超深埋高承壓水復(fù)合地層土壓盾構(gòu)下穿西溪濕地保護(hù)區(qū)建筑物施工技術(shù)

張經(jīng)強

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

杭州地處江南水鄉(xiāng)濕地，地表水系發(fā)達(dá)，地表水體主要可分為河流和湖塘兩類，場地地貌單元為湖沼積平原。西溪濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)涉及一般保護(hù)區(qū)和重點保護(hù)區(qū)，園區(qū)分布大量的濕地河溝、水塘、大量的景觀橋和景觀設(shè)施，局部有民房和工作室等，河溝魚塘水深一般在0.3～3.0 m，沖刷較小以淤積為主，淤泥呈流～軟塑狀態(tài)，盾構(gòu)掘進(jìn)需特別注意地表水與地下水的水力聯(lián)系。

杭州地鐵機場快線西溪濕地站-3#風(fēng)井區(qū)間沿既有西溪濕地東側(cè)綠地下穿紫金港隧道，隧道樁基礎(chǔ)采用?800 mm鉆孔立柱樁，樁長25 m，樁底離地面埋深38.2 m；機場快線隧道埋深設(shè)計因考慮避開樁基，下壓至40.2 m，因埋深下壓，盾構(gòu)掘進(jìn)需穿越上軟下硬地層，下部基巖為泥質(zhì)粉砂巖，上部為圓礫層、粉質(zhì)砂層，圓礫地層和砂層儲水豐富且滲透性強。圖1為紫金港隧道樁基與機場快線區(qū)位關(guān)系。

圖1 紫金港隧道樁基與機場快線區(qū)位關(guān)系(單位：m)

針對該類地層盾構(gòu)機型式應(yīng)選擇泥水盾構(gòu)機或雙螺旋盾構(gòu)機，使掘進(jìn)更加安全可靠，但因區(qū)間其它地段適宜選用土壓盾構(gòu)，從成本、場地和工期方面因素綜合考慮選用了土壓盾構(gòu)機。土壓盾構(gòu)掘進(jìn)隨著埋深越來越深，水壓也逐漸增大，且下部泥質(zhì)粉砂巖中掘進(jìn)速度慢，掘進(jìn)時易出現(xiàn)地下水干擾導(dǎo)致螺旋機噴涌。在圓礫和砂層中如何防止地下水干擾，防止噴涌和超方，是土壓盾構(gòu)機施工的一大難題。通過對氣壓輔助模式掘進(jìn)靈活運用[1]，噴涌基本得到控制；但針對該類滲透性較強的地層，氣壓輔助模式如果使用不當(dāng)，則可能導(dǎo)致水塘底或地表擊穿，造成地表噴出大量高壓氣和地下水、泥砂混合物，產(chǎn)生另一種不良風(fēng)險。通過對氣壓輔助模式的深入實踐研究，以及一系列盾構(gòu)控制措施的應(yīng)用，安全穿越該區(qū)間。

1 工程概況

1.1 施工環(huán)境和工況

西溪濕地站-3#風(fēng)井區(qū)間左線隧道長2 729.8 m，右線隧道長2 747.5 m，區(qū)間設(shè)置4處聯(lián)絡(luò)通道，隧道設(shè)計外徑6 900 mm，管片環(huán)寬1 500 mm。本區(qū)間采用兩臺鐵建重工生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)機開挖直徑7 180 mm，從西溪濕地站始發(fā)后，下穿西溪濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)，而后下穿紫金港隧道及市區(qū)一系列建筑物。

出西溪濕地站后，區(qū)間先進(jìn)入-20.17‰的下坡段，后進(jìn)入+7.06‰的上坡段，最終以+28‰的上坡段進(jìn)入3號風(fēng)井接收。隧道埋深9.7～40.7 m，隧道呈“V”字坡，豎向跨越多種地層，水壓變化明顯。

1.2 超深埋段地質(zhì)、水文情況

穿越上軟下硬段長度約240 m, 隧道頂覆土埋深32.6～40.8 m，屬于超深埋隧道。隧道范圍內(nèi)穿越地層主要是：含礫中砂2、圓礫4、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖1b、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖1c；隧道頂部覆蓋層從下往上依次為：圓礫4、圓礫4、含礫中砂2、含礫中砂2、粉細(xì)砂1、粉質(zhì)黏土⑩1、粉質(zhì)黏土夾粉砂⑩2、粉質(zhì)黏土⑨1、⑥1淤泥質(zhì)黏土、④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、①3淤填土或塘泥黏土。圖2為超深埋段縱剖面地質(zhì)圖。

圖2 超深埋段縱剖面地質(zhì)狀況

1.2.1 主要地層特性

圖3 地質(zhì)芯樣實物

1.2.2 水文情況

2 盾構(gòu)穿越控制技術(shù)

2.1 刀盤刀具配置

刀盤設(shè)計為復(fù)合式刀盤，開口率33%，總質(zhì)量82 t，開挖直徑7 180 mm。刀具配置：中心滾刀4把、正面撕裂刀12把、正面滾刀17把、邊緣滾刀12把、切刀36把、邊緣刮刀12對，配置多種刀型能同時滿足軟弱地層和中風(fēng)化硬地層的掘進(jìn)要求。區(qū)間長度達(dá)2.7 km，且地層不適宜開倉換刀，故初裝刀具配置高耐磨的鑲合金齒滾刀。圖4為刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖4 刀盤設(shè)計

2.2 盾尾刷設(shè)計和保護(hù)措施

針對長距離透水層地質(zhì)水壓大補給快的特點，從盾尾刷設(shè)計上進(jìn)行升級。盾構(gòu)機設(shè)計有3道盾尾刷，將最外一道盾尾刷設(shè)計為彎板形式(見圖5)，采用高彈性的鋼片材質(zhì)，較以前的直板設(shè)計密封性更好；彎板緊壓在管片上，也具有一定的密封性，能更好地阻止注漿漿液或地下水流入盾尾刷內(nèi)部導(dǎo)致失效；該設(shè)計還能減少油脂浪費。

圖5 盾尾刷設(shè)計

選用優(yōu)質(zhì)的盾尾油脂，關(guān)鍵是稠度針入度值要達(dá)到210～260 ，密度1.35～1.45 g/cm3，水密封性(35 bar，25 ℃)無漏水，添加適量棉纖維，粘附性能較好。結(jié)合盾尾刷設(shè)計，能抵抗9 bar水壓。

在掘進(jìn)中，常存在油脂密封腔部分區(qū)域處于非飽滿狀態(tài)，該情況與油脂本身的質(zhì)量和油脂泵的泵送參數(shù)有關(guān)。油脂泵入大多采用壓力控制方式，自動模式是單點輪流注入，且當(dāng)某點達(dá)到設(shè)定的壓力上限時，即停止向該路注入油脂；手動模式可任意控制每個支路的閥門，油脂泵會將油脂同時持續(xù)地注入到打開的油脂腔中[2]。在承壓水地層中盾構(gòu)底部的外界水壓較大，且由于管片自重底部的盾尾刷受到管片擠壓力更大，底部的盾尾油脂難以均勻擴展到盾尾刷鋼絲中，故需采用手動模式單點進(jìn)行壓注，增加注入壓力和用量，確保底部盾尾刷中油脂飽滿。根據(jù)施工經(jīng)驗，在富水復(fù)合地層中盾尾油脂管路壓力傳感器的數(shù)值保持在25～30 bar較好。

控制注漿壓力：嚴(yán)格控制同步注漿及二次注漿壓力，避免因注漿壓力過高擊穿盾尾刷造成漏漿，壓力不宜超過8 bar。

2.3 螺旋機閘門增設(shè)斷電自動關(guān)閉功能

為防止突然斷電螺旋機出土口閘門未關(guān)閉導(dǎo)致渣土噴涌風(fēng)險，增加一套蓄能器，具有停電時自動緊急關(guān)閉的功能，以防出現(xiàn)噴涌時恰逢停電，造成嚴(yán)重的淹埋事故。

蓄能器是液壓氣動系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置，本機采用的蓄能器為囊式蓄能器，主要由膠囊、殼體、閥、底座等組成。蓄能器分為氣、液兩個腔室，膠囊內(nèi)充氮氣，膠囊與殼體組成的腔室充液壓油，遇到緊急斷電的情況，輔助泵停止工作，此時由蓄能器內(nèi)的氮氣提供動力，將螺旋機閘門關(guān)閉。

2.4 渣土改良及其改進(jìn)

掘進(jìn)期間，應(yīng)及時對渣土取樣分析土體粘性和含砂粒圓礫以及含水比例等情況，及時調(diào)整泡沫比例，以減小土體粘度和粘著力?？刹捎?%濃度的分散劑，配合泡沫劑注入到刀盤前土體，降低刀盤扭矩, 能有效防止刀盤和土倉結(jié)泥餅，保證螺旋機排土順暢，容易控制土倉內(nèi)壓力和保持穩(wěn)定。

當(dāng)原土含砂石等顆粒量達(dá)到90%以上、含泥量低于10%時，向土倉內(nèi)注入濃厚的膨潤土漿進(jìn)行流塑性改良，增加渣土的粘稠性，使渣土不易砂水分離導(dǎo)致噴涌。膨潤土漿有一定的效果，但對于超深埋地下水豐富地段，膨潤土并不能將渣土改良成半固體狀，螺旋機與土倉渣土是液態(tài)狀連通。因土倉壓力大，螺旋機很難形成有效的“土塞”效果，螺旋機后閘門排土口壓力不能降低至0，土倉壓力直接傳遞至螺旋機后閘門，稍打開閘門就會出現(xiàn)噴涌，這是承壓水地層改良的難點。經(jīng)過研究，采用氣壓輔助模式平衡地下水有效。

2.5 盾構(gòu)掘進(jìn)模式和參數(shù)

2.5.1 掘進(jìn)模式選擇

通過對比分析，區(qū)間地質(zhì)可分為兩類：一類是淤泥類流塑性土層或是純砂層類，地層不穩(wěn)定但較軟；該類地層中盾構(gòu)機掘進(jìn)速度快，掘進(jìn)速度能達(dá)到80 mm/min，且不易結(jié)泥餅，適宜采用實土壓模式掘進(jìn)，地下來水速度不及快速掘進(jìn)渣土改良所消耗的水量，不易產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象。另一類是上軟下硬地層，上部為圓礫層或砂層，下部為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；該類地層的特點是上部圓礫砂層地下水豐富水壓大，地下水在土倉內(nèi)匯集，下部的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖具有一定的強度，導(dǎo)致盾構(gòu)機掘進(jìn)速度慢，土倉內(nèi)匯水量較多，且含粘性成分很少，出現(xiàn)水與砂石顆粒分層，從而出現(xiàn)螺旋機噴涌、出渣量不受控制、刀盤扭矩增大等不良現(xiàn)象，故這類地層應(yīng)采用氣壓輔助模式。

2.5.2 氣壓輔助模式

氣壓輔助模式是將土倉內(nèi)注入高壓氣體，土倉渣位控制在約1/2倉，利用氣壓平衡地下水，減少倉內(nèi)水匯集，有利于掘進(jìn)參數(shù)控制。氣體注入可通過泡沫系統(tǒng)和Samson保壓系統(tǒng)兩種方式。Samson保壓系統(tǒng)具有補氣快、設(shè)定壓力自動控制等優(yōu)點，一般用于帶壓開倉作業(yè)，特殊地段也可用于掘進(jìn)時保壓，用高氣壓將地下水“吹趕”遠(yuǎn)離盾構(gòu)機，以避免地下水干擾。

2.5.3 避免氣壓輔助模式使用不當(dāng)造成的風(fēng)險

當(dāng)?shù)貙油杆暂^強時，透氣性也強，氣體通過孔隙將水“吹趕”，地層氣密性較差時補氣量較大且持續(xù)，長時間補氣容易在地層中形成“高壓氣囊”，圓礫地層中高壓氣體能竄數(shù)百米遠(yuǎn)，影響范圍較廣，如果遇到薄弱的孔洞，可能會導(dǎo)致地表噴出高壓氣和帶出大量水砂等風(fēng)險。

故當(dāng)發(fā)現(xiàn)地層補氣量特別大時，要慎重持續(xù)往土倉補氣。在圓礫地層中掘進(jìn)可開啟Samson保壓系統(tǒng)，停機拼管片時關(guān)閉間斷補氣方式，能達(dá)到平衡地下水目的即可；以盡量少補氣為原則，具體需結(jié)合實際情況分析最佳補氣量。當(dāng)?shù)貙託饷苄暂^好時，可通過泡沫系統(tǒng)調(diào)大膨脹率進(jìn)行輕微補氣，即可達(dá)到保壓目的，地表噴氣風(fēng)險相對減小很多。

2.5.4 掘進(jìn)參數(shù)控制

針對埋深較深的承壓水豐富地層，盾構(gòu)機土倉壓力控制一般參考地下水壓計算，不參照靜止側(cè)向土體壓力。計算公式P=ρgh。式中：P為壓強；ρ為液體密度；g為重力加速度；h為地下水位至隧道高度，下穿段h=38 m。得出P=3.8 bar，一般在此基礎(chǔ)上再增加0.2 bar附加壓力，即盾構(gòu)機土倉壓力控制值為P土= 4.0 bar。

穿越超深埋上軟下硬段采用氣壓輔助模式取得較好效果，基本避免了地下水的干擾，主要參數(shù)為：土倉壓力3.9～4.1 bar;總推力3 000～3 600 t；刀盤轉(zhuǎn)速1.0～1.2 r/min；刀盤扭矩5.5～6.3 MN·m；掘進(jìn)速度20～25 mm/min。

如果不采用氣壓輔助模式補氣，泡沫系統(tǒng)供氣量較小，無法平衡地下水，螺旋機后閘門排土口壓力無法降至0，則會出現(xiàn)噴涌，噴涌將大量泥水噴出，大顆粒則遺留在土倉內(nèi)積倉，造成刀盤扭矩增大，推力增大，掘進(jìn)速度降低，如圖6掘進(jìn)參數(shù)界面所示。嚴(yán)重時則可能導(dǎo)致刀盤扭矩超限直接跳停，盾構(gòu)機無掘進(jìn)速度。經(jīng)驗做法是：當(dāng)出現(xiàn)小噴涌時，螺旋桿一定要轉(zhuǎn)動，要緩慢將大顆粒排出，不能因為噴涌而不轉(zhuǎn)動螺旋機，此時應(yīng)開啟Samson保壓系統(tǒng)進(jìn)行改善。

圖6 掘進(jìn)參數(shù)界面

2.6 同步注漿厚漿運用

通過同步注漿系統(tǒng)往管片外側(cè)空隙注入厚漿，減少土體變形。每環(huán)理論注漿量為4.64 m3，實際注漿量控制在理論值的140%～150%，即6.5～7.0 m3/環(huán)，注漿壓力5.0～6.5 bar(注漿壓力偏大是因埋深較深、地層水壓大導(dǎo)致)。厚漿中增加了石灰和增稠劑，比重大，具有較好的粘稠性、抗稀釋性、不易離析等優(yōu)點，漿液稠度控制在100～110 mm之間，注入隧道外側(cè)不易流失，穩(wěn)定性較好；初凝時間控制在6 h，能防止砂層土隨地下水流失，對控制沉降和穩(wěn)固管片有較好的作用。厚漿配合比為：水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶石灰∶細(xì)砂∶水∶增稠劑=100 kg∶380 kg∶60 kg∶50 kg∶900 kg∶500 kg∶2 kg。

2.7 二次注漿

二次注漿采用壁后跟蹤補償注漿的方式，注漿口選擇在盾尾后10～12環(huán)位置,每3環(huán)注一環(huán)，以少量多次的原則進(jìn)行跟蹤注漿。選擇該位置注漿：一是漿液能竄流一定的距離流向盾構(gòu)機及時填充盾尾后方空隙；二是不宜距離太近，防止?jié){液高壓力竄入盾尾刷導(dǎo)致漏漿漏砂風(fēng)險發(fā)生。

采用水泥+水玻璃雙液漿，凝固速度快，不易向地層孔隙中流失，有效起到防止沉降的作用。漿液配比為：水玻璃∶水=1∶3(A液)，水泥(P.O42.5水泥)∶水=0.8～1∶1(B液)，A∶B=1∶1；根據(jù)實際情況調(diào)整水玻璃濃度，凝固時間控制在40～60 s。

注漿加固范圍：隧道中部以上。實際注漿壓力約0.5～0.6 MPa，二次注漿量約1.0～1.2 m3/環(huán)。

2.8 盾體徑向孔注入克泥效防沉降

洞身范圍存在上軟下硬、砂層和圓礫層等不良地層，在施工過程中受刀盤擾動出現(xiàn)超挖、孔隙水涌入土倉。盾構(gòu)機內(nèi)安裝克泥效注漿專用設(shè)備，連接管路至盾體頂部徑向孔，快速注入克泥效?？四嘈山M成分在徑向孔三通處匯合凝結(jié)，反應(yīng)凝結(jié)時間約6 s，膠結(jié)成一種可塑狀黏土，填補開挖直徑與盾體直徑之間間隙，并具有一定的止水和支撐作用。在下穿前20環(huán)開始注入克泥效，直至盾尾脫出紫金港隧道后10環(huán)。

配比：A液，水∶克泥效(質(zhì)量比)=2∶1，A液∶B液(水玻璃)(體積比)=10～15∶1，水玻璃濃度40 °Be＇，比重1.38，混合后黏度約300 dPa·s。注入壓力控制在約15 bar ，以壓力和實際可注入量控制，實際用量約0.3 m3/環(huán)。

3 沉降監(jiān)測

圖7為下穿紫金港隧道沉降監(jiān)測點位布置。在隧道上方地表每30 m布設(shè)一個監(jiān)測橫斷面，每個橫斷面內(nèi)間距5 m布設(shè)一個監(jiān)測點，斷面與斷面之間每5 m布設(shè)一個縱斷面監(jiān)測點(圖標(biāo)▲)；在紫金港隧道內(nèi)兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)上沿側(cè)墻布設(shè)2排沉降變形監(jiān)測點，每5 m布設(shè)一個監(jiān)測點(圖標(biāo)●)。

圖7 下穿紫金港隧道沉降監(jiān)測布點

沉降預(yù)警值和控制值如表1所示。

表1 沉降控制指標(biāo)值

某個橫斷面沉降呈V型沉降槽分布(如圖8所示)，沉降槽曲線沿隧道中線呈正態(tài)分布，對地表影響范圍為隧道中心線兩側(cè)各約15 m；在隧道中心線處的沉降值最大，往兩側(cè)沉降值變??；盾構(gòu)機通過后，最大累計沉降在-14.6 mm；從時間關(guān)系分析，約6 d土體逐漸穩(wěn)定，沉降數(shù)據(jù)在設(shè)計控制值范圍內(nèi)，風(fēng)險基本可控。

圖8 橫斷面沉降累計值曲線

4 結(jié)束語

(1)在超深埋承壓水地層中掘進(jìn)施工存在一定的風(fēng)險，在線路設(shè)計時應(yīng)充分考慮避開在重要特殊風(fēng)險源下方穿越不良地層。

(2)在超深埋承壓水地層中掘進(jìn)，應(yīng)科學(xué)合理對盾構(gòu)機選型。從技術(shù)角度看，泥水盾構(gòu)機在超深埋高承壓水地層中更具有安全優(yōu)勢，風(fēng)險更加可控。

(3)長區(qū)間承壓水地層掘進(jìn)，要特別注意保護(hù)盾尾刷，以防止漏漿漏砂，可從設(shè)計上提升盾尾刷性能，采用優(yōu)質(zhì)的盾尾油脂，加強油脂注入管理。

(4)采用氣壓輔助模式掘進(jìn)，在地下水豐富透水性強地層中平衡地下水有效，但要結(jié)合實際情況靈活運用，慎重持續(xù)大量補氣，以防使用不當(dāng)導(dǎo)致地表噴出大量高壓氣及地下水、泥砂混合物，造成風(fēng)險事故。