水主要為孔隙水潛水，主要賦存于(2-2)砂層、(4-1)粉質(zhì)粘土、(4-3)砂質(zhì)粘土中。經(jīng)測量，地下水位埋深一般為2～3 m，水位高程一般為6.5～10 m，地下水與河水聯(lián)系不密切，主要接受大氣降水補給，水位隨季節(jié)變化而變化。

1.3 涌水事件描述

半洋隧洞引水工程盾構(gòu)掘進至第615環(huán)，盾尾6～7點鐘方向(盾尾底部)出現(xiàn)漏水，水量較急，初步判斷是下部盾尾刷部分損壞，盾尾密封被水壓擊穿。水量持續(xù)變大且渾濁伴有沙粒進入隧道，涌水發(fā)生 3 h 后，盾尾流水處不再涌砂，累計涌砂方量為12 m3，盾構(gòu)機周圍土體較為穩(wěn)定。現(xiàn)場采取以下止水措施：① 增設(shè)水泵進行抽水；② 向盾尾止水環(huán)腔注入油脂；③ 采用棉絮封堵盾尾間隙；④ 盾尾管片壁后注漿。但由于盾尾來水量大且急，止水效果不明顯，經(jīng)觀測，盾尾涌水量約115 m3/h；考慮到盾構(gòu)機正處于廠房下面，持續(xù)抽水有可能造成地層大量失水而塌陷，同時管片內(nèi)外部壓力差對管片結(jié)構(gòu)安全造成威脅，出于安全考慮，決定暫停抽水，讓盾構(gòu)隧道灌滿水以抵消管片內(nèi)外部壓力差，減少地層水土流失，確保地面建筑物安全，制定安全可靠的涌水處置方案后再作處理。

2 方案制定

2.1 地質(zhì)補勘[2-4]

現(xiàn)場在615環(huán)地面位置附近進行了地質(zhì)補勘，做了6個補勘點，用于驗證設(shè)計勘察地質(zhì)剖面圖的準確性(見圖1)，經(jīng)對比，抽芯結(jié)果與設(shè)計勘察結(jié)果基本吻合，設(shè)計勘察地質(zhì)剖面圖可用于技術(shù)方案的制定。

2.2 方案比選

1) 井點降水[5]：將盾體周邊水位降至盾體下方，使盾尾不漏水或少漏水，為洞內(nèi)盾尾注漿封堵間隙創(chuàng)造條件。

圖1 地質(zhì)剖面示意

優(yōu)點：鉆孔數(shù)量少，工期短，見效快，施工成本低。

缺點：上部潛水可能會流失，地表存在沉降的風(fēng)險；管片水壓差也會帶來管片錯臺破裂等風(fēng)險。

2) 高壓擺噴樁[6]：利用高壓擺噴樁作為止水帷幕，阻斷砂卵礫石透水層的來水。

優(yōu)點：帷幕止水效果明顯，既定目標更容易把握。

缺點：施工范圍廣，地面廠房征拆難度大，同時鉆孔數(shù)量多，工程量大，施工成本高。

綜合考慮：優(yōu)先采用井點降水作為第一實施方案，高壓擺噴樁作為備選方案。

2.3 技術(shù)路徑

技術(shù)路徑見圖2所示。

圖2 技術(shù)路徑示意

3 方案實施

3.1 井點降水[7]

1) 降水計算

① 涌水量計算

靜止水位埋深：根據(jù)設(shè)計勘察報告，水位標高為10.3 m，隔水層底部標高為-11.6 m，隧道底部標高為-7.9 m，目標降水標高為-8.4 m。

承壓水層厚度：m=11.6-10.6=4 m(透水層底面高為-11.6 m，頂面高為-10.6 m)。

降水位深度：S=10.3+8.4=18.7 m(靜止水位至隧道底以下0.5 m的高度)。

含水層滲透系數(shù)K：90.58 m/d。

基坑等效半徑r0：對于矩形基坑，其長寬比不大于5時，可用“大井法”將矩形基坑折算成假想半徑為r0的理想大圓井，盾體位置按照10 m×8 m的基坑計算。

基坑平面面積F=80 m2。

② 管井單井出水能力計算[8]

過濾器半徑r取0.105 m(井管半徑統(tǒng)一為0.105 m)；

過濾器進水部分長度L取5 m；

含水層滲透系數(shù)K取90.58 m/d；

單管出水能力：

③ 管井?dāng)?shù)量計算

管井?dāng)?shù)量n=1.1×Q/q=1.1×11 795.6/888.4=13.3。

暫定管井?dāng)?shù)量為14，降水井布置、降水井?dāng)?shù)量可根據(jù)場地條件、抽水外部影響因素、實際抽水效果等情況適當(dāng)調(diào)整。

2) 降水點平面布置及結(jié)構(gòu)布置

① 降水井平面布置以盾構(gòu)刀盤為中心沿線路兩側(cè)布置(見圖3)。

② 降水井結(jié)構(gòu)布置

本工程布置14口降水井，降水井深度為26 m，濾水管長度為5 m，成孔直徑為300 mm，井管直徑為210 mm，套管深度0～19.7 m范圍采用高漿填充，19.7 m位置安裝橡膠密封圈，19.7～25.5 m范圍用回填細卵石濾料。成孔深度略高于降水井深度0.5 m，降水井底部0.5 m用回填細卵石濾料，防止泥沙涌入管底。

圖3 井點降水平面布置示意

3.2 洞內(nèi)排水

隧洞坡度為4.5‰，盾構(gòu)掘進長度為925 m，計算得盾體內(nèi)水位高925×4.5/1 000=4.16 m，計算得總積水量為7 882 m3， 擬采用2臺45 kW水泵進行抽排水，排水管道為8寸鋼管，單臺水泵排水流量為400 m3/h，理論抽水時間H=7 882/800=9.8 h，考慮需要不斷往前移動水泵以及接管時間，計劃3 d內(nèi)能將積水抽完。

3.3 水路封堵[9]

1) 封堵施工流程

① 洞內(nèi)注聚氨酯：在盾尾管片壁后注入聚氨酯，利用水流將膨脹物帶入盾尾間隙中，達到封堵來水目的。

② 管片壁后注漿：盾尾管片壁后注入雙液漿，形成止水環(huán)，然后對盾尾后10環(huán)管片進行壁后注漿，保證管片壁后間隙充填密實。

③ 地面注聚氨酯：地面在刀盤位置前、左、右鉆20 m深孔，然后對這3個孔注入聚氨酯，進一步封堵盾構(gòu)機前方水路來水。

2) 注漿材料及配比設(shè)計

① 注漿材料

采用水泥水玻璃漿液作為主要的注漿材料，該漿材具有結(jié)石率高、結(jié)石體強度高、耐久性好和好的特點。在軟土地層或滲水量大的地層，為減少管片的變形或使注入漿液在較短的時間內(nèi)起到止水的效果。

② 漿液配比試驗

漿液配比試驗結(jié)果見表1，水玻璃波美度28.5Be′，水灰比1:1，水泥漿水玻璃體積比1:0.25的情況下，初凝時間8 s，終凝時間35 s，在該條件下，注入的雙液漿不會流入降水井，可以達到盾尾封堵效果。

表1 雙液漿配比 s

③ 水泥水玻璃漿液參數(shù)選擇：

a.膠凝時間：初凝時間8 s，終凝時間35 s。

b.固結(jié)體強度：終凝強度不小于0.2 MPa(相當(dāng)于軟質(zhì)巖層無側(cè)限抗壓強度)，28 d不小于2.5 MPa(略大于強風(fēng)化巖天然抗壓強度)。

c.漿液結(jié)石率：>90%，即固結(jié)收縮率<10%。

d.水玻璃摻入比：25%。

e.水泥漿水灰比:1:1。

④ 注漿主要參數(shù)

注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水土壓力，最大不宜超過3.0～4.0 bar；注漿流量控制在20～40 L/min。

3.4 隧洞二次補漿[10]

考慮到隧道穩(wěn)定因素，洞內(nèi)對盾尾594～612環(huán)管片進行二次注漿加固，補充一次注漿未填充密實部分和水土流失體積減少部分，從而減少盾構(gòu)機通過后土體的后期沉降，減輕隧道的防水壓力，提高止水效果。二次注漿使用專用的注漿泵，注漿前鑿穿管片吊裝孔外側(cè)保護層，安裝專用注漿接頭。漿液采用水泥漿—水玻璃雙液漿，漿液配比與盾尾封堵配比一致，注漿壓力為0.2～0.4 MPa，補漿流量控制在20～40 L/min。注漿同時注意在前方打孔排水，防止管片錯臺。二次補漿位置為隧洞3點或9點位，開孔后先用清水進行沖洗，然后注漿，嚴密關(guān)注注漿流量及壓力。一環(huán)管片注完或漿罐漿液注完及時清理注漿泵避免注漿機堵塞。

3.5 方案實施效果

12月15日正式啟動井點降水工作，共12個井同時抽排水，總抽水流量約150 m3/h，隧洞內(nèi)來水量由最初的115 m3/h降至52 m3/h(見圖4～圖5)。洞內(nèi)2臺45 kW水泵抽水，3 d內(nèi)抽干洞內(nèi)積水(見圖6)。洞內(nèi)水抽干后對受影響管片進行支撐加固(見圖7)，防止管片變形開裂。盾尾共計注入聚氨酯2 t，止水效果良好。管片二次注漿填充密實。

圖4 井點降水現(xiàn)場照示意

圖5 降水效果統(tǒng)計示意

圖6 洞內(nèi)抽水現(xiàn)場照示意

圖7 洞內(nèi)管片支撐加固示意

4 施工監(jiān)測[11-12]

考慮注漿及地面井點降水施工會對地層產(chǎn)生擾動，有可能引起附近的建(構(gòu))筑物、地表沉降及水位變化，確定以注漿和井點降水施工區(qū)為監(jiān)測區(qū)段，共設(shè)置3個監(jiān)測項目，分別為地面及建筑物沉降監(jiān)測、地下水位變化監(jiān)測、隧道管片沉降監(jiān)測，監(jiān)測點布設(shè)如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點平面布置示意

1) 地表、建(構(gòu))筑物及鄰近省道監(jiān)測

地面沉降點布設(shè)在盾構(gòu)機上方前后共40 m范圍內(nèi)，每10 m布置1個監(jiān)測斷面，共4個監(jiān)測斷面，每個斷面3個監(jiān)測點，共12個地面監(jiān)測點。廠房靠近施工區(qū)域側(cè)，在廠房立柱上部分別布置沉降觀測點，共22個。鄰近施工區(qū)域省道，在隧道下穿區(qū)域地面設(shè)置兩個監(jiān)測斷面，每個斷面2個監(jiān)測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示最大累計沉降為地面沉降點D7(-8.45 mm，位于617環(huán))，其次是房屋結(jié)構(gòu)沉降點Z8(-6.80 mm，位于615環(huán))。

2) 地下水位監(jiān)測

在井點降水施工區(qū)域內(nèi)共設(shè)置6個水位測孔，側(cè)孔采用地質(zhì)鉆機鉆孔，測孔直徑108 mm，孔深19 m。測管外安裝濾布，孔底布設(shè)沉降管。當(dāng)盾尾進水封堵后，每個抽水井水位都有所上升，最大上升為Z3，上升了1.85 m，降水井水位變化具體見圖9。

圖9 降水井水位變化示意

3) 盾構(gòu)修復(fù)過程中及掘進時隧道管片沉降和收斂監(jiān)測

布設(shè)方法：隧洞內(nèi)每隔100 m設(shè)置1個斷面，布設(shè)沉降監(jiān)測點和收斂點位，距離盾尾60 m處每隔20 m 1個斷面，共11個斷面。洞內(nèi)管片變形顯示最大變形為610環(huán)管片(-0.7 mm)。

5 結(jié)語

盾構(gòu)在富水砂層中施工中容易出現(xiàn)涌水涌砂等現(xiàn)象，造成的危害極大，施工中需要認真對待，在地勘鉆孔偏少地段應(yīng)進行地質(zhì)補勘以判明水文地質(zhì)情況，針對可能面臨的風(fēng)險制定專項技術(shù)方案，特別對于與大江大河等豐富水體連通水路應(yīng)提前采取加固措施阻斷來水通道，避免在施工中出現(xiàn)涌水涌砂而被動應(yīng)對。針對此次富水砂層中盾尾涌水涌砂突發(fā)事件時，采用地面井點降水和洞內(nèi)注漿方法成功進行處理，對同類事件處理具有借鑒意義。