复杂地层水下盾构隧道工程难点及关键技术研究与展望张耀--中国期刊网

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复杂地层水下盾构隧道工程难点及关键技术研究与展望张耀

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：张耀

[导读] 摘要：我国水下盾构隧道工程施工仍存在复杂地层掘进效率低、隧道掌子面直观性差、盾构设备复杂程度高、工作人员操控差异大等缺陷和不足。

        广州地铁集团有限公司广东广州 510000
        摘要：我国水下盾构隧道工程施工仍存在复杂地层掘进效率低、隧道掌子面直观性差、盾构设备复杂程度高、工作人员操控差异大等缺陷和不足。因地质认知局限性、设备控制复杂性、人员操作差异性等问题而诱发的临时停机和设备故障仍是制约盾构掘进效率和隧道施工成本的重要因素。依托某盾构隧道工程，剖析工程特点，对工程进行风险源辨识，发现了盾构穿越大堤坝、浅覆土掘进、穿越岩溶区等高度风险源，为此提出针对性的处治措施，确保盾构掘进施工安全平稳。
        关键词：盾构隧道，施工风险辨识，浅覆土，风险处治
        1概述
        随着社会经济的发展，我国水下隧道数量迅速增长，由于施工周边环境复杂、地质条件差异较大、地下水影响等诸多原因，施工过程面临的不确定性风险也较大。若水下隧道工程建设或维护不当，常有突水涌水和突发性塌方事故发生，甚至诱发泥石流灾害。一旦事故发生，将造成严重的人员伤亡、巨大的经济损失和不良的社会影响。近年来国内外跨江水下隧道建设施工中仍然发生了多起重大安全事故，较为典型的事故主要有:2012年，日本冈山县仓敷市一条海底隧道发生了掌子面失稳塌陷、海水倒灌事故，其中隧道结构和盾构机全部被海水淹没，导致多人遇难;我国常熟电厂输水隧道和松花江隧道发生了掌子面失稳塌方、江水倒灌事故;南京长江隧道、南京长江纬三路过江通道的建设过程中，发生了掌子面失稳冒浆的险情。为了降低盾构隧道施工风险并有效控制风险事故的发展，依托衡阳市合江套隧道工程，对施工过程中存在的重大风险因素进行识别和评估，并采取针对性的控制措施，确保项目建设安全有序进行。
        2工程背景
        某工程过江段采用盾构法施工，开挖直径为11.81m，分为南北两线，南北线盾构段总长1867m，该段宽度为610m，最浅覆土深度仅为9.14m，隧道自东向西掘进，依次穿越东大堤、东路、、西大堤、滨江北路。
        3风险因素辨识
        3.1盾构穿越大堤坝风险源
        西岸大堤地层从上到下依次为粉砂质黏土、圆砾、中砂及强风化粉砂质泥岩，盾构穿越大堤主要位于圆砾、中砂及强风化粉砂质泥岩中，属于上软下硬复合型地层。据现场调研，圆砾层和中砂层由冲洪积形成，饱和状态透水性强。高黏粒含量粉质粘土地层颗粒粒径小，造浆能力强。隧道施工期间，泥水处理系统通过简单的筛分、过滤和沉淀往往难以彻底实现渣浆分离。高比重的含渣泥浆将通过进浆管再次被运送至掌子面，不仅给泵送系统造成了极大压力，而且使刀盘刀具极易淤积泥饼。随着掘进距离增加，泥浆比重不断增高，环流系统正常携渣能力和刀盘刀具切削效率势必都将受到严重制约。
        3.2水下浅埋段盾构掘进风险源
        盾构段大部分区域埋深均小于1倍洞径，最浅埋深仅为9.14m。水下浅埋段盾构隧道主要穿越强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩和粉质黏土。其中强风化粉砂质泥岩透水性较强，粉质黏土稳定性较差，因此，在这类地层中大直径盾构容易出现结构上浮、冒顶透水、冒浆、河床塌陷以及泥饼现象等事故的发生，影响施工安全及隧道顺利贯通。针对这些风险事件，结合案例事故及工程自身特点，辨识了合江套隧道水下浅埋段盾构掘进施工风险源，结果见表1。
        表1 隧道水下浅埋段盾构掘进施工风险源辨识

        4施工风险处治
        4.1盾构穿越大堤坝风险处治
        根据工程特点，结合地质勘察资料，拟采用三重管高压旋喷桩对大堤漫滩进行加固。首先进行旋喷桩的试桩，采用类似工程经验参数，试桩达到龄期要求后，测量成桩直径，再进行取芯检测，试桩成桩直径满足要求后可以用该参数，如不满足，则应调整参数再次进行试桩，直至满足要求。钻机就位后，在地面进行浆、水、气试喷，检查各项工艺参数符合设计要求后将喷射管下至设计高度，经现场质检人员确认后方可进行高压旋喷桩施工，喷射过程中如果遇到特殊情况，应将喷射管提出地面进行处理，处理好后再进行施工。在地面制浆后台按照设计配合比拌制水泥浆和水玻璃水溶液，并计算浆液从后台至喷嘴所需时间，参照该时间经试验确定水泥浆液和水玻璃溶液的掺入体积比。在输浆泵和输水泵上安装流量计，调节输浆泵的电流大小使泵送至的水泥浆和水玻璃溶液比例符合设计要求。按照设计提速边喷浆边提升至设计强透水层顶标高。
        4.2水下浅埋段掘进风险处治
        由于最浅覆土深度仅为9.14m小于盾构1倍洞径，盾构施工对土体扰动较大，为隧道整体上浮创造了条件。为防止上浮现象发生，采用改进的壁后注浆工艺，具体如下:盾构掘进过程中壁后注浆分三步进行，第一步:通过盾尾注浆孔在盾构推进的同时对盾尾中部进行压注砂浆，保证管片中部以下填充密实，以防止管片脱出盾尾后下沉，造成管片破损和渗漏水;第二步:每掘进10环构成封闭环，在每个封闭环的起止环顶部预留注浆孔开孔注双液浆，形成封闭环，以防止补充注浆浆液进入循环泥浆，造成浆液流失;第三步:封闭环形成后，在第五环管片的顶部预留注浆孔进行开孔注砂浆，及时对管片顶部间隙进行填充。以上注浆步骤能保证壁后注浆密实度，有效地控制盾构掘进过程中引起地面沉降、管片上浮和减少渗漏水。
        4.3盾构穿越岩溶区风险处治
        针对隧道主线穿越的5处溶洞区，采取灌注挤压法置换水下溶洞低密度充填物方式对溶洞空腔进行填充加固。首先搭建水上作业平台，钻孔后用钢护筒护孔，采用两根注浆管+1根封孔管组成浆液置换循环系统，先用双液浆封孔，形成密闭环境后，再稳固溶洞边界，最后进行灌注挤压法置换低密度充填物施工。水泥浆从25的注浆管进入，通过50的注浆管底部小孔流入溶洞空腔，将其填充，再从两管空隙流出，形成浆液循环，在注浆管处放置压力表进行注浆和排浆压力控制，流量之差即为溶洞内填充的水泥浆方量。为解决高压水强透水砂砾(卵)石地层泥浆成膜问题，利用自制的泥浆成膜及渗透装置，开展了各种不同制浆材料、环境压力、渗透模式、孔隙水压等条件下的泥浆渗透试验。通过测试滤失水量、地层孔压、泥膜厚度、闭气时间等技术参数，获得了泥膜渗透系数、泥浆压力转化率、泥膜进气值等关键指标，系统分析了泥膜的成形机理、致密程度和透气失效性能，提出了以“旧浆+废浆+制浆剂(NSHS-1 和 NSNS-3)”为核心的粉细砂-卵砾砂地层泥浆制备方案。工程经验表明，粘粒含量 20%以上，密度 1.15g/cm3左右，粘度 25s 以上的泥浆 2h 吸水率仅为 2%，形成的致密泥膜较好地满足了隧道开挖面稳定性需求。
        5结语
        依托隧道工程实例，分析了该工程的三大施工风险源，分别是盾构穿越大堤坝风险、浅埋段盾构掘进风险和盾构穿越岩溶区风险，并对风险因素进行了归纳总结，提出了有针对性的风险防控措施。经实践，在盾构掘进过程中安全平稳，未出现上浮、陷落、沉降等现象，也表明防控措施的有效性。后续将继续改进和优化施工工艺，切实达到绿色环保、安全经济的施工目标。
        参考文献:
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