摘要：在城市地铁建设中，地铁隧道穿越河流是不可避免的，采用盾构法下穿河流时，难免会因地层扰动而造成地表沉降，甚至有可能导致透水事故，造成严重的经济损失和不良社会影响，因此，如何安全顺利的下穿河流，是一个值得探讨的课题。本文以北京地铁10号线二期石榴庄站-大红门站区间左线盾构在下穿凉水河过程中发生透水事故实例为对象，主要阐述该项目对突发事件的成功应对经验，该成功经验可为类似地层中下穿河流施工借鉴。
一、工程概况
1、工程概况
北京地铁10号线二期石榴庄站～草桥站区间位于北京市丰台区，包括：三站、四区间。
其中，石榴庄站--角门东站区间沿规划中的石榴庄路和临虹路敷设，位于规划路和既有道路下方。区间施工时从石榴庄站西端始发，穿越新建的凉水河桥、凉水河、南苑路，在大红门站东端接收，经整修过站，在站西端始发于角门东站东端接收。
角门东站-草桥站区间沿镇国寺北街敷设，位于嘉和路与镇国寺北街下方。区间施工时从角门东站西端始发，穿越马家堡居民平房区和旱河，到达角门西站东端接收井，经整修过站，在站西端始发于草桥站东端接收，如图1.1所示。
图1.1区间施工范围示意图
2、工程地质
勘察地层最大深度为45米，根据钻探资料，工程场地勘探范围内的土层划分为第四纪晚更新世冲洪积层、新近沉积层和人工堆积层3大类、6个大层及若干亚层，土层相关特性如下：
（1）人工杂填层：①杂填土，杂色。
（2）新近沉积层：②1粉细砂，③卵石、圆砾，褐黄色，杂色，中度密实；
（3）第四纪晚期更新世冲洪沉积层：④卵石，密实，杂色；⑤卵石，密实，杂色，湿-饱和；⑥卵石，杂色，低压缩性，密实，饱和，如图1.2所示。
图1.2 隧道主体结构所处的工程地质特征示意图
3、穿河段实测概况
石榴庄～大红门区间隧道与凉水河56°斜交，区间隧道下穿凉水河段长度约为100m，现状凉水河宽70米，下穿段常年有积水，隧道结构距河床平均约8米，覆土较浅，施工前采取了河底铺砌处理，详见附图1.3“区间隧道与凉水河关系图”。凉水河桥刚施工完，暂未通车，桥梁结构上部为四跨30米简支梁，下部基础为群桩基础，每一个桥墩由2根40米的桩基支撑，桩基由承台联接，盾构隧道结构与桩的距离为2.5～2.6米。
图1.3 区间隧道与凉水河关系图
二、下穿凉水河段盾构施工
1、事故发生的过程
北京地铁10号线二期石榴庄站～大红门站区间左线盾构在下穿凉水河过程中发生透水事故，并造成河面塌陷。见图2.1左线盾构下穿凉水河桥关系，事故经过如下。
图2.1 盾构下穿河桥关系
盾构施工当日上午10时5-30分，左线在掘进第735环时，出土有变稀的趋势。但是由于其他施工参数，如出土量、土仓压力等均无异常，且河面巡视及桥梁监控均正常，初步认定与泡沫加入的剂量有关，随即调整了泡沫加入的流量。
在掘进第736环时，出土开始有间隙性的异常，并时常有水流出，并且在上午11时35分发生了约2分钟长的螺旋机喷涌。事情发生之后，现场立即启动了应急预案，成立了由建设单位、监理单位、设计单位和施工单位现场负责人组成的应急处理小组，展开了全面调查工作。施工参数显示，除了在短暂性的喷涌中土仓压力出现异常外，其余时间各种参数及河面巡视均正常。随后我们查看了该环处的水文地质图，发现该环正处于标贯值为6/8/10地层处，即地层处于软塑状粘土层（该地层前后均为硬塑的粘土层），于是我们考虑可能是由于地层内部的原因造成了土体变希及喷涌。随即加大了河面的巡视力度，并且有针对性的调整了泡沫的注入量，736环也得以顺利拼装完毕。该环的出土量（含水）比正常环多了将近20方。
下午1点30分开始掘进第737环，螺旋机出土口开始出水，直到第737环掘进到一半仍然没有见到渣土，但是掘进中间监控室显示的盾构各种参数并没有发生明显的异常变化，此时操作手已经停止了添加泡沫，并立即召开了现场会，应急处理小组决定：暂时停止掘进，此时为下午14时整。经初步分析，考虑到该段地层处于软塑状态，且属于二次扰动（在施作凉水河桥时已经发生扰动），并结合施工参数和巡视监测情况，认为可能碰到了水囊或地层夹水层。由于该段正处于河底，不宜久停，故决定继续掘进，但是要调慢速度，加注膨润土，加强监控。掘进中仍然只是出水，此时螺旋机已经停止转动，但是水流依然顺着出土口流出。在14时30分，河面巡视人员发现河底已经塌陷，现场随即关闭了闸门，停止了施工。
2、河底塌陷时间及塌陷面情况
根据一位凉水河河道巡视员的叙述，得知巡视人员在约11点30分的时候，在凉水河桥桥面听见“轰隆”声响，并看到了河底塌陷。而这个时间点又跟736环出现的短暂性喷涌时间相吻合（塌陷时周围水体受挤压往四处迅速冲击，形成喷涌），由此可以确定河底塌陷时间为盾构穿越当天11时35分。经测量人员现场量测，塌陷面上孔呈圆形，最大直径约4m，最小直径约3.5m，深约9m。经过精确测量，塌陷范围里程为：K33+105-K33+109，对应区间环数为739-741环。隧道在此处的埋深约10.5m，故此处塌陷深至盾构上方还余约1.5m。塌陷段地层为软塑状粘土层，标贯指数为6/8/10。从隧道内渗入的水体来看，水质混浊，呈深黄色，含少量泥沙。
3、事故原因分析
事故发生后，应急处理小组立即将事故新的进展情况向主管领导及上报相关单位汇报，并邀请了资深专家前来分析原因。结合施工实际情况，经专家现场查看并综合各方的意见，对事故发生的原因形成了如下共识：
1）地质状况复杂并存在突变的情况
地勘报告显示该段地层的标贯击数值仅有6/8/10，为典型的软可塑状粘土层。而在该地层前后均为标贯击数值34/36/38等的硬塑粘土层，地层状况在该处存在明显的突变。并且地勘报告显示，该段地层中粗砂、粉细砂及粘土等地层交织分部，状况复杂。
软可塑状粘土在扰动情况下很容易向流塑状发展。该段地层处在凉水河桥桥桩周围，在施工凉水河桥桥桩时，不可避免的已经对土体形成扰动。而桥桩施工不到2年的时间，盾构掘进对土体又造成了二次扰动，并且这两次扰动都很大，故该层软可塑粘土可能已经成流塑状态。
2）地层中本来存在细微渗漏缝隙，在二次扰动下，形成了涌水通道，涌水通道逐步扩大，并最终在盾构前方，既是土体扰动最大处形成塌陷。
河流底部一般均存在较为良好的稳定隔水层，并且该段河流底部在施作凉水河桥时已经做了砌片石铺底抗渗处理，所以河底的整体状况良好。但是根据整个事件的发生情形，专家推测地层中可能存在渗水缝隙。微小的渗水缝隙在不扰动的情形下，是稳定的；在扰动情形下，势必发生扩大化，进而形成涌水通道。事实表明，塌陷前后盾构掘进参数及巡视监测情况一直没有发生明显异常变化，表明塌陷为突发性事故。塌陷又位于受扰动最大的刀盘前三环内的地层中，并且塌陷深至隧道顶（刀盘顶）仅有1.5m，表明涌水通道已经形成，塌陷是其扩大化的直接结果。
4、事故处理方案
结合施工实际情况和专家意见，在充分分析事故原因、地质状况，周边环境状况，采取了如下具体措施：
1）关闭螺旋机出土闸门，并往螺旋机内加添膨润土；立即组织人员进行抢险，对隧道内积水进行抽排和清理。
2）搭设围堰，填筑沙袋，浇灌混凝土。
在塌陷洞上游约4m处，采用水泥袋搭设了围堰；围堰搭设后，开始往塌陷处扔填沙袋；当洞底距河面深约6m时，开始浇灌混凝土，浇灌深度与河底面持平。混凝土采用C20的低强度混凝土。
当天晚12点30分，混凝土浇注尚未完成，盾构机螺旋机出土口处已经停止了出水，这表明我们的分析是对的，采取的方案也是有效的。
与此同时，组织监测人员对凉水河桥现有结构及成型隧道进行了全面的复测，结果表明凉水河桥结构局部桥桩有1—2mm的下沉，成型隧道在734环处拱顶有5mm的下沉。这表明此次事故并未对桥梁结构及成型隧道造成不良影响。
5、后续施工措施及效果
为确保盾构安全顺利通过凉水河，并结合此前的施工情形和专家意见，我们应急处理小组决定在后续的施工中采取以下措施。
1）配备泡沫、膨润土、高分子聚合物等不同的土体改良材料，以根据地质的变化及施工情形及时调整改良措施，确保施工安全。
针对河底地质变化情况，将整个凉水河段分成三个部分。在进入河床之前，隧道上部为硬塑的粘土，下为砂卵石层，对于土体改良主要增加流动性及和易性，此时添加以泡沫为主；在进入河床段施工后，由于上部存在河水，为安全考虑，虽然地层仍然以硬塑粘土和砂卵石为主，施工中考虑在减少泡沫的添加量，并有选择的加注膨润土；在掘进到软塑状粘土层段（735-745环）时，开始添加高分子聚合物，以增强土体的稠度，避免喷涌的发生。过了软塑状地层，盾尾也即将拖出河床，土体状态又恢复以硬塑粘土及砂卵石为主，此时仍考虑采用泡沫进行改良。
2）改变同步注浆浆液配比，加大水泥用量，加快浆液凝固时间，确保同步注浆饱满充实，使隧道周围尽快形成封闭而稳定的围岩。
3）增加二次注浆量，充填地层损失空间，减小地层沉降。
4）增加盾尾油脂注入量，防止地下水从盾尾进入洞内。
5）加强监控量测力度，加大河面巡视强度，发现问题及时反馈。并且针对即将通过的南苑路等路段进行全新的空洞普查，以确保盾构掘进时路面的稳定。
6）进一步细化应急预案，配备必要而充足的应急物资。
在采取了以上措施后，并且经应急小组共同验收各项应急准备工作满足要求，盾构于停机第三天傍晚22时开始重新推进。
推进前，往土仓内注入了足够的高分子聚合物，并且带其搅拌均匀后，才开始正式推进。刚推进时，所出渣土中包含大量的泥水，后逐步稳定；待掘进到740环时，出土等参数已经恢复正常。整个掘进过程中，并未见到扔填的沙袋和浇注的混凝土，这表明当时对河底塌陷程度的判定是准确的，既是河底塌陷的最底处与刀盘顶面之间仍存在一层土体，河底并未塌陷至刀盘。
通过上述施工措施左线盾尾逐渐拖出河床，盾构过河工作顺利完成，也避免了一次重大涌水事故，事实表明应急小组的应急响应和处理措施是有效的。
6、经验教训
1）施工中务必充分估计地层变化的复杂性，不能麻痹大意，掉以轻心。
2） 险情出现后要立即停止掘进，关闭螺旋机闸门，加大盾尾油脂注入量。
3）当地层含水量变大时，膨润土和泡沫注入配比还没有调整，渣土含水量将明显增加，甚至出现喷涌现象，渣土斗内渣土会出现离析现象，如图2.2所示，一般出现这种情况时加大泡沫发泡率，泡沫总流量不变或略微降低，注入比较干的泡沫，地面膨润土搅拌站增加膨润土浓度，降低注入的总水量。
图2.2 渣土离析现象
4）重新建立刀盘面上部的覆盖层，通过采用膨润土与泡沫相结合在刀盘前分区式注入进行渣土改良，降低土体渗透系数，提高土体自稳能力，有效地控制盾构影响范围内的沉降，实现了盾构机在下穿河流渗漏段地层中的连续掘进，对不良地层的渣土改良，是事故成功处理的前提保证。
5）加强风险教育力度，增强作业人员责任心。进一步完善和细化风险管理体系，加强应急物资的配备和管理，务必把监控量测工作落实到实处。
三、结论与展望
通过对北京南城10号线二期石大盾构区间渗水事故的成功处理总结，渣土改良室内外试验研究提供的合理数据，为成功处理事故起到了保障作用，盾构过河工作顺利完成，避免了一次重大涌水事故，事实表明应急小组对本次事故的应急响应和处理，分析判断正确，处理措施及时，采用方法得当，本处理经验可作为类似工程的施工借鉴。
目前渣土改良研究与应用已得到业界重视。有关科研机构已经开始着手盾构机用渣土改良材料的研究试验工作，但是所获产品无检验试验标准，通过施工现场来检验，耗时长、花费人力、财力，产品开发周期长，且研究开发项目无统一规划，存在一定盲目性。因此，开展渣土改良技术研究，研发新型改良材料并制定相适应的标准、规范和评价方法，是保证盾构施工工艺得到全面应用和发展，确保盾构施工在不良地质条件下安全、快速、经济的必要前提。
论文作者:袁振国
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/8
标签：盾构论文; 地层论文; 凉水论文; 渣土论文; 河底论文; 隧道论文; 粘土论文; 《建筑模拟》2018年第1期论文;