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摘 要：为解决浅覆土强透水砂卵石地层大直径泥水盾构的接收难题,以常德沅江大直径泥水盾构隧道为依托,提出干接收施工技 术,采用端头加固区 RJP 超高压旋喷加固、端头垂直冻结、塑性混凝土连续墙施作的联合加固手段,提高端头加固区整体结构的稳 定性,为盾构接收创造条件。 在盾构干接收过程中,通过控制各项施工参数、精确掌握施工时机要点,保证盾构顺利穿越既有管线 及加固区,管线和地表最大沉降分别控制在 6 mm 和 5 mm 以内,确保盾构精确出洞。 在洞门钢环内安装洞门刷防止盾构出洞时土 体流失,同时增加盾构出洞过程中同步注浆量,并对管片进行槽钢连接固定,保证盾构出洞过程盾尾及支护安全。

0 引言

随着我国城市轨道交通的快速发展,城市地铁建设环境越来越复杂,盾构法作为高效机械化施工方法,具有对地表建筑物影响小、掘进快速、施工安全等优点,成为目前城市地铁建设的首选。 盾构始发和接收是盾构隧道整个施工过程的关键,也是整个施工过程风险最高的阶段,尤其是大直径泥水盾构接收过程中面临涌水涌砂、地表坍塌、卡机等风险。

近年来,水下盾构接收和钢套筒接收成为盾构接收的常用手段。 关于水下盾构接收,吴镇等依托济南轨道交通 R1 线提出了富水卵石层土压平衡盾构水下接收技术,弥补了常规加固方式加固效果的不足,保证了接收安全。 贲志江等提出了水泥土三轴搅拌 桩+高压旋喷桩+垂直冷冻固结的加固方式,保证了南 京地铁 10 号线大直径盾构的水下安全接收。 石泉彬 等研究了盾构端头土体加固方式、垂直局部冻结补 强加固封水方案,并通过实测证明了加固的可靠性。 胡俊对比高水压砂性地层盾构始发端头 3 种加固方 式,确定三轴深搅+垂直冻结加固方式的设计方案能 够形成较厚的冻结土墙,加固效果明显。 刘玉林等 提出富水砂层盾构采用三重管高压旋喷桩和冻结法加 固端头技术,保证水下盾构的顺利接收。 文献[8] 通 过人工冻结技术解决了盾构在含水土层施工出现涌水 涌砂的灾害问题,保证了施工进度。

国内外学者针对钢套筒接收相关技术也有较多研 究。 习鹏程等针对富水软弱地层盾构端头化学加 固不理想导致涌水涌砂的问题,提出采用液氮冻结二 次加固技术进行堵水加固。 赵亮等针对富水砂层 盾构接收,提出杯型水平冻结+钢套筒辅助接收方法。 胡浩睿等提出在富水砂层中采用钢套筒结合素混 凝土连续墙的接收技术,减小接收风险。 伍伟林等对无端头加固下的盾构钢套筒接收技术进行改进,保 证了盾构安全接收。 杨钊等提出了一种新型的盾 构接收洞门密封结构形式,提高了盾构接收过程的密 封效果。 

目前,水下盾构接收和钢套筒辅助接收在实际工程中应用较多,但施工工序较为复杂、周期长。 一旦盾构穿越环境极为复杂,如: 浅覆土盾构接收,极易出现洞口变形、井壁坍塌和地表过量沉降等灾害。 当接收端头为强透水地层时,盾构接收过程面临地下水大量涌入接收井、涌砂、坍塌等灾害,带来极大的施工危险,无法实现盾构安全接收。 因此,在浅覆土强透水地层盾构接收时,整个过程需要快速完成,接收时间越长发生危险的概率越大。 因此,本文依托常德沅江大直径泥水盾构隧道,提出一种适用于复杂环境,快速、高效、安全的浅覆土强透水砂卵石地层大直径泥水盾构干接收施工技术并在工程中成功应用。

1 工程概况

常德沅江大直径泥水盾构隧道接收井位于江北明挖段人民路与育才路交叉路口,结构型式为地下 3 层暗埋箱型框架结构,结构尺寸为 22 m×32. 5 m×16. 1 m(长×宽×高),顶板预留洞口尺寸为 17. 4 m×13. 15 m,基坑开挖深度 17. 6 m,围护结构采用 1. 2 m 厚钢筋混凝土地下连续墙,接收坡度为 3. 4%上坡,平面线型为半径 680 m 圆曲线。

工程采用 1 台直径 11. 71 m 的泥水平衡盾构进行施工,盾构接收端位于强透水卵石地层,地层含水量极大、补给范围广,卵石最大渗透系数为 120 m / d。 盾构 接收段最小覆土埋深为 4. 6 m,最大埋深 6. 40 m,隧道 管片外径 11. 3 m,不足 0. 5 倍洞径,属超浅埋隧道。 盾构接收端地层如图 1 所示,土体的物理力学参数如 表 1 所示。 接收端地面标高 33 m,东线及西线接收期 间沅江水位均为 30. 3 m,地下水受沅江补给作用明 显,上游若出现持续降雨,地下水位也会随着显著上 升,严重威胁盾构接收安全,盾构接收难度极大。

图 1 盾构接收端地层 (单位: m)

表 1 土体物理力学参数

2 盾构接收方式选择与施工流程

2. 1 浅覆土强透水砂卵石地层干接收与水下接收方式的比选

浅覆土强透水地层大直径盾构接收相较于普通盾构接收难度更大,接收过程中存在盾构卡机、地表坍塌、涌水涌砂等风险,盾构在选择接收方式时必须考虑如下 2 个因素:

1) 强透水地层接收时,为消除高水位风险,必须采取有效措施降低接收端水位,确保地下水静态水位满足接收条件;

2) 接收时间需要尽可能缩短,避免接收过程中水位突涨破坏冷冻墙,盾尾脱出后水位上升出现基坑回灌。

考虑到上述因素,结合接收基坑开挖施工经验,地下水位能降至盾构开挖面以下 3 m,且干接收时间明显较水下接收时间短,在冷冻管拔出后快速通过冷冻墙、盾尾脱出管片后可快速进行洞门二次密封,最终采用干接收方式。

2. 2 浅覆土强透水砂卵石地层接收流程

盾构接收井主体结构施工完成并清理后,进行加固区及接收基座施工。 在盾构推进至加固区前,端头旋喷加固,降水井、盐水冷冻完成施工,地层冷冻温度 达到预定值后,进行第 1 次洞门破除。 在上述施工达 到设计要求后,盾构步入加固区,推进至冷冻墙时,进 行第 2 次洞门破除,并对冷冻管进行第 1 次拔除,同时 启动抽水作业;盾构继续推进,刀盘穿过冷冻墙体进入 工作井,同步进行洞门封堵。 盾构逐步推进至预定位 置,及时进行洞门密封钢板安装,完成后第 2 次拔除冷 冻管,停止降水施工,盾构接收工作结束。 盾构接收流 程如图 2 所示。

图 2 盾构接收流程图

3 浅覆土强透水砂卵石地层干接收技术要点

3. 1 加固区技术控制要点

对于强透水砂卵石地层,为保证加固质量和施工安全,盾构接收井加固区长度要大于盾体长度,本工程盾构接收井端头纵向加固长度为 16 m,大于盾体长度13. 8 m。 盾构接收井围护结构采用 1 200 mm 厚地下连续墙,端头加固区 16 m 范围内采用 ϕ800 mm@ 600mm 高压旋喷桩、垂直冻结、600 mm 厚塑性混凝土连续墙联合手段对加固区进行强力加固和快速降水,为盾构接收提供条件。

3. 1. 1 端头 RJP 超高压旋喷加固

接收井加固区平面图如图 3 所示。 盾构接收井端头纵向加固长度为 16 m(盾体长度 13. 8 m),横向加固长度为 35. 9 m,旋喷桩竖向加固深度为 17. 6 m,距隧道下缘最小深度为 3 m,旋喷桩水泥掺入量为 25%,采用 P·O42. 5 级普通硅酸盐水泥。 加固范围内旋喷桩有效搭接,超高压旋喷加固无侧限抗压强度不小于1 MPa,旋喷加固体渗透系数小于 10-7cm / s。

3. 1. 2 塑性混凝土连续墙施工要点

如图 3 所示,加固区外侧设置 600 mm 厚的 U 型素混凝土地下连续墙,防止加固区旋喷桩浆液流失,同时也能够保证加固区内的相对封闭,提高盾构接收施工的安全性。

图 3 接收井加固区平面图 (单位: mm)

塑性混凝土地连墙接缝处采用锁口管接头,连续墙嵌入粉土层深度不小于 6 m,成槽深度约 34. 88 m。塑性混凝土 28 d 无侧限抗压强度不小于 1. 0 MPa,渗透系数 k≤1. 0×10-5cm / s。

3. 1. 3 素墙内布井降水

加固区内布置 3 排共 9 口降水井,降水井间距 3m,井深 27 m(未打穿基底隔水层),井管采用 ϕ273mm 钢管。 在降水井施工完成后,对端头加固区域进行降水试验,端头内部封闭较好,为盾构接收提供接收条件。 加固区降水井布置如图 4 所示。

图 4 加固区降水井布置图

3. 1. 4 端头冷冻

1)冻土强度的设计指标为单轴抗压强度不小于3. 6 MPa,抗折强度不小于 2. 0 MPa,抗剪强度不小于1. 5 MPa。

2)设计冻结壁的有效厚度为 2. 0 m,冻结壁设计平均温度为-10 ℃ ,冻结壁与墙体交界面处平均温度不高于-5 ℃ 。

3) 接收竖直冻结孔 2 排共 37 个( 单个冷冻计算),冻结孔开孔间距为 800 mm,排距为 800 mm;测温孔 4 个。 冻结孔深至隧道以下 3 m,冻结孔成孔最大控制间距为 1 100 mm。 冻结孔平面布置如图 5 所示。

图 5 冻结孔平面布置

其中,西线隧道累计冻结历时 40 d(东线隧道由于在 773 环出现桩基卡顿,冷冻时间较长),经计算冻结壁平均温度为-11. 82 ℃ (设计平均温度为-10 ℃ ),冻结壁厚度约 2. 4 m,已满足设计要求,冻结方面具备洞门破除及盾构接收条件。

3. 2 盾构接收过程掘进技术控制要点

3. 2. 1 掘进参数控制

根据盾构掘进工况及地质条件的不同,将盾构接收过程的掘进分为 3 个区段: 到达段、加固区及工作井内。

3. 2. 1. 1 到达段掘进(加固区前 50 m 处)

到达段地层主要以砂卵石为主,且在 817 环至820 环盾构相继穿越雨污水、自来水、燃气管线等风险源,下穿管线情况如表 2 所示。

表 2 到达段下穿管线情况

为保证盾构顺利穿越管线,安全进入加固区,掘进 速度控制在 15 mm / min,刀盘转速控制在 0. 8 rap,转 矩控制在 2 000 kN·m。 穿越管线期间每环通过径向 注浆孔注入克泥效,同步注浆量控制在 100% ~ 110%, 对既有管线等风险源进行实时监测。 如图 6 和图 7 所 示,GXC3-1、GXC3-2、GXC3-8、GXC3-9 为雨水管监 测点,GXC3-3、GXC3-10 为自来水监测点,GXC3-4、 GXC3- 5、 GXC3 - 11、 GXC3 - 12 为 污 水 管 监 测 点, GXC3-6、GXC3-7、GXC3-13、GXC3-14 为燃气管监测 点。 盾构安全穿过所有管线,其中东线及西线隧道穿 越时,管线的最大沉降量分别控制在 6、4 mm 以内。

图 6 东线隧道穿越管线期间沉降量(2018 年)

图 7 西线隧道穿越管线期间沉降量(2019 年)

3. 2. 1. 2 加固区掘进

为保证盾构安全通过加固区,在加固区掘进时速度要放缓至 5~10 mm / min,泥水压力根据监测数据及时调整并严格控制,保持低速度、小推力、小转矩连续推进。 加固区沉降量如图 8 和图 9 所示,DBC78-1 ~DBC78-7 为东线隧道加固区 7 个监测点,DBC71-8 ~DBC71-14 为西线隧道加固区的 7 个监测点,具体布置见图 3。 东线隧道加固区最大地表沉降量在 3 mm以内,西线加固区最大地表沉降量控制在 5 mm 以内。加固区穿越段,刀盘推力及转矩如图 10 所示,推力和转矩保持平稳,保证了盾构的持续安全掘进。

图 8 东线隧道加固区沉降量(2018 年)

图 9 西线隧道加固区沉降量(2019 年)

图 10 推力及转矩记录

3. 2. 1. 3 工作井内掘进

盾构刀盘破开洞门进入工作井后,切口压力逐步下调直至 0 kPa,继续向前推进,推进过程中屏蔽泥水循环,掘进速度控制在 20~ 25 mm,掘进过程中观察盾构同基座的位置关系。 如图 11 所示,推进完成后在拼装时需要及时在盾体左右两侧、刀盘前部和后配套台车轮位置焊接防扭支撑或填塞方木等,对机体固定防止盾构滑移。

图 11 防扭支撑和方木

3. 2. 2 姿态控制及贯通测量相结合

由于盾构接收段纵断面处于 3. 4%上坡段,在 700环至出洞段,平面线路为半径 680 m 的圆曲线,为保证盾构精确接收,在盾构到达段及加固区推进过程中,需要严格控制掘进姿态。

西线隧道推进过程中,818 环盾构姿态出现机头左飘现象,盾构姿态相对于设计轴线偏差逐渐增大。针对这种情况,采用克泥效单点注入,在中盾左侧偏下位置每环注入量控制在 1 m3 左右,以增加土体对盾构主机的左侧推力。 在推进过程中,屏蔽右侧油缸,增加左右两侧推力差值。 在推进过程中要严格控制推进速度(8~ 10 mm / min),避免速度过快,影响纠偏。 经过逐步调整,待西线隧道推进至 831 环,盾构姿态已经明显纠正(如图 12 所示),保证了盾构的顺利出洞,主机可以步入钢基座。

图 12 西线接收期间盾构姿态

3. 2. 3 同步注浆及二次注浆控制

1)同步注浆及克泥效注入。 当盾构推进最后 10环时,为提高浆液加固效果和早期强度,控制同步注浆初凝时间不超过 6 h,固结体强度不小于 0. 2 MPa / d,28 d 不小于 1. 0 MPa,减小盾构接收前的地层变形,防止出现卡机等危险。

2)素墙区域环箍注浆及加固区二次注浆。 为保证接收端加固区隔水效果,当盾构进入加固区后,塑性混凝土墙前后 6 环管片通过二次注浆形成环箍来保证加固区止水效果,该管片每环预留 22 根注浆孔,方便环箍二次注浆施工。 由于盾构接收时同步注浆浆液仍在凝固过程中,可能存在局部不均匀、浆液的凝固收缩和浆液的稀释流失,为提高背衬注浆层的防水性及密实度,有效填充管片后的环形间隙,根据监测结果,必要时对加固区其他管片进行二次补强注浆。 施工时采用地表沉降监测信息反馈,结合洞内管片沉降和渗漏水情况,综合判断是否需要进行二次补强注浆,二次补强注浆材料以水泥浆和水玻璃为主。 注入过程中观察注入压力避免浆液进入盾尾。

3. 2. 4 切口压控制

由于盾构接收段属于浅覆土,需严格控制切口压,根据实际掘进工况及时进行调整,尤其是在刀盘开始进入冷冻区时,需要及时调整切口压,逐步降低液位,避免刀盘提前破土,泥浆大量进入接收井。

3. 2. 5 接收环管片拼装及加固

为防止盾构出洞时管片发生严重错位,接收环管片(内部预埋钢板)通过槽钢纵向连接形成受力整体,消除管片错位影响,具体做法如下: 1)选择合适的位置连接; 2)圆钢嵌入管片; 3)连接钢板固定; 4)焊接连接槽钢。

如图 13 和图 14 所示,东线隧道接收环管片加固仅使用连接板进行连接,出现接收环管片开裂情况,而西线隧道使用连接板并焊接槽钢,管片未出现开裂。

图 13 东线接收环管片开裂

图 14 西线接收环

3. 3 冷冻管拔除及降水时机选择要点

盾构刀盘距离冷冻墙 2 m 时,开始进行冷冻管拔除,开挖范围内拔除完毕待恢复二次冷冻后,开启 3 口降水井。 地面人员每半小时对降水井液位进行监测并汇报,在盾构上观察气泡舱液位、降水井有无泥浆,将水位降至洞门以下 3 m。

盾构未进入加固区前,再次对加固区内进行抽水试验,加固区内地下稳定水位约 5. 2 m,在开启 5 口降水井、抽水 8 h 后,加固区观察井地下水位下降至地面以下 18. 9 m(预埋钢环底位于地面以下 16. 3 m);抽水 18 h,水位下降至地面以下 21. 2 m(刀盘开挖面以下约 5 m)。 停泵后,约 7 h 地下水位恢复到地面以下5. 2 m,降水效果能够满足施工要求。

由于地下水压大、水头高,为减少接收时洞门涌水风险。 在盾构掘进至冷冻墙体附近时,开始在端头井内进行井管降水,将地下水位控制在盾构洞门以下,至临时洞门封堵完成后,停止降水。

3. 4 洞门破除时机及刀盘顶出冷冻墙技术要点

洞门破除施工安排在冷冻完成后、盾构具备接收条件时。 洞门破除前,先在洞门环中部及底部布置 5个水平探孔,对加固情况进行检测。 探孔无明水流出,土体与支护结构界面处温度满足设计要求后,进行洞门破除施工。 打探测孔时,应避开冷冻管位置,贯入土体深度根据实际情况而定。

3. 5 洞门环安装洞门刷

在盾构出洞的过程中,由于工作井洞门圈与盾构外壳间存在一定的间隙(盾尾外径 11. 69 m,洞门圈内径 12. 2 m,间隙单边 255 mm),为了防止盾构出洞时土体流失,同时增加盾构出洞过程中同步注浆量,在盾构接收井钢环内焊接一道洞门刷,如图 15 所示。 盾体通过洞门刷(见图 16)时及时在洞门刷下部填塞方木用于支撑洞门刷。

图 15 接收井钢环内洞门刷安装图

图 16 盾体通过洞门刷

3. 6 准确核算末环管片同洞门的位置关系

盾构刀盘破除洞门后根据油缸行程及主机长度推算末环管片位置,判断末环管片距离钢环位置长度,便于二次密封钢板的焊接。

3. 7 洞门二次注浆

密封钢板焊接完成后及时注入砂浆并进一步对管片孔隙位置填实。

3. 8 混凝土基座与钢基座使用

东线隧道接收基座采用 C30 钢筋混凝土进行浇筑,基座尺寸形式与隧道轴线坡度一致,盾构出洞过程中利用基座上预留轨道进行滑行,使得基座与盾构基本吻合。 接收基座分 2 列 6 块,在盾体与盾尾环缝、盾尾纵缝处预留沟槽,槽宽 1 m,方便盾构拆解作业。 基座顶部两侧预留通长 30 cm 宽槽钢。

西线盾构接收基座采用钢制托架进行施工,基座长 13. 6 m,宽 11. 2 m,托架中间位置采用 20#工字钢梁进行有效连接。 盾构接收过程中根据盾体角度合理设置 2 根钢轨并顺延至洞门钢环处,钢基座两侧与结构侧墙、中隔墙采用 20#工字钢进行有效焊接,每道间距 50 cm,尾部与明挖段结构端墙利用壁厚 1 cm 的钢管进行对顶支撑,对基座底部与混凝土基础预留钢板继续焊接加固。 考虑到接收基座导轨按照角度为74. 85°,大于底部盾体、盾尾分块角度,在盾构到达拆机位置后对底部盾体、盾尾进行支撑加固,确保盾构拆解安全。 另外,考虑到盾构接收时纵向坡度为 3. 4%,需在钢基座底部施工 C40 钢筋混凝土基础。

4 结论与建议

本文提出了浅覆土强透水砂卵石地层盾构干接收施工技术,并在常德沅江大直径泥水盾构隧道施工中成功应用,积累了大直径泥水盾构到达接收技术经验,主要结论如下:

1)接收端头加固采用 RJP 超高压旋喷工艺,确保 加固效果。 施作塑性混凝土连续墙,创造降水条件,在 素墙区域通过环箍注浆加强了隔水效果。 采用垂直冻 结技术施作端头冷冻墙,提供破除洞门的条件,确保了 洞门破除到贯通整个过程的施工安全。

2)严格控制盾构掘进参数、同步注浆参数,改进 管片加固方式,安装洞门刷,保证盾构顺利穿越管线及 加固区直至顺利步入基座。 盾尾脱离管片后及时焊接 密封钢板,封闭洞门后进行一系列措施消除了盾构接 收的风险。

3)盾构采用干接收较水下接收施工工期节约 7 d 且后期盾构拆解节约 3 d。 西线隧道通过采用钢基座 接收较东线隧道采用混凝土基座接收在后期土建施工 方面节约工期约 7 d,提高了施工效率,减小了接收 风险。

4)未来更大直径乃至超大直径盾构隧道的工程 接收难题及更加极端的盾构接收条件,将给盾构接收 段地层的加固技术和盾构精确、快速接收技术带来更 大的挑战。 浅覆土强透水砂卵石地层大直径泥水盾构 干接收施工技术需要进一步巩固和优化,不断创新,逐 步提高盾构接收技术,为我国盾构隧道发展提供更加 有力的技术支撑。

摘自《隧道建设》