土壓盾構(gòu)下穿廣州復(fù)合地層事故分析及處理

石磊 譚嘯峰 歐繼峰

摘 要：土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，地表發(fā)生較大面積的沉降超限事故，在對(duì)沉降前盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和操作情況進(jìn)行了仔細(xì)分析后，本文結(jié)合沉降處的工程水文地質(zhì)條件和盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，深入分析了地面產(chǎn)生較大沉降的原因，并提出了處理措施。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層；盾構(gòu)掘進(jìn)；沉降事故分析

1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間隧道采用土壓盾構(gòu)法施工，隧道下穿廣州珠江水產(chǎn)研究所。據(jù)地質(zhì)詳勘資料，該處地基為古河道回填而成，隧道埋深8.2～17.2m，當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，隧道頂部覆土為①人工填土、②-1淤泥，主要穿越的地層為⑦強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑧中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑨微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，少部分穿越②-1淤泥、②-2淤泥質(zhì)土、②-3蠔殼片中粗砂、③-2中粗砂，多次穿過(guò)砂層、淤泥及中微風(fēng)化砂巖層的混合地層。

2 事故說(shuō)明

左線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至542環(huán)前，挖掘面為全斷面紅層，采用土壓平衡模式掘進(jìn)，土倉(cāng)壓力為0.15MPa。當(dāng)推進(jìn)油缸行程至1.1m時(shí)，渣樣中出現(xiàn)②-3蠔殼中粗砂、②-2淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、②-1B淤泥質(zhì)土，采用土壓平衡模式繼續(xù)掘進(jìn)，土倉(cāng)壓力提高至0.25MPa，嚴(yán)格控制出土量。

盾構(gòu)掘進(jìn)第544環(huán)推進(jìn)油缸行程至1.5m時(shí)，螺旋輸送機(jī)液壓閘門被硬石卡住無(wú)法完全關(guān)閉，從閘門開(kāi)口處涌出2m3渣土。此時(shí)機(jī)頭上方魚(yú)塘出現(xiàn)冒氣泡現(xiàn)象，影響范圍直徑約為2m。

盾構(gòu)掘進(jìn)545環(huán)，泡沫管路經(jīng)常堵塞難以疏通，掘進(jìn)各參數(shù)突增，渣溫升高，推進(jìn)速度減慢，出土量增多達(dá)到6.5斗，出渣時(shí)有大量石塊卡住螺旋輸送機(jī)液壓閘門，造成閘門不能完全關(guān)閉，出土無(wú)法有效控制，此時(shí)地面魚(yú)塘出現(xiàn)冒氣泡、水柱等現(xiàn)象，影響范圍直徑約15m。

盾構(gòu)掘進(jìn)至565環(huán)時(shí)，隧道上方道路突然出現(xiàn)大面積沉降，最大沉降量達(dá)到283mm，沉降范圍為直徑約15m。

3 事故原因分析

3.1 地質(zhì)預(yù)判失誤

由于地面魚(yú)塘密布，且其內(nèi)養(yǎng)殖為珍貴的科研魚(yú)苗，地質(zhì)鉆機(jī)無(wú)法在隧道上方的魚(yú)塘內(nèi)鉆孔，地勘孔間距較大，導(dǎo)致其與實(shí)際地層出入較大。在地質(zhì)條件不準(zhǔn)確的前提下，很難提前調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以防止地面沉降，而只能從地面沉降情況被動(dòng)反映目前掘進(jìn)參數(shù)的準(zhǔn)確性再進(jìn)行調(diào)整。地層預(yù)判失效，在中、微風(fēng)化紅層中強(qiáng)行建壓，影響泥餅的發(fā)育。

3.2 掘進(jìn)時(shí)遇到孤石，突發(fā)噴涌

第544環(huán)，隧道內(nèi)部分⑦全風(fēng)化泥巖，部分蠔殼中粗砂層，渣樣分析此時(shí)含砂量達(dá)到了40%，其中夾雜大量孤石，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。螺旋輸送機(jī)液壓閘門被硬石卡住無(wú)法完全關(guān)閉（閘門開(kāi)度11%），從閘門開(kāi)口瞬間涌出2m3渣土，土壓力下降后迅速上升。采取反轉(zhuǎn)螺旋輸送機(jī)，將渣土強(qiáng)行反壓回土倉(cāng)，控制住噴涌后立即組織人員敲打石塊，此時(shí)仍有部分渣土不停的從閘門涌出，0.5h后閘門才得完全關(guān)閉。隨后恢復(fù)掘進(jìn)，將本環(huán)掘完，渣土中已存在少量石塊，此時(shí)地面魚(yú)塘開(kāi)始出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象，影響范圍為直徑2m。在之后幾十環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，都有出現(xiàn)閘門被孤石卡住的現(xiàn)象，造成土倉(cāng)壓力難以控制。

3.3 土倉(cāng)內(nèi)結(jié)泥餅，掘進(jìn)速度慢，對(duì)土體超挖

第545環(huán)，渣土主要為紅層巖塊，含砂量逐漸增多，盾構(gòu)已進(jìn)入上軟下硬段，掘進(jìn)參數(shù)異常，推力、扭矩、渣溫同時(shí)上升，掘進(jìn)速度降低，出渣時(shí)出現(xiàn)大塊粉狀土團(tuán)聚塊，土塊溫度內(nèi)高外低。根據(jù)種種參數(shù)及出渣情況觀察，判斷盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)內(nèi)已結(jié)泥餅，造成盾構(gòu)機(jī)平均推進(jìn)速度只能達(dá)到10mm/min，該環(huán)掘進(jìn)用時(shí)共6h。盡管盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度非常緩慢，但是盾構(gòu)機(jī)刀盤仍然處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，而且千斤頂推力一直持續(xù)在1500kN，扭矩也居高不下（3000kN·m以上）。但由于上部為軟弱地層，無(wú)法減壓進(jìn)入土倉(cāng)清除泥餅造成了惡性循環(huán)。

下部硬巖不斷的被磨動(dòng)但是進(jìn)入土倉(cāng)的較少（土樣分析的結(jié)果也是如此），而上部砂土則在刀盤的不斷攪拌下源源不斷的往艙內(nèi)涌入，滑動(dòng)面不斷擴(kuò)展，砂土內(nèi)的拱線上移，內(nèi)部掏空范圍不斷擴(kuò)大，最終拱上土體在自重作用下塌陷，表現(xiàn)為地面魚(yú)塘底部沉降、冒頂，土體塌陷掩埋刀盤造成扭矩突增，刀盤扭矩在掘進(jìn)時(shí)瞬間達(dá)到6000kN·m。

3.4 土倉(cāng)壓力偏小，未精細(xì)化控制出土

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中土倉(cāng)壓力比理論計(jì)算的水土側(cè)壓力略小，而上覆淤泥層在土倉(cāng)壓力不夠的情況下，在掘進(jìn)過(guò)程中靠近土倉(cāng)的淤泥被上部淤泥的土壓力擠壓進(jìn)入土倉(cāng)。同時(shí)，隧道斷面內(nèi)紅層、砂層、淤泥層等多種地層比例不斷變化，而每種地層的松散系數(shù)差異較大，造成出土量的大小也隨之變化，但在實(shí)際施工中對(duì)出土量沒(méi)有根據(jù)地層比例的變化不斷調(diào)整對(duì)出土總量的精細(xì)化管理和控制，造成出土量差值累計(jì)，形成大量土體超挖。

4 事故處理措施

針對(duì)已出現(xiàn)的沉降超限事故，采取了以下措施，以制止地表沉降擴(kuò)大化，確保盾構(gòu)機(jī)安全通過(guò)沉降超限區(qū)域。

（1）采用袖筏管注漿工藝加固沉降路面范圍內(nèi)10m厚軟弱地層，注漿孔最小間距為2m。通過(guò)注漿加固后，該段路面沒(méi)有出現(xiàn)進(jìn)一步沉降，有效保護(hù)了周圍的建筑物。

（2）當(dāng)出現(xiàn)液壓閘門出現(xiàn)被粗礫石卡住的現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)采取以下措施：

①反轉(zhuǎn)螺旋輸送機(jī)，給渣土以反作用力，減少渣土涌出速度。

②停止刀盤旋轉(zhuǎn)，減少刀盤對(duì)土體的擾動(dòng)，防止上部軟弱土層被擾動(dòng)后松弛而塌陷，進(jìn)入土倉(cāng)后使土壓力上升造成螺旋機(jī)出口壓力增大。

③將螺旋機(jī)出土口液壓閘門迅速開(kāi)合，利用螺旋機(jī)內(nèi)渣土壓力將卡住閘門的的粗礫石沖開(kāi)至皮帶上，重復(fù)此動(dòng)作至液壓閘門開(kāi)度為0，證明粗礫石已被沖開(kāi)。

④向螺旋輸送機(jī)里注入聚氨酯，注入該溶液后與渣土中水分反應(yīng)，立即形成膠狀物體，大大降低了渣土的流動(dòng)性，在螺旋輸送機(jī)內(nèi)部形成土塞效應(yīng)，減少噴涌。

（3）確保掘進(jìn)速度與出土速度相匹配，保持土壓力在計(jì)算土壓力±20kPa以內(nèi)，對(duì)于出渣總量進(jìn)行精細(xì)化管控。

（4）加大注漿量，每一環(huán)管片背后的注漿量應(yīng)≥6.5m3，確保地面沉降范圍不再向前擴(kuò)展，增加輔助添加劑量，改善渣土的和易性，在增加泡沫量達(dá)不到效果時(shí)，可以考慮改用膨潤(rùn)土泥漿或高分子聚合物。

（5）加強(qiáng)監(jiān)控測(cè)量，并及時(shí)根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，特別是出土量、土倉(cāng)壓力，注漿量等參數(shù)。每天進(jìn)行兩次土樣分析，進(jìn)行土質(zhì)鑒定。

（6）在掘進(jìn)速度極其緩慢，刀盤推力、扭矩、渣溫持續(xù)增加的情況下，開(kāi)倉(cāng)清除泥餅并更換刀具；當(dāng)?shù)孛娌痪邆浼庸虠l件時(shí)，可采用分散劑進(jìn)行清洗刀盤，清除部分泥餅。

5 總 結(jié)

地質(zhì)條件是盾構(gòu)隧道施工中的基礎(chǔ)，當(dāng)由于復(fù)雜地面環(huán)境而造成無(wú)法進(jìn)行地質(zhì)勘探工作時(shí)，給施工帶來(lái)了無(wú)形的風(fēng)險(xiǎn)，使施工處于被動(dòng)狀態(tài)。

沉降只是隧道掘進(jìn)中土體置換的表現(xiàn)形式之一。根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)控制出土量可有效減少地面沉降或隆起現(xiàn)象。出土量的控制是被動(dòng)的，其主要依靠推進(jìn)速度控制以及土壓力控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)推進(jìn)速度緩慢時(shí)，加大了對(duì)土體的擾動(dòng)，使更多的土體被切削后進(jìn)入土倉(cāng)，造成出土量無(wú)法控制；當(dāng)土壓力較小時(shí)，土體應(yīng)力釋放、松弛而塌陷，進(jìn)入壓力倉(cāng)后造成出土量無(wú)法控制。但沉降出現(xiàn)后，二次補(bǔ)充注漿是減少盾構(gòu)掘進(jìn)后期沉降最常見(jiàn)同時(shí)也是最有效的手段之一。