土壓平衡盾構(gòu)噴涌問題處置的監(jiān)理實(shí)踐與創(chuàng)新

米振遠(yuǎn)，鄭旭日（中鐵華鐵工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 北京 100071）

0 引 言

某地鐵區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)。該區(qū)間大部分位于強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖地段，節(jié)理裂隙較發(fā)育，富水性好。采用常規(guī)的全土壓掘進(jìn)時(shí)，承壓水進(jìn)入盾構(gòu)倉內(nèi)帶動細(xì)顆粒穿透粗顆粒，形成滲流從螺旋機(jī)口噴涌而出，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)長時(shí)間停滯，給土倉保壓與否的選擇帶來了很大的困難。不保壓可能會導(dǎo)致掌子面坍塌；保壓則帶來更多的噴涌和盾構(gòu)機(jī)更長時(shí)間的停滯。更大的風(fēng)險(xiǎn)是隨著水土不斷流失，掌子面及地表沉降和坍塌的風(fēng)險(xiǎn)越來越大。噴涌給帶壓開倉帶來嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，若達(dá)不到開倉所需要的保壓的理論計(jì)算值，大量帶壓泥漿將嚴(yán)重影響人員的操作。

1 工程概述

1.1 水文地質(zhì)

設(shè)計(jì)文件說明，本區(qū)間地下水類型分為：賦存于第四系土層中的松散巖類孔隙水；賦存于殘積層、全～散體狀強(qiáng)風(fēng)化層中的風(fēng)化殘積孔隙裂隙水；賦存于碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化層及中～微風(fēng)化裂隙中的基巖裂隙水。受上覆弱透水層或相對隔水層作用，地下水類型以微承壓水為主。區(qū)段隧道斷面的地質(zhì)條件自上而下為：頂部為硬塑狀、可塑狀殘積黏土層（氣密性較好）；粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土；全～強(qiáng)風(fēng)化巖層；中～微風(fēng)化巖。

1.2 施工方案主要參數(shù)

盾構(gòu)第1115環(huán)～第1232環(huán)掘進(jìn)地層主要為<17-2>散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、<17-3>中風(fēng)化花崗巖，<17-4>微風(fēng)化花崗巖。施工方案中確定掘進(jìn)參數(shù)，見表1。

表1 掘進(jìn)主要技術(shù)參數(shù)表

掘進(jìn)進(jìn)度計(jì)劃：盾構(gòu)第1115環(huán)～第1232環(huán)掘進(jìn)地層，約180m，掘進(jìn)進(jìn)度為2環(huán)/d～3環(huán)/d；計(jì)劃開倉頻率：8～10環(huán)，開倉主要工作內(nèi)容為檢查兼更換刀具；管片控制參數(shù)包括隧道軸線平面位置、軸線高程、襯砌環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺、襯砌環(huán)間錯(cuò)臺和襯砌橢圓度等（見表2）。

表2 管片拼裝控制參數(shù)表

1.3 噴涌事件及其不利影響

洪彭區(qū)間盾構(gòu)右線掘進(jìn)至第1126環(huán)時(shí)突遇盾尾噴涌事件，地下水從四周匯集到土倉內(nèi)，造成刀盤前部壓壓力增大；倉內(nèi)水與土的比例或水與石碴的比例增大，在經(jīng)過艙內(nèi)攪拌后容易造成水、碴土離析，使土體改良效果變差。隨著螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)排土，倉內(nèi)水在倉內(nèi)氣壓或水壓作用下，帶動細(xì)顆粒穿透粗顆粒形成滲流，從螺旋機(jī)口噴涌而出。不間斷的噴涌導(dǎo)致水土不斷流失，掌子面失穩(wěn)、地表沉降超標(biāo)和坍塌的風(fēng)險(xiǎn)越來越大；地表沉降已經(jīng)達(dá)2.1 cm，距離預(yù)警值3 cm僅有0.9 cm。若達(dá)不到開倉需要保壓的理論計(jì)算值，大量帶壓泥漿嚴(yán)重影響人員操作，無法保證進(jìn)倉操作人員的安全。

由于噴涌的泥碴多，無法清理干凈，導(dǎo)致管片拼裝安裝質(zhì)量達(dá)不到要求，環(huán)間錯(cuò)臺影響管片止水條的止水效果，管片滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)加大。同時(shí)，由于從管片空隙流入的泥碴改變了注漿配比，量大時(shí)嚴(yán)重影響同步注漿的強(qiáng)度和收縮率。

進(jìn)度方面，由于需要清理源源不斷的泥漿，盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度由原計(jì)劃的2環(huán)/d～3環(huán)/d降為0.3環(huán)/d～0.5環(huán)/d，長時(shí)間停滯在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，危險(xiǎn)性持續(xù)提高。

2 噴涌影響評估與分析結(jié)果

2.1 噴涌影響數(shù)據(jù)評估

發(fā)生噴涌事件后，監(jiān)理立即報(bào)告建設(shè)單位并組織勘察、設(shè)計(jì)和施工單位召開現(xiàn)場會，研究指導(dǎo)施工單位開展應(yīng)急處置。通過采集的5環(huán)管片的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與工藝標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)值、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)值進(jìn)行對比，對發(fā)生噴涌后的質(zhì)量技術(shù)措施和安全保證措施的變化進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，噴涌事件發(fā)生以來，拼裝質(zhì)量偏離方案中的目標(biāo)值，盾構(gòu)推力加大，刀盤轉(zhuǎn)速下降。由于噴涌水流較大，導(dǎo)致開倉危險(xiǎn)性持續(xù)增加（見表3和表4）。

表3 掘進(jìn)主要技術(shù)參數(shù)表

表4 拼裝管片實(shí)測數(shù)據(jù)表

2.2 主要問題分析及處置意見

針對上述情況，監(jiān)理組織召開了專題分析會，對存在的主要問題及處置意見形成了共識。

（1）存在主要問題：隨著水土不斷流失，掌子面失穩(wěn)及地表沉降超標(biāo)和坍塌的風(fēng)險(xiǎn)越來越大；開倉的風(fēng)險(xiǎn)加大；管片拼裝安裝質(zhì)量達(dá)不到要求；進(jìn)度滯后；等。

（2）主要處置意見：將全土壓掘進(jìn)變更為輔助氣壓平衡掘進(jìn)模式（此模式在廣州地鐵已經(jīng)有成功案例）；在管片拼裝位置后1 m的地方設(shè)置攔碴壩，防止噴涌泥漿流淌至管片處；采取在地表相應(yīng)位置打孔降壓的技術(shù)措施，減低噴涌水壓和水流量，降低開倉的危險(xiǎn)性。

會議要求施工單位對原施工專項(xiàng)方案進(jìn)行修訂并組織專家論證，重新上報(bào)監(jiān)理審批。

3 主要技術(shù)措施簡述

3.1 輔助氣壓掘進(jìn)模式掘進(jìn)前主要參數(shù)的設(shè)定

3.1.1 輔助氣壓掘進(jìn)模式工作機(jī)理

輔助氣壓掘進(jìn)模式是指，清出一部分土倉內(nèi)碴土（一般是1/2～1/3）利用土壓盾構(gòu)Samson保壓系統(tǒng)向土倉內(nèi)加壓，通過刀盤切削后進(jìn)入土倉的碴土和液體與加入的氣體形成混合壓力，平衡刀盤開挖面的水土壓力，維持開挖面的穩(wěn)定。自然空氣均質(zhì)、比重輕、流動快，進(jìn)入盾殼與地層的開挖間隙，平衡盾殼周圍土體和地下水。

3.1.2 輔助氣壓壓力的設(shè)定

壓力設(shè)計(jì)根據(jù)土壓平衡原理，加的氣壓應(yīng)不小于卸掉的土壓且能保證掌子面的穩(wěn)定。土壓力設(shè)定的基本原則：用主動土壓力作為下限值，可以允許少量的地表沉降，以確保開挖面的穩(wěn)定為目的。在實(shí)際施工過程中，先選用P為下限進(jìn)行試驗(yàn)，再結(jié)合刀盤上方地表隆起值逐步微調(diào)下降，以刀盤正上方隆起值0～5 mm來確定Pa值。填土為無黏性土（此區(qū)間全風(fēng)化花崗巖屬于無黏性土）時(shí)，主動土壓力計(jì)算公式

式1中：h為隧道的埋深，γ為土層密度 ，c為黏聚力，ɑ為內(nèi)摩擦角。

本區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)地基土主要盾構(gòu)主要穿越<17-1>全風(fēng)化花崗巖、<17-2>散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及<11-1-3>殘積砂質(zhì)黏性土層。區(qū)間覆土高度10 m～15 m。

所以，本區(qū)間采用輔助氣壓掘進(jìn)時(shí)的主動土壓力取值區(qū)間為1.1～1.7bar。

3.2 輔助氣壓掘進(jìn)模式的加壓掘進(jìn)過程

通過Samson系統(tǒng)進(jìn)行加壓控制。步驟如下。

（1）Samson系統(tǒng)連接管路的清洗，同時(shí)將控制球閥打開，引入工業(yè)氣體，將連土倉隔板管路中殘留的雜物吹凈。

（2）Samson控制閥組氣壓壓力的設(shè)定。打開對應(yīng)的Samson用氣管路的控制球閥，調(diào)節(jié)至設(shè)定壓力；當(dāng)實(shí)際壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，穩(wěn)定Samson調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使其調(diào)節(jié)后的壓力為0.07 MPa～0.2 MPa。

（3）邊向土倉內(nèi)注入濃的膨潤土泥漿，邊調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)排土流大小，直至螺旋輸送機(jī)排碴連續(xù)、土倉壓力降低0.01 MPa～0.02 MPa后，停止排土；Samson系統(tǒng)自動補(bǔ)償氣壓。如此反復(fù)，直至使土倉內(nèi)的工作面降低到1/2處（可通過閘板上的觀測閥進(jìn)行液面的觀測）。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)必須注意精細(xì)管控出碴量，且須通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整出土量；不宜通過頻繁調(diào)整閘門的開口度來調(diào)整出碴量。

（4）土倉內(nèi)氣壓的建立。在Samson系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以看到調(diào)節(jié)器的紅色指針逐漸靠近綠色指針，并經(jīng)過短時(shí)間的振蕩最終與綠色指針重合。此時(shí)，經(jīng)過幾分鐘的觀察，如紅色指針仍然保持穩(wěn)定，證明土倉內(nèi)的壓力已經(jīng)建立完畢。

實(shí)際施工過程中注入到土艙內(nèi)的空氣會因溫度變化而產(chǎn)生壓力變化，因此對艙內(nèi)空氣壓力需進(jìn)行動態(tài)跟蹤、比較和分析。

3.3 地面鉆孔減壓實(shí)施過程

（1）裂隙水壓力計(jì)算。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告得知，該地段觀察孔M4LZ3-TPC補(bǔ)-03孔：承壓水頭埋深6.6 m，則承壓水壓力為

P=gh=10 000.65×0.009 81×6.6=0.65 MPa

經(jīng)計(jì)算，此地段承壓水壓力可達(dá)0.65 MPa。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，土壓平衡盾構(gòu)除非增加螺旋輸送機(jī)長度或者采用二級螺旋輸送機(jī)，否則不適應(yīng)大于0.6 MPa壓力。因此，決定還是從地面泄掉一部分壓力。

（2）地面每隔5 m在盾體左右兩側(cè)2 m處打設(shè)降水井，抽排降水。

（3）盾體后方封堵水源。對脫出盾尾后的倒數(shù)第二、三環(huán)管片進(jìn)行二次注漿封堵，防止盾尾后方來水通過盾殼和開挖面的間隙流至刀盤；采用水泥、水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿封堵。

4 技術(shù)措施應(yīng)用效果驗(yàn)證

4.1 輔助氣壓平衡掘進(jìn)盾構(gòu)參數(shù)

監(jiān)理人員采集了輔助氣壓平衡掘進(jìn)盾構(gòu)參數(shù)，并對盾構(gòu)推力及推進(jìn)速度等進(jìn)行了分析（見表5）。

4.2 輔助氣壓平衡掘進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過對比分析，總結(jié)出在富水巖層中采用輔助氣壓模式有如下優(yōu)勢。

（1）減輕盾構(gòu)掘進(jìn)的負(fù)荷。盾構(gòu)刀盤扭矩是由開挖面土體和土艙內(nèi)土體共同作用產(chǎn)生的。尤其在埋深大的工況下，盾構(gòu)的負(fù)荷更大；若采用輔助氣壓掘進(jìn)，艙內(nèi)碴土量少，可以起到減小扭矩、增大有效推力的效果。

（2）降低刀盤刀具磨損。輔助氣壓掘進(jìn)有效降低了土艙內(nèi)碴土高度，減輕了開挖面同艙內(nèi)碴土對刀具和刀盤的磨損。

（3）提高掘進(jìn)效率。減輕盾構(gòu)負(fù)荷后可有效提升掘進(jìn)速度，也減少了因噴涌帶來的清碴時(shí)間，盾構(gòu)總體掘進(jìn)效率大大提升，且盾構(gòu)內(nèi)部環(huán)境也得到了改善。

（4）管片拼裝合格率明顯提升。監(jiān)理人員采集了輔助氣壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)后的管片拼裝偏差數(shù)據(jù)（見表6）。由于氣壓輔助掘進(jìn)大大減少了土倉內(nèi)的碴土量，倉內(nèi)加壓和地表泄壓減少了噴涌水量，降低了噴涌泥漿量，保證了管片拼裝質(zhì)量。

表6 拼裝管片實(shí)測數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 語

監(jiān)理人員通過工藝目標(biāo)值的現(xiàn)場與方案的比對，分析數(shù)據(jù)參數(shù)，指導(dǎo)施工單位開展應(yīng)急處置工作，組織召開專家會分析，指導(dǎo)修改施工方案，采取綜合技術(shù)管理手段，以氣壓輔助掘進(jìn)模式為主，輔以地面鉆孔降壓、碴土改良等措施，順利掘進(jìn)通過富水段。