軟土地層中地鐵隧道透水事故處理及修復(fù)工藝

曲騰飛， 王 媛

(1. 天津市地下鐵道集團有限公司， 天津 300000； 2. 天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 天津 300000)

軟土地層中地鐵隧道透水事故處理及修復(fù)工藝

曲騰飛1， 王 媛2

(1. 天津市地下鐵道集團有限公司， 天津 300000； 2. 天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 天津 300000)

依據(jù)某市軟土地層中地鐵隧道透水事故發(fā)生后的處理及修復(fù)工程，系統(tǒng)闡述事故處理過程中隧道充填、明開區(qū)間、隧道接駁、既有線保護等具體工作的穿插安排及實施細節(jié)，重點介紹從最初的隧道保壓填充到最終排水清淤各個施工工序的實施過程，以及對事故原因的分析及預(yù)防此類事故再次發(fā)生的措施，為我國位于軟土地層中的地鐵隧道透水事故發(fā)生后的后續(xù)處理工程提供強有力的參考及施工方案編制依據(jù)。

城市軌道交通； 軟土地層； 地鐵隧道； 透水事故； 修復(fù)工程

我國某市一地鐵隧道右線在推進至區(qū)間最低點V字坡處，由于盾構(gòu)姿態(tài)一次調(diào)整量過大及管片拼裝質(zhì)量不到位，導(dǎo)致隧道斷面5點鐘方向出現(xiàn)管片碎裂現(xiàn)象，進而發(fā)生透水事故，隧道底部大量泥沙隨著水流進入已成隧道，隧道底部大面積被掏空，最終使得已成隧道在344～345環(huán)管片之間縱向螺栓被剪斷，管片縫隙處形成錯臺變形達30 cm，地面沉降達50 cm，搶險失敗。隨后，專家小組隨即決定在310環(huán)完整管片處做一道6 m厚的混凝土封堵墻，對透水區(qū)域從地面垂向引孔注入高壓水及水泥砂漿，將整個盾構(gòu)機及隧道全部填筑，保證隧道內(nèi)外壓力平衡，防止地面繼續(xù)沉降。

1 工程概況

事故發(fā)生后，經(jīng)過多番討論，專家小組成員給出一致修復(fù)意見，意見指出：采用原位地連墻明挖修復(fù)方案，明挖段與既有隧道采用水平凍結(jié)礦山暗挖法對接，剩余未完成區(qū)間繼續(xù)采用盾構(gòu)法施工，針對左線既有線采用加強保護的方案，整體工期12個月。修復(fù)工程東西向長75 m，南北向?qū)?0.8 m，基坑深25～28 m，基坑安全等級為一級，基坑變形控制等級為一級。修復(fù)工程地連墻結(jié)構(gòu)距離左線規(guī)劃隧道管片最近距離約5.3 m。其中，左線既有線沉降控制值為10 mm，水平位移控制值為5 mm(見圖1)。

2 修復(fù)工程施工組織及施工方案

該工程的整體施作順序如下：隧道填充(已完成)→南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)連續(xù)墻施工→管片切割→東側(cè)連續(xù)墻施工→基坑開挖及吊出盾構(gòu)機→施作明挖段主體結(jié)構(gòu)及水平凍結(jié)→打開既有封堵墻排水清淤、施作安全門→破除東側(cè)連續(xù)墻→與完好隧道完成連接→西側(cè)端頭井盾構(gòu)接收。下面重點介紹以上若干道重要工序的施作順序及施工工藝。

圖1 區(qū)間修復(fù)工程整體示意Fig.1 Overall schematic diagram of interval repair engineering

2.1 隧道填充

事故發(fā)生后，為最大限度地保證已完成隧道的完整性以及地面沉降的穩(wěn)定，專家小組建議采用地面引孔注漿方式，對事故發(fā)生區(qū)域范圍進行全斷面砂漿回填，將整個盾構(gòu)機及后續(xù)管片內(nèi)部注滿砂漿(見圖2)，保持隧道內(nèi)外壓力平衡，防止險情的進一步擴大，有效遏制地面沉降的發(fā)展。

圖2 事故發(fā)生范圍內(nèi)隧道全斷面砂漿回填Fig.2 Whole section tunnel mortar backfill within the scope of the accident

2.2 南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)連續(xù)墻施工

為保證周邊管線、道路及既有線的運行安全以及貫徹專家小組關(guān)于“搶險工程不能再發(fā)生搶險”的要求，修復(fù)工程南北側(cè)及中間橫隔墻采用1.0 m厚地下連續(xù)墻，東西端頭處采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，共計36幅，沿基坑深度方向設(shè)5道1 000 mm×1 000 mm的混凝土支撐，加局部換撐，開挖深度為25～28 m。地下連續(xù)墻深度分別為13、35、49、54 m不等，接頭形式均采用工字鋼接頭。地連墻有一型、T型、L型3種樣式。地下連續(xù)墻采用C35混凝土，抗?jié)B等級P8，采用HPB400二級鋼筋作為主筋，拉結(jié)筋采用HPB300一級鋼筋，地連墻分幅及結(jié)構(gòu)形式見圖3。

為保證基坑北側(cè)既有線運行安全，地連墻連接處接縫止水采用RJP高壓旋噴樁工法，樁體直徑采用2 400 mm，180°形式，端頭井加固區(qū)域采用樁體直徑2 400 mm，360°形式。與地下連續(xù)墻搭接不小于700mm。樁心位置可 根據(jù) 現(xiàn) 場情況做適當(dāng)調(diào)整，樁體中心宜垂直于型鋼接頭連接幅接縫處，以密貼既有圍護地連墻為原則,如遇地墻鼓包及管線情況需調(diào)整樁位后再行施工。樁長根據(jù)土層及其止水要求，樁頂位于地面以下10 m，樁底位于地連墻墻趾處。具體固化材料采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，施工過程中根據(jù)成樁范圍內(nèi)所有土層的特性確定樁體水泥摻量，建議水泥摻量900 kg/m3，水灰比1:1，RJP樁體垂直度偏差不大于1/200，樁位中心偏差不大于±20 mm，樁深偏差不得大于50 mm，成樁直徑應(yīng)不小于設(shè)計直徑，28 d取芯芯樣無側(cè)限抗壓強度在淤泥質(zhì)土層中不小于0.5 MPa，黏性土層中不小于0.5 MPa，在砂質(zhì)土層中不小于1.0 MPa，樁體滲透系數(shù)不大于10-7cm/s。在高壓噴射成樁過程中出現(xiàn)壓力驟然下降、上升或冒漿等異常情況時，應(yīng)立即停機，查明產(chǎn)生的原因并及時采取相應(yīng)措施。

圖3 地連墻、分隔墻及支撐布置Fig.3 The underground continuous wall, wall separating and support plan

2.3 管片切割

因需要在隧道與主體結(jié)構(gòu)處施作地下連續(xù)墻，故需先將西側(cè)地連墻處的已成管片切除撈出。管片切割作業(yè)的主要設(shè)備采用全回轉(zhuǎn)鉆機、130 t履帶吊自重均超過35 t，為確保施工安全和施工精度，施工作業(yè)前須將清除部位及主要設(shè)備作業(yè)部位(地面以下至少1 m深度范圍內(nèi))，采用三七灰土分層換填、平整壓實(若地面為瀝青或混凝土結(jié)構(gòu)，則無需處理)，然后按照以下工序施作：測量定位→鉆機就位→套管壓入及鉆進→管片切割→地下管片及障礙物清除撈出→土體回填、夯實、拔管。管片切割系統(tǒng)示意見圖4。

圖4 管片切割系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of segment cutting system

在管片切割作業(yè)過程中，因鉆進過程中壓入力和沖砸的影響，存在對一側(cè)完好隧道造成損壞的可能，擬采取以下3個措施，以保護完好隧道：1)控制壓入力；2)合理布置孔位切割順序，防止切割出的管片過大造成卡管，不需用沖錘進行沖砸，從而避免對完好隧道造成損傷。孔位切割順序為：2→3→4→5→1→6，孔位編號見圖5；3)在管片切割過程中難以避免沖砸時，鉆機套管應(yīng)將地下隧道全部切穿或者盡量多切入隧道內(nèi)，以免沖砸時造成完好隧道損壞。

圖5 管片切割順序及注漿孔位布置Fig.5 Segment sequence diagram and grouting hole arrangement

管片切除并全部回填完成后，為確保后續(xù)地連墻施工不塌孔，在已清除的有效槽段兩側(cè)各進行一排袖閥管注漿加固。袖閥管注漿孔布置于設(shè)計地連墻中心線兩側(cè)0.8 m位置，注漿孔間距1.2 m，注漿材料采用低強度單液漿，設(shè)計注漿加固強度不超過0.5 MPa，注漿深度為地面至隧道底下3 m。

為防止注漿液流竄至地連墻開挖槽段內(nèi)，造成地連墻成槽困難，注漿漿液配比(重量比)見表1。

表1 注漿漿液配比

以上配比需要依據(jù)加固強度要求，通過現(xiàn)場配比試驗進行適當(dāng)調(diào)整。注漿采用從下往上注入，注漿壓力不大于0.30 MPa，達到該注漿壓力后提升注漿管，每次提升量為0.5 m，直至完成全部孔位注漿。

2.4 基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施作

東側(cè)連續(xù)墻施工及基坑開挖、吊出盾構(gòu)機屬于常規(guī)施工，本文對施工工藝不再贅述，主要需處理好架體搭設(shè)安全、施作順序與材料運輸?shù)膮f(xié)調(diào)關(guān)系，在破除基坑內(nèi)已成盾構(gòu)管片、吊出盾構(gòu)機和后配套臺車時，注意做到先撐后挖，加強監(jiān)測即可(見圖6)。

圖6 主體結(jié)構(gòu)示意Fig.6 The main structure diagram

2.5 暗挖段水平凍結(jié)施工及與完好隧道連接

右線隧道修復(fù)工程明挖段結(jié)構(gòu)與既有隧道結(jié)構(gòu)的對接設(shè)計采用水平凍結(jié)法施工。凍結(jié)壁設(shè)計有效厚度為3.0 m，平均溫度小于-15℃。

根據(jù)推測的基坑與隧道管片尺寸平面關(guān)系，管片設(shè)計長度為擬拆除三環(huán)隧道管片(4.5 m)，基坑外伸連續(xù)墻長度為五環(huán)管片(7.5 m)，加上全回轉(zhuǎn)管片切割機切割的一環(huán)管片。因此，切割和拆除管片總長度為4.932 m，外伸連續(xù)墻長度為7.932 m，水平凍結(jié)長度為8.682 m。根據(jù)隧道埋深和擬凍結(jié)的隧道斷面尺寸(凈直徑5.5 m)，采用雙排水平凍結(jié)孔布孔。內(nèi)圈凍結(jié)孔與開挖荒徑距離為700 mm，以保證開挖時荒徑處處于負溫狀態(tài)，外圈孔與內(nèi)圈孔布置間距為1 200 mm，確保凍結(jié)壁按時交圈并按時達到設(shè)計要求的平均溫度。考慮到內(nèi)圈凍結(jié)孔的凍結(jié)量少于外圈孔，故內(nèi)圈凍結(jié)孔間距按920 mm控制，外圈孔間距按800 mm控制。

此外，基坑內(nèi)連續(xù)前厚度為1 200 mm，且有800 mm內(nèi)襯，外伸連續(xù)墻厚度為1 000 mm，無內(nèi)襯。因此，水平凍結(jié)孔如全部采用垂直連續(xù)墻布孔，將無法滿足凍結(jié)壁與坑外連續(xù)墻槽壁交圈的問題，需布置部分水平傾斜凍結(jié)孔以滿足要求。凍結(jié)孔布置如圖7所示，與完好隧道的連接采用冷凍暗挖(礦山法)施工，施作順序見圖8。

圖7 水平凍結(jié)孔布置Fig.7 Horizontal freezing hole arrangement

圖8 與完好隧道連接Fig.8 Diagram of connection with good tunnel

2.6 打開既有封堵墻排水清淤

隧道封堵墻的位置及布置形式如圖9所示，混凝土第1段采用風(fēng)鎬破除，第2段用水鉆垂直打孔然后放入高效膨脹劑，第3段依照第2段方法破除。 采用靜態(tài)爆破時要與管片保持50 cm距離才可以打孔，孔與孔之間的距離要不大于30 cm，混凝土墻和管片之間要摳出5 cm的縫隙，孔深度保持30 cm，使縫隙和孔深相同，滿足要求才可施工。靜態(tài)爆破時要在晚上進行，白天主要利用風(fēng)鎬破除第1階段砼和為晚上靜態(tài)爆破創(chuàng)造條件。靜態(tài)破碎時，發(fā)生異常情況時必須立即停止作業(yè)，待查明原因采取相應(yīng)措施后方可繼續(xù)施工。裝填炮孔前應(yīng)檢查炮孔干濕程度，對吸水性強的干燥炮孔應(yīng)先以凈水濕潤孔壁，然后裝填，以免大量吸收漿體中水分，影響水化作用和降低破碎效果。按“先四周，后中央”的灌注順序，灌注時需連續(xù)成線，防止形成空氣夾層。破碎劑要隨配隨用，一次不宜拌制過多；攪拌好的漿體應(yīng)盡快裝到炮孔內(nèi)，并應(yīng)在5 min內(nèi)用完，時間過長將明顯降低流動度和破碎效果，盡可能在漿體發(fā)熱前灌入鉆孔內(nèi)。

圖9 修復(fù)區(qū)間右線封堵墻Fig.9 Block wall for right line in repair interval

封堵墻內(nèi)水位通過預(yù)留在封堵墻上的12點位、2點位、5點位的3根水位監(jiān)測管進行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為2次/d。封堵墻破除時，出現(xiàn)滲水或是漏水將對施工帶來極大的不便與風(fēng)險，特別是給修復(fù)段暗挖施工埋下隱患。若封堵墻滲水嚴重時，則在滲水部位打孔，埋設(shè)注漿管，注入水泥漿進行封堵。在破除過程中一旦出現(xiàn)漏水，立即在封堵墻漏水點封上鋼板，用預(yù)先準(zhǔn)備好的木楔子及棉被封堵，然后打孔向里注入雙液漿進行封堵。加大修復(fù)段工程基坑監(jiān)測頻率，必要時通過水位監(jiān)測管向封堵墻內(nèi)注水以平衡水壓確保安全。

3 事故原因分析及預(yù)防措施

此次事故的發(fā)生，究其原因主要有幾方面：1)發(fā)生事故的點位地質(zhì)情況為粉砂層，含水量大且透水性好；2)盾構(gòu)機糾偏量過大，頂推力過大導(dǎo)致管片邊角破損嚴重；3)該隧道管片采用凹凸榫形式，雖在理論上能保證拼裝質(zhì)量及止水效果，但由于在實際操作中發(fā)生的管片拼裝誤差及錯臺，使得管片破碎情況加重；4)同步注漿漿液質(zhì)量較難保證，稠度及初凝時間不能達到規(guī)范要求。綜合以上原因及各項主客觀因素，導(dǎo)致了此次事故的發(fā)生。

為防止此類事故再次發(fā)生，首先，應(yīng)加強盾構(gòu)風(fēng)險管控意識，從主觀上重視風(fēng)險源的存在與發(fā)生，同時要對應(yīng)急人員及物資加大管理力度，時刻堅持專項物資不得挪用的原則；其次，詳細了解盾構(gòu)掘進地段地質(zhì)情況，針對風(fēng)險地層制定有針對性的專項掘進方案，在掘進至該位置時加強對監(jiān)測、管片拼裝質(zhì)量及管片糾偏的控制；再次，盡量選用性能良好的注漿系統(tǒng)，使得同步注漿漿液稠度能夠達到9～11，同時，如果條件允許，可選用商拌漿液作為同步注漿漿液進行填注；最后，針對軟土地層中的隧道掘進，盡量不要采用帶有凹凸榫的管片，避免管片由于拼裝誤差及錯臺或推力過大引起管片碎裂。

4 結(jié)論

本文依據(jù)現(xiàn)場實際的施工順序及要求，全方位、系統(tǒng)地展現(xiàn)了軟土地層中地鐵隧道透水事故發(fā)生后的處理及修復(fù)工程，詳細地闡述了隧道充填、明開區(qū)間、隧道接駁、既有線保護等具體工作的穿插安排及施作順序，作為國內(nèi)該項工程的成功案例加以推廣、借鑒。同時，分析了該事故發(fā)生的具體原因以及提出了針對該事故發(fā)生的預(yù)防措施，為我國位于軟土地層中的地鐵隧道透水事故發(fā)生后的后續(xù)處理工程提供強有力的參考及施工方案編制依據(jù)。

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(編輯：郝京紅)

Permeable Accident Treatment and Repair Technology for Subway Tunnel in Soft Soil Stratum

QU Tengfei1, WANG Yuan2

(1.Tianjin Metro Group Co., Ltd., Tianjin 300000; 2. Tianjin Bohai Vocational and Technical College,Tianjin 300000)

The process of tunnel filling, open cut interval, tunnel connection, specific work arranged to protect the existing lines and its implementation details are systematically elaborated to handle permeable accident taking place in the subway tunnel in soft soil stratum and conduct repair in line with the engineering practice. The implementation process from tunnel packing to drainage dredging is emphasized. The cause of the accident and the preventive measures are also analyzed.

urban rail transit; soft soil stratum; subway tunnel; permeable accident; repair project

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.017

2016-02-23

2016-12-02

曲騰飛，男，碩士，工程師，主要從事軌道交通工程研究，qutengfei123456@163.com

U231

A

1672-6073(2017)01-0082-05