盾构穿越富水破碎带不良地质掘进措施研究

郑代靖

（中车智能交通工程技术有限公司，北京 丰台 100078）

0 引言

随着我国经济技术的快速发展，城市轨道交通建设也迎来了快速发展阶段。在城市轨道交通建设过程中，盾构法因其具有对周围环境影响小、易于控制沉降、施工安全且进度快等优点，成为城市轨道交通建设中的常用施工方法[1]。城市轨道交通工程勘察过程中，往往会因勘探技术及作业环境的局限性，出现实际地质条件与勘察和设计的地质条件并不吻合的情况，会存在一定的不确定性及复杂性，容易导致盾构施工过程中发生事故。

盾构施工开挖事故中，富水破碎带喷涌坍塌是较为常见的情况，2014年南京地铁3号线盾构掌子面坍塌出现喷涌现象，2018年佛山轨道交通2号线盾构区间突发透水，引发隧道及路面坍塌[2]。许多专家学者也针对富水破碎带喷涌坍塌事故进行了大量研究，比如，宋蕾通过室内试验对克泥效材料性质和微承压砂层渣土改良技术进行了研究，洪开荣等进行了大直径泥水盾构复合地层速凝浆液的同步注入技术研究[3]。

本文结合无锡至江阴城际轨道交通工程施工案例，针对施工过程中遇到的勘察设计与实际施工不相符的情况，根据现场施工情况和补勘钻孔地质分析，对盾构穿越富水破碎带不良地质掘进措施进行了研究，研究成果对类似条件下的盾构隧道施工有借鉴作用，对提高我国盾构隧道施工水平、保证盾构施工安全具有重要意义。

1 工程概况

江阴高铁站～南闸站盾构区间右线长1499.331m，隧道埋深约5.71～87.8m。主要穿越①2素填土、②1淤泥质粉质黏土、③1黏土、③2粉质黏土、⑥1粉质黏土、⑥2黏土、⑭2含碎石粉质黏土、⑱2强风化砂岩、⑱3中风化砂岩等。区间沿线主要地表水为长江、东横河、运粮河、应天河、工农河，地下水主要为潜水和承压水。潜水含水层主要存在于全新统Q4填土层、②2黏质粉土层中，勘察可知线路区域内均有分布，填土层由黏性土夹碎石构成，颗粒级配不均匀、固结时间短，常常由于架空现象的存在而形成孔隙，成为赋存地下水的空间，透水性不均匀，主要接受大气降水的入渗补给。承压水赋存于⑦2粉土夹粉砂、⑧2粉质黏土夹粉土、⑨2粉砂和⑩3粉砂中，含水层的补给来源主要为承压水的越流补给及地下径流补给，以地下径流及人工抽吸为主要排汇方式。

2 富水破碎带地层施工情况与地层特征分析

2.1 富水破碎带地层施工情况

江阴高铁站～南闸站盾构区间右线掘进至136环时进入强风化石英砂岩地层，掘进至295环时下部逐渐进入中风化石英砂岩中，掘进至345～383环时螺旋口频繁喷涌，土仓压力波动异常，出土渣样中含水量大(每环约30m3水)，出土量异常(90 m3渣土含水)，渣样中含较多的中粗砂与部分黏土（夹层）（见图1），管片上浮严重约70mm。

图1 施工过程中实际渣样图

2.2 富水破碎带设计与现场对比分析

江阴高铁站~南闸站盾构区间右线设计图纸揭示该区域（345-397环）为⑱2强风化砂岩区域与⑱3中风化砂岩地层（地层同为弱透水层）。在盾构掘进过程中，现场实际出土渣样中含较多的中粗砂与少部分黏土（中粗砂，泥土和石子各占1/3），呈现的是典型的软弱区/破碎带发育区域；含水量大，揭示该区域内基岩裂隙水富集，具有富水性，与图纸所述地层存在差异。江阴高铁站～南闸站盾构区间右线盾构掘进工程中，该区域施工时盾构出现螺旋口频繁喷涌，土仓压力波动异常等现象（注：盾构下穿花山段属于生态一级管控区，勘察设计阶段无法办理现场施工作业手续，花山西侧山体上勘探孔间距较大，前期地质勘探采取物探取代钻探）。

2.3 富水破碎带地层特征

结合现场施工情况及地质补勘报告，在右线391环附近的位置，补充钻探了1个S1#机钻取芯孔（现场条件受限），并在钻孔完成后进行1组单孔抽水试验，勘察后明确破碎带地层特征如下：

（1）钻孔的现场钻探情况及采取岩芯显示，孔内强风化石英砂岩裂隙发育，为较破碎-破碎（局部极破碎）的较软岩-较硬岩，岩体基本质量等级为V（见图2）。

图2 洞身范围内芯样照片

（2）对盾构施工有影响的基岩裂隙水主要赋存于强风化石英砂岩中，富集于强风化破碎区。

（3）试验期间测得钻孔内基岩裂隙水静止水位埋深约为15.70m，静止水位标高约为3.02m。

（4）钻孔内基岩裂隙水的水文地质参数建议如下：渗透系数K=1.64m/d，影响半径R=244.44m（抽水井S1降深19.11m时所得值）。

（5）本次抽水试验求得的水文地质参数为孔内承压水的综合参数值。

3 富水破碎带盾构掘进措施

3.1 高分子聚合物改善仓内排水

推进过程中通过管路向盾构机土仓内注入原液高分子聚合物[4]，利用高分子材料大量吸收渣土中水分后变为塑性渣土，防止出土口喷涌。

高分子聚合物配比通过现场渣土试验确定。现场从螺旋机取土进行试验，确定配比为“1m3水内掺加6kg高分子聚合物”配出的浆液效果最佳，聚合物浆液加注量一般为每环6m3。高分子聚合物可以吸附渣土中大量的水分子，有效缓解喷涌现象。

3.2 速凝效改善螺旋喷涌

由于粉砂和粉砂岩自身的特性，开挖下来的渣土颗粒级配不良，大颗粒孔隙中的细小颗粒会很快被承压水流流搬运走，留下的大颗粒之间的孔隙缺少细小颗粒填充，容易导致大颗粒失去稳定性，而且也有利于孔隙水流动，不断形成新的喷涌条件。采用速凝效改良渣土的方法可以使渣土中的细小颗粒被包裹、聚集在大颗粒之间的孔隙中，将原本透水的渣土变为挡水土塞，随着不断开挖、排出渣土，不断加入速凝效，形成动态的土塞效应。在台车尾部放置双液注浆机，注浆机管路连接至土仓壁上，掘进过程中通过二次注浆机注入土仓中。

3.3 克泥效工法封堵汇水通道

克泥效工法是将高浓度的泥水材料与塑强调整剂两种液体分别以高管压送到制定位置，再将此两种液体以适当比例混合成高粘度塑性胶化体后，再通过径向孔注入的一种新型工法。由于开挖间隙的存在，盾体后方的地下水源源不断汇入土仓。通过盾体径向孔向开挖间隙填充注入克泥效，随着盾构过程的推进，新的开挖间隙产生，克泥效也不断补充注入，将汇水通道填充封堵，以达到切断水源的效果。推进过程中通过盾构机径向孔注入克泥效，填充盾壳外间隙[5-6]。

为了保证盾构施工期间阻断盾构机后部水源，特别利用平时关闭的8个径向注浆孔（位于盾构机中盾和盾尾），在盾构推进同步通过盾构机内注浆机向盾构机盾体外注入惰性材料，注入率控制在130%，同时控制注入压力和注入量，采用克泥效浆液。这样就能及时填充开挖直径与盾体之间的空隙，隔断盾体周围和盾构机后部的水源进入土仓。

3.4 制作止水环阻断隧道后部水源

每推进8环对盾尾后10环管片进行二次注浆，形成止水环箍，阻止后方来水。减小土仓内的水量，保证盾构机能正常推进。

采用双液浆每间隔8环做一道环箍（连续注入3环，单环5m3），使隧道纵向形成间断的止水隔离带，再在各环箍间进行二次注浆，注浆顺序由下至上。

3.4.1 注浆材料、配合比

破碎带补强注浆时采用水泥净浆进行二次注浆，双液浆进行封环及封孔。双液浆即：水玻璃+水泥砂浆。双液浆液配比：水泥浆水灰比为1：1；注入时水泥浆液与水玻璃体积比为1：1。

3.4.2 注浆设备

注浆泵2台（双液注浆泵），小型浆液拌合筒2个，Ф32铜球阀25个，50mФ32注浆软管4条，1条备用，三通4个。

3.4.3 注浆顺序及注浆工艺

（1）注浆顺序：同一环管片严格按“先顶部后腰部，两腰对称”的方法注入，注浆压力控制在0.3～0.4MPa。

（2）止水环箍注浆工艺：在注浆前先选择合理的注浆孔位，将注浆单向逆止阀戴上后，用电锤钻穿该孔位后3cm保护层，接上三通以及水泥浆管与水玻璃管。二次注浆时，先注纯水泥浆液达到预定压力后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。在一个孔注浆完结后应等待5~10min后将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果水很大，应再次注入，至有较少水流出时可终孔，拆除注浆头并用双快水泥砂浆对注浆孔进行封堵，带上塑料螺堵并进行下一个孔位注浆。

注浆过程中应有排气孔，排气孔原则上设在预注浆孔上，并安装注浆单向逆止阀，同时打开球阀，直至出现冒浆时关闭球阀，10min后检查注浆效果，如有水溢出，应对该孔进行注浆。

3.5 超前注浆地层加固

每推进8环对盾体前方通过超前注浆孔WSS后退加固注入双液浆，超前加固地层，改变地层破碎状况。

3.6 优化同步注浆配合比

将纤维素加入原同步注浆液中以优化同步注浆浆液，加强盾尾的密封效果，同时在原有每环同步注浆液配合比上增加水泥配比，使同步注浆凝结时间提前。

（1）注浆压力：注浆压力控制在2~3bar范围内，超过4bar则自动停止。

综合考虑水土压力的差异以及防止管片大幅度下沉和上浮的需求，各点的注浆控制压力也不同，同时保持适当的压力差，以取得最优效果。初始压力设定时，下部每孔压力比上部每孔压力稍微增大约0.5~1bar。

（2）注浆量：根据开挖的直径以及管片的外径，推算出每一环管片的理论注浆量。

（3）注浆速度：根据不同的地层选择不同的掘进速度以及不同凝结时间的浆液以达到有效控制注浆时间的效果。遵循“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”原则，以注浆量和同步注浆压力双重指标来控制注浆时间[7]。注浆量和注浆压力均达到设定值后方可完成注浆。

同步注浆的速度与盾构掘进的速度相对应，按掘进一环时间内完成该环注浆量来控制其平均注浆速度。

（4）注浆结束标准：通过双指标控制，即当注浆压力达到控制值时，注浆量达到计算值95%以上时，方可认为达到了注浆要求。对参数还需通过监控量测进行优化，使注浆效果达到更佳。二次补充注浆主要采用水泥浆，在盾构掘进对地表建筑或管线影响可能较大的区域，可选择速凝型浆液，如水泥-水玻璃双液浆等。注浆压力：0.5~1MPa；注浆量：0.5~1.2m3/环；注浆开始时间：管片脱出盾尾6~8环。

4 结束语

由于江阴高铁站～南闸站盾构区间勘探条件的局限性，在施工的过程中遇到了勘察设计与实际施工不相符的情况，通过专门研究制定合理的施工措施对安全穿越富水破碎带不良地质的特殊情况具有重要意义。本文通过无锡至江阴城际轨道交通工程施工案例，结合现场分析，对盾构穿越富水破碎带不良地质掘进方案进行了研究，解决了盾构掘进现场土压力波动异常、出渣含水量大、出土量异常、管片上浮严重等问题，化解了喷涌坍塌风险，有效保证施工现场安全质量。目前，江阴高铁站～南闸站盾构区间已安全穿越富水破碎带，现场施工安全质量可控，验证了方案的有效性。