软土地层中地铁隧道透水事故处理及修复工艺

曲腾飞， 王 媛

(1. 天津市地下铁道集团有限公司， 天津 300000； 2. 天津渤海职业技术学院， 天津 300000)

软土地层中地铁隧道透水事故处理及修复工艺

曲腾飞1， 王 媛2

(1. 天津市地下铁道集团有限公司， 天津 300000； 2. 天津渤海职业技术学院， 天津 300000)

依据某市软土地层中地铁隧道透水事故发生后的处理及修复工程，系统阐述事故处理过程中隧道充填、明开区间、隧道接驳、既有线保护等具体工作的穿插安排及实施细节，重点介绍从最初的隧道保压填充到最终排水清淤各个施工工序的实施过程，以及对事故原因的分析及预防此类事故再次发生的措施，为我国位于软土地层中的地铁隧道透水事故发生后的后续处理工程提供强有力的参考及施工方案编制依据。

城市轨道交通； 软土地层； 地铁隧道； 透水事故； 修复工程

我国某市一地铁隧道右线在推进至区间最低点V字坡处，由于盾构姿态一次调整量过大及管片拼装质量不到位，导致隧道断面5点钟方向出现管片碎裂现象，进而发生透水事故，隧道底部大量泥沙随着水流进入已成隧道，隧道底部大面积被掏空，最终使得已成隧道在344～345环管片之间纵向螺栓被剪断，管片缝隙处形成错台变形达30 cm，地面沉降达50 cm，抢险失败。随后，专家小组随即决定在310环完整管片处做一道6 m厚的混凝土封堵墙，对透水区域从地面垂向引孔注入高压水及水泥砂浆，将整个盾构机及隧道全部填筑，保证隧道内外压力平衡，防止地面继续沉降。

1 工程概况

事故发生后，经过多番讨论，专家小组成员给出一致修复意见，意见指出：采用原位地连墙明挖修复方案，明挖段与既有隧道采用水平冻结矿山暗挖法对接，剩余未完成区间继续采用盾构法施工，针对左线既有线采用加强保护的方案，整体工期12个月。修复工程东西向长75 m，南北向宽10.8 m，基坑深25～28 m，基坑安全等级为一级，基坑变形控制等级为一级。修复工程地连墙结构距离左线规划隧道管片最近距离约5.3 m。其中，左线既有线沉降控制值为10 mm，水平位移控制值为5 mm(见图1)。

2 修复工程施工组织及施工方案

该工程的整体施作顺序如下：隧道填充(已完成)→南侧、西侧、北侧连续墙施工→管片切割→东侧连续墙施工→基坑开挖及吊出盾构机→施作明挖段主体结构及水平冻结→打开既有封堵墙排水清淤、施作安全门→破除东侧连续墙→与完好隧道完成连接→西侧端头井盾构接收。下面重点介绍以上若干道重要工序的施作顺序及施工工艺。

图1 区间修复工程整体示意Fig.1 Overall schematic diagram of interval repair engineering

2.1 隧道填充

事故发生后，为最大限度地保证已完成隧道的完整性以及地面沉降的稳定，专家小组建议采用地面引孔注浆方式，对事故发生区域范围进行全断面砂浆回填，将整个盾构机及后续管片内部注满砂浆(见图2)，保持隧道内外压力平衡，防止险情的进一步扩大，有效遏制地面沉降的发展。

图2 事故发生范围内隧道全断面砂浆回填Fig.2 Whole section tunnel mortar backfill within the scope of the accident

2.2 南侧、西侧、北侧连续墙施工

为保证周边管线、道路及既有线的运行安全以及贯彻专家小组关于“抢险工程不能再发生抢险”的要求，修复工程南北侧及中间横隔墙采用1.0 m厚地下连续墙，东西端头处采用1.2 m厚地下连续墙，共计36幅，沿基坑深度方向设5道1 000 mm×1 000 mm的混凝土支撑，加局部换撑，开挖深度为25～28 m。地下连续墙深度分别为13、35、49、54 m不等，接头形式均采用工字钢接头。地连墙有一型、T型、L型3种样式。地下连续墙采用C35混凝土，抗渗等级P8，采用HPB400二级钢筋作为主筋，拉结筋采用HPB300一级钢筋，地连墙分幅及结构形式见图3。

为保证基坑北侧既有线运行安全，地连墙连接处接缝止水采用RJP高压旋喷桩工法，桩体直径采用2 400 mm，180°形式，端头井加固区域采用桩体直径2 400 mm，360°形式。与地下连续墙搭接不小于700mm。桩心位置可 根据 现 场情况做适当调整，桩体中心宜垂直于型钢接头连接幅接缝处，以密贴既有围护地连墙为原则,如遇地墙鼓包及管线情况需调整桩位后再行施工。桩长根据土层及其止水要求，桩顶位于地面以下10 m，桩底位于地连墙墙趾处。具体固化材料采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，施工过程中根据成桩范围内所有土层的特性确定桩体水泥掺量，建议水泥掺量900 kg/m3，水灰比1:1，RJP桩体垂直度偏差不大于1/200，桩位中心偏差不大于±20 mm，桩深偏差不得大于50 mm，成桩直径应不小于设计直径，28 d取芯芯样无侧限抗压强度在淤泥质土层中不小于0.5 MPa，黏性土层中不小于0.5 MPa，在砂质土层中不小于1.0 MPa，桩体渗透系数不大于10-7cm/s。在高压喷射成桩过程中出现压力骤然下降、上升或冒浆等异常情况时，应立即停机，查明产生的原因并及时采取相应措施。

图3 地连墙、分隔墙及支撑布置Fig.3 The underground continuous wall, wall separating and support plan

2.3 管片切割

因需要在隧道与主体结构处施作地下连续墙，故需先将西侧地连墙处的已成管片切除捞出。管片切割作业的主要设备采用全回转钻机、130 t履带吊自重均超过35 t，为确保施工安全和施工精度，施工作业前须将清除部位及主要设备作业部位(地面以下至少1 m深度范围内)，采用三七灰土分层换填、平整压实(若地面为沥青或混凝土结构，则无需处理)，然后按照以下工序施作：测量定位→钻机就位→套管压入及钻进→管片切割→地下管片及障碍物清除捞出→土体回填、夯实、拔管。管片切割系统示意见图4。

图4 管片切割系统示意Fig.4 Schematic diagram of segment cutting system

在管片切割作业过程中，因钻进过程中压入力和冲砸的影响，存在对一侧完好隧道造成损坏的可能，拟采取以下3个措施，以保护完好隧道：1)控制压入力；2)合理布置孔位切割顺序，防止切割出的管片过大造成卡管，不需用冲锤进行冲砸，从而避免对完好隧道造成损伤。孔位切割顺序为：2→3→4→5→1→6，孔位编号见图5；3)在管片切割过程中难以避免冲砸时，钻机套管应将地下隧道全部切穿或者尽量多切入隧道内，以免冲砸时造成完好隧道损坏。

图5 管片切割顺序及注浆孔位布置Fig.5 Segment sequence diagram and grouting hole arrangement

管片切除并全部回填完成后，为确保后续地连墙施工不塌孔，在已清除的有效槽段两侧各进行一排袖阀管注浆加固。袖阀管注浆孔布置于设计地连墙中心线两侧0.8 m位置，注浆孔间距1.2 m，注浆材料采用低强度单液浆，设计注浆加固强度不超过0.5 MPa，注浆深度为地面至隧道底下3 m。

为防止注浆液流窜至地连墙开挖槽段内，造成地连墙成槽困难，注浆浆液配比(重量比)见表1。

表1 注浆浆液配比

以上配比需要依据加固强度要求，通过现场配比试验进行适当调整。注浆采用从下往上注入，注浆压力不大于0.30 MPa，达到该注浆压力后提升注浆管，每次提升量为0.5 m，直至完成全部孔位注浆。

2.4 基坑开挖及主体结构施作

东侧连续墙施工及基坑开挖、吊出盾构机属于常规施工，本文对施工工艺不再赘述，主要需处理好架体搭设安全、施作顺序与材料运输的协调关系，在破除基坑内已成盾构管片、吊出盾构机和后配套台车时，注意做到先撑后挖，加强监测即可(见图6)。

图6 主体结构示意Fig.6 The main structure diagram

2.5 暗挖段水平冻结施工及与完好隧道连接

右线隧道修复工程明挖段结构与既有隧道结构的对接设计采用水平冻结法施工。冻结壁设计有效厚度为3.0 m，平均温度小于-15℃。

根据推测的基坑与隧道管片尺寸平面关系，管片设计长度为拟拆除三环隧道管片(4.5 m)，基坑外伸连续墙长度为五环管片(7.5 m)，加上全回转管片切割机切割的一环管片。因此，切割和拆除管片总长度为4.932 m，外伸连续墙长度为7.932 m，水平冻结长度为8.682 m。根据隧道埋深和拟冻结的隧道断面尺寸(净直径5.5 m)，采用双排水平冻结孔布孔。内圈冻结孔与开挖荒径距离为700 mm，以保证开挖时荒径处处于负温状态，外圈孔与内圈孔布置间距为1 200 mm，确保冻结壁按时交圈并按时达到设计要求的平均温度。考虑到内圈冻结孔的冻结量少于外圈孔，故内圈冻结孔间距按920 mm控制，外圈孔间距按800 mm控制。

此外，基坑内连续前厚度为1 200 mm，且有800 mm内衬，外伸连续墙厚度为1 000 mm，无内衬。因此，水平冻结孔如全部采用垂直连续墙布孔，将无法满足冻结壁与坑外连续墙槽壁交圈的问题，需布置部分水平倾斜冻结孔以满足要求。冻结孔布置如图7所示，与完好隧道的连接采用冷冻暗挖(矿山法)施工，施作顺序见图8。

图7 水平冻结孔布置Fig.7 Horizontal freezing hole arrangement

图8 与完好隧道连接Fig.8 Diagram of connection with good tunnel

2.6 打开既有封堵墙排水清淤

隧道封堵墙的位置及布置形式如图9所示，混凝土第1段采用风镐破除，第2段用水钻垂直打孔然后放入高效膨胀剂，第3段依照第2段方法破除。 采用静态爆破时要与管片保持50 cm距离才可以打孔，孔与孔之间的距离要不大于30 cm，混凝土墙和管片之间要抠出5 cm的缝隙，孔深度保持30 cm，使缝隙和孔深相同，满足要求才可施工。静态爆破时要在晚上进行，白天主要利用风镐破除第1阶段砼和为晚上静态爆破创造条件。静态破碎时，发生异常情况时必须立即停止作业，待查明原因采取相应措施后方可继续施工。装填炮孔前应检查炮孔干湿程度，对吸水性强的干燥炮孔应先以净水湿润孔壁，然后装填，以免大量吸收浆体中水分，影响水化作用和降低破碎效果。按“先四周，后中央”的灌注顺序，灌注时需连续成线，防止形成空气夹层。破碎剂要随配随用，一次不宜拌制过多；搅拌好的浆体应尽快装到炮孔内，并应在5 min内用完，时间过长将明显降低流动度和破碎效果，尽可能在浆体发热前灌入钻孔内。

图9 修复区间右线封堵墙Fig.9 Block wall for right line in repair interval

封堵墙内水位通过预留在封堵墙上的12点位、2点位、5点位的3根水位监测管进行监测，监测频率为2次/d。封堵墙破除时，出现渗水或是漏水将对施工带来极大的不便与风险，特别是给修复段暗挖施工埋下隐患。若封堵墙渗水严重时，则在渗水部位打孔，埋设注浆管，注入水泥浆进行封堵。在破除过程中一旦出现漏水，立即在封堵墙漏水点封上钢板，用预先准备好的木楔子及棉被封堵，然后打孔向里注入双液浆进行封堵。加大修复段工程基坑监测频率，必要时通过水位监测管向封堵墙内注水以平衡水压确保安全。

3 事故原因分析及预防措施

此次事故的发生，究其原因主要有几方面：1)发生事故的点位地质情况为粉砂层，含水量大且透水性好；2)盾构机纠偏量过大，顶推力过大导致管片边角破损严重；3)该隧道管片采用凹凸榫形式，虽在理论上能保证拼装质量及止水效果，但由于在实际操作中发生的管片拼装误差及错台，使得管片破碎情况加重；4)同步注浆浆液质量较难保证，稠度及初凝时间不能达到规范要求。综合以上原因及各项主客观因素，导致了此次事故的发生。

为防止此类事故再次发生，首先，应加强盾构风险管控意识，从主观上重视风险源的存在与发生，同时要对应急人员及物资加大管理力度，时刻坚持专项物资不得挪用的原则；其次，详细了解盾构掘进地段地质情况，针对风险地层制定有针对性的专项掘进方案，在掘进至该位置时加强对监测、管片拼装质量及管片纠偏的控制；再次，尽量选用性能良好的注浆系统，使得同步注浆浆液稠度能够达到9～11，同时，如果条件允许，可选用商拌浆液作为同步注浆浆液进行填注；最后，针对软土地层中的隧道掘进，尽量不要采用带有凹凸榫的管片，避免管片由于拼装误差及错台或推力过大引起管片碎裂。

4 结论

本文依据现场实际的施工顺序及要求，全方位、系统地展现了软土地层中地铁隧道透水事故发生后的处理及修复工程，详细地阐述了隧道充填、明开区间、隧道接驳、既有线保护等具体工作的穿插安排及施作顺序，作为国内该项工程的成功案例加以推广、借鉴。同时，分析了该事故发生的具体原因以及提出了针对该事故发生的预防措施，为我国位于软土地层中的地铁隧道透水事故发生后的后续处理工程提供强有力的参考及施工方案编制依据。

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(编辑：郝京红)

Permeable Accident Treatment and Repair Technology for Subway Tunnel in Soft Soil Stratum

QU Tengfei1, WANG Yuan2

(1.Tianjin Metro Group Co., Ltd., Tianjin 300000; 2. Tianjin Bohai Vocational and Technical College,Tianjin 300000)

The process of tunnel filling, open cut interval, tunnel connection, specific work arranged to protect the existing lines and its implementation details are systematically elaborated to handle permeable accident taking place in the subway tunnel in soft soil stratum and conduct repair in line with the engineering practice. The implementation process from tunnel packing to drainage dredging is emphasized. The cause of the accident and the preventive measures are also analyzed.

urban rail transit; soft soil stratum; subway tunnel; permeable accident; repair project

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.017

2016-02-23

2016-12-02

曲腾飞，男，硕士，工程师，主要从事轨道交通工程研究，qutengfei123456@163.com

U231

A

1672-6073(2017)01-0082-05