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工～文区间盾构遇水囊案例分析沈阳地铁二号线三标项目经理部焦倓然【摘要】本文介绍了沈阳地铁二号线工～文区间盾构掘进遭遇地下水囊时，盾构采取的一系列措施与掘进参数调整；以及因水囊导致喷涌、超挖引起地面空洞的发现与处理措施。【关键词】盾构地下水囊喷涌地面治理一、工程水文地质概况1.1工程概况沈阳地铁二号线一期工程3标工业展览馆站至文体路站盾构区间（以下简称工～文区间）线路是自工业展览馆站出发，沿青年大街由北向南至文体路站为止,区间隧道为单洞单线圆形断面。线路纵向线性为Ｖ形坡，最大纵坡为30‰，最小纵坡10‰。区间隧道结构底最大埋深31.66m（覆土厚度25.66m），最小埋深16.442m（覆土厚度10.6m），隧道采用海瑞克S-368土压平衡式盾构进行施工，先自右线文体路站始发至工业展览馆调头，由左线至文体路站完成隧道施工。1.2水文地质概况根据勘察报告，工文区间的地质特征从上而下依次为：第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层（Q42al）、第四系全新统浑河新扇冲洪积地层（Q41al-pl）、第四系上更新统浑河老扇冲洪积层（Q32al-pl）、第四系中更新统冲洪积层（Q2al-pl）；该场地地基土主要由第四系全新统和更新统粘性、砂类土及碎石土组成。左右线隧道洞身穿越范围内的土主要是砾砂及少量的中粗砂。本区间地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水，水温11～13℃，属冷水，主要含水层厚度30.0～30.7m，主要赋存在中粗砂、砾砂及圆砾层中，稳定水位埋深4.60～6.80m,相当于绝对标高35.52～37.75m，地下水量丰富，常年水位变幅约2m。二、盾构遭遇水囊时的处理2.1遇水囊前的盾构掘进状态由于工～文区间隧道大部分里程段属于高埋深富水砾砂层内，所以盾构始发后基本采用保压推进的方式，土仓上部土压设定为1.2~1.8bar之间。当盾构掘进至第20环（刀盘里程k13+669.73）位置，位于科学宫广场下方时，盾构司机即发现盾构机姿态有非正常向右趋势。之后盾构操作手试图使用纠偏手段将盾构机姿态调整过来，但是发现纠偏措施作用不明显，盾构继续向右偏移的趋势明显，直到将盾构姿态调整至-8的趋向（左为负，右为正）时才能保证盾构姿态不会继续向右发展。此时盾构机推进参数为：有效推力：14000KN，刀盘上部土压力：1.0bar，螺旋输送机转速：1.6rpm，推进速度：15mm/min；并且发现出土土体中含有黑色腐殖质淤泥并伴有异味，但土体含水量并不大。之后盾构又掘进了两环，出土土体性状、盾构姿态及推进参数基本保持不变。2.2盾构刀盘进入水囊区域的盾构参数反映及掘进处理措施当盾构油缸推进至23环745mm左右的行程时（刀盘里程k13+666.58），螺旋输送机出土口突然发生喷涌现象，螺机出土口涌出大量地下水，并且水中含沙量比较高，水压大（如图1所示）。盾构司机果断关闭螺旋输送机出土口阀门，并减小泡沫注入量，并发现螺旋输送机出土口压力传感器显示压力迅速达到2.6bar，与土仓下部压力基本保持一致。至第23环推进完成，发现盾构刀盘前点已向右偏移2.1cm，后点也有7mm的偏移，并且发现盾构机已由22环的“栽头”趋势变为了“抬头”趋势。之后的24~31环盾构司机均采用关小出土阀门、减少螺机转数等方法推进，推进参数为：有效推力：14000~15000KN，刀盘中线土压力：1.8~2.1bar，螺旋输送机转速：0~0.8rpm，推进速度：10~15mm/min。保证盾构推进速度减至10mm/min以下时才打开出土阀门，并以1rpm以下的螺旋输送机转速出土。一旦出现涌水现象时立即关闭阀门，避免再次发生喷涌现象。直至第31环推进结束时渣土含水量达到可控水平，才恢复正常掘进。图1喷涌过后的盾构隧道2.3原因的确定及分析盾构喷涌发生后，项目部领导高度重视，并立即组织人员查找喷涌原因。后经详细的施工调查及现场钻探发现，科学宫广场下有一条废弃水渠，水渠宽1米，深1.2米；埋深为3~4米（隧道拱顶埋深10.57米）。水渠与隧道斜交于里程k13+622.4（见图2）。由于水渠的混凝土保护层经长期冲刷发生破损，渗漏严重，再加上以前是生活污水排放渠道，长期冲刷、渗漏、淤积，已将埋深5.2~9米左右中粗砂置换成为中粗砂含淤泥质土，已具备形成水囊的地质条件。42.50图2水渠与盾构隧道平面位置关系经确定水渠位置以及盾构机在喷涌前后的姿态变化，可以推断：由于生活废水水渠的长期渗漏与淤积，在右线隧道的右上方形成了一个长度为5~6米、高度不详、体积不详的水囊（见图3）。当盾构掘进至23环时，由于刀盘对土体的扰动导致了水囊隔水层的破裂，水囊中的游离地下水夹带着大量水囊与隧道之间的砂、土体进入盾构机土仓内。螺旋输送机出土口压力传感器显示的压力与土仓内的压力基本一致，可以看出土仓内与螺旋输送机内已经被地下水充满。图3水囊与盾构隧道位置示意图三、盾构通过水囊后的后续处理3.1地面空洞位置的确定喷涌发生时不可避免的造成了盾构掘进的超挖。后经钻孔确认，此次喷涌大概造成了8.5~10m3左右的超挖（由于喷涌过程中土仓中的地下水较多，实际方量统计较困难）。为避免因为超挖造成地面突然塌陷形成交通安全事故，项目部决定采取抢先处理的方法避免塌陷的空洞影响到地面安全。主要采取先人工探孔再机械探孔的方法确定空洞位置，具体方法为先使用∮108水钻先破开地面硬化层。之后使用洛阳铲、自制钢筋夹继续向下探孔，向下探至3米位置。人工探孔主要作用是为了确定探孔位置是否有管线，避免机械钻孔时对城市管线造成损伤，而造成次生灾害。机械钻孔手段主要有旋喷钻机与重锤式冲击打孔机。旋喷钻机主要优点有噪音小，探孔深度大，随时可以注浆等；重锤式冲击打孔机主要优点有结构简单，组装快速，缺点也很明显：易塌孔、探孔深度浅、噪音大等。探孔按平面2*2米矩形布置，在一个隧道截面上保证有5个探孔，（见图4）。108图4人工探孔与盾构隧道、喷涌位置关系图3.2地面处理在发现地面下有空洞后，应立即采取下列相应措施：采用从探孔填细砂并加水夯实的方法初步处理（见图5），等到夜晚地面交通情况好转之后立即采取袖阀管注单液浆的方式进行地面加固（见图6）。注浆材料采用普硅42.5水泥浆液，水灰比1:1，注浆机械采用普通单液注浆泵。考虑到盾尾没有脱离地面脱空区域，为防止地面加固水泥浆液渗透至盾尾将盾尾刷、盾尾油脂管、盾尾同步注浆管封死，因此地面加固范围定为地面下2~5米范围内，通过袖阀管的止浆塞控制浆液扩散范围，注浆压力严格控制在0.2~0.3Mpa之间，切忌注浆压力过大而扩大浆液渗透范围，导致水泥浆浆液进入盾尾。注浆顺序定为先外围后中间，确保浆液填充饱满、密实。图5使用细砂加水夯进行初步处理图6袖阀管进行地面注浆处理四、事故发生后的经验总结喷涌超挖事故发生后，项目部积极总结经验教训，主要确定了以控制推进参数为主，人工探孔、地面注浆抢险为辅的过喷涌段施工方案。4.1参数控制（1）掘进速度盾构推进速度与正面土仓压力、千斤顶推力、土体性质等因素有关，一般应综合考虑。盾构喷涌及长时间停机后，土仓内充满膨润土和粗颗粒，试掘进时难有贯入度，推进速度控制在5～10mm/min。正常掘进后推进速度控制在10～30mm/min。（2）盾构推力停机时盾构推力在1700吨左右，再次推进考虑增加压力，总推力控制在2000吨。正常掘进后盾构推力控制在1600~1900吨左右（3）出土数量根据前期掘进统计的的出土参数及相关地勘报告，盾构所处的砾砂层松散系数取值为：1.05～1.1，盾构穿该段时严格控制出土量，出土量控制在42m3左右（1.2m管片），严禁出土超量。采取对碴土车标定、专人计量、专人清理碴土车、每斗土均进行测量等措施，确保出土计量准确。（4）土仓正面土压由于水囊喷涌段之后的隧道拱顶埋深在14米左右（科学宫广场段），洞身范围全部为砾砂层，按郎肯土压力计算得出的土压力值应控制在1.4～1.8bar之间，由于考虑到海瑞克S-368号盾构机刀盘属于面板结构、及刀盘开口率仅为28%等原因，借鉴其他标段的经验，考虑保压掘进，土仓上部压力控制在1.5～1.8bar之间。（5）螺旋输送机的控制适当向前掘进，通过刀盘的转动，带动刀盘背部的搅拌棒结合土仓内前壁的搅拌棒将土仓内的土体与渣土改良材料搅拌均匀。然后将螺旋输送机的后门慢慢打开，开门度为100mm，边掘边出土，始终保持土仓内压力稳定。待不发生喷涌现象且土体流动性较好（坍落度为16cm~20cm）时，开门度可达到300mm。螺机转速控制在3~4rpm。（6）同步注浆采用硬性浆液，注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值(2～2.5bar)时，且注浆量达到试验确定值（一般为5m3）的95%以上时，即可认为达到了质量要求。（7）二次注浆二次注浆以注浆压力为控制标准，考虑管片受力安全，压力为3～4bar，达到此压力后持续5分钟即可停止补浆。（8）渣土改良盾构推进时如遇到土体含水量大或者喷涌情况时采用高分子聚合物（合东双科技有限公司生产）作为渣土改良剂，具体参数如下：聚合物浓度（与水的重量例）5%每环聚合物溶液用量3m3改良后渣土的坍落度16~18cm土体性状好转后根据出土情况适当减少聚合物用量，当不加聚合物也能满足出土要求时，采用泡沫作为渣土改良剂，具体参数如下：泡沫浓度（与水的体积例）6%泡沫注入速度（盾构掘进速20~30mm/min）70L/min每环泡沫溶液用量3m3改良后渣土的坍落度16~20cm4.2抢险措施在喷涌发生的第一时间盾构司机必须立即通知地面调度及值班领导。必须第一时间组织地面监测人员、人工探孔人员进行初步的地面监测及探孔工作。一旦确定地面下发现空洞，或沉降量过大则立即准备填砂与注浆工作。抢险措施贵在时间，必须在喷涌超挖的第一时间就确定超挖具体位置、处理办法，才能在地面塌陷，形成更严重次生事故之前将隐患解除。五、结语在经过右线隧道水囊事件后，项目部重新认识到了高埋深、富水砂卵石地层的盾构掘进的困难与复杂，也总结了一些施工单位对这种地质情况下盾构推进的控制要点：1、富水砂卵石地层的盾构掘进必须保证推进速度，推进一环所需的时间越长则对出土量控制、渣土改良措施越不利。2、富水砂卵石地层的盾构掘进应尽量减少停机时间，停机时间过长会致使保压气体丧失从而导致土仓内土压过低；加上长时间停机会导致渣土改良剂泡沫或者膨润土离析进而失效；这两种情况都会导致土仓内地下水的囤积，给停而再起时的推进制造很大的困难。3、渣土改良必须执行到位，渣土改良不仅仅是能起到保护刀具的作用，并且对防治喷涌现象有很直接的作用。4、推进参数，特别是土压与螺旋输送机转数的选择，这两项都能直接影响渣土的性状。最后，我相信在选择了正确的推进参数，切实做好了渣土改良工作的情况下，是完全能够有效控制在富水高埋深砂卵石地层条件下的盾构推进工作的。按照右线经验教训，工~文区间剩余里程段的盾构施工较顺利，出土量控制良好，施工进度也能得到保证，基本上未发生喷涌现象。参考文献[1]朱伟，秦建设，土压平衡盾构喷涌发生机理研究[J].岩土工程学报，2004（5）：589～593。[2]张凤祥，傅德明，杨国祥，项兆池《盾构隧道施工手册》人民交通出版社，2005年6月第一版。[3]吴顺川，金爱民，高永涛，袖阀管珠江技术改良土体研究及效果评价[J].岩石力学，2007，28（7）：1353～1358。[4]杨书江，袖阀管法注浆加固地层施工[J].铁道建筑技术，2004（2）：22～27。