复合式TBM穿越富水地层常见危害及解决办法

杨　帆

(重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司　重庆　401122)



复合式TBM穿越富水地层常见危害及解决办法

杨帆

(重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司重庆401122)

以重庆轨道交通6号线二期复合式TBM(全断面隧道钻掘机)试验段工程蔡家段为例，分析复合式TBM在穿越富水地层时常见的掘进参数异常、反复喷渣、管片渗漏水严重及异常上浮、自旋转等问题的危害，认为保证复合式TBM安全穿越富水地段的关键就是控制地下水涌入，并探讨控制地下水涌入的具体办法。关键词城市轨道交通；复合式TBM；穿越；富水地层

随着社会的发展和中国城市化进程的展开，轨道交通已成为城市基础设施的重要组成部分。而复合式TBM施工因其具有成型好、适应面广、对地层软硬通吃、自动化程度高、施工安全、掘进快速、对周边环境影响小等优点，而迅速在城市轨道交通施工中得到广泛应用[1]。

但复合式TBM作为改进后的盾构，在穿越江、河、湖泊等富水地层时，仍存在掌子面失稳、掘进喷渣、管片上浮、旋转现象严重、隧道渗漏水较大等问题。笔者以重庆轨道交通6号线二期复合式TBM试验段蔡家段工程为例，详细阐述复合式TBM在穿越富水地层时的常见危害，分析探讨复合式TBM穿越富水地层时的具体办法及技术控制要点。

1　工程概况

曹家湾站—蔡家站复合式TBM区间隧道位于重庆市北碚区蔡家组团，起于蔡家镇双碑村双碑水库旁，终点接蔡家镇蔡家站。隧道采用盾构工法掘进施工，使用机械为复合式TBM。该机械与复合式盾构构造及原理相近，均为城市地铁硬岩隧道施工而研发的一种隧道掘进机，其将软土掘进机(盾构)与硬岩掘进机(TBM)的功能进行了综合，配有大功率推进油缸及复合刀盘，具有一机三模式功能(土压平衡式、开敞式、半开敞式)[2]，并配有自动导向系统、随动铰接装置、可分区控制推进油缸，具有适应地层广、掘进速度快等特点。

该区间隧道穿越地层大部分为砂岩，隧道埋深5.9～30.8 m，长1 777.043 m，期间需侧穿双碑水库水文影响范围(约390 m)。沿线最小转弯半径为500 m，长855 m。设计最大纵坡为-27‰，竖曲线一般地段半径为5 000 m，困难地段采用3 000 m。隧道具有小半径和大坡度等特点，易导致拼装成型的管片因一侧间隙过大而发生隧道渗漏水。

2　水文情况

该区间隧道所属场地隶属浅丘沟谷地貌，丘包与沟槽相间分布。场区地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制，为大气降雨和地面水体渗漏补给，水量大小与降水因素关系密切，受气候和季节性变化较大。特别是起点段邻近双碑水库段主要为砂岩，受水体浸润影响存在潜在水位，水量丰富、水压较大[3]。

根据沿线地下水的赋存条件、水理性质及水力特征，沿线地下水可划分为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。其中，松散层孔隙水均为潜水，该地下水在原始地形为沟、槽的人工填土层和残坡积层中分布不连续，动态变化幅度大，水质成分由含水介质的性质决定，水量大小受地貌和覆盖层范围、厚度、透水性制约，主要由大气降水补给，受季节、气候影响大。

基岩裂隙水则包括风化裂隙水和构造裂隙水。风化裂隙水分布在浅表层基岩强风化带中，为局部上层滞水或小区域潜水，水量小，受季节性影响大，各含水层自成补给、径流、排泄系统；构造裂隙水分布于厚层块状砂岩层中，以层间裂隙水或脉状裂隙水的形式储存，砂质泥岩相对隔水，水量稍小，动态不稳定。该类地下水主要赋存于基岩裂隙中，由于岩层倾斜，局部砂岩中的裂隙水具承压性。该段地质勘察期间钻孔抽水试验详见表1[4]。

表1　钻孔抽水试验成果

隧道距双碑水库岸边最近处20 m，涌水量预测参见《铁路工程地质手册》[5]，隧道最大漏水量，有

(1)

式中：q0为水底隧洞施工中单位长度最大涌水量，m3/d·m；H为地表水体底部至洞身横断面等价圆中心的距离，m；K为水体下部含水体的渗透系数，m/d；H0为地表水体的厚度距离,m；r0为洞身横断面换算成等价圆的半径,m。

依据式(1)计算，该段隧道涌水量预测为290 m3/d。

3　穿越富水地层施工的常见问题

复合式TBM从曹家湾站始发后不久就进入受双碑水库影响的富水地层，在此地层掘进中多次出现异常，导致掘进困难，严重时影响到管片的成型质量。这些异常主要表现为：

1) 掘进时盾构姿态控制困难、刀盘掌子面多次出现失稳迹象、螺旋输送机喷渣，软土地层还会发生地面异常沉降等问题。

2) 拼装后的管片在拖出盾尾后，开始出现较大面积渗漏水，严重时甚至发生带压力的喷水。

3) 区间已成型管片出现异常的大幅上浮，且管片自旋转严重。虽然复合式TBM反复更换刀盘的旋转方向，仍然无法改变管片的旋转趋势。

4　富水地段常见问题的危害及解决思路

4.1富水地段施工中常见问题的危害

富水地段复合式TBM掘进参数出现异常的主要原因就是因为地层中地下水含量过于丰富，且多带有承压性。因此，TBM掘进时掌子面会有大量的地下水涌入土仓，出渣时由于土仓水压过大，导致泥水混合物从螺旋输送机上口直接喷射而出，并将位于底部的管片吊装机淹没，使管片安装作业无法正常进行，对洞内设备及施工人员安全构成了严重威胁。同时，喷涌而出的泥水混合物必须组织大量的人力、物力进行清除，否则无法进行管片拼装作业，一般而言，掘进一环喷出的渣土清理工作需约2 d的时间，严重影响了施工进度，待管片安装完成掘进下一环时，由于没有堵住涌水源头，导致土仓内又积满地下水，出渣时同样会出现喷渣现象。这样周而复始的恶性循环，导致施工进入半停工状态。除此以外，当掘进地层位于软土地层时，大量的地下水涌出，还会导致刀盘所对应处的地面出现大面积沉降，将严重威胁到地面建筑及管线安全，发生喷渣时复合式TBM掘进的重要控制参数之一的出渣量无法控制[6]。

另一方面，大量的地下水涌入到管片与岩层之间的缝隙，会稀释掘进时注入管片与岩层之间的同步浆液，使浆液很难凝固，最终导致浆液丧失防水与固结效果，并加剧管片的上浮，使之错台、破损。这不仅会严重影响管片的最终成型质量，更重要的是破坏了管片的整体防水、止水构造，使成型隧道出现大量渗漏水点，影响到运营安全[7]。

最后，管片的异常上浮、旋转，会导致盾尾上部间隙过小，进而使TBM掘进姿态控制困难，在管片姿态与地下水的共同作用下，甚至会导致TBM一直“栽头”掘进，严重影响到隧道最终的线形控制[8]。

4.2整体解决思路

复合式TBM通过富水地段困难的主要原因在于岩层中地下水过于丰富，因此要想顺利地掘进就必须控制地下水的涌入。具体而言，首先要尽可能地封堵掌子面周边地下水的涌入、降低土仓内渣土的含水量，使出渣时尽可能少地带走地下水，避免在刀盘处形成地下水的漏斗口，以免危及周边地面建(构)筑物的安全；其次，需在管片周围构筑稳固的止水带，使之形成密闭空腔，这样才能通过同步浆液填充盾尾环形空隙，并给予其凝固时间，使同步浆液能够成为隧道的防水屏障，并使管片与周围岩体一体化。

5　穿越富水地段的具体办法

基于以上思路，可将复合式TBM掘进分为3个阶段(掘进前、掘进中、掘进后)进行防水、止水。

5.1掘进前的超前预加固

1) 超前注浆原理：要保证复合式TBM正常掘进，必须尽可能封堵地下水的涌入，并使管片周围无补给水。因此，需对掌子面开挖轮廓四周的围岩进行超前注浆止水处理，以尽量减少地下水涌入土仓；同时超前注浆也可以保证掘进开始后无补给水进入已拼装成型的管片周围。

2) 超前注浆方法：一般在复合式TBM设计时，都在中盾位置预留了6根φ114 mm的超前注浆孔。因此，可通过这6个注浆孔，采用钻孔形式打超前注浆孔，并利用注浆机进行超前注浆加固处理，保证在开挖轮廓外形成一道止水环，达到止水目的，确保下一步掘进施工的正常进行。

3) 超前注浆参数：采用潜孔钻通过6根预留注浆孔打设φ65 mm钢花管，一次打孔长度为10～15 m，采用双液注浆机注入1∶1水泥-水玻璃进行超前注浆(地下水异常丰富时也可采用聚氨酯)止水处理，注浆压力达到设计值后停止注浆，待浆液凝固后恢复掘进，超前注浆止水长度暂定为10 m。

4) 在进行超前注浆时，实验室根据现场试验来确定双液浆的凝胶时间，凝胶时间的选择不得超过5 min，但也不宜小于60 s。凝胶时间太长，达不到止水效果，凝胶时间太短，注浆管路容易堵塞(见图1)。

图1　超前注浆

5) 注浆效果检查：注浆加固作业完成后进行开仓检查，检查内容为地层加固后的稳定性及涌水量。检查的总涌水量要求小于30 m3/h，并要求掌子面稳定，则可进行下步施工；若盾构涌水量大于30 m3/h，则应根据地下水来源再次进行封堵。

5.2掘进中的参数控制及高分子聚合物的掺入

1) 控制原理：为保证复合式TBM顺利通过富水地段，施工中应积极调整复合式TBM掘进参数，采用诸如：土压平衡模式、低姿态掘进(掘进中线低于隧道中线掘进)、适当增加土仓土压力、减少出渣量(原则上按理论出渣量出渣，可适当欠挖，保持土体的密实，以免地下水渗透入土体并进入土仓)、均衡快速掘进；同时，针对土仓中地下水较多的特点，可通过注入高分子材料来改良开挖后的土体，改善开挖土体的流塑性、渗透性等，从而有效地防止螺旋机喷涌状况的发生。

2) 参数控制要点：通过加快掘进速度、调整出渣量、注入高压空气等方式加大土仓土压，使土仓内土压力值大于静水压力和地层土压力之和，以减少地下水涌入土仓；同时，出渣时应注意调整螺旋输送机转速，适当地减小出渣量，使切削的土体可以起到一定的阻水效果。

3) 高分子聚合物的掺入[9]：参数调整必须配合土体改良同步进行，这是因为尽管可以通过调整土压、增大土仓内切削土体量起到一定的平衡阻水作用，但由于砂岩中孔隙率较大(细砂成分少)、渗透性较好、受扰动后易水土分离、无法阻止地下水侵入。因此，要满足掘进中封堵地下水涌入的要求，必须通过注入高分子聚合物来改善开挖土体的流塑性、渗透性。

5.3掘进后的聚氨酯及双液浆注入

1) 注浆思路：通过掘进前超前注浆及掘进中的参数调整，虽阻挡地下水涌入土仓造成掘进困难及“喷渣”，但无法阻止地下水涌入到成型管片与岩层之间的缝隙，稀释掘进时注入的同步浆液，造成管片上浮并侵入隧道；因此，为保证隧道防水效果，有必要在掘进通过该段后，先灌注聚氨酯形成稳固的止水带，再通过双液浆的二次补注填充、密实管片与岩体之间的缝隙。最终凝结的浆液将作为复合式TBM施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水能力，也将为管片提供早期的稳定，并使管片与周围岩体一体化，这有利于管片上浮的控制，并能确保区间隧道的最终稳定。

2) 聚氨酯优点：聚氨酯遇水后自行分散、乳化、发泡，立即进行化学反应，形成不透水的弹性胶状固结体，有良好的止水性能；浆液遇水反应形成弹性固结体物质的同时，释放CO2气体，借助气体压力，浆液可进一步压进结构的空隙，使多孔性结构或地层能完全充填密实，具有二次渗透的特点；浆液的膨胀性好，包水量大，具有良好的亲水性和可灌性，同时浆液的黏度、固化速度可以根据需要进行调节；不用开槽,不会破坏结构体,而且可以带水带压施工,可缩短工期。

3) 施工方法：以管片有渗漏、涌水的位置为中心，对中心点前后各10环管片，每隔3环进行一次灌注聚氨酯，以形成封堵地下水的止水带；封堵完成后，对止水带之间的管片采用双液浆进行二次补强注浆，以便浆液填充空隙，使管片四周形成完整的防水屏障，封堵地下水的涌入，从而达到止水目的(见图2)。。

图2　掘进后注浆孔位布置

6　结语

富水地段掘进时如何控制地下水涌入是复合式TBM掘进施工的一个难题，也是保证施工质量的关键所在。一般而言，如果条件允许或长距离掘进时，在富水地层尤其是高富水砂层中应优先选用泥水平衡式盾构，但当条件不允许或在富水地段短距离掘进而选用复合式TBM掘进时，绝对不能麻痹大意[10-11]。应事先制定较为完善的针对性施工方案，并采取配套 性 措 施，对施工过程严格实施动态管理，可以做到减小地下水的危害，其隧道的施工质量及施工安全也可以得到保证。

[1] 王俊.复合式TBM在重庆地铁实践中的关键技术研究[J].现代隧道技术,2011(6):88-93.

[2] 李洪祺.复合式TBM在重庆地区复合地层的适应性分析[J].建筑与工程,2011(9):678-683.

[3] 重庆轨道交通(集团)有限公司.重庆轨道交通六号线二期工程曹家湾站岩土工程详细勘察报告[R].重庆,2010.[4] 重庆轨道交通(集团)有限公司.重庆轨道交通六号线二期工程曹家湾站—蔡家站区间岩土工程详细勘察报告[R].重庆,2010.

[5] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京: 中国铁道出版社, 1999:191-197.

[6] 朱伟,秦建设,魏康林.土压平衡盾构喷涌发生机理研究[J].岩土工程学报,2004(5):589-593.

[7] GB 50299—1999 地下铁道工程施工及验收规范[S].北京: 中国计划出版社,1999.

[8] 常江，赵一，王岩.盾构隧道管片上浮原因分析及控制措施[J].隧道与地下工程,2010(3): 123-125.

[9] 吴群慧.新型泡沫材料在土压平衡盾构穿越富水砂性地层中的研制与应用[J].铁道标准设计,2006(8):54-57.

[10] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2004:32-36.

[11] 苏明辉,张朋.重庆地铁六号线隧道掘进机选型[J].都市快轨交通,2009,2(2):80-82.

(编辑：郝京红)

Common Harms of Composite TBM Crossing Water-rich Rock Formation and the Countermeasures

Yang Fan

(Chongqing Rail Transit Design and Research Institute, Chongqing 401122)

Taking the TBM embankment engineering in Caijiaduan part in the second phase of Chongqing Rail Transit Line 6 as an example, the paper analyzes the common harms like tunneling parameters abnormality, repeatedly sprayed slag, serious segment seepage, abnormal rising, and spinning happening when the composite TBM ,the whole section tunnel drilling and digging machine, crosses the water formation. It is put forward that secure compound TBM through rich water area is the key to control the influx of the groundwater. The concrete methods of how to control the groundwater inflow are discussed.

urban rail transit; composite TBM; crossing; water-rich rock formation

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.023

2014-03-13

2014-04-21

杨帆，男，工程师，长期从事地下工程与城市轨道交通工程的施工、管理、设计工作，yangfan19800304@163.com

U231.3

A

1672-6073(2015)01-0101-04