喬曉鋒,蔡怡欣

(1. 廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340;2. 廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣州 511340)

1 概述

1.1 工程簡介

半洋盾構(gòu)隧洞位于潮州市潮安區(qū)古巷鎮(zhèn)內(nèi)，河涌較多，居民區(qū)建筑物密集，人類活動較頻繁，沿線地表多為陶瓷廠房、魚塘、農(nóng)田等。盾構(gòu)隧洞全長為1.552 km。隧道最小曲線半徑為300 m，最大坡度為4.5‰。采用海瑞克Φ6 280土壓平衡盾構(gòu)機進行施工，盾構(gòu)隧洞外襯采用預制鋼筋混凝土管片，外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m，襯砌管片厚為0.3 m，襯砌環(huán)寬為1.5 m。

1.2 地質(zhì)水文概況[1]

根據(jù)地質(zhì)勘探揭露，主要巖土分層從上至下劃分為：人工填土層(Qs)；(2-1)粘土、粉質(zhì)粘土層；(2-2)沖積砂層；(3)海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)土夾淤質(zhì)砂層；(4-1)沖積粘土、粉質(zhì)粘土層；(4-2)沖積細砂～粗砂層；(4-3)沖積砂卵礫石層(Qal)；(5-1)沖積粘土、粉質(zhì)粘土層。盾構(gòu)隧洞段沿線地下水主要為孔隙水潛水，主要賦存于(2-2)砂層、(4-1)粉質(zhì)粘土、(4-3)砂質(zhì)粘土中。經(jīng)測量，地下水位埋深一般為2～3 m，水位高程一般為6.5～10 m，地下水與河水聯(lián)系不密切，主要接受大氣降水補給，水位隨季節(jié)變化而變化。

1.3 涌水事件描述

半洋隧洞引水工程盾構(gòu)掘進至第615環(huán)，盾尾6～7點鐘方向(盾尾底部)出現(xiàn)漏水，水量較急，初步判斷是下部盾尾刷部分損壞，盾尾密封被水壓擊穿。水量持續(xù)變大且渾濁伴有沙粒進入隧道，涌水發(fā)生 3 h 后，盾尾流水處不再涌砂，累計涌砂方量為12 m3，盾構(gòu)機周圍土體較為穩(wěn)定?，F(xiàn)場采取以下止水措施：① 增設水泵進行抽水；② 向盾尾止水環(huán)腔注入油脂；③ 采用棉絮封堵盾尾間隙；④ 盾尾管片壁后注漿。但由于盾尾來水量大且急，止水效果不明顯，經(jīng)觀測，盾尾涌水量約115 m3/h；考慮到盾構(gòu)機正處于廠房下面，持續(xù)抽水有可能造成地層大量失水而塌陷，同時管片內(nèi)外部壓力差對管片結(jié)構(gòu)安全造成威脅，出于安全考慮，決定暫停抽水，讓盾構(gòu)隧道灌滿水以抵消管片內(nèi)外部壓力差，減少地層水土流失，確保地面建筑物安全，制定安全可靠的涌水處置方案后再作處理。

2 方案制定

2.1 地質(zhì)補勘[2-4]

現(xiàn)場在615環(huán)地面位置附近進行了地質(zhì)補勘，做了6個補勘點，用于驗證設計勘察地質(zhì)剖面圖的準確性(見圖1)，經(jīng)對比，抽芯結(jié)果與設計勘察結(jié)果基本吻合，設計勘察地質(zhì)剖面圖可用于技術(shù)方案的制定。

2.2 方案比選

1) 井點降水[5]：將盾體周邊水位降至盾體下方，使盾尾不漏水或少漏水，為洞內(nèi)盾尾注漿封堵間隙創(chuàng)造條件。

圖1 地質(zhì)剖面示意

優(yōu)點：鉆孔數(shù)量少，工期短，見效快，施工成本低。

缺點：上部潛水可能會流失，地表存在沉降的風險；管片水壓差也會帶來管片錯臺破裂等風險。

2) 高壓擺噴樁[6]：利用高壓擺噴樁作為止水帷幕，阻斷砂卵礫石透水層的來水。

優(yōu)點：帷幕止水效果明顯，既定目標更容易把握。

缺點：施工范圍廣，地面廠房征拆難度大，同時鉆孔數(shù)量多，工程量大，施工成本高。

綜合考慮：優(yōu)先采用井點降水作為第一實施方案，高壓擺噴樁作為備選方案。

2.3 技術(shù)路徑

技術(shù)路徑見圖2所示。

圖2 技術(shù)路徑示意

3 方案實施

3.1 井點降水[7]

1) 降水計算

① 涌水量計算

靜止水位埋深：根據(jù)設計勘察報告，水位標高為10.3 m，隔水層底部標高為-11.6 m，隧道底部標高為-7.9 m，目標降水標高為-8.4 m。

承壓水層厚度：m=11.6-10.6=4 m(透水層底面高為-11.6 m，頂面高為-10.6 m)。

降水位深度：S=10.3+8.4=18.7 m(靜止水位至隧道底以下0.5 m的高度)。

含水層滲透系數(shù)K：90.58 m/d。

基坑等效半徑r0：對于矩形基坑，其長寬比不大于5時，可用“大井法”將矩形基坑折算成假想半徑為r0的理想大圓井，盾體位置按照10 m×8 m的基坑計算。

基坑平面面積F=80 m2。

② 管井單井出水能力計算[8]

過濾器半徑r取0.105 m(井管半徑統(tǒng)一為0.105 m)；

過濾器進水部分長度L取5 m；

含水層滲透系數(shù)K取90.58 m/d；

單管出水能力：

③ 管井數(shù)量計算

管井數(shù)量n=1.1×Q/q=1.1×11 795.6/888.4=13.3。

暫定管井數(shù)量為14，降水井布置、降水井數(shù)量可根據(jù)場地條件、抽水外部影響因素、實際抽水效果等情況適當調(diào)整。

2) 降水點平面布置及結(jié)構(gòu)布置

① 降水井平面布置以盾構(gòu)刀盤為中心沿線路兩側(cè)布置(見圖3)。

② 降水井結(jié)構(gòu)布置

本工程布置14口降水井，降水井深度為26 m，濾水管長度為5 m，成孔直徑為300 mm，井管直徑為210 mm，套管深度0～19.7 m范圍采用高漿填充，19.7 m位置安裝橡膠密封圈，19.7～25.5 m范圍用回填細卵石濾料。成孔深度略高于降水井深度0.5 m，降水井底部0.5 m用回填細卵石濾料，防止泥沙涌入管底。

圖3 井點降水平面布置示意

3.2 洞內(nèi)排水

隧洞坡度為4.5‰，盾構(gòu)掘進長度為925 m，計算得盾體內(nèi)水位高925×4.5/1 000=4.16 m，計算得總積水量為7 882 m3， 擬采用2臺45 kW水泵進行抽排水，排水管道為8寸鋼管，單臺水泵排水流量為400 m3/h，理論抽水時間H=7 882/800=9.8 h，考慮需要不斷往前移動水泵以及接管時間，計劃3 d內(nèi)能將積水抽完。

3.3 水路封堵[9]

1) 封堵施工流程

① 洞內(nèi)注聚氨酯：在盾尾管片壁后注入聚氨酯，利用水流將膨脹物帶入盾尾間隙中，達到封堵來水目的。

② 管片壁后注漿：盾尾管片壁后注入雙液漿，形成止水環(huán)，然后對盾尾后10環(huán)管片進行壁后注漿，保證管片壁后間隙充填密實。

③ 地面注聚氨酯：地面在刀盤位置前、左、右鉆20 m深孔，然后對這3個孔注入聚氨酯，進一步封堵盾構(gòu)機前方水路來水。

2) 注漿材料及配比設計

① 注漿材料

采用水泥水玻璃漿液作為主要的注漿材料，該漿材具有結(jié)石率高、結(jié)石體強度高、耐久性好和好的特點。在軟土地層或滲水量大的地層，為減少管片的變形或使注入漿液在較短的時間內(nèi)起到止水的效果。

② 漿液配比試驗

漿液配比試驗結(jié)果見表1，水玻璃波美度28.5Be′，水灰比1:1，水泥漿水玻璃體積比1:0.25的情況下，初凝時間8 s，終凝時間35 s，在該條件下，注入的雙液漿不會流入降水井，可以達到盾尾封堵效果。

表1 雙液漿配比 s

③ 水泥水玻璃漿液參數(shù)選擇：

a.膠凝時間：初凝時間8 s，終凝時間35 s。

b.固結(jié)體強度：終凝強度不小于0.2 MPa(相當于軟質(zhì)巖層無側(cè)限抗壓強度)，28 d不小于2.5 MPa(略大于強風化巖天然抗壓強度)。

c.漿液結(jié)石率：>90%，即固結(jié)收縮率<10%。

d.水玻璃摻入比：25%。

e.水泥漿水灰比:1:1。

④ 注漿主要參數(shù)

注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水土壓力，最大不宜超過3.0～4.0 bar；注漿流量控制在20～40 L/min。

3.4 隧洞二次補漿[10]

考慮到隧道穩(wěn)定因素，洞內(nèi)對盾尾594～612環(huán)管片進行二次注漿加固，補充一次注漿未填充密實部分和水土流失體積減少部分，從而減少盾構(gòu)機通過后土體的后期沉降，減輕隧道的防水壓力，提高止水效果。二次注漿使用專用的注漿泵，注漿前鑿穿管片吊裝孔外側(cè)保護層，安裝專用注漿接頭。漿液采用水泥漿—水玻璃雙液漿，漿液配比與盾尾封堵配比一致，注漿壓力為0.2～0.4 MPa，補漿流量控制在20～40 L/min。注漿同時注意在前方打孔排水，防止管片錯臺。二次補漿位置為隧洞3點或9點位，開孔后先用清水進行沖洗，然后注漿，嚴密關注注漿流量及壓力。一環(huán)管片注完或漿罐漿液注完及時清理注漿泵避免注漿機堵塞。

3.5 方案實施效果

12月15日正式啟動井點降水工作，共12個井同時抽排水，總抽水流量約150 m3/h，隧洞內(nèi)來水量由最初的115 m3/h降至52 m3/h(見圖4～圖5)。洞內(nèi)2臺45 kW水泵抽水，3 d內(nèi)抽干洞內(nèi)積水(見圖6)。洞內(nèi)水抽干后對受影響管片進行支撐加固(見圖7)，防止管片變形開裂。盾尾共計注入聚氨酯2 t，止水效果良好。管片二次注漿填充密實。

圖4 井點降水現(xiàn)場照示意

圖5 降水效果統(tǒng)計示意

圖6 洞內(nèi)抽水現(xiàn)場照示意

圖7 洞內(nèi)管片支撐加固示意

4 施工監(jiān)測[11-12]

考慮注漿及地面井點降水施工會對地層產(chǎn)生擾動，有可能引起附近的建(構(gòu))筑物、地表沉降及水位變化，確定以注漿和井點降水施工區(qū)為監(jiān)測區(qū)段，共設置3個監(jiān)測項目，分別為地面及建筑物沉降監(jiān)測、地下水位變化監(jiān)測、隧道管片沉降監(jiān)測，監(jiān)測點布設如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點平面布置示意

1) 地表、建(構(gòu))筑物及鄰近省道監(jiān)測

地面沉降點布設在盾構(gòu)機上方前后共40 m范圍內(nèi)，每10 m布置1個監(jiān)測斷面，共4個監(jiān)測斷面，每個斷面3個監(jiān)測點，共12個地面監(jiān)測點。廠房靠近施工區(qū)域側(cè)，在廠房立柱上部分別布置沉降觀測點，共22個。鄰近施工區(qū)域省道，在隧道下穿區(qū)域地面設置兩個監(jiān)測斷面，每個斷面2個監(jiān)測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示最大累計沉降為地面沉降點D7(-8.45 mm，位于617環(huán))，其次是房屋結(jié)構(gòu)沉降點Z8(-6.80 mm，位于615環(huán))。

2) 地下水位監(jiān)測

在井點降水施工區(qū)域內(nèi)共設置6個水位測孔，側(cè)孔采用地質(zhì)鉆機鉆孔，測孔直徑108 mm，孔深19 m。測管外安裝濾布，孔底布設沉降管。當盾尾進水封堵后，每個抽水井水位都有所上升，最大上升為Z3，上升了1.85 m，降水井水位變化具體見圖9。

圖9 降水井水位變化示意

3) 盾構(gòu)修復過程中及掘進時隧道管片沉降和收斂監(jiān)測

布設方法：隧洞內(nèi)每隔100 m設置1個斷面，布設沉降監(jiān)測點和收斂點位，距離盾尾60 m處每隔20 m 1個斷面，共11個斷面。洞內(nèi)管片變形顯示最大變形為610環(huán)管片(-0.7 mm)。

5 結(jié)語

盾構(gòu)在富水砂層中施工中容易出現(xiàn)涌水涌砂等現(xiàn)象，造成的危害極大，施工中需要認真對待，在地勘鉆孔偏少地段應進行地質(zhì)補勘以判明水文地質(zhì)情況，針對可能面臨的風險制定專項技術(shù)方案，特別對于與大江大河等豐富水體連通水路應提前采取加固措施阻斷來水通道，避免在施工中出現(xiàn)涌水涌砂而被動應對。針對此次富水砂層中盾尾涌水涌砂突發(fā)事件時，采用地面井點降水和洞內(nèi)注漿方法成功進行處理，對同類事件處理具有借鑒意義。