复杂软弱富水塌方地层TBM清仓脱困技术研究

周泽民

（中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065200）

0 引言

随着城市建设飞速发展，城市地铁建设环境越来越复杂，特别是沿海城市发展过程中受陆地面积限制，向海上填海造陆，形成滨海堆积区，在此类地层中采用TBM修建地铁时易出现涌水塌方，设备卡死被困。与以往研究不同，本文主要针对TBM滨海堆积区掘进时由于涌水塌方被困的情况进行研究，以青岛地铁1号线1工区安—薛区间TBM始发被困为例，总结提出了一套滨海堆积区复杂软弱富水地层TBM前方近距离加固构建安全稳定地下进仓作业空间技术。

1 项目概况

青岛市地铁1号线土建施工一标一工区地处青岛市黄岛区。起于井人区间商业开发交界处至薛家岛站（不含），薛瓦区间风井止。其中暗挖矿山法区间长度左右线合计1212m，明挖矿山法区间236.5m，TBM区间长度左右线合计6.72km，采用2台改良型双护盾TBM施工，衬砌采用管片衬砌模式。

安子东站—薛家岛站区间由安子东站（明挖车站）出发，沿新港山路前进穿过北辅路及滨海大道后沿南辅路下方铺设到达薛家岛站（暗挖拱盖法车站），区间全长为1757.950m；区间临近安子东站大里程端采用明挖施工（236.550m），在明挖区间大里程端设置一座TBM始发井，采用矿山法施工TBM始发洞（15.000m）；临近薛家岛站小里程端采用矿山法施工TBM接收洞（5.000m）；其余区间采用TBM施工。

根据地勘资料显示：TBM始发约100m范围掘进地层为强风化石英，二长岩为粒状结构，遇水易软化。根据安薛明挖基坑开挖揭露，杂填土层中含填石层，层厚约2～4m，填石最大粒径约70cm。

安—薛区间右线掘进18.9m，刀盘上方突发涌水，伴随地面出现塌陷，前期涌水量约2400m3·h-1；后期水量逐渐减小至500m3·h-1，刀盘仓被塌方体填满，TBM隧道被淹，同时左线也被迫停机。TBM涌水、塌方被困现场情况如图1所示。

图1 TBM涌水、塌方现场情况

2 TBM被困原因分析

综合本工程地质情况分析，出现涌水塌方，TBM受困原因分析如下：

（1）TBM掘进段位于填海区域，据调查，该区填海前为浅海养殖基地，非自然形成的原状地层。地层中填石层有可能存在泥囊、水囊等薄弱地质环境。

（2）施工区域距胶州湾较近，实测氯离子含量显示，突水后，前三天水样的氯离子含量依次为3650mg·L-1、16400mg·L-1、 5920mg·L-1，实测安薛附近海域氯离子含量实测值为21300mg·L-1。

（3）地勘资料TBM穿越的强风化层裂隙节理发育，岩层分界线起伏较大。可能局部存在强风层厚度较薄，甚至部分裂隙与水囊、泥囊连通。

（4）TBM在掘进过程中对地层进一步扰动，使薄弱层破坏，造成水囊、泥囊及海水补给通路连通。

根据以上影响因素分析，最终在掌子面形成突水、塌方。

3 TBM脱困方案选择及实施要点

3.1 TBM脱困方案

地面采用膜袋桩及控制性注浆施工工艺对刀盘周围土体进行加固、止水。隧道内通过管片预留，注浆孔内采用控制性注浆施工工艺进行二次注浆，以封堵TBM管片与围岩之间的流水通路；加固工作完成，稳定进仓环境构建形成后，进行开仓作业，人工清理刀盘仓内淤泥、碴土，并对刀盘周边围岩进行处理。

3.2 TBM脱困实施要点

在TBM掌子面发生了不同程度的突泥涌水、地面塌陷后，脱困的首要任务是人工进仓对刀盘仓内的土体、淤泥进行清理，确保刀盘正常启动。

TBM设备没有建压功能，而刀盘前方地层已经发生过塌陷，清仓过程中很有可能发生二次坍塌，地层中原本已经封堵的地下水也很可能因清仓作业二次扰动，造成流水通道二次连通，再次发生涌水事件，危及进仓人员及周边环境安全，是本研究的前提。

传统注浆、土体置换、堵水方法虽能稳固刀盘前方地层，但受填石地层影响成孔/桩困难，且注浆压力、扩散范围难以控制，压入的水泥基类材料可能进入TBM设备造成设备损坏或盾壳、刀盘与地层固结，为后续施工带来进一步困难，为此“恰到好处”的实施加固是TBM脱困的关键。

3.3 膜袋桩支护体系施工

（1）膜袋桩施工理论依据：膜袋桩自身抗压强度高，具有很好的承载力和抗破坏能力。桩身在膨胀过程中，对周围泥土进行挤压，提高了周围泥土的物理特性及力学性能，同时桩底灌浆，桩根变大，使得桩身、桩根和周围泥土形成了结合紧密的整体，大大提高了桩的稳定性和力学性能。

（2）膜袋桩施工流程：根据设计资料和其他工程中膜袋挤密桩施工经验，采用隔孔分序分段进行膜袋灌浆工程施工。刀盘前方1.5m至刀盘后方4m区域内采用膜袋桩施工，膜袋桩径为Ø300mm，膜袋桩分为每段7m成桩施工。

（3）膜袋桩关键施工参数：灌浆材料选用P.O42.5普通硅酸盐水泥浆液，浆液水灰比约1∶1～0.5∶1。为便于TBM脱困后掘进切削，刀盘掘进范围内注浆管采用PVC管，其余部位采用钢管，膜袋采用双层高强聚合物化纤合成布现场裁剪缝制。采用分排分序施工，灌浆顺序根据成孔顺序进行，成孔一个施工一个。膜袋由下而上进行分段阻塞压浆，分段膜袋达到一定饱和程度后，提升止浆塞至上一段继续灌浆，灌浆到顶部后根据充盈情况进行补灌施工。压力控制范围为0.5～5MPa。

3.4 控制性注浆施工

（1）控制性注浆施工理论依据：该注浆工艺充分利用流动水具有的水流压力,通过控制液的掺加时机和数量，利用凝胶时间控制和凝胶后水泥的塑性变形。

（2）控制性注浆施工流程：刀盘前方1.5m至5m区域内采用控制性注浆，洞口三环管片范围内通过二次注浆口进行控制性注浆。

（3）控制性注浆关键施工参数：灌浆材料选用P.O42.5普通硅酸盐水泥浆液，浆液水灰比约1∶1～0.5∶1，较高的浓液才能保证良好的胶凝效果。控制液主要成分为水玻璃溶液，按一定比例掺加高分子化学材料。水泥浆液与控制液混合控制的凝胶时间为10～30s左右，最佳控制在20s，较快的胶凝时间使水泥浆不被水冲散。控制液注入压力控制在1MPa，根据现场需要调整。

4 TBM脱困过程及效果

待所有地面、洞内加工工作完成后，组织人员进仓清理，整个清理过程掌子面非常稳定，掌子面渗水量很小，进仓清理作业完成后，TBM刀盘顺利启动。本次脱困加固处理方法得当，成功构建地下安全进仓作业空间，最终TBM成功脱困。

5 结论

膜袋桩加固工艺、控制性注浆工艺对TBM周围近距离实施止水、加固，构建地下安全稳定进仓作业空间是可行的。其中膜袋桩能够避免常规钻孔灌注桩工艺施工中出现的塌孔问题，且膜袋桩在地层中膨胀，挤密桩间土体，固结排水起到一定的桩间止水效果。控制性灌浆可通过调节控制液用量和压力达到控制浆液扩散范围的目的，既能起到加固止水的效果，又可防止浆液固结TBM设备，非常适合TBM附近“定点加固”施工。