淺談大埋深水工輸水隧洞土壓盾構掘進過斷裂帶施工措施

賴俊厚

(廣東華隧建設集團股份有限公司，廣州 510228)

1 概述

廣東粵東三江連通工程是廣東省委、省政府從粵東地區經濟社會發展的全局高度謀劃建設的重大水資源配置工程，對解決粵東地區資源性缺水和工程性缺水問題，支撐粵東地區經濟社會高質量發展具有重要意義。

粵東地區山多地少，水資源配置線路穿山而行，具有埋深大，水系發達，富水斷裂帶裂隙發育等特點，而大埋深水工輸水隧洞常規采用鉆爆法或者TBM法進行施工，但是在山嶺隧洞斷裂帶水系發達的地質條件下，采取鉆爆法及TBM法均存在涌水塌方等風險，而采取盾構法施工，可大大降低這一風險。

采用盾構法，特別是土壓盾構施工，在這種山嶺隧洞斷裂帶水系發達的地質條件下，如何引水排水，防治噴涌，做好背填注漿，安全高效通過富水斷裂帶是關鍵所在。

2 工程背景

該工程的首期工程——韓江鹿湖隧洞引水工程取水于韓江下游潮州，是交水至榕江的二級支流西山溪的水資源配置工程，設計引水規模為46.52 m3/s，具有改善水環境、灌溉和城鎮供水等綜合效益。

韓江鹿湖隧洞引水工程線路長7.76 km，主要建設內容包括取水口、鹿湖～古巷段隧洞(3.5 km長鉆爆法隧洞和2 km穿山盾構隧洞)、古巷～西山溪段隧洞(2.12 km平原盾構法隧洞)及西山溪出水口箱涵(如圖1所示)。盾構區間采用兩臺8.8 m的海瑞克土壓盾構機，其中穿山段盾構隧洞從位于永安村山腳下的盾構始發井向西北方向掘進，穿山越嶺直至到達擴大洞室，總長為2 002 m。

圖1 韓江鹿湖隧洞引水工程工程量示意

3 穿山段地質情況分析

1)盾構穿山段隧道全長2 002 m(K3+500～K5+502)，從盾構始發井向北方向掘進，至擴大洞室與鉆爆段對接。采用8.84 m的海瑞克土壓平衡盾構機，管片外徑為8.5 m，內徑為7.7 m，環寬為1.6 m。盾構段穿越山體，山體高程為30～80 m。從地質上看，盾構穿多條斷裂帶，根據地質勘探資料顯示，穿山段盾構隧洞埋深為20～100 m，主要為透水性強的粉質泥沙巖，圍巖破碎發育，地下水位高，山體內可能含有承壓水(地質斷面見圖2)。如何在掘進過程中克服山體內裂隙水，斷裂帶內水系是土壓盾構在此段的重點[1]。

2)根據地質補勘資料顯示，其中在 650～760環位置，盾構機將連續穿越F147、F148、1#埡口，2條斷裂帶均為南北走向(注：穿山段盾構向正北方掘進)，主要為角礫巖，風化深呈全風化土狀或呈糜棱巖泥化夾層；其中1#埡口由于裂隙水的影響，已經形成1個小魚塘，還有當地的村民在養殖，該斷裂帶與埡口可能呈連通狀況。而這一段也是穿山段土壓盾構需克服的重中之重，一旦控制不好，容易造成盾尾漏漿[2]、螺旋機噴涌等不利后果。

4 盾構過斷裂帶掘進情況及采取措施

穿山段土壓盾構機在推進至625環時，出現大量的裂隙水涌進土倉內，導致螺旋出土器發生噴涌現象，同時皮帶機輸送出來的大部分為非常稀的泥漿和磨碎的石粉，造成橋架下方掉落大范圍的泥漿與泥渣，需要花費大量時間進行人工清理；由于裂隙水從四面八方涌入，即使按照始發階段的應對措施，在管片注入雙液漿形成止水環，封閉后方來水(平均1 d完成1～2環的進度)，也不能徹底解決此問題。因此，吸取經驗，重新制定了排渣措施，具體如下。

1)刀具尺寸及氣壓輔助掘進

穿山段盾構進洞后，由于扭矩過高，掘進速度過慢，時間長造成土倉進水大，從而導致渣土過稀及無法正常排渣的困難[3]。

針對此情況，開倉檢查刀具，發現問題主要在于刀具配置，由于刀盤前面焊了很多貝殼刀，開始安裝的都是17寸的滾刀，但由于17球齒滾刀與貝殼刀的高差較小，導致滾刀切削的過程中，貝殼刀部分也產生了切削巖層的情況，造成刀盤與巖接觸面積大，從而出現推力大和扭矩大的情況，產生一系列后續不利于掘進的因素。

決策判斷，通盤滾刀除中心刀外，全部更換成18寸滾刀，在扭矩可控的前提下，提高盾構推進速度，通過時間差，把切削下來的渣土與進入土倉的水混合后及時通過螺旋機排出，減少噴涌情況的出現。

另外，氣壓輔助措施在此斷裂帶中過程中也起到了至關重要的作用。斷裂帶中粉質泥沙巖的存在，在一定的攪和作用下，能形成一層泥膜，在高氣壓作用下，這層泥膜能滲透進入到斷裂帶縫隙中[4]，由于氣壓撐住這層泥膜，在某種程度上減少了斷裂帶裂隙中的來水量。但在大來水的過程中，泥膜也容易被沖破而達不到實際的效果。

2)管片排水

在管片的-3～-4環，所有的管片注漿孔打開進行排水泄壓(見圖3)；排水的注漿孔在漿罐前(-8～-10環)進行二次補漿[5]。主要是利用管片排水泄壓，可以降低土倉水壓力，減少單位時間內地層裂隙水進入土倉的量，緩解螺旋機噴涌的沖擊力度，減少因噴涌而灑落的渣土量，進而減少清理渣土的時間，提高掘進效率。

圖3 管片排水

由于在盾尾刷后面一直打開的注漿孔在大量排水，故推進時沒法做到同步注漿，不能利用水泥砂漿填充管片壁后的空隙，隨著推進長度的增加，管片壁后的匯水通道和面積越大，相當于形成了深層的“降水井”，因此必須要定時定距離進行大量的二次補漿(見圖4)，以彌補同步注漿量的空缺，措施中加強二次管片注漿時的堆填注漿措施為跟進措施，能形成一段一段的排水空間和注漿空間，作為兩者結合使用。

圖4 二次補漿止水

3)土倉壁排水

分別在土倉壁7點位、9點位的4寸球閥處接鋼管至加裝在螺旋旁邊的22 kW水泵；在土倉壁10點位開孔焊接1條8寸的鋼管延伸至4號臺車的污水箱、并且在中盾處加焊1條4寸三通管連接至22 kW水泵，在推進過程中抽排至4號臺車污水箱，再利用污水箱的55 kW水泵抽至井口(見圖5～圖6)。

圖5 土倉壁4寸管排水示意

圖6 8寸管安裝示意

優點：可以根據倉內水位的高低和泥漿的濃度切換排水管路進行靈活抽排，減少土倉內水的含量。

缺點：由于刀盤的轉動，切削下來的小石塊和石粉混進土倉內的裂隙水，在使用22 kW水泵進行抽排時很容易進入4寸管。泵距離土倉壁遠、泵口的進水管長且轉彎角度大以及中間的三通和蝶閥多，管路頻繁被石子石粉堵塞，由于空間狹小且電器設備多，清通管路的難度大、時間長。

4)抽水措施

管片小車后方安裝可移動的18.5 kW水泵，把掘進過程中掉下的渣漿水抽排至井口；管片小車上放小土斗，皮帶下掛18.5 kW水泵，及時把放置在橋架平臺下小土斗里的泥漿水抽上皮帶(見圖7～圖8)。

圖7 管片小車上放土斗加大水泵示意

圖8 排水到皮帶機示意

相對于盾構掘進中標配的盾尾放置1臺5.5 kW水泵，增加的18.5 kW水泵能有效提高隧道的抽水能力，特別是在采取管片排水措施時，管片小車后方聚積了大量的泥漿水，無法有效地從管片小車邊流至盾尾進行抽排，加快了清理渣土的速度，有效提高掘進效率。

但由于小土斗體積有限，在噴涌嚴重時，小土斗內渣位上升快，需要專人根據實際情況邊提升水泵邊抽水，否則很容易堵管或者因渣土過多而引起軟管被擊破甚至爆泵殼。

5)盾體注CMC

CMC是化學泥粉的簡稱，提前拌制好的CMC溶液，經過長時間的攪拌和溶解后，能達到稠度較大，比重較大的果凍效果，且在水流較急的情況下不容易被沖散。在盾構機盾體上注入此種溶液，一方面可以填充空隙，減少各方來水，另外一方面，由于其在一次溶解后不產生固結，對盾體不會產生裹緊狀態，因此，在一定程度上，可以實現封堵后方來水的功能，且能達到一定的實際效果，特別是在堆填砂漿的過程中能有效預防水泥漿液進入盾體范圍，并由于此作用得到廣泛應用。

在前盾1.11點位和中盾3.9點位的徑向孔注入惰性漿CMC。主要目的是填充盾體周邊空隙，有效阻隔后方來水進入土倉[6]。

6)加強管片二次補漿[7]

在地層裂隙水較大時，采取管片壁后大量堆填注漿。不同于一般的管片二次補漿時水泥漿和水玻璃同時注入的程序，注入步驟改為：在停止推進時關閉所有的排水球閥，使地層斷裂帶裂隙水處于相對靜止流動狀態，在-10環分別從1點、11點位同時注入2 m3水玻璃，接著注入水泥砂漿共40 m3(漿液進行調整，增加骨料，增加稠度，粉煤灰300，砂700，水泥200，注入時，每立方米添加1～2 kg減水劑)，主要目的是經過調整配合比的水泥砂漿稠度大、和易性好、流動能力強(注入后不易被水稀釋)，先注入水玻璃與地層裂隙水混合，再注入砂漿，可以延長雙液漿的初凝時間，讓漿液在管片壁后有足夠的時間擴散流動，通過大量堆填，可以讓漿液形成有效封閉環。漿液的配合比在實際堆填過程中根據初凝時間的形狀及時調整，需要達到的雙液漿狀態應該是具有一定的流動性，初凝時間應該在20～30 s之間，通過管底的充分混合后，經過管片預留孔注入管片與圍巖的裂隙中，同時擴散到兩個注漿孔之間至少一半的距離，才能達到封閉堆填的效果[8-10]。

7)具體掘進過程操作步驟[11]

① 每環的第1車，2條排水管打開、刀盤不轉、螺旋機(約10轉)排渣至土倉內沒有渣土(判斷依據為螺旋機轉速15+都關不住水)，目標排3斗再轉刀盤推進(看實際情況、不能少于2斗)。

② 從第2車開始，每1車都是2條排水管打開、刀盤不轉、螺旋機(約10轉)排渣至土倉內沒有渣土(判斷依據為螺旋機轉速15+都關不住水)，目標排2斗再轉刀盤推進(看實際情況、不能少于1斗)。

③ 推進時刀盤轉速1.5(出渣以不大于10 cm為特征現象，如較多大于10 cm的石頭出現，逐漸加快刀盤轉速至1.8)，扭矩上限為6，速度能推多快就多快，每推30 cm就停止推進繼續排完渣土(判斷依據為螺旋機轉速15+都關不住水)，目的是防止2點位的排水管被堵(可視實際渣土濃度停止推進先排渣，但長度不能大于30 cm)[12]。

④ 推進時發現土壓突然上漲至1.2 bar或者噴得嚴重時，及時檢查2點位的排水管是否堵塞(專人蹲守，及時搖動12點位和2點位的4寸碟閥，減少堵塞幾率)，出現堵塞現象時及時停止推進，排渣或通管后再推進。

5 掘進效果及經驗總結

采取此系列措施，是在推進過程中主要控制要點為排水和堵水相結合原則，盡可能減少斷裂帶水系進入艙內的水量，從而減少盾尾漏漿和螺旋機噴涌的不利影響。

依據此原則，各項措施根據不同的條件單獨或者相互結合采用，盾構在通過這一連續斷裂帶過程中，盾構機各項參數相對可控，推力保持在1 600～2 400 t，扭矩控制在3 000～6 500 kN·m，上部土壓力保持在0.4～0.8 bar，可以保持速度在10～25 mm/min之間[13]。土倉內進水量也逐步減小，推進過程中切削下來的渣土能與水中和，出渣開始順暢。

在拼裝管片、換車以及設備故障時，土倉內還是會大量進水，為保證推進過程出渣順利，采取如下措施：

1)推進時采取低土壓推進，盡可能地降低土倉內渣位，使推力減小、刀盤扭矩減小，進而保護刀具，必要時在出土性狀能達到泥漿性能時采取氣壓輔助掘進[14]。

2)在管片后-3至-4環位置裝球閥進行開孔排水泄壓；停機時采用憋土保壓且及時加氣輔助保壓至1.6～2.0 bar，防止外部裂隙水在停機過程中涌進土倉[15]。

3)推進過程中在管片-8～-10環進行二次補漿堆填9 m3/環，每20環做3環的封閉環(多孔管片處于-8～-10環時，對所有注漿孔進行二次補漿，自下而上，跳孔交替，每環至少4個孔，每孔2～3 m3)。

自此，各項措施在過程中嚴格執行，每日掘進精細控制，反復掘進的過程中也順利通過了此區間最大的風險點。

6 結語

歷經25天，穿山段土壓盾構機順利通過此段連續性斷裂帶水系，區間110環前后影響，日均4.4環8 m的進度。

廣東地區山體隧道裂隙發育，斷裂帶較多，特別是在粵東水資源配置工程中，盾構隧洞也將替代傳統的鉆爆開挖方式。遇到的不良地質，特別是在穿山越嶺的隧洞開挖過程中所能預見性的斷裂帶水系發育所帶來的施工的影響，本文也專門提供了一些措施以作參考，后續隨著科技的進步，這些措施也將在一次又一次的工程實踐中得到優化和深化，更好地解決工程中遇到的各種各樣的難題。