富水砂层中盾尾涌水涌砂处置措施

乔晓锋,蔡怡欣

(1. 广东水电二局股份有限公司，广州 511340;2. 广东省水利水电工程技术研究中心，广州 511340)

1 概述

1.1 工程简介

半洋盾构隧洞位于潮州市潮安区古巷镇内，河涌较多，居民区建筑物密集，人类活动较频繁，沿线地表多为陶瓷厂房、鱼塘、农田等。盾构隧洞全长为1.552 km。隧道最小曲线半径为300 m，最大坡度为4.5‰。采用海瑞克Φ6 280土压平衡盾构机进行施工，盾构隧洞外衬采用预制钢筋混凝土管片，外径为6 m，内径为5.4 m，衬砌管片厚为0.3 m，衬砌环宽为1.5 m。

1.2 地质水文概况[1]

根据地质勘探揭露，主要岩土分层从上至下划分为：人工填土层(Qs)；(2-1)粘土、粉质粘土层；(2-2)冲积砂层；(3)海陆交互相淤泥、淤泥质土夹淤质砂层；(4-1)冲积粘土、粉质粘土层；(4-2)冲积细砂～粗砂层；(4-3)冲积砂卵砾石层(Qal)；(5-1)冲积粘土、粉质粘土层。盾构隧洞段沿线地下水主要为孔隙水潜水，主要赋存于(2-2)砂层、(4-1)粉质粘土、(4-3)砂质粘土中。经测量，地下水位埋深一般为2～3 m，水位高程一般为6.5～10 m，地下水与河水联系不密切，主要接受大气降水补给，水位随季节变化而变化。

1.3 涌水事件描述

半洋隧洞引水工程盾构掘进至第615环，盾尾6～7点钟方向(盾尾底部)出现漏水，水量较急，初步判断是下部盾尾刷部分损坏，盾尾密封被水压击穿。水量持续变大且浑浊伴有沙粒进入隧道，涌水发生 3 h 后，盾尾流水处不再涌砂，累计涌砂方量为12 m3，盾构机周围土体较为稳定。现场采取以下止水措施：① 增设水泵进行抽水；② 向盾尾止水环腔注入油脂；③ 采用棉絮封堵盾尾间隙；④ 盾尾管片壁后注浆。但由于盾尾来水量大且急，止水效果不明显，经观测，盾尾涌水量约115 m3/h；考虑到盾构机正处于厂房下面，持续抽水有可能造成地层大量失水而塌陷，同时管片内外部压力差对管片结构安全造成威胁，出于安全考虑，决定暂停抽水，让盾构隧道灌满水以抵消管片内外部压力差，减少地层水土流失，确保地面建筑物安全，制定安全可靠的涌水处置方案后再作处理。

2 方案制定

2.1 地质补勘[2-4]

现场在615环地面位置附近进行了地质补勘，做了6个补勘点，用于验证设计勘察地质剖面图的准确性(见图1)，经对比，抽芯结果与设计勘察结果基本吻合，设计勘察地质剖面图可用于技术方案的制定。

2.2 方案比选

1) 井点降水[5]：将盾体周边水位降至盾体下方，使盾尾不漏水或少漏水，为洞内盾尾注浆封堵间隙创造条件。

图1 地质剖面示意

优点：钻孔数量少，工期短，见效快，施工成本低。

缺点：上部潜水可能会流失，地表存在沉降的风险；管片水压差也会带来管片错台破裂等风险。

2) 高压摆喷桩[6]：利用高压摆喷桩作为止水帷幕，阻断砂卵砾石透水层的来水。

优点：帷幕止水效果明显，既定目标更容易把握。

缺点：施工范围广，地面厂房征拆难度大，同时钻孔数量多，工程量大，施工成本高。

综合考虑：优先采用井点降水作为第一实施方案，高压摆喷桩作为备选方案。

2.3 技术路径

技术路径见图2所示。

图2 技术路径示意

3 方案实施

3.1 井点降水[7]

1) 降水计算

① 涌水量计算

静止水位埋深：根据设计勘察报告，水位标高为10.3 m，隔水层底部标高为-11.6 m，隧道底部标高为-7.9 m，目标降水标高为-8.4 m。

承压水层厚度：m=11.6-10.6=4 m(透水层底面高为-11.6 m，顶面高为-10.6 m)。

降水位深度：S=10.3+8.4=18.7 m(静止水位至隧道底以下0.5 m的高度)。

含水层渗透系数K：90.58 m/d。

基坑等效半径r0：对于矩形基坑，其长宽比不大于5时，可用“大井法”将矩形基坑折算成假想半径为r0的理想大圆井，盾体位置按照10 m×8 m的基坑计算。

基坑平面面积F=80 m2。

② 管井单井出水能力计算[8]

过滤器半径r取0.105 m(井管半径统一为0.105 m)；

过滤器进水部分长度L取5 m；

含水层渗透系数K取90.58 m/d；

单管出水能力：

③ 管井数量计算

管井数量n=1.1×Q/q=1.1×11 795.6/888.4=13.3。

暂定管井数量为14，降水井布置、降水井数量可根据场地条件、抽水外部影响因素、实际抽水效果等情况适当调整。

2) 降水点平面布置及结构布置

① 降水井平面布置以盾构刀盘为中心沿线路两侧布置(见图3)。

② 降水井结构布置

本工程布置14口降水井，降水井深度为26 m，滤水管长度为5 m，成孔直径为300 mm，井管直径为210 mm，套管深度0～19.7 m范围采用高浆填充，19.7 m位置安装橡胶密封圈，19.7～25.5 m范围用回填细卵石滤料。成孔深度略高于降水井深度0.5 m，降水井底部0.5 m用回填细卵石滤料，防止泥沙涌入管底。

图3 井点降水平面布置示意

3.2 洞内排水

隧洞坡度为4.5‰，盾构掘进长度为925 m，计算得盾体内水位高925×4.5/1 000=4.16 m，计算得总积水量为7 882 m3， 拟采用2台45 kW水泵进行抽排水，排水管道为8寸钢管，单台水泵排水流量为400 m3/h，理论抽水时间H=7 882/800=9.8 h，考虑需要不断往前移动水泵以及接管时间，计划3 d内能将积水抽完。

3.3 水路封堵[9]

1) 封堵施工流程

① 洞内注聚氨酯：在盾尾管片壁后注入聚氨酯，利用水流将膨胀物带入盾尾间隙中，达到封堵来水目的。

② 管片壁后注浆：盾尾管片壁后注入双液浆，形成止水环，然后对盾尾后10环管片进行壁后注浆，保证管片壁后间隙充填密实。

③ 地面注聚氨酯：地面在刀盘位置前、左、右钻20 m深孔，然后对这3个孔注入聚氨酯，进一步封堵盾构机前方水路来水。

2) 注浆材料及配比设计

① 注浆材料

采用水泥水玻璃浆液作为主要的注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和好的特点。在软土地层或渗水量大的地层，为减少管片的变形或使注入浆液在较短的时间内起到止水的效果。

② 浆液配比试验

浆液配比试验结果见表1，水玻璃波美度28.5Be′，水灰比1:1，水泥浆水玻璃体积比1:0.25的情况下，初凝时间8 s，终凝时间35 s，在该条件下，注入的双液浆不会流入降水井，可以达到盾尾封堵效果。

表1 双液浆配比 s

③ 水泥水玻璃浆液参数选择：

a.胶凝时间：初凝时间8 s，终凝时间35 s。

b.固结体强度：终凝强度不小于0.2 MPa(相当于软质岩层无侧限抗压强度)，28 d不小于2.5 MPa(略大于强风化岩天然抗压强度)。

c.浆液结石率：>90%，即固结收缩率<10%。

d.水玻璃掺入比：25%。

e.水泥浆水灰比:1:1。

④ 注浆主要参数

注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，最大不宜超过3.0～4.0 bar；注浆流量控制在20～40 L/min。

3.4 隧洞二次补浆[10]

考虑到隧道稳定因素，洞内对盾尾594～612环管片进行二次注浆加固，补充一次注浆未填充密实部分和水土流失体积减少部分，从而减少盾构机通过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力，提高止水效果。二次注浆使用专用的注浆泵，注浆前凿穿管片吊装孔外侧保护层，安装专用注浆接头。浆液采用水泥浆—水玻璃双液浆，浆液配比与盾尾封堵配比一致，注浆压力为0.2～0.4 MPa，补浆流量控制在20～40 L/min。注浆同时注意在前方打孔排水，防止管片错台。二次补浆位置为隧洞3点或9点位，开孔后先用清水进行冲洗，然后注浆，严密关注注浆流量及压力。一环管片注完或浆罐浆液注完及时清理注浆泵避免注浆机堵塞。

3.5 方案实施效果

12月15日正式启动井点降水工作，共12个井同时抽排水，总抽水流量约150 m3/h，隧洞内来水量由最初的115 m3/h降至52 m3/h(见图4～图5)。洞内2台45 kW水泵抽水，3 d内抽干洞内积水(见图6)。洞内水抽干后对受影响管片进行支撑加固(见图7)，防止管片变形开裂。盾尾共计注入聚氨酯2 t，止水效果良好。管片二次注浆填充密实。

图4 井点降水现场照示意

图5 降水效果统计示意

图6 洞内抽水现场照示意

图7 洞内管片支撑加固示意

4 施工监测[11-12]

考虑注浆及地面井点降水施工会对地层产生扰动，有可能引起附近的建(构)筑物、地表沉降及水位变化，确定以注浆和井点降水施工区为监测区段，共设置3个监测项目，分别为地面及建筑物沉降监测、地下水位变化监测、隧道管片沉降监测，监测点布设如图8所示。

图8 监测点平面布置示意

1) 地表、建(构)筑物及邻近省道监测

地面沉降点布设在盾构机上方前后共40 m范围内，每10 m布置1个监测断面，共4个监测断面，每个断面3个监测点，共12个地面监测点。厂房靠近施工区域侧，在厂房立柱上部分别布置沉降观测点，共22个。邻近施工区域省道，在隧道下穿区域地面设置两个监测断面，每个断面2个监测点。监测数据显示最大累计沉降为地面沉降点D7(-8.45 mm，位于617环)，其次是房屋结构沉降点Z8(-6.80 mm，位于615环)。

2) 地下水位监测

在井点降水施工区域内共设置6个水位测孔，侧孔采用地质钻机钻孔，测孔直径108 mm，孔深19 m。测管外安装滤布，孔底布设沉降管。当盾尾进水封堵后，每个抽水井水位都有所上升，最大上升为Z3，上升了1.85 m，降水井水位变化具体见图9。

图9 降水井水位变化示意

3) 盾构修复过程中及掘进时隧道管片沉降和收敛监测

布设方法：隧洞内每隔100 m设置1个断面，布设沉降监测点和收敛点位，距离盾尾60 m处每隔20 m 1个断面，共11个断面。洞内管片变形显示最大变形为610环管片(-0.7 mm)。

5 结语

盾构在富水砂层中施工中容易出现涌水涌砂等现象，造成的危害极大，施工中需要认真对待，在地勘钻孔偏少地段应进行地质补勘以判明水文地质情况，针对可能面临的风险制定专项技术方案，特别对于与大江大河等丰富水体连通水路应提前采取加固措施阻断来水通道，避免在施工中出现涌水涌砂而被动应对。针对此次富水砂层中盾尾涌水涌砂突发事件时，采用地面井点降水和洞内注浆方法成功进行处理，对同类事件处理具有借鉴意义。