某越江盾構隧道施工風險分析與處治

吳志強 鄒樹梁

(1.南華大學資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001; 2.衡陽市住房和城鄉建設局，湖南 衡陽 421000)

1 概述

隨著社會經濟的發展，我國水下隧道數量迅速增長，由于施工周邊環境復雜、地質條件差異較大、地下水影響等諸多原因，施工過程面臨的不確定性風險也較大。若水下隧道工程建設或維護不當，常有突水涌水和突發性塌方事故發生，甚至誘發泥石流災害。一旦事故發生，將造成嚴重的人員傷亡、巨大的經濟損失和不良的社會影響[1]。近年來國內外跨江水下隧道建設施工中仍然發生了多起重大安全事故，較為典型的事故主要有：2012年，日本岡山縣倉敷市一條海底隧道發生了掌子面失穩塌陷、海水倒灌事故，其中隧道結構和盾構機全部被海水淹沒，導致多人遇難；我國常熟電廠輸水隧道和松花江隧道發生了掌子面失穩塌方、江水倒灌事故；南京長江隧道、南京長江緯三路過江通道的建設過程中，發生了掌子面失穩冒漿的險情。為了降低盾構隧道施工風險并有效控制風險事故的發展，依托衡陽市合江套湘江隧道工程，對施工過程中存在的重大風險因素進行識別和評估，并采取針對性的控制措施，確保項目建設安全有序進行。

2 工程背景

衡陽市合江套湘江隧道地處耒水、蒸水、湘江的回水口位置，隧道全長2.27 km，采用雙向四車道，時速設計值為60 km/h，過江段采用盾構法施工，開挖直徑為11.81 m，分為南北兩線，南北線盾構段總長1 867 m，該段湘江寬度為610 m，最淺覆土深度僅為9.14 m，隧道自東向西掘進，依次穿越湘江東大堤、湘江東路、湘江、湘江西大堤、濱江北路，效果圖見圖1。

3 風險因素辨識

3.1 盾構穿越大堤壩風險源

西岸大堤地層從上到下依次為粉砂質黏土、圓礫、中砂及強風化粉砂質泥巖，盾構穿越大堤主要位于圓礫、中砂及強風化粉砂質泥巖中，屬于上軟下硬復合型地層。據現場調研，圓礫層和中砂層由沖洪積形成，飽和狀態透水性強，隧道地層分布情況如圖2所示。

3.2 江底淺埋段盾構掘進風險源

盾構段大部分區域埋深均小于1倍洞徑，最淺埋深僅為9.14 m。江底淺埋段盾構隧道主要穿越強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖和粉質黏土。其中強風化粉砂質泥巖透水性較強，粉質黏土穩定性較差，因此，在這類地層中大直徑盾構容易出現結構上浮、冒頂透水、冒漿、河床塌陷以及泥餅現象等事故的發生，影響施工安全及隧道順利貫通。針對這些風險事件，結合案例事故及工程自身特點，辨識了合江套隧道江底淺埋段盾構掘進施工風險源，結果見表1。

表1 隧道江底淺埋段盾構掘進施工風險源辨識

3.3 江底巖溶區盾構掘進風險源

根據該隧道地質勘查結果，盾構機在江底掘進時，附近可能存在大小不一溶洞區，分布情況見圖3，主要分布范圍在Kn4+150～Kn4+360之間，溶洞發育不規律，詳勘鉆孔中所揭示的溶洞高在0.6 m～11.6 m之間，頂板埋深在29.1 m～52.2 m之間，標高在5.15 m～23.11 m之間，其風險源識別見表2。

表2 隧道巖溶區盾構掘進施工風險源辨識

4 施工風險處治

4.1 盾構穿越大堤壩風險處治

根據工程特點，結合地質勘察資料，擬采用三重管高壓旋噴樁對大堤漫灘進行加固。首先進行旋噴樁的試樁，采用類似工程經驗參數，試樁達到齡期要求后，測量成樁直徑，再進行取芯檢測，試樁成樁直徑滿足要求后可以用該參數，如不滿足，則應調整參數再次進行試樁，直至滿足要求。

鉆機就位后，在地面進行漿、水、氣試噴，檢查各項工藝參數符合設計要求后將噴射管下至設計高度，經現場質檢人員確認后方可進行高壓旋噴樁施工，噴射過程中如果遇到特殊情況，應將噴射管提出地面進行處理，處理好后再進行施工。在地面制漿后臺按照設計配合比拌制水泥漿和水玻璃水溶液，并計算漿液從后臺至噴嘴所需時間，參照該時間經試驗確定水泥漿液和水玻璃溶液的摻入體積比。在輸漿泵和輸水泵上安裝流量計，調節輸漿泵的電流大小使泵送至的水泥漿和水玻璃溶液比例符合設計要求。按照設計提速邊噴漿邊提升至設計強透水層頂標高。施工工藝見圖4。

4.2 江底淺埋段掘進風險處治

由于最淺覆土深度僅為9.14 m小于盾構1倍洞徑，盾構施工對土體擾動較大，為隧道整體上浮創造了條件。為防止上浮現象發生，采用改進的壁后注漿工藝，具體如下：盾構掘進過程中壁后注漿分三步進行，第一步：通過盾尾注漿孔在盾構推進的同時對盾尾中部進行壓注砂漿，保證管片中部以下填充密實，以防止管片脫出盾尾后下沉，造成管片破損和滲漏水；第二步：每掘進10環構成封閉環，在每個封閉環的起止環頂部預留注漿孔開孔注雙液漿，形成封閉環，以防止補充注漿漿液進入循環泥漿，造成漿液流失；第三步：封閉環形成后，在第五環管片的頂部預留注漿孔進行開孔注砂漿，及時對管片頂部間隙進行填充。以上注漿步驟能保證壁后注漿密實度，有效地控制盾構掘進過程中引起地面沉降、管片上浮和減少滲漏水。施工工藝如圖5所示。

4.3 盾構穿越巖溶區風險處治

針對隧道主線穿越的5處溶洞區，采取灌注擠壓法置換江底溶洞低密度充填物方式對溶洞空腔進行填充加固。首先搭建水上作業平臺，鉆孔后用鋼護筒護孔，采用兩根注漿管+1根封孔管組成漿液置換循環系統，先用雙液漿封孔，形成密閉環境后，再穩固溶洞邊界，最后進行灌注擠壓法置換低密度充填物施工。水泥漿從φ25的注漿管進入，通過φ50的注漿管底部小孔流入溶洞空腔，將其填充，再從兩管空隙流出，形成漿液循環，在注漿管處放置壓力表進行注漿和排漿壓力控制，流量之差即為溶洞內填充的水泥漿方量。其注漿填充加固示意圖見圖6。

5 結語

依托衡陽合江套湘江隧道工程實例，分析了該工程的三大施工風險源，分別是盾構穿越大堤壩風險、淺埋段盾構掘進風險和盾構穿越巖溶區風險，并對風險因素進行了歸納總結，提出了有針對性的風險防控措施。經實踐，在盾構掘進過程中安全平穩，未出現上浮、陷落、沉降等現象，也表明防控措施的有效性。后續將繼續改進和優化施工工藝，切實達到綠色環保、安全經濟的施工目標。