朱考飛， 張可能， 毛亞軍， 薛子斌， 曾 輝

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 3.中建隧道建設(shè)有限公司,重慶 401320; 4.北京紫荊香市政工程有限公司長(zhǎng)沙分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

近年來(lái)，在我國(guó)長(zhǎng)江、黃河、珠江、海河、湘江等大型河流中，已修建成南京長(zhǎng)江隧道、廣深港高鐵獅子洋隧道等代表性大型水下盾構(gòu)隧道，以及大量城市水下盾構(gòu)地鐵隧道；在建武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道、濟(jì)南黃河隧道、佛莞城際鐵路獅子洋隧道等代表性水下盾構(gòu)隧道；我國(guó)水下盾構(gòu)隧道的發(fā)展方向主要是大斷面多用途、單區(qū)間長(zhǎng)距離及深埋高水頭等[1]。

水下盾構(gòu)隧道作為特殊的暗挖掘進(jìn)工程，復(fù)雜地質(zhì)條件具有不可完全預(yù)見(jiàn)性，水下盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)極高， 危險(xiǎn)性極大，其風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的后果往往異常嚴(yán)重[2-3]。在我國(guó)南部地區(qū)，如廣州、昆明、長(zhǎng)沙、貴陽(yáng)城市地鐵建設(shè)中，均出現(xiàn)過(guò)水下盾構(gòu)下穿巖溶發(fā)育區(qū)，工程進(jìn)度受到巖溶發(fā)育嚴(yán)重制約，施工過(guò)程出現(xiàn)各種安全隱患。在巖溶發(fā)育區(qū)采用盾構(gòu)法下穿河道時(shí)，特別是在淺覆土條件下，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，有可能出現(xiàn)河堤河床塌陷、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失控、管片錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重、漿液流失、隧道透水等危險(xiǎn)情況[4-5]。通常在盾構(gòu)隧道施工中，通過(guò)控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減少超挖，加強(qiáng)同步注漿及二次補(bǔ)漿可以規(guī)避部分風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)操作很大程度上依靠施工經(jīng)驗(yàn)，難以達(dá)到精確快速、安全可控的目的，在實(shí)際盾構(gòu)隧道施工中仍存在較大隱患[6-7]。盾構(gòu)隧道在巖溶發(fā)育區(qū)下穿河道施工過(guò)程中，高效地處治河道底部的巖溶是保障盾構(gòu)施工的前提條件。

長(zhǎng)沙市地鐵5號(hào)線晚報(bào)大道站—朝陽(yáng)站區(qū)間盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河，勘察揭露水下中風(fēng)化鈣質(zhì)礫巖中發(fā)育巖溶，工程中針對(duì)巖溶發(fā)育特征，通過(guò)袖閥管注漿有效地處治了巖溶[8-9]。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，采取多項(xiàng)措施保障施工安全和質(zhì)量，盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河施工過(guò)程順利，工程經(jīng)驗(yàn)值得借鑒參考。

1 工程概況

1.1 場(chǎng)地條件

長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線晚報(bào)大道站—朝陽(yáng)站區(qū)間下穿瀏陽(yáng)河(參見(jiàn)圖1)，工程選用ZTE6250型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)由朝陽(yáng)站始發(fā)向南掘進(jìn)至晚報(bào)大道站。根據(jù)勘察資料及設(shè)計(jì)圖紙，本區(qū)間在里程YDK33+700～ZDK33+900范圍內(nèi)穿越瀏陽(yáng)河及兩側(cè)防洪大堤，隧道底部最大埋深約33.08 m，隧頂距河底最小豎向凈距為7.4 m。本區(qū)段地面高程31.00～38.50m，河床高程22.00～24.00m，瀏陽(yáng)河年平均水位30.08 m；周邊地形變化較大，分別為河床、河漫灘、瀏陽(yáng)河一級(jí)、二級(jí)沖積階地。萬(wàn)家麗快速路跨瀏陽(yáng)河大橋處于盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)，盾構(gòu)需兩次側(cè)穿橋梁樁基，樁基距離線路最小距離分別為5.38、6.72 m。

圖1 盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河平面示意圖

勘察資料顯示，河道內(nèi)從上至下依次為粉細(xì)砂、圓礫、全風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)礫巖，圓礫層厚約為0.35 m，層頂標(biāo)高約為20.42 m。區(qū)間左、右線隧道穿越地層均為全風(fēng)化礫巖，隧道上覆少量卵石、粉細(xì)砂?？辈炱陂g瀏陽(yáng)河水位為26.50 m左右，該段屬于富水地段，地下水與瀏陽(yáng)河存在直接水力聯(lián)系，補(bǔ)給快。初勘及詳勘階段均在隧道底部中風(fēng)化鈣質(zhì)礫巖內(nèi)揭露巖溶，并進(jìn)行了巖溶補(bǔ)勘。

1.2 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河區(qū)段隧道頂距離河底最小約7.4 m，洞身所處地層為全風(fēng)化礫巖，上部為第四系砂卵石層(較薄)。隧道在掘進(jìn)時(shí)，地層中含水量較高，應(yīng)防止全風(fēng)化礫巖因遇水軟化而降低強(qiáng)度。在鉆孔揭露裂隙發(fā)育地段，有產(chǎn)生突涌的可能，要防止掌子面突涌、坍塌。在瀏陽(yáng)河底部掘進(jìn)過(guò)程中，渣土含水量會(huì)明顯上升，容易導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)發(fā)生噴涌，造成前方掌子面塌陷，進(jìn)而引起河床大面積塌陷；同時(shí)掘進(jìn)到該處時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)易出現(xiàn)偏差，可能出現(xiàn)管片上浮，造成管片錯(cuò)臺(tái)、漏水等，對(duì)隧道成型質(zhì)量有重大影響；且易發(fā)生盾尾漏漿、鉸接處漏水等情況；在水下掘進(jìn)時(shí)上部地層穩(wěn)定性較差，水土壓力變動(dòng)頻繁，需特別注意控制土壓力，防止擊穿河床。

2 水下巖溶發(fā)育特征

盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河區(qū)段中風(fēng)化鈣質(zhì)礫巖地層中發(fā)育有巖溶，勘查中多個(gè)鉆孔揭露溶洞，勘察顯示巖溶均處于隧道結(jié)構(gòu)底板以下。巖溶發(fā)育情況見(jiàn)表1，鉆孔分布見(jiàn)圖2。

表1 巖溶發(fā)育特征

圖2 鉆孔揭露巖溶分布圖

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及工程中的初勘、詳勘和巖溶專項(xiàng)補(bǔ)勘報(bào)告,本區(qū)段瀏陽(yáng)河水下巖溶的發(fā)育特征主要有[10]：

(1)溶腔充填狀態(tài)較好。瀏陽(yáng)河水下中風(fēng)化鈣質(zhì)礫巖巖溶中，僅溶腔頂部1～2 m范圍內(nèi)無(wú)充填，其余深度范圍均有巖層溶蝕風(fēng)化殘積物堆積，主要為圓礫、砂土及粘土。

2.3 三組患者治療前后炎癥指標(biāo)的比較 治療前，三組患者h(yuǎn)s-CRP、TNF-α、IL-2水平比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。治療后，三組患者h(yuǎn)s-CRP、TNF-α、IL-2水平比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。其中，鼻竇開(kāi)放組和上頜竇根治組hs-CRP、TNF-α、IL-2水平高于球囊擴(kuò)張組(P<0.05)。治療后，三組患者的hs-CRP、TNF-α、IL-2水平低于治療前(P<0.01)。見(jiàn)表3。

(2)發(fā)育位置受地質(zhì)構(gòu)造控制。區(qū)域地質(zhì)圖顯示，東山鎮(zhèn)—石橋斷裂(F132)在瀏陽(yáng)河附近與隧道線路相交，對(duì)下伏基巖完整性存在一定影響。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，礫巖易產(chǎn)生張裂隙，形成地下水入滲帶或風(fēng)化淋漓帶，巖體質(zhì)量進(jìn)一步降低[11]。

(3)溶蝕作用受巖性控制。白堊系鈣質(zhì)礫巖成巖時(shí)間短，部分為泥質(zhì)膠結(jié)，巖石膠結(jié)作用弱，屬于軟巖。碎屑物母巖成分主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、板巖等。鈣質(zhì)礫巖中含有較多可溶性成分，在地下水作用下易溶蝕崩解。

3 水下巖溶處治

為確保盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河期間的安全順利,防止出現(xiàn)河床塌陷、盾構(gòu)機(jī)磕頭等風(fēng)險(xiǎn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)之前需要對(duì)水下溶洞進(jìn)行預(yù)加固處理。工程中通過(guò)搭建水上作業(yè)平臺(tái)，采用袖閥管雙液注漿技術(shù)有效處治了勘察揭露的巖溶。

3.1 作業(yè)平臺(tái)搭建、全套管鉆進(jìn)

由于是對(duì)水下的巖溶進(jìn)行處治，根據(jù)前期鉆探揭露的巖溶位置，布設(shè)注漿孔。首先在水上搭建漂浮作業(yè)平臺(tái)，常規(guī)平臺(tái)搭建可采用汽油桶組裝、竹筏、鉆探船等，此處選用兩艘船連接拼裝，在兩船中間架設(shè)平臺(tái)，設(shè)置注漿機(jī)。由于河道寬度較小且河水流速不大，作業(yè)平臺(tái)通過(guò)拋錨及側(cè)向拉錨定位。

鉆探平臺(tái)經(jīng)常受到水流沖擊的影響，給鉆進(jìn)工作造成很多困難，為防止水流對(duì)鉆具的沖擊，保證鉆進(jìn)順利進(jìn)行，必須下入足夠強(qiáng)度的套管進(jìn)行全套管鉆進(jìn)。其主要作用為隔絕水流的沖擊為鉆孔起導(dǎo)向作用，同時(shí)防止注漿過(guò)程中漿液溢流至河道內(nèi)，污染河水。鉆進(jìn)過(guò)程中要求跟管鉆進(jìn)直至穿過(guò)砂礫石層進(jìn)入完整基巖5～20 cm。進(jìn)入基巖后，無(wú)需繼續(xù)跟管鉆進(jìn)，常規(guī)鉆進(jìn)至巖溶區(qū)域即可?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件見(jiàn)圖3。

圖3 瀏陽(yáng)河水下巖溶注漿作業(yè)平臺(tái)

3.2 快速可控注漿

注漿孔鉆進(jìn)完成并采用清水洗孔后，立即將套殼料通過(guò)鉆桿泵送至孔底，自下而上灌注套殼料至孔口溢出符合濃度要求的套殼料原漿液為止。返漿后立即依次下入按注漿段配備的袖閥管和注漿心管，下管時(shí)及時(shí)向袖閥管內(nèi)加入清水，以克服孔內(nèi)液體浮力并減少管體彎曲，保證袖閥管順暢下入至孔底。

待套殼料凝固并達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度要求時(shí)，即可開(kāi)始注漿作業(yè)。通過(guò)注漿心管注入雙液漿時(shí)，漿液從心管末端的注漿器(或稱花槍)噴出，由于注漿器上下兩端均設(shè)置有止?jié){塞，以此控制漿液僅在心管兩端止?jié){塞形成的封閉空間內(nèi)，防止?jié){液在心管和袖閥管之間上下流竄。在袖閥管橡膠套和止?jié){塞的雙重作用下，迫使?jié){液僅在該注漿段范圍沖破袖閥管橡膠套，并向外擠破套殼料(即開(kāi)環(huán))進(jìn)而橫向進(jìn)入地層，達(dá)到注漿加固設(shè)定深度地層的目的。注漿過(guò)程需要把控的要點(diǎn)主要如下。

套殼料由膨潤(rùn)土及水泥組成，主要用于封閉袖閥管與鉆孔孔壁(或套管)之間的環(huán)狀空間，防止注漿時(shí)漿液上下流竄。套殼料澆注的好壞是保證注漿成功與否的關(guān)鍵，套殼料要求其脆性較高，收縮性要小，力學(xué)強(qiáng)度適宜，即要防止串漿又要兼顧開(kāi)環(huán)。根據(jù)工程中的要求，套殼料凝固時(shí)間和強(qiáng)度增長(zhǎng)速率應(yīng)控制在1～2 d內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到1 MPa。套殼料需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配比實(shí)驗(yàn)，確定時(shí)間-強(qiáng)度關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求選擇合適的漿液配比和凝固時(shí)間。

3.2.2 開(kāi)環(huán)

即在注漿的前期階段，使用高壓漿液沖破袖閥管橡膠套及外側(cè)套殼料凝結(jié)體。根據(jù)套殼料配比實(shí)驗(yàn)確定的凝固時(shí)間，確定套殼料強(qiáng)度滿足要求后，使用稀漿(或清水)加壓開(kāi)環(huán)。在加壓過(guò)程中，關(guān)注注漿機(jī)壓力表變化，一旦出現(xiàn)壓力突降，同時(shí)進(jìn)漿量劇增，表示漿液已經(jīng)沖破橡膠套并脹裂套殼料，開(kāi)始向地層中流動(dòng)，開(kāi)環(huán)完成。開(kāi)環(huán)后即按設(shè)計(jì)漿液配比，調(diào)節(jié)濃度開(kāi)始正式注漿。

3.2.3 可控分層注漿

采用前進(jìn)式分層注漿技術(shù)，選用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為1，水泥漿-水玻璃體積比為1∶0.5，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)鉆孔深度、注漿位置及充填情況適當(dāng)調(diào)節(jié)漿液配比，以達(dá)到最佳的初凝時(shí)間。同時(shí)，需要保證漿液具有較好的抗分散性，必要時(shí)可在漿液中加入適量膨潤(rùn)土，提高漿液稠度，確保漿液在地下水豐富的情況下能夠達(dá)到較好的充填加固效果。

在注漿管下至巖溶空腔頂部時(shí)，首先開(kāi)環(huán)注漿將溶腔頂部密實(shí)加固，減少漿液向周邊地層及向上串流，即形成蓋板。待頂層漿液充填巖溶頂部空腔并凝固達(dá)到一定強(qiáng)度后，下移注漿管進(jìn)行下一段注漿，從上至下依次對(duì)巖溶充填物進(jìn)行加固，進(jìn)行前進(jìn)可控分層注漿，由此逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶充填-擠密的效果。

3.3 旋轉(zhuǎn)提升快速封孔

在通常的地面注漿中，封孔作業(yè)往往被忽視。水下巖溶注漿需要重視封孔。若封孔不當(dāng)或封孔不嚴(yán)，將導(dǎo)致河水或河底泥砂流入注漿孔內(nèi)，影響注漿質(zhì)量。封孔作業(yè)時(shí)要求緩慢旋轉(zhuǎn)提升套管和注漿管，同時(shí)注入速凝雙液漿，保證漿液能夠在套管旋轉(zhuǎn)提升過(guò)程中迅速封住注漿孔。不允許直提套管，防止對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，影響注漿效果。且必須在旋轉(zhuǎn)提升之前開(kāi)始注入調(diào)制的速凝雙液漿，保證提升過(guò)程中的防水效果。

4 盾構(gòu)施工控制技術(shù)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析，盾構(gòu)在瀏陽(yáng)河底部掘進(jìn)時(shí)，需要面對(duì)淺覆土水下掘進(jìn)、富水地層、底板發(fā)育巖溶及側(cè)穿橋梁樁基的復(fù)雜條件，為確保掘進(jìn)作業(yè)進(jìn)展順利及施工安全，工程中采用了多項(xiàng)關(guān)鍵性控制技術(shù)。

4.1 盾構(gòu)試掘進(jìn)

為確保盾構(gòu)機(jī)順利下穿瀏陽(yáng)河，在臨近下穿段預(yù)先設(shè)置下穿瀏陽(yáng)河試驗(yàn)段，并充分總結(jié)相同地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)(如土倉(cāng)壓力、注漿參數(shù)、出土量控制等)，形成下穿瀏陽(yáng)河試驗(yàn)段報(bào)告，分析優(yōu)化后作為正式下穿區(qū)段盾構(gòu)施工指南，確保盾構(gòu)順利下穿瀏陽(yáng)河。試掘進(jìn)期間進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)模擬演練，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)制定針對(duì)性的方案，加強(qiáng)施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)處治能力，同時(shí)預(yù)備相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)處治物資。

4.2 皮帶機(jī)出渣量實(shí)時(shí)稱重

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前，在原有皮帶輸送機(jī)上加裝皮帶稱重裝置，掘進(jìn)過(guò)程中利用傳感器技術(shù)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)出渣量，同時(shí)通過(guò)基于LabVIEW程序語(yǔ)言的皮帶出渣量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)皮帶稱重裝置，分析并顯示出渣瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等數(shù)據(jù)，有效保證出渣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)按掘進(jìn)距離進(jìn)行出渣量的統(tǒng)計(jì)分析與顯示，以及記錄歷史出渣數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)分析，反饋調(diào)節(jié)后續(xù)盾構(gòu)施工，保證盾構(gòu)機(jī)在水下掘進(jìn)過(guò)程中出渣量可控[12]。

4.3 管片復(fù)合防水

針對(duì)地層含水量高，水壓較大的情況，研發(fā)出非固化橡膠瀝青涂料結(jié)合橡膠密封墊的盾構(gòu)管片接縫復(fù)合防水技術(shù)，在原有橡膠密封墊的基礎(chǔ)上，選用非固化橡膠瀝青涂料，在管片接縫處整圈涂刷非固化橡膠瀝青防水涂料。管片拼裝后，相鄰兩環(huán)管片在縱向擠緊力作用下，橡膠密封墊壓縮，同時(shí)非固化橡膠瀝青涂料粘連成整體，形成雙層止水屏障[13]。非固化瀝青防水涂料能夠長(zhǎng)時(shí)間保持彈塑性粘稠膠體狀，始終與基層保持粘附性，使得隧道管片接縫處能承受更大的耐水壓力，長(zhǎng)期保持不透水性，起到良好的防水作用，確保瀏陽(yáng)河水下區(qū)段盾構(gòu)管片達(dá)到良好的防水效果。

5 結(jié)論

長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線晚報(bào)大道站—朝陽(yáng)站區(qū)間盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河，面對(duì)淺覆土水下掘進(jìn)、富水地層、底板發(fā)育巖溶及側(cè)穿橋梁樁基的復(fù)雜條件下，采取多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)搭建水上作業(yè)平臺(tái)，針對(duì)鈣質(zhì)礫巖巖溶充填度較高的特點(diǎn)，選用袖閥管注漿技術(shù)充填加固溶腔，并優(yōu)化注漿施工方案，采取前進(jìn)式可控分層注漿，有效處治巖溶。盾構(gòu)掘進(jìn)施工前進(jìn)行試掘進(jìn)優(yōu)化各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，施工中采用皮帶出渣量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制出渣量，并研發(fā)出盾構(gòu)管片接縫復(fù)合防水技術(shù)，有效應(yīng)對(duì)富水地層盾構(gòu)管片防水問(wèn)題。

盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河施工過(guò)程中，各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源均得到有效處治，水下掘進(jìn)作業(yè)順利完成，未對(duì)周邊環(huán)境造成影響，成型隧道質(zhì)量?jī)?yōu)良，工程經(jīng)驗(yàn)值得借鑒參考。