目前随着城市的快速发展, 越来越多的城市开始采用盾构法修建地铁, 随之出现了一些在砂卵石地层中施工的案例^[1,2]。而砂卵石地层具有级配不良、黏结性差等特点, 盾构在高透水性、高地下水位的砂卵石地层中施工时开挖面易出现涌水、涌砂现象, 导致开挖面失稳^[3], 而有些区段因为采砂等人为活动会对原本松散的砂卵石地层造成进一步的扰动, 致使施工过程中极易出现塌方、环流系统堵塞等问题^[4,5]。

正在施工中的兰州地铁1号线迎马区间湿地公园段因为长期人为采砂活动取走了小粒径砂体, 导致大粒径砂卵石聚集, 并且形成了较深的采砂坑, 改变了原有的地层分布, 形成了特殊的软弱地层, 在隧道施工至采砂坑时, 出现了掌子面失稳塌方事故。本文结合施工过程中遇到的掌子面塌方失稳事故, 探讨了在强透水砂卵石地层中采用泥水盾构施工时, 掌子面塌方处理措施及后续施工中的预防措施。

兰州地铁是国内第一条采用盾构法修建的下穿黄河的城市地铁隧道。兰州地铁1号线迎马区间隧道长约1.9km, 隧道自迎门滩站始发, 先后穿越银安路、中间风井、北滨河路、湿地公园、黄河、南滨河路、银滩花园高层小区、T188号路地下通道, 最后到达马滩站。

工程采用2台直径为6.48m的泥水盾构进行施工, 右线先于左线始发, 管片外径为6.2m, 内径为5.5m, 厚350mm。管片采用C50P12钢筋混凝土。管片外采用同步注浆 (水泥砂浆) +二次注浆 (水泥水玻璃双液浆) 。

右线隧道在穿越黄河北岸堤进入湿地公园后推进616环时出现了刀盘卡死、掌子面塌方等现象, 施工单位及时对该区域进行了补勘, 补勘报告显示地铁线路在湿地公园内需下穿2处采砂坑, 如图1所示。采砂坑最大深度为14.1m, 该采砂坑停止采砂后引入黄河水, 淤泥将其淤积填充。该处隧道最大覆土厚度为17.16m, 隧道顶部以上较薄处有厚约3.12m的原始地层 (冲积卵石层) , 原始地层厚度小于1倍洞径, 采砂坑及人工填筑土对盾构隧洞施工影响较大。

根据地勘报告, 地层情况如下所述:

1) -14.100~0m:第四系全新统人工堆积 (Q₄^ml) , 其中上部0~1.800m为中细砂, 灰色, 局部发红, 较纯净, 结构松散;下部1.800~14.100m为杂填土, 主要成分为粉土夹块石、卵石, 灰黄色-灰色, 局部含塑料、布头等生活垃圾, 块石、卵石含量为20%~30%, 下部含量较高, 粒径不等, 100mm左右较多。该层为人工回填物。

2) -35.300~-14.100m:第四系下更新统冲积 (Q₁^al) , 岩性为卵石层, 杂色, 卵石粒径不均, 其中粒径大于20cm约含10%, 粒径10~20cm约含15%, 粒径6~10cm约含25%, 粒径小于6cm约含25%, 中粗砂充填, 砂含量约25%, 结构密实, 局部有胶结。

地层情况如图2所示。隧道经过地层为砂卵石孔隙潜水, 自上而下由透水性不同、具有统一的水力联系的孔隙含水地层组成, 由全新统 (Q₄) 卵石层 (②_-10) 和下更新统 (Q₁) 卵石层 (③_-11) 构成同一含水地层。黄河水与地下水具有双向补给好、水流交替循环强烈、水位恢复迅速的特点。

隧道右线推进616环时掌子面压力突然升高, 切口压力由2.09bar (1bar=0.1MPa) 升至2.60bar, 工作舱液位从0.13m急剧上升至1.86m, 刀盘扭矩由800k N·m增加至3 200k N·m, 刀盘卡死不能转动。后经紧急处理, 稳定了工作舱液位, 并经多次正反转努力后恢复刀盘转动并恢复掘进, 恢复转动时刀盘最大扭矩达到5 600k N·m。在后续掘进过程中发现扭矩持续增大且掌子面压力波动大、难以稳定的现象 (在2.2~4.1bar间波动, 正常为2.1bar) , 在恢复掘进过程中前舱堵塞严重, 大直径卵石多, P2.1泵频繁堵塞, 清理过程中清理出大量大直径卵石。同时地面监控人员反映盾构刀盘前部水塘内出现冒浆冒气现象 (位于1号采砂坑位置) , 随之出现塌方形成坑洞, 塌方位置位于隧道两线中心处, 直径约7m, 深约8m, 该洞约1/4在左线盾构隧道上方。

根据现场地质情况及塌方情况的调查和分析, 造成此次塌方的主要原因是因为隧道上覆层太薄, 地层条件较差。地勘资料显示塌方位置处于采砂坑坑底位置, 上覆原状土厚度为3.12m。该地段主要为强透水大粒径砂卵石地层, 粒径一般为6~11cm, 最大粒径达18cm, 强烈的水流循环导致砂卵石胶结性较差, 在刀盘卡死后进行反复正反转对掌子面前方产生了较大扰动, 导致开挖面上方土体涌入土仓, 形成第1次塌方。

第1次塌方发生后, 塌落的砂卵石积聚在开挖仓、工作仓底部, 造成环流不畅无法正常掘进。且采砂坑段卵石塌落量较正常段多, 卵石在环流系统中处于紊流状态, 以不规则路径乱窜, 进入冲洗管路管口中, 直接导致环流系统堵塞, 无法形成正常环流。且由于卵石直径较大, 容易堆积在刀盘与吸口之间及前闸门和碎石机之间, 造成滞排, 如图3所示。卵石堆积堵塞进浆口, 使得正常的泥水循环无法建立, 进一步造成渣土无法及时顺利排出开挖仓, 并加重积仓的情况, 形成恶性循环。施工过程中基本每掘进10cm开挖仓和气垫仓的压差会急剧加大, 为避免土仓完全堵塞, 必须停止掘进清理土舱, 严重影响施工掘进效率。清理堵塞过程中因为由于清理时间过长, 小规模塌方较频繁。

此外由于采砂坑区域粗颗粒相对较多且松散, 泥浆泥膜形成困难, 同时掌子面的频繁塌方不断破坏泥膜的完整性, 即便提高泥浆质量, 仍无法完全保证泥浆的护壁效果, 泥浆易通过覆土与地面串通, 施工过程中不断出现冒泡、冒浆现象。

塌方发生后, 为防止塌方扩大导致河水倒灌, 采取了以下紧急处理措施。

1) 通过添加专用泥浆制剂, 调整泥浆配合比, 增加专用制浆剂和高分子聚合物的用量, 提高泥浆密度、黏度等泥浆指标, 泥浆指标保持在黏度40s以上, 密度1.13~1.4g/cm³, 失水率约14m L/30min, 含砂率<2%, 使开挖面形成性能良好的泥膜, 保证掌子面稳定。每m³泥浆配合比按钠基膨润土∶HS1∶HS2∶HS3∶水=0.12∶0.03∶0.1∶0.02∶1 (质量比) 。

2) 通过中心冲洗管对掌子面注入化学浆液, 提高泥膜质量。每m³化学浆液配合比:HS1∶HS2∶HS3∶水=0.15∶0.5∶0.1∶1 (质量比) , 累计注入50m³。

3) 通过盾体上预留的注浆管使用HS-3型专用堵漏剂进行超前注浆。共预注30m³, 配合比为:HS3∶水=0.5∶1 (质量比) 。

塌方发生时, 右线盾构刀盘将掘进出1号采砂坑, 即将进入2号采砂坑。2号采砂坑对盾构掘进有相同影响, 同样存在刀盘卡转、开挖仓堵塞、河水贯通的巨大施工风险。并且由于右线施工对采砂坑内松散土体造成了进一步的扰动, 因此左线盾构进入采砂坑时极易出现掌子面失压, 刀盘卡住的情况;根据右线施工情况, 左线在采砂坑内河水与开挖仓发生贯通的几率增大, 左线掘进时湿地公园内的塌方区域将会进一步扩大。在综合分析风险情况下, 提出了以下处理措施。

对塌方处采取人为措施重新形成隧道上部覆盖层, 以保持泥水压力。

本工程中塌方处首先采用C25混凝土进行充填, 充填厚度为1.0~3.0m, 使之在隧道顶部形成一层保护壳体, 填充时应注意避免混凝土进入泥水仓, 混凝土进入泥水仓凝固后会对盾构机施工造成很大影响。填充完混凝土并具有一定强度后对其他部分采用一定级配的砂土进行回填。

由于采砂坑处地质情况复杂, 杂填土较厚但不密实, 原状覆土浅, 加之右线在掘进过程中已经对土体产生严重扰动, 左线在掘进过程中, 面临着冒顶、跑浆风险, 容易造成刀盘卡死、埋刀盘等严重后果, 所以对塌方处进行填充后, 采用预注浆的方式对隧道上方土体进行加固。注浆加固采用袖阀管施工工艺, 浆液采用水泥水玻璃混合液, 其中水泥浆液采用42.5级普通硅酸盐水泥, 水灰比为W∶C=1∶0.8~1∶1, 水玻璃为33~38°Be', 水泥-水玻璃体积比为C∶S=1∶0.8, 凝固时间控制在约1'45″。加固范围为盾构施工范围左右各3m, 如图4所示, 加固深度为盾构机上部6.0~1.0m, 其中余留1.0m原状土作缓冲层, 注浆间距1 200mm×1 200mm, 错开布置, 浆液有效扩散半径为0.8m, 共布置246个注浆孔。注浆时采用65×5PVC袖阀管和双向皮碗式止浆塞, 采用25镀锌钢管作芯管。注浆时按照先两边后中间的顺序, 隔孔交替注浆, 避免同时进行多孔注浆。注浆完成后经监测其渗透系数为0.8×10^-6cm/s, 28d无侧限抗压强度为1.3MPa, 满足地层加固要求。

1) 通过添加专用泥浆制剂, 调整泥浆配合比, 提高泥浆密度、黏度等泥浆指标, 使开挖面形成性能良好的泥膜, 保证掌子面稳定。

2) 加大同步注浆量, 同时调整同步注浆配合比, 缩短浆液凝固时间, 降低盾构后方地下水及卵石的流动性。据统计, 每环损失泥浆量约为60~80m³, 因此应增加注浆量以满足掌子面正常损失的需要。

3) 盾构掘进中根据地面和隧道内的变化情况, 每隔2环通过二次双液注浆使隧道断面形成闭合的环箍, 防止地下水涌入隧道, 增强密封性。

4) 管片拼装好后及时封堵吊装孔, 同时用槽钢与管片连接, 提高隧道的整体性, 防止隧道上浮。

5) 在每环拼装间隙, 使用同步注浆泵通过中心冲洗管向掌子面补充注入专用泥浆制剂和高分子聚合物, 增强泥膜韧性和厚度, 保证掌子面稳定。

6) 通过中盾上预留的注浆孔, 使用专用注浆机向盾构机上部地层中超前预注专用制剂和高分子堵漏剂, 填充卵石间隙, 增加盾体上方砂卵石的自稳性, 防止顶部塌方。

7) 隧洞在过河期间以28‰的坡度下行掘进, 为降低盾尾后部松散砂卵石及同步注浆浆液对掌子面的影响, 通过盾尾注浆孔每隔1.2m对上半圆注入聚氨酯形成阻断环箍, 稳定盾构姿态, 隔断泥浆向后窜和砂浆向前窜的通道, 稳定掌子面压力, 防止掌子面击穿。注入配合比按聚氨酯∶催化剂=10∶1 (质量比) , 注入量为750kg/环。

8) 检修盾构碎石机液压系统, 增加二次破碎机和碎石机冷却循环系统, 保证碎石机正常工作, 进一步保证顺利向前掘进, 以最快速度通过采砂坑。

为验证掌子面塌方处理预防措施的合理性, 结合施工现场观测记录情况, 并选取盾构右线及左线穿越2个采砂坑 (600~700环) 掘进过程中的最大扭矩、最大推力及最大掌子面压力进行了分析, 掘进参数变化如图5所示。

由图5分析可知, 盾构右线穿越第1个采砂坑过程中, 盾构机扭矩波动较大, 自616~629环共出现刀盘卡死堵转现象4次, 且出现大面积塌陷, 刀盘卡转后扭矩急剧增大, 掌子面压力波动增大, 在第616环, 刀盘最大扭矩达5 600k N·m, 超过主驱动额定扭矩 (4 804k N·m) , 掌子面最大压力达4.1k Pa。通过塌陷处注浆加固及洞内一系列措施的实施, 右线穿越第2个采砂坑及左线穿越2个采砂坑过程中未出现刀盘卡转及塌陷现象, 盾构掘进参数波动较平缓, 顺利穿越了采砂坑。由于受到埋深及水压增大、泥浆指标提升及注浆量增大等因素的影响, 除个别刀盘卡转的环外, 总体来说, 右线穿越第2个采砂坑及左线穿越2个采砂坑过程的扭矩、推力和掌子面压力均较右线穿越第1个采砂坑过程大。

通过上述措施, 在右线后续施工及左线施工过程中均未出现坍塌、卡机等现象, 顺利穿越了2个采砂坑。

强透水砂卵石地层黏结性差, 是一种典型的力学不稳定地层, 受到扰动后力学性质进一步劣化, 在强透水砂卵石地层中采用盾构施工, 容易引发掌子面失稳甚至塌方。施工时应仔细勘测地层情况, 在穿越一些危险软弱地层时应提前指定应对措施, 尽量避免塌方事故发生;掌子面发生塌方事故后应及时采取应对措施, 确保施工安全, 避免事故进一步扩大。