盾構穿越富水破碎帶不良地質掘進措施研究

鄭代靖

（中車智能交通工程技術有限公司，北京 豐臺 100078）

0 引言

隨著我國經濟技術的快速發展，城市軌道交通建設也迎來了快速發展階段。在城市軌道交通建設過程中，盾構法因其具有對周圍環境影響小、易于控制沉降、施工安全且進度快等優點，成為城市軌道交通建設中的常用施工方法[1]。城市軌道交通工程勘察過程中，往往會因勘探技術及作業環境的局限性，出現實際地質條件與勘察和設計的地質條件并不吻合的情況，會存在一定的不確定性及復雜性，容易導致盾構施工過程中發生事故。

盾構施工開挖事故中，富水破碎帶噴涌坍塌是較為常見的情況，2014年南京地鐵3號線盾構掌子面坍塌出現噴涌現象，2018年佛山軌道交通2號線盾構區間突發透水，引發隧道及路面坍塌[2]。許多專家學者也針對富水破碎帶噴涌坍塌事故進行了大量研究，比如，宋蕾通過室內試驗對克泥效材料性質和微承壓砂層渣土改良技術進行了研究，洪開榮等進行了大直徑泥水盾構復合地層速凝漿液的同步注入技術研究[3]。

本文結合無錫至江陰城際軌道交通工程施工案例，針對施工過程中遇到的勘察設計與實際施工不相符的情況，根據現場施工情況和補勘鉆孔地質分析，對盾構穿越富水破碎帶不良地質掘進措施進行了研究，研究成果對類似條件下的盾構隧道施工有借鑒作用，對提高我國盾構隧道施工水平、保證盾構施工安全具有重要意義。

1 工程概況

江陰高鐵站～南閘站盾構區間右線長1499.331m，隧道埋深約5.71～87.8m。主要穿越①2素填土、②1淤泥質粉質黏土、③1黏土、③2粉質黏土、⑥1粉質黏土、⑥2黏土、?2含碎石粉質黏土、?2強風化砂巖、?3中風化砂巖等。區間沿線主要地表水為長江、東橫河、運糧河、應天河、工農河，地下水主要為潛水和承壓水。潛水含水層主要存在于全新統Q4填土層、②2黏質粉土層中，勘察可知線路區域內均有分布，填土層由黏性土夾碎石構成，顆粒級配不均勻、固結時間短，常常由于架空現象的存在而形成孔隙，成為賦存地下水的空間，透水性不均勻，主要接受大氣降水的入滲補給。承壓水賦存于⑦2粉土夾粉砂、⑧2粉質黏土夾粉土、⑨2粉砂和⑩3粉砂中，含水層的補給來源主要為承壓水的越流補給及地下徑流補給，以地下徑流及人工抽吸為主要排匯方式。

2 富水破碎帶地層施工情況與地層特征分析

2.1 富水破碎帶地層施工情況

江陰高鐵站～南閘站盾構區間右線掘進至136環時進入強風化石英砂巖地層，掘進至295環時下部逐漸進入中風化石英砂巖中，掘進至345～383環時螺旋口頻繁噴涌，土倉壓力波動異常，出土渣樣中含水量大(每環約30m3水)，出土量異常(90 m3渣土含水)，渣樣中含較多的中粗砂與部分黏土（夾層）（見圖1），管片上浮嚴重約70mm。

圖1 施工過程中實際渣樣圖

2.2 富水破碎帶設計與現場對比分析

江陰高鐵站~南閘站盾構區間右線設計圖紙揭示該區域（345-397環）為?2強風化砂巖區域與?3中風化砂巖地層（地層同為弱透水層）。在盾構掘進過程中，現場實際出土渣樣中含較多的中粗砂與少部分黏土（中粗砂，泥土和石子各占1/3），呈現的是典型的軟弱區/破碎帶發育區域；含水量大，揭示該區域內基巖裂隙水富集，具有富水性，與圖紙所述地層存在差異。江陰高鐵站～南閘站盾構區間右線盾構掘進工程中，該區域施工時盾構出現螺旋口頻繁噴涌，土倉壓力波動異常等現象（注：盾構下穿花山段屬于生態一級管控區，勘察設計階段無法辦理現場施工作業手續，花山西側山體上勘探孔間距較大，前期地質勘探采取物探取代鉆探）。

2.3 富水破碎帶地層特征

結合現場施工情況及地質補勘報告，在右線391環附近的位置，補充鉆探了1個S1#機鉆取芯孔（現場條件受限），并在鉆孔完成后進行1組單孔抽水試驗，勘察后明確破碎帶地層特征如下：

（1）鉆孔的現場鉆探情況及采取巖芯顯示，孔內強風化石英砂巖裂隙發育，為較破碎-破碎（局部極破碎）的較軟巖-較硬巖，巖體基本質量等級為V（見圖2）。

圖2 洞身范圍內芯樣照片

（2）對盾構施工有影響的基巖裂隙水主要賦存于強風化石英砂巖中，富集于強風化破碎區。

（3）試驗期間測得鉆孔內基巖裂隙水靜止水位埋深約為15.70m，靜止水位標高約為3.02m。

（4）鉆孔內基巖裂隙水的水文地質參數建議如下：滲透系數K=1.64m/d，影響半徑R=244.44m（抽水井S1降深19.11m時所得值）。

（5）本次抽水試驗求得的水文地質參數為孔內承壓水的綜合參數值。

3 富水破碎帶盾構掘進措施

3.1 高分子聚合物改善倉內排水

推進過程中通過管路向盾構機土倉內注入原液高分子聚合物[4]，利用高分子材料大量吸收渣土中水分后變為塑性渣土，防止出土口噴涌。

高分子聚合物配比通過現場渣土試驗確定。現場從螺旋機取土進行試驗，確定配比為“1m3水內摻加6kg高分子聚合物”配出的漿液效果最佳，聚合物漿液加注量一般為每環6m3。高分子聚合物可以吸附渣土中大量的水分子，有效緩解噴涌現象。

3.2 速凝效改善螺旋噴涌

由于粉砂和粉砂巖自身的特性，開挖下來的渣土顆粒級配不良，大顆粒孔隙中的細小顆粒會很快被承壓水流流搬運走，留下的大顆粒之間的孔隙缺少細小顆粒填充，容易導致大顆粒失去穩定性，而且也有利于孔隙水流動，不斷形成新的噴涌條件。采用速凝效改良渣土的方法可以使渣土中的細小顆粒被包裹、聚集在大顆粒之間的孔隙中，將原本透水的渣土變為擋水土塞，隨著不斷開挖、排出渣土，不斷加入速凝效，形成動態的土塞效應。在臺車尾部放置雙液注漿機，注漿機管路連接至土倉壁上，掘進過程中通過二次注漿機注入土倉中。

3.3 克泥效工法封堵匯水通道

克泥效工法是將高濃度的泥水材料與塑強調整劑兩種液體分別以高管壓送到制定位置，再將此兩種液體以適當比例混合成高粘度塑性膠化體后，再通過徑向孔注入的一種新型工法。由于開挖間隙的存在，盾體后方的地下水源源不斷匯入土倉。通過盾體徑向孔向開挖間隙填充注入克泥效，隨著盾構過程的推進，新的開挖間隙產生，克泥效也不斷補充注入，將匯水通道填充封堵，以達到切斷水源的效果。推進過程中通過盾構機徑向孔注入克泥效，填充盾殼外間隙[5-6]。

為了保證盾構施工期間阻斷盾構機后部水源，特別利用平時關閉的8個徑向注漿孔（位于盾構機中盾和盾尾），在盾構推進同步通過盾構機內注漿機向盾構機盾體外注入惰性材料，注入率控制在130%，同時控制注入壓力和注入量，采用克泥效漿液。這樣就能及時填充開挖直徑與盾體之間的空隙，隔斷盾體周圍和盾構機后部的水源進入土倉。

3.4 制作止水環阻斷隧道后部水源

每推進8環對盾尾后10環管片進行二次注漿，形成止水環箍，阻止后方來水。減小土倉內的水量，保證盾構機能正常推進。

采用雙液漿每間隔8環做一道環箍（連續注入3環，單環5m3），使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，再在各環箍間進行二次注漿，注漿順序由下至上。

3.4.1 注漿材料、配合比

破碎帶補強注漿時采用水泥凈漿進行二次注漿，雙液漿進行封環及封孔。雙液漿即：水玻璃+水泥砂漿。雙液漿液配比：水泥漿水灰比為1：1；注入時水泥漿液與水玻璃體積比為1：1。

3.4.2 注漿設備

注漿泵2臺（雙液注漿泵），小型漿液拌合筒2個，Ф32銅球閥25個，50mФ32注漿軟管4條，1條備用，三通4個。

3.4.3 注漿順序及注漿工藝

（1）注漿順序：同一環管片嚴格按“先頂部后腰部，兩腰對稱”的方法注入，注漿壓力控制在0.3～0.4MPa。

（2）止水環箍注漿工藝：在注漿前先選擇合理的注漿孔位，將注漿單向逆止閥戴上后，用電錘鉆穿該孔位后3cm保護層，接上三通以及水泥漿管與水玻璃管。二次注漿時，先注純水泥漿液達到預定壓力后，打開水玻璃閥進行混合注入，終孔時應加大水玻璃的濃度。在一個孔注漿完結后應等待5~10min后將該注漿頭打開疏通查看注入效果，如果水很大，應再次注入，至有較少水流出時可終孔，拆除注漿頭并用雙快水泥砂漿對注漿孔進行封堵，帶上塑料螺堵并進行下一個孔位注漿。

注漿過程中應有排氣孔，排氣孔原則上設在預注漿孔上，并安裝注漿單向逆止閥，同時打開球閥，直至出現冒漿時關閉球閥，10min后檢查注漿效果，如有水溢出，應對該孔進行注漿。

3.5 超前注漿地層加固

每推進8環對盾體前方通過超前注漿孔WSS后退加固注入雙液漿，超前加固地層，改變地層破碎狀況。

3.6 優化同步注漿配合比

將纖維素加入原同步注漿液中以優化同步注漿漿液，加強盾尾的密封效果，同時在原有每環同步注漿液配合比上增加水泥配比，使同步注漿凝結時間提前。

（1）注漿壓力：注漿壓力控制在2~3bar范圍內，超過4bar則自動停止。

綜合考慮水土壓力的差異以及防止管片大幅度下沉和上浮的需求，各點的注漿控制壓力也不同，同時保持適當的壓力差，以取得最優效果。初始壓力設定時，下部每孔壓力比上部每孔壓力稍微增大約0.5~1bar。

（2）注漿量：根據開挖的直徑以及管片的外徑，推算出每一環管片的理論注漿量。

（3）注漿速度：根據不同的地層選擇不同的掘進速度以及不同凝結時間的漿液以達到有效控制注漿時間的效果。遵循“掘進、注漿同步，不注漿、不掘進”原則，以注漿量和同步注漿壓力雙重指標來控制注漿時間[7]。注漿量和注漿壓力均達到設定值后方可完成注漿。

同步注漿的速度與盾構掘進的速度相對應，按掘進一環時間內完成該環注漿量來控制其平均注漿速度。

（4）注漿結束標準：通過雙指標控制，即當注漿壓力達到控制值時，注漿量達到計算值95%以上時，方可認為達到了注漿要求。對參數還需通過監控量測進行優化，使注漿效果達到更佳。二次補充注漿主要采用水泥漿，在盾構掘進對地表建筑或管線影響可能較大的區域，可選擇速凝型漿液，如水泥-水玻璃雙液漿等。注漿壓力：0.5~1MPa；注漿量：0.5~1.2m3/環；注漿開始時間：管片脫出盾尾6~8環。

4 結束語

由于江陰高鐵站～南閘站盾構區間勘探條件的局限性，在施工的過程中遇到了勘察設計與實際施工不相符的情況，通過專門研究制定合理的施工措施對安全穿越富水破碎帶不良地質的特殊情況具有重要意義。本文通過無錫至江陰城際軌道交通工程施工案例，結合現場分析，對盾構穿越富水破碎帶不良地質掘進方案進行了研究，解決了盾構掘進現場土壓力波動異常、出渣含水量大、出土量異常、管片上浮嚴重等問題，化解了噴涌坍塌風險，有效保證施工現場安全質量。目前，江陰高鐵站～南閘站盾構區間已安全穿越富水破碎帶，現場施工安全質量可控，驗證了方案的有效性。