造成盾构施工地面塌陷事故的原因, 既有单一因素, 也有多种因素相互作用的结果, 随着轨道交通建设规模的不断扩大, 尤其在富水砂 (卵) 砾地层、富水复合地层的盾构掘进中发生地面塌陷的事故相对较多^[1,2,3]。本文以某市土压平衡盾构在富水复合地层中掘进时因螺旋机喷涌失控造成地面塌陷、洞内大量涌砂导致盾构机被掩埋为例, 分析了塌陷原因, 提出了采用围护桩+降水措施处理螺旋机故障, 并通过现场实施验证了提出方案的可行性。

某盾构区间长1 465m, 管片外径6.0m、内径5.4m、管片宽度1.2m, 隧道拱顶埋深为9.47~19.9m。沿某主干道下穿行, 隧道下穿多处市政桥梁、景观明渠等建 (构) 筑物, 地面管线众多, 右线盾构由小里程向大里程始发, 盾构掘进到880~984环连续下穿3座立交桥, 如图1所示, 其中920~930环盾构下穿市政主干路1号桥, 880~885环, 979~984环下穿非机动车便桥。盾构掘进到896环时因螺旋机喷涌无法关闭后闸门导致洞内涌水、涌砂约1 000m³, 盾构主机被埋;刀盘上方地面2次地面塌陷后形成约14m×11m×5.5m (长×宽×深) 的深坑, 塌陷坑边距1号桥桩基22m, 距2号桥桩基18m, 塌陷坑紧邻1号桥西南侧挡土墙。

根据地勘资料显示, 事故地段隧道地层从上向下依次为素填土、粉质黏土、细砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。盾构刀盘底部标高为-1.540m, 中风化粉砂质泥岩面标高1.350m, 沿掘进方向强风化岩面标高约为2.260m, 地下水位标高约13.700m, 地面标高17.700m。盾构埋深约13.24m, 刀盘入岩约3.8m。刀盘位置圆砾层厚度10.5m, 素填土及道路4.94m。地下水位于隧道上方9.24m。

为尽快恢复路面交通, 同时为盾构洞内修复提供安全保障, 必须对盾构主机周边进行加固止水, 同时辅以帷幕内降水的措施, 以防止洞内因清理涌砂导致的地面再次沉降或坍塌, 为洞内涌砂清理、修复螺旋机后闸门提供有力的安全保障。

在盾体两侧、刀盘前部施工钢板桩^[4], 钢板桩入岩深度≥0.5m, 根据地质资料初步确定钢板桩长度为15~16m。钢板桩位于刀盘前2m、盾体两侧各1m位置, 盾构周边咬合桩施工平面、剖面分别如图2, 3所示, 盾体两侧及刀盘前部各钢板桩相互咬合, 形成U型钢板止水帷幕;在盾尾后部约2m位置, 管片上部1m处施作钢板桩与盾体两侧钢板桩咬合, 形成闭合体。

钢板桩施工完毕后, 各钢板桩之间采用静压注浆包角止水, 盾尾下部的弧形注浆盲区, 适当提高注浆压力保证其注浆止水的效果, 盾尾化学注浆平面如图4所示, 盾尾止水帷幕剖面如图5所示。

在刀盘前部、盾体两侧打设7口降水井, 如图6所示, 刀盘中心前部的降水井深度为隧道底部2m, 其余6口降水井深度为进入中风化泥岩0.5~1m。通过坑内降水, 减小塌陷部位的地下水水位, 规避地下水对洞内清砂的影响, 保证洞内清理及设备检修的安全。

地面化学注浆完成、地下水位降到螺旋机后闸门标高下超过0.5m后, 清理洞内涌砂, 逐步清理到螺旋机后闸门处, 通过外接液压泵站连接螺旋机后闸门油缸管路, 快速清理后闸门处砂砾并保证闸门通道的清洁, 开启外接油泵、关闭后闸门。后闸门关闭后可停止地面降水, 全面进行设备清理、维修, 恢复地面交通及相关市政设施。

在盾构掘进中, 土仓上部土压传感器接近土仓顶部, 多以土仓上部土压力作为土压平衡控制压力, 以静止土压力为计算依据, 采用水土分算的方式, 取土的静止侧压力系数K₀为0.42^[5], 为简化计算, 不考虑地面荷载, 将隧道顶部以上土的加权重度取为砂的重度19.5k N/m³, 则隧道顶部土压力计算公式为:

式中:P_土为隧道顶部土压力;γ_水, γ_砂分别为水和砂的重度;h为隧道埋深;h_水为地下水位与隧道顶部的距离。查询事故区段地勘资料, 以870环 (探孔MBZ3-xfcy-052) 、895环 (探孔MBZ3-xfcy-053) 探孔为例, 查询相关岩土参数, 计算静止土压力。

将探孔MBZ3-xfcy-052处地层参数代入得P_土=163k Pa≈1.6bar;将探孔MBZ3-xfcy-053处地层参数代入得P_土=148.5k Pa≈1.5bar。

根据以上相邻2点的计算结果, 取埋深12~14m相邻地层土压力为163k Pa。

该土压平衡盾构用于本区间施工前已掘进1 200m, 设备状况良好, 各项技术参数满足施工要求, 刀盘为复合式, 6×132k W主驱动, 额定扭矩5 700k N·m;螺旋输送机配置功率200k W, 最大扭矩178k N·m, 配置推拉式单出渣门, 在导向槽内设有导向轨道及密封装置, 门板由推拉油缸驱动实现闸门的启闭。

查询885~895环掘进参数, 如表1所示。由表中数据可知, 土仓上部土压设定为0.12MPa, 低于计算土压 (计算值0.16MPa) 0.04MPa, 螺旋机出口处土压为0.06~0.1MPa, 可以看出, 由于土压偏低, 地层的水土压力大于土仓压力, 地下水夹带砂土进入土仓, 土仓内渣土离析, 离析的渣土在螺旋机内形不成土塞效应, 产生螺旋机出口背压, 在有背压的情况下开启螺旋机闸门, 压力水夹带泥砂喷涌而出^[6]。在实际施工控制中, 以小的闸门开度及频繁启闭抑制喷涌, 不可避免地造成螺旋机闸门轨道内砂粒积聚, 加大了轨道磨损及闸门被卡的风险。由于轨道磨损在较小的长度内, 在喷涌时细小砂粒积聚在轨道内, 易导致闸门关闭时迟钝直至被卡死;由于较长时间的喷涌, 造成螺旋机闸门控制系统被泥砂覆盖受潮, 闸门的频繁启闭造成电磁阀控制线圈触点受损, 容易因控制失灵导致闸门无法关闭发生喷涌事故。

由地勘资料可知, 该地层含砂量多, 透水性好, 丰富的地层水加大了螺旋机发生喷涌的风险。根据风险调查资料, 该处为立交桥的较低处, 隧道侧上方存在雨污水管, 雨污水管年久失修, 渗漏较严重, 加大了地下水的补给量, 导致砂砾流动加剧;较低的土压力及较大的刀盘转动扰动, 盾构欠压掘进造成大量砂粒由地下水带进土仓, 离析的渣土在螺旋机内不能形成土塞效应, 在螺旋机出口背压存在及较高地层水压的情况下造成突发喷涌事故。

1) 土仓压力控制方式不妥, 采用比例控制的螺旋机转速很少调节, 与常规操作及技术使用说明书要求不符;主司机和施工管理人员采用多注水稀渣出渣方式, 通过频繁调节出渣门开度方式节流控制土仓压力, 螺旋机处于微喷状态, 这种操作方式可导致闸门电磁阀、继电器和开关、闸门滑道频繁工作, 易造成以上电气及闸门元件的损坏。从数据采集系统得知, 螺旋机出口瞬间出现了突发喷涌, 出口压力达到0.04~0.06MPa, 闸门承受较大的压力, 开关闸门阻力更大。

2) 从数据采集系统得知, 在突发喷涌开始时, 没有对螺旋机进行减速, 主司机快速启用急停功能, 导致动力源关闭, 维保人员急于恢复动力系统, 错过关键的7~8min紧急处理时间。

据现场了解, 前期掘进过程中出现过断电时闸门未关到位。现象盾构掘进位置距立交桥污水管道较远, 螺旋机后闸门能较顺利关闭, 在后续掘进期间未对螺旋机控制系统、后闸门导向轨道及时处理。现场管理人员忽视设备管理及维修保养, 埋下了螺旋机后闸门电气控制失灵、液压控制阀 (元件) 被卡死、螺旋机后闸门因液压 (电气) 控制故障不能关闭、长时间喷涌导致闸门导向轨道磨损严重而被卡死或砂粒将闸门卡死的隐患, 最终酿成事故。

根据现场管理情况看, 主要管理人员对富水复合地层的认识不足, 不清楚盾构土压平衡掘进及螺旋机的土塞效应理论, 不懂盾构设备知识及现场应急处置方法, 导致操作失误;在实际掘进中不落实掘进指令及人为盲目指挥, 对合理化建议置之不理。在事故发生前, 地面沉降检测已多次报警, 主管人员以地层水大为借口, 不从设备管理、渣土改良、掘进参数控制、风险预控进行施工管理, 丧失了风险规避的关键时机, 最终酿成事故。

盾构在富水复合地层中掘进, 掘进参数选择的合理与否是盾构顺利掘进的前提与保证, 盾构施工的管理人员、技术人员应在充分了解工程水文地质、周边环境、地下建 (构) 筑物的基础上, 通过计算确定掘进的理论参考土压力值, 实际掘进中根据出土情况及地面沉降及时调整相关参数;在易喷涌地段应采取土压平衡或微土压平衡的掘进模式, 必要时调整渣土改良方案, 在易喷涌区段或发生喷涌时应附以聚合物进行渣土改良, 保证渣土具有良好的流塑性, 以利于螺旋机喷涌的控制, 减小地面沉降, 规避因地面沉降过大出现地面塌陷的风险。

盾构在复合地层中掘进, 应加强对风险源的管控, 盾构在类似雨水管道等易发生较大地面沉降 (螺旋机喷涌) 地段的掘进应严格控制掘进参数, 加强出土量控制, 规避超挖造成的系列施工风险;加强应急反应机制, 盾构操作人员、机电技术人员应熟悉设备的应急操作及故障的处理方法, 加强设备的维修保养及设备日常管理, 确保设备安全运行;加强盾构掘进施工技术的培训、学习, 加强盾构施工的过程管理, 盾构施工的管理人员应善于听取经验丰富的各方专家建议, 虚心学习盾构的相关控制理论, 根据实际施工情况合理设定施工参数, 规避盲目指挥带来的施工风险与事故。