富水复合地层盾构止水关键技术

温文兵

(福州地铁集团有限公司,福建 福州 350001)

1 概述

近年来,随着我国各大城市经济的飞速发展，城市轨道交通工程的发展迅速,在轨道交通的建设中，盾构法因其对周边环境影响小、施工进度快、施工更安全等特点，成为城市隧道建设中的主要施工方法。而在富水复合地层条件下盾构隧道工程遇到的各类问题也越来越突出[1],土压平衡盾构在富水复合地层中掘进时，受大量地下水的影响，常常遭遇掘进困难，螺旋输送机喷涌，注浆效果不理想，造成渣土处理量加大，管片姿态不易控制,拼装完成后易发生盾尾后方隧道上浮、成型隧道偏离设计轴线、管片碎裂与渗漏等问题，甚至造成隧道贯通后需要进行大范围调线调坡[2]，对工程安全、进度、质量及安全文明施工带来巨大挑战。

对于富水复合地层条件下的盾构隧道工程很多学者都进行了相关研究，戴志仁[3]针对兰州地铁1号线盾构下穿黄河隧道工程，对管片荷载模式与结构选型方面进行了研究，明确了高水压下管片防水与耐久性控制因素；王强[4]基于山西省小浪底引黄工程引水干线盾构隧道工程，建立了复杂富水地层下盾构机掘进速度及刀盘扭矩的数学模型，得到刀盘总推力、盾体铰接总力度和刀盘转速与掘进速度成比例关系；胡欣雨等[5]针对富水砂卵石地层中盾构掘进遇到的刀盘与螺旋机磨损严重、排土困难及开挖面难以平衡等情况，提出了加泥式土压盾构与欠压掘进方法，在一定程度上提高了盾构掘进效率、减小了施工扰动；杨志团[6]对高压富水砂卵石地层条件下的盾构管片内力与防水机理进行了深入研究，明确了单层衬砌的合理性；罗松等[7]提出了富水砂卵石地层盾构掘进地表滞后沉降的主要诱因及其应对措施，对实际工程具有一定的指导意义。这些既有研究成果主要集中在数值计算及地层稳定性控制与盾构掘进效率方面，本文以福州地区复合地层盾构区间为基础，通过梳理总结排水、施作止水环以及设备改造等措施，有效降低了地下水对掘进的影响,为后续类似地层掘进提供参考依据。

2 富水复合地层盾构施工面临的关键问题和挑战

2.1 盾构掘进效率低且设备损耗大

在节理裂隙较发育，渗透系数较大，地下水丰富，气密性差，土体中黏性颗粒少、松散无黏结力的复合地层，在丰富的(承压)地下水作用下，渣土难以在土仓内形成流塑状，渣土通过螺旋机排出土仓过程中，难以在螺旋机内形成有效的“土塞”效应[8]，由于地下水源源不断的汇集至刀盘前方，造成土仓内水压较大，排土过程中易发生喷涌，掘进过程中经常陷入“掘进-喷涌-清渣-管片安装”这一恶性循环中。同时由于出渣不易控制，容易发生超排现象，注浆方式不正确或注浆不及时容易引发地面沉降甚至地表塌陷这一严重后果。由于喷涌造成拼装前需要花费大量的时间人工清理渣土，从而长时间停机，无法形成连续掘进,从而又进一步加剧了刀盘前方水流汇集，且影响了同步注浆及二次注浆的施工，这不但严重影响掘进效率，而且因地下水问题造成的掘进效率低下且注浆不及时问题又为地表沉降埋下了隐患。通过分析梳理福州地区在类似地层的掘进功效，当盾构掘进陷入此类恶性循环中时，平均每天的掘进环数仅为1环。在砂层，粉细砂层及砂卵石地层组成的复合地层中，喷涌现象与流土破坏机理类似，都是由于渗流引起土颗粒悬浮和移动造成的，在这种情况下，大水压造成的喷涌容易引发地表沉降，由于掘进的不连续，且气压辅助无法实现时，为保证安全时常会提高仓位甚至满仓掘进，在推力扭矩都增大的情况下采用满仓掘进的方式将进一步加剧盾构参数的恶化，造成刀具磨损。

2.2 隧道成型质量受到严重影响

由于地下水位较高，地层渗透系数大，管片壁后水压较大(见图1)，这直接影响了盾尾同步注浆填充效果。同步注浆的浆液细颗粒还未凝固就被管片后方水流全部冲入土仓内，无法起到填充间隙作用，在地下水的作用下将造成管片出现上浮的现象，当管片上浮量超过10 cm时，不仅会形成较大错台、引发渗漏水等严重的质量问题，而且将导致隧道贯通后需要进行调线调坡。

3 原因分析

1)在类似区段范围内，隧道洞身范围内下伏基岩为安山质凝灰岩及燕山期侵入岩，裂隙发育，局部岩体呈碎裂状，施工过程中曾多次出现漏浆，尤其是侵入岩与围岩结合部漏浆严重，其破碎～较破碎岩体中风化裂隙、构造裂隙处有地下水分布，其透水性及赋水性受裂隙连通性、充填物及补给来源等因素控制，水量贫富不均，岩面起伏较大，局部基岩埋藏浅，枯水期一般水量不大，但丰水期在大气降水、上层潜水补给下水量较大，其余较为完整的岩体中透水性和赋水性均较差。基岩裂隙水主要接受上覆松散层中孔隙潜水、大气降水的入渗补给及场区外地下水、地表水体的侧向入渗补给，排泄方式主要为侧向径流、人工开采。根据详勘资料结合开仓检查结果，类似区段岩石裂隙发育，局部岩体呈碎裂状，裂隙发育，地下水位高，水压高，此类地层地下水容易从刀盘与盾体的间隙汇入刀盘(见图2)。

本区段地层情况为：③-1b1+2层粉质黏土：灰黄色、黄灰色夹灰色，可塑～硬塑，标贯为7左右，含铁锰质浸染及斑点，夹杂蓝灰色条带，切面稍光滑，韧性及干强度中等。该层间断分布于低洼地段，工程地质性能一般。③-2b3层粉质黏土：灰色、黄灰色，软塑，局部流塑，粉质含量高，土质不均，夹粉土，含腐殖质，标贯仅在3左右。该层间断分布于低洼地段，工程地质性能较差，距离隧道顶板较近时易引起地面沉降变形。④-1b1+2层粉质黏土：灰黄色、褐黄色夹黄灰色，可塑～硬塑，局部为黏土，土质较均匀，标贯在14左右，含铁锰质浸染及结核，偶含钙质结核，粒径5 mm～10 mm，底部混少量砂颗粒及卵、砾石。该层分布普遍，仅少量孔缺失，厚度大，强度较高，中偏低压缩性，是较好的天然地基持力层，工程地质性能较好。据膨胀试验，该层自由膨胀率为38%～42%，具弱膨胀性。④-4e1+2层卵、砾石夹粉质黏土：杂色，以灰色、灰黄色为主，中密～密实，卵、砾石粒径一般10 mm～60 mm左右，最大粒径超过10 cm，成分为石英质，亚圆形，一般含量约占50%～80%，黏性土混砂充填，局部含量略低，约占20%～40%，以黏性土混砂为主。该层大部分地段揭露，仅局部缺失，厚度变化大，受充填物影响成分较为复杂，中偏低压缩性，工程地质性能一般。该层在盾构掘进范围内，含承压水，赋水性、透水性受充填物、补给来源等因素控制分布不均匀，水量较大时施工易出现涌水、流砂、坍塌，其中单块卵、砾石抗压强度高，抗磨性能强，对盾构掘进施工影响较大。J3l-1全风化安山质凝灰岩：灰紫色、灰黄色，原岩结构已完全破坏，岩芯呈砂土状，手捏即碎，浸水易软化，夹强风化岩碎块。J3l-2强风化安山质凝灰岩：灰紫色、灰黄色，原岩结构大部分被破坏，残余凝灰结构，块状构造，裂隙极为发育，岩芯较破碎，呈块状及少量短柱状，间隙为砂土状风化岩碎屑充填，岩芯锤击声哑、易断。J3l-3中风化安山质凝灰岩：青灰色夹紫色，残余凝灰结构，块状构造，岩芯较完整，呈柱状、短柱状，节长10 cm～40 cm，局部呈碎裂状，岩芯破碎，呈碎块状，碳酸盐化明显，锤击声脆、不易碎。在该区域岩石抗压强度较低，仅为12.5 MPa。δμ5-1全风化闪长：玢岩灰黄色、黄灰色、灰白色，原岩结构已完全破坏，岩芯呈砂土状，手捏即碎，灰刀易切割，夹强风化岩角砾、碎块。δμ5-2强风化闪长玢岩：灰黄色、黄灰色夹紫褐色，原岩结构大部分被破坏，斑状结构，块状构造，岩芯较破碎，呈块状及少量短柱状，手折能断，岩块互击声哑、易断。δμ5-3中风化闪长玢岩：青灰色、灰色，斑状结构，块状构造，岩石表面可见碳酸盐细脉充填，岩芯较完整，呈柱状、短柱状，节长10 cm～120 cm，局部破碎，呈碎裂状，锤击不易碎。岩石抗压强度较高，在75 MPa。各土层与岩层物理性质见表1,表2。

表1 土层物理性质表

表2 岩层物理性质表

2)由于基岩裂隙水主要接受上覆松散层中孔隙潜水、大气降水的入渗补给及场区外地下水、地表水体的侧向入渗补给，施工区段地面河水有互联，施工过程中，湖面出现大量气泡，洞内与湖面已有联通空隙，根据监测数据，在该区域施工过程中，1个月期间，湖面水位共计下降15 cm，湖水的补给也是地下水较大的原因之一(见图3)。

3)类似区段一般位于下坡段，进一步加剧后方来水汇集至刀盘前方，同时，在施工前，若对地层的复杂性认识不足，未提前施作止水环，易导致后期水量较大、水压较高，无法有效的进行封堵。

4 盾构止水关键技术

为彻底有效的解决地下水难题，经认真分析总结梳理福州地区类似工程经验，根据疏排结合的原则，制定出了盾构止水的关键技术：

1)隧道后方通过打开管片吊装孔排水，以达到减少后方水流的目的；2)通过径向孔注入聚氨酯，防止注入的双液浆窜入刀盘前方；3)在刀盘与前盾之间的动间隙向前盾表面插入止浆板，然后固定在前盾内侧土仓壁上，进一步防止浆液流窜至土仓内，提高后方止水环施作质量；4)注入双液浆止水环箍。其中，详细技术措施有以下几点。

4.1 隧道内主动排水

掘进过程中，在连接桥、1号台车、2号台车范围内，主动打开管片吊装孔，在吊装孔处安装球阀，而后卸掉地层中的水流(见图4)，这在一定程度上减少了后方的水量，进而保证了掘进效率，但对隧道内文明施工影响较大，且未能最终填充管片壁厚的空隙，对管片质量及后期隧道成型质量影响较大。故在采取该方法时，须利用吊装孔接出的球阀，接水管路线，将水排在盾构机本身的污水箱内；同时，在排水过程中，加强管片的监测工作，管片变形超过规范值后应停止排水。

4.2 施工止水环

在类似地层施工中，要认真分析及研究地质勘查资料，在未出现大量地下水期间，提前做好管片后方止水环，根据目前经验，至少需提前50环进行，且5环一道止水环。若在施工期间还是出现大量流水，考虑地下水处于流动状态情况下，注浆止水效果较差，须对土仓进行膨润土砂浆回填，压力大于地下水压力0.2 bar，确保连接桥位置，地下水处于“停滞”状态，同时为防止浆液流窜至土仓内，在盾壳径向注入聚氨酯进行封堵水路(见图5)，在连接桥位置(盾尾脱出5环～10环)施作止水环，止水环每3环一道，浆液采用双液浆，凝结时间为25 s左右最佳，注浆过程中需要进行隔环跳孔注浆，同时，施工中加强对管片的监测工作，注浆过程中，需打开吊装孔进行泄压，每个孔遵循“少量多补，一孔多注、反复注浆”的原则。

4.3 设备改造

在刀盘与前盾之间的动间隙向前盾表面插入止浆板，然后固定在前盾内侧土仓壁上，进一步防止浆液流窜至土仓内，提高后方止水环施作质量。以6 m级别常见盾构机为例，刀盘开挖直径为6 480 mm，前盾直径为6 450 mm，因此前盾盾体表面与土层之间会有1 cm～2 cm的间隙。从刀盘与前盾之间的动间隙向前盾表面插入止浆板，然后固定在前盾内侧土仓壁上。该前盾止浆板由螺栓连接，在损坏或者脱落的情况下可以方便更换。止浆板必须要有优异的弹性和耐磨性能，才能将刀盘的扩挖部分密封住。在实际使用过程中，配合止水环双液注浆有较好的止水止浆效果。

5 结语

以上施工经验主要遵循疏排结合、超前预防的原则，采用刚柔并济的方法，掘进前施作止水环以减少后方来水；掘进时引导水流防止喷涌，减少掉渣；设备增加防水设施。对于最终提高成型隧道质量与文明施工，具有良好效果。对于今后类似地层中的土压盾构掘进具有较高的指导意义。