富水圓礫地層盾構(gòu)隧道地表沉陷分析及處理

賈少東，孟慶軍，肖鵬飛，楊澤斌

（1.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

盾構(gòu)法因其具有快速、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于城市軌道交通建設(shè)之中[1]。但在某些特殊地層中，特別是富水圓礫地層受土壓盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)后其穩(wěn)定性較差，且城市地下管線密布，使情況更加復(fù)雜，易誘發(fā)地表沉降，甚者可能會(huì)造成地面沉陷。隨著城市地鐵建設(shè)日漸增多，地質(zhì)條件也愈發(fā)復(fù)雜，合理地預(yù)防和處治地表沉陷十分重要。目前盾構(gòu)施工誘發(fā)地表沉陷的研究已有大量成果。多集中于地質(zhì)條件、施工設(shè)計(jì)和施工工藝等方面[2-5]。但綜合城市地下管線分布情況與盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行分析的還較少。故針對(duì)南寧地鐵5 號(hào)線一期工程新～廣區(qū)間富水圓礫地層中盾構(gòu)施工時(shí)中出現(xiàn)的沉陷問題，分析地表沉陷原因并介紹相應(yīng)的防控措施。

1 工程概況

1.1 工程水文地質(zhì)

區(qū)間由新秀公園站出站后，沿明秀西路向北，在大學(xué)明秀路口下穿既有1 號(hào)線廣西大學(xué)站，最后接入5 號(hào)線廣西大學(xué)站。區(qū)間范圍內(nèi)主要揭露第四系、古近系及泥盆系地層，包括填土層①、黏性土層②、粉土層③、砂土層④、圓礫層⑤、古近系半成巖的泥巖和粉砂巖地層⑦。區(qū)間左線隧道主要穿越地層為粉質(zhì)黏土、中粗砂、圓礫土及粉砂質(zhì)泥巖層。區(qū)間地下水類型主要是上層滯水、第四系松散巖類孔隙水，地下水主要賦存于第四系砂層、圓礫層中。初見水位埋深2.90～8.80m；穩(wěn)定水埋深在4.20～10.20m。

1.2 區(qū)間地表沉陷概況

2020 年3 月11 日區(qū)間左線盾構(gòu)掘進(jìn)至743環(huán)，下午14 時(shí)30 分接到紅色預(yù)警通知。現(xiàn)場立即組織人員對(duì)明秀西路輔路位置的預(yù)警范圍核查，同時(shí)安排監(jiān)測人員加密監(jiān)測。下午17 時(shí)輔道預(yù)警范圍的道路路面沉降未進(jìn)一步變化，路面最大沉降值為-82.98mm；17 時(shí)～17 時(shí)35 分地面沉降發(fā)生急劇變化，并最終形成尺寸為4m（寬）×15m（長）×0.8m（深）沉陷區(qū)域（圖1），具體位置為新廣區(qū)間左線735 環(huán)～745 環(huán)上方道路。左線盾構(gòu)在收到預(yù)警通知時(shí)已停機(jī)，停機(jī)時(shí)管片已拼裝至743 環(huán)，刀盤位置位于747 環(huán)。

圖1 塌方區(qū)域航拍圖

2 地表塌陷分析

2.1 塌陷機(jī)理

沉陷區(qū)域經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)，有直徑500mm 雨水管一條、蓋板箱涵1200mm×1000mm 雨污水渠一條。雨污水渠結(jié)構(gòu)為素砼，底座為漿砌片石混凝土結(jié)構(gòu)，蓋板為鋼筋混凝土。雨水管為直徑500mm 的鋼筋混凝土管，結(jié)構(gòu)年久失修，出現(xiàn)多處裂縫和滲漏水情況，且渠內(nèi)沉積多年淤泥，經(jīng)過雨污水反復(fù)沖刷，渠底土體流失被掏空；沉陷區(qū)正好位于雨水管井室下方，井室結(jié)構(gòu)為磚砌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)老舊，裂縫較多、滲漏水嚴(yán)重，下方土體被掏空，形成坑洞。地層坑洞在不受外力擾動(dòng)的情況下會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，其周圍地層能保持有較好的穩(wěn)定性。而當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至坑洞下方時(shí)，盾構(gòu)上部地層受到施工擾動(dòng)，同時(shí)土體在地下水滲流的作用下，坑洞頂部土體不斷脫落下墜，地層損失進(jìn)一步向地表轉(zhuǎn)移，最終造成地面塌陷，如圖2所示。管線與隧道的相對(duì)位置關(guān)系詳見圖3。

圖2 地表塌陷機(jī)理示意圖

圖3 管線與隧道的相對(duì)位置示意圖

2.2 塌陷影響因素

1）不良地質(zhì) 此段道路的雨水管道裂縫處滲漏水嚴(yán)重，長期沖刷造成土體流失嚴(yán)重，同時(shí)3 月份已進(jìn)入雨季，降雨量較大，滲透至地層的水量多。盾構(gòu)掘進(jìn)地層上部依次為素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、圓礫層，除一層較薄的弱透水性粉質(zhì)黏土層外，中粗砂、圓礫層均為透水性強(qiáng)地層，特別是粉細(xì)砂層在滲水的作用下，容易導(dǎo)致局部的土體流失。通過后續(xù)在盾構(gòu)未掘進(jìn)地段的地震映像法掃描印證，明秀西路局部路段在地下13～15m 范圍存在地質(zhì)疏松等問題。沉陷區(qū)地層情況詳見左線沉陷區(qū)縱斷面圖（圖4）。

圖4 左線沉陷區(qū)縱斷面圖

2）不良施工措施 ①停機(jī)時(shí)間過長：左線盾構(gòu)受春節(jié)及疫情嚴(yán)重影響，停機(jī)時(shí)間長達(dá)42天，在長時(shí)間停機(jī)期間，土壓平衡盾構(gòu)頂部土倉壓力宜比理論壓力高0.02～0.03MPa[6]，但盾構(gòu)掘進(jìn)過程中未根據(jù)地層變化及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)前期盾構(gòu)由于疫情原因停機(jī)時(shí)間過長以及掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題未引起足夠的重視，采取的解決應(yīng)對(duì)措施不力；②土艙壓力控制不良：由于本段地層土質(zhì)松散，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土倉壓力變化快，掘進(jìn)參數(shù)異常，特別是上部土倉壓力偏小，土艙壓力偏小則不足以平衡掌子面水土壓力，容易導(dǎo)致地層下陷；③噴涌處理不及時(shí)：盾構(gòu)掘進(jìn)第730～734 環(huán)發(fā)生噴涌時(shí)，未及時(shí)采取注入膨潤土和管片背后二次注漿等措施，盾構(gòu)內(nèi)發(fā)生噴涌時(shí)，土艙壓力波動(dòng)較大，會(huì)發(fā)生土艙壓力驟降等，進(jìn)而引發(fā)地層變形塌陷甚至危及開挖面的穩(wěn)定；④出渣量控制不良：盾構(gòu)渣土的出渣量未嚴(yán)格控制，僅限于分析渣土斗中的出渣量，而沒有詳細(xì)分析噴涌時(shí)掉落隧道內(nèi)的渣土量和及時(shí)采取有效的措施。出渣量過多使得土艙內(nèi)渣土減少，不利于維持土艙壓力穩(wěn)定，導(dǎo)致土艙壓力降低，不足以平衡掌子面水土壓力，誘發(fā)地面沉陷。

3 現(xiàn)場核查及處理

3.1 現(xiàn)場管線及構(gòu)筑物核查

沉陷區(qū)域周邊主要為道路、城市綠化樹木，經(jīng)現(xiàn)場勘查，共發(fā)現(xiàn)A500mm 雨水管1 根、1200mm×1000mm 雨污水渠1 條、軌道1 號(hào)線供電管線若干及聯(lián)通光纖若干。

3.2 地面及隧道洞內(nèi)輔助處理措施

1）反壓回填 在確定沉陷區(qū)周邊沉降穩(wěn)定安全后，現(xiàn)場采用挖機(jī)破除沉陷區(qū)域的輔道既有路面，然后清理破除的路面碎塊并轉(zhuǎn)運(yùn)至車站。沉陷區(qū)采用素填土反壓回填，避免沉陷范圍擴(kuò)大。

2）注漿加固 根據(jù)新廣區(qū)間盾構(gòu)735～745環(huán)明秀西路附近道路沉陷和周邊環(huán)境情況，明秀西路主干道圍蔽2 條道路，并對(duì)明秀西路輔路沉陷區(qū)域進(jìn)行圍蔽。圍蔽區(qū)域主干道范圍內(nèi)打設(shè)24個(gè)袖閥管注漿孔，7 個(gè)地質(zhì)探孔；注漿孔孔徑為?110mm，采用水灰比為1 ∶1 的水泥漿進(jìn)行填充。已圍蔽的明秀西路輔路范圍內(nèi)打設(shè)13 個(gè)袖閥管注漿孔，注漿孔孔徑為?110mm，采用水灰比為1 ∶1 的水泥漿進(jìn)行填充。整體施工順序?yàn)椋悍治龀料輩^(qū)域原因和沉陷影響范圍，然后施工已圍蔽的明秀西路主干道（鉆孔注漿）、輔道（鉆孔注漿和管道修復(fù)）、未掘進(jìn)地段（鉆孔注漿），最后恢復(fù)管道及路面直到全部恢復(fù)交通。具體注漿情況見圖5。

圖5 注漿平面布置示意圖

3）洞內(nèi)輔助措施 隧道內(nèi)沉陷區(qū)域下方左線717～742 環(huán)管片采用雙液漿進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)漿。同時(shí)采取對(duì)盾構(gòu)的盾體上方注入克泥效，刀盤持續(xù)保壓，防止前方掌子面坍塌等手段防止沉陷區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展。

3.3 后續(xù)掘進(jìn)預(yù)防措施

為防止盾構(gòu)受地面注漿導(dǎo)致盾構(gòu)被抱死，同時(shí)考慮長時(shí)間停機(jī)對(duì)刀盤保壓的影響，在完成了主干道及輔道的二次補(bǔ)漿后，左線通過以下方式嚴(yán)格對(duì)控制下一步的掘進(jìn)。

1）控制土倉壓力 當(dāng)開挖面的支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力時(shí)，開挖面前方土體將形成一定范圍的滑動(dòng)區(qū)域，開挖面也隨之產(chǎn)生失穩(wěn)，這會(huì)導(dǎo)致地層空洞形成的概率大幅增加，因此土倉壓力的設(shè)定是保證盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的重要措施之一。圓礫層中土壓設(shè)定在1.8～2.2bar 之間。現(xiàn)場控制土倉壓力有兩種方式，一種是通過氣壓來控制土倉內(nèi)壓力，開啟保壓系統(tǒng)來穩(wěn)定土倉內(nèi)壓力，另一種是在掘進(jìn)過程中加大泡沫氣體比例往土倉壓內(nèi)加入氣壓以達(dá)到平衡的氣壓狀態(tài)。由于頂部粉細(xì)砂及圓礫地層透水性較強(qiáng)，所以盡量避免地層中的水滲到土倉內(nèi)，引起流沙造成地表沉降超限，造成螺機(jī)出土噴涌，可以適當(dāng)通過調(diào)節(jié)土倉氣壓抑制地下水滲入。

2）渣土改良 盾構(gòu)在富水圓礫地層中掘進(jìn)對(duì)地層擾動(dòng)大，地層滲透性及大粒徑礫石含量較高，如控制不當(dāng)掘進(jìn)過程中易發(fā)生噴涌現(xiàn)象。在此地層中進(jìn)行渣土改良的主要目的是改善渣土的塑流性，提高土倉內(nèi)渣土對(duì)開挖面的支護(hù)作用，改善渣土的透水性防止出現(xiàn)噴涌，避免開挖面失穩(wěn)現(xiàn)象及因失穩(wěn)產(chǎn)生的一系列施工風(fēng)險(xiǎn)。通過在泡沫混合箱加入適當(dāng)?shù)姆稚乐沟侗P結(jié)泥餅，同時(shí)在盾殼9～11 點(diǎn)位注入膨潤土填充盾殼不密實(shí)的縫隙，調(diào)整漿液配比，縮短同步注漿凝固時(shí)間，加快管片壁后土體固結(jié)，為了彌補(bǔ)同步注漿量不足及時(shí)對(duì)脫出盾尾第5 環(huán)管片進(jìn)行二次補(bǔ)雙液漿。注漿壓力一般控制在2～3bar，同時(shí)避免管片錯(cuò)臺(tái)，避免刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)地層擾動(dòng)時(shí)間過長而造成上部粉細(xì)砂圓礫層沉陷超挖等現(xiàn)象。

3）加強(qiáng)對(duì)出土量控制 由于富水圓礫地層礫石含量多，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)較大，從而容易使地層中夾雜在圓礫中的細(xì)小顆粒物進(jìn)入盾構(gòu)止倉，導(dǎo)致超挖出土，進(jìn)而掌子面上部出現(xiàn)空洞，使圍巖松弛范圍擴(kuò)大，自穩(wěn)能力進(jìn)一步降低。因此要及時(shí)了解掌子面地質(zhì)情況，通過皮帶出來的土觀察地層變化，并安排專人負(fù)責(zé)渣土量的統(tǒng)計(jì)，并控制出土量在46～50m3，防止超挖。

4）針對(duì)性制定掘進(jìn)參數(shù) 針對(duì)地質(zhì)探查的左線未掘進(jìn)地段的松散地層，隧道斷面圓礫層80%，炭質(zhì)泥巖層20%，根據(jù)區(qū)間掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)掘進(jìn)參數(shù)為：①圓礫層中土壓設(shè)定在1.8～2.2bar 之間；②出土量控制在46～50m3；③速度控制在25～35mm/min；④推力控制在15000～19000kN；⑤刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.4～1.6rpm之間；⑥刀盤扭矩大約保持在3500～4500kNm之間；⑦同步注漿壓力控制在2.0～2.5bar 之間，注漿量一般為6.5～8m3。

4 結(jié)語

通過對(duì)地表塌陷的機(jī)理與原因分析并進(jìn)行處治后，經(jīng)過總結(jié)提煉，為類似工程問題提出以下幾點(diǎn)建議。

1）加強(qiáng)管線核查 針對(duì)左線未掘進(jìn)地段的重力流管線，聯(lián)系相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位進(jìn)行現(xiàn)場交底，并采用管道內(nèi)窺的方式對(duì)雨污水管道進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查及見證；對(duì)于弱電管線，聯(lián)系產(chǎn)權(quán)單位對(duì)管線的路由進(jìn)行現(xiàn)場交底；對(duì)于燃?xì)夤芫€，經(jīng)與燃?xì)夤緦?duì)接，已將燃?xì)獾穆酚杉伴y門位置進(jìn)行了確認(rèn)，并安排專人在掘進(jìn)期間每日進(jìn)行巡查。

2）重視地層補(bǔ)勘 為防止左線后續(xù)盾構(gòu)施工過程中，道路下方可能存在路基脫空或地質(zhì)疏松等問題。施工單位采用地震儀法對(duì)未掘進(jìn)路段的道路進(jìn)行了地質(zhì)探查，探查深度可以達(dá)到15～20m，為盾構(gòu)掘進(jìn)提供更為可靠的地質(zhì)情況。

3）強(qiáng)化過程管控 盾構(gòu)掘進(jìn)前，必須對(duì)沿線地面及洞內(nèi)雷達(dá)掃描檢測，提前發(fā)現(xiàn)可能存在的空洞及松散地層，制定應(yīng)對(duì)措施及施工方案，消除安全隱患。加強(qiáng)盾構(gòu)出渣量的管理。盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，必須安排專人對(duì)每日掘進(jìn)隧道的出渣方量、重量等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。加強(qiáng)同步注漿機(jī)二次注漿管理。盾構(gòu)掘進(jìn)及時(shí)進(jìn)行同步注漿及二次注漿，并建立相關(guān)臺(tái)賬，確保管片背后注漿密實(shí)。加強(qiáng)監(jiān)測及巡查工作。按要求開展施工監(jiān)測，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比對(duì)和預(yù)警反饋，安排專人進(jìn)行地面及隧道內(nèi)巡查。