富水卵石層土壓平衡盾構(gòu)水下接收技術(shù)

吳 鎮(zhèn)， 耿傳政， 王 磊

(1. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 250022； 2. 中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

盾構(gòu)始發(fā)與接收是盾構(gòu)法隧道施工過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，特別是盾構(gòu)接收，施工風(fēng)險(xiǎn)高，是事故發(fā)生頻次較高的階段。在國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)過程中常用的接收方法為接收井端頭土體改良加固接收[1-4]，近幾年鋼套筒接收及水下接收等新型技術(shù)在部分城市軌道交通工程及超大型泥水盾構(gòu)過江隧道中得到應(yīng)用。朱世友等[5]基于相關(guān)工程材料和研究成果，提出加固方案庫，通過程序構(gòu)建一套自動(dòng)推理方法，根據(jù)輸入條件可提出合理的加固方案；趙亮等[6]、丁國勝[7]針對(duì)富水砂層中盾構(gòu)接收提出了水平凍結(jié)+鋼套筒輔助接收方法；邢慧堂[8]、葸振東等[9]、徐延召[10]介紹了超大型泥水盾構(gòu)水中接收關(guān)鍵技術(shù)；賁志江等[11-12]對(duì)地鐵過江隧道大型泥水盾構(gòu)接收方式及水下接收技術(shù)進(jìn)行了研究；肖衡等[13]對(duì)富水卵石層中土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒接收關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹；段鋒等[14]針對(duì)無水卵石層中盾構(gòu)接收提出了素樁加固的方法；雷金山等[15]基于板塊強(qiáng)度理論對(duì)砂卵石地層端頭合理縱向加固長度進(jìn)行了研究。經(jīng)過前人研究和實(shí)踐，在盾構(gòu)接收方面取得了重要的成果和經(jīng)驗(yàn)，但截至目前未見富水卵石層中土壓平衡盾構(gòu)水下接收的相關(guān)報(bào)道。本文結(jié)合濟(jì)南軌道交通R1號(hào)線大楊站小里程端盾構(gòu)水下接收的工程實(shí)例，介紹土壓平衡盾構(gòu)水下接收技術(shù)。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通R1號(hào)線區(qū)間風(fēng)井—大楊站區(qū)間線路沿黨楊路向北到達(dá)大楊站。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，為標(biāo)準(zhǔn)單洞單線圓形斷面，管片內(nèi)徑為5.8 m，外徑為6.4 m，厚度為0.3 m，環(huán)寬為1.2 m。該段區(qū)間左右線分別采用1臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)施工，由區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，在大楊站接收。接收端頭隧道線間距為17 m，地面標(biāo)高為32.5 m，隧道底部標(biāo)高為15.4 m，隧道覆土厚度為10.7 m。

大楊站位于經(jīng)十西路與黨楊路、齊魯大道相交處，是R1線與規(guī)劃M3線的換乘站。車站采用明挖法施工，接收端為地下3層結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)在負(fù)2層進(jìn)行接收，接收底部澆筑臨時(shí)板，作為接收下沉井使用。車站主體結(jié)構(gòu)頂板覆土為2.8～4.1 m，與M3線換乘節(jié)點(diǎn)處底板埋深約為26 m。

接收端頭上方存在臨時(shí)改遷的220 kV供電管溝、DN1000給水管、DN1000雨水管及綜合電信管線若干，管線均于端頭加固完成后遷改至現(xiàn)位置。車站端頭南鄰交通導(dǎo)改后的經(jīng)十路，為濟(jì)南市貫穿東西的主干道，交通量極大。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)詳勘報(bào)告，大楊站接收端頭場地揭露的地層自上而下分別為①1雜填土、①2素填土、⑦黃土、⑧粉質(zhì)黏土、⑧3粉土、⑧1卵石、⑩4黏土、⑩粉質(zhì)黏土。各層土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

大楊站南端頭地處濟(jì)西水源地，隧道拱頂覆土為10.95 m，區(qū)間左右線隧道洞身均處在⑧粉質(zhì)黏土層中，隧道底部以下0.5 m為⑧1卵石層。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

2.2 水文地質(zhì)條件

車站接收端頭處勘察揭露地下水主要為潛水和承壓水。潛水的含水層主要為⑧粉質(zhì)黏土和⑩粉質(zhì)黏土，承壓水的含水層主要為⑧1卵石層。潛水的現(xiàn)狀水位標(biāo)高為25.82 m，位于地面下6.88 m。承壓水的水頭標(biāo)高為27.08 m，水頭埋深為5.62 m，水頭高度為12.35 m。

3 原設(shè)計(jì)方案存在問題及解決措施

3.1 原設(shè)計(jì)方案

車站端頭加固采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁+φ800 mm@600 mm外圍單排素咬合樁止水帷幕+6口備用降水井。大楊站端頭加固如圖1所示。旋噴樁加固體長度為9 m，加固范圍為隧道結(jié)構(gòu)周圈3 m。外圍套管咬合素樁插入⑩4黏土層約3.3 m，位于隧道結(jié)構(gòu)以下6 m；咬合素樁與地下連續(xù)墻接口位置處采用φ800 mm@600 mm旋噴樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，旋噴樁長度與套管咬合素樁等長。加固體外側(cè)和中部的降水井井底位于隧道結(jié)構(gòu)底板下8 m，埋深為25.3 m。

3.2 現(xiàn)場存在的問題及原因分析

洞門破除前進(jìn)行洞門水平取芯(鑒于大楊站基坑開挖及管線遷改的緊迫性，加固效果未及時(shí)取芯驗(yàn)證)，取芯鉆孔呈梅花形布設(shè)，共11個(gè)。通過取芯發(fā)現(xiàn)，洞門下半斷面鉆孔中存在涌水現(xiàn)象，水量較大?，F(xiàn)場探孔涌水情況如圖2所示。

根據(jù)鉆孔取芯揭露的地質(zhì)情況并結(jié)合降水井成井過程中的地質(zhì)記錄，發(fā)現(xiàn)左右線隧道洞身及下方均存在厚度達(dá)9 m的⑧1卵石層，與地勘報(bào)告中揭露卵石層厚度2 m相差較大。端頭加固體中外圍素樁實(shí)際沒有完全插入⑩4黏土層，未能完全隔斷卵石層中地下水的水平補(bǔ)給。

3.3 解決措施

考慮到隧道洞身范圍內(nèi)及以下存在較厚的卵石地層，結(jié)合降水情況發(fā)現(xiàn)該地層滲透系數(shù)及水量均較大，洞門破除及盾構(gòu)進(jìn)洞接收期間存在洞門涌水風(fēng)險(xiǎn)，分析本工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，采取如下措施。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖圖1 大楊站端頭加固圖(單位： mm)Fig. 1 End soil reinforcement of Dayang Station (unit: mm)

1)采用液氮垂直凍結(jié)，在洞門背后形成一道連續(xù)的凍結(jié)壁，封堵地下水，同時(shí)優(yōu)化洞門破除工藝流程，降低洞門破除過程中的涌水風(fēng)險(xiǎn)。

2)在盾構(gòu)接收井內(nèi)澆筑臨時(shí)擋水墻，采用水下接收，降低盾構(gòu)接收期間的涌水風(fēng)險(xiǎn)。

3)做好施工監(jiān)測及施工應(yīng)急預(yù)案，動(dòng)態(tài)調(diào)整盾構(gòu)接收過程中的掘進(jìn)參數(shù)。

4)在盾構(gòu)接收過程中，控制同步注漿質(zhì)量，并做好二次及多次補(bǔ)強(qiáng)注漿，封堵地下水。

5)盾構(gòu)接收完成后，將常規(guī)的內(nèi)置式洞門調(diào)整為外凸式洞門，避免內(nèi)置式洞門位置處破除管片時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 盾構(gòu)水下接收技術(shù)

4.1 水下接收施工流程

在盾構(gòu)接收前及接收過程中，應(yīng)合理安排液氮垂直凍結(jié)、洞門鑿除、擋水墻施作及注水、盾構(gòu)掘進(jìn)、凍結(jié)管拔除等各個(gè)工序，做好工序銜接，確保接收安全。盾構(gòu)接收施工工藝流程如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)接收施工工藝流程圖Fig. 3 Flowchart of shield receiving

4.2 擋水墻及臨時(shí)板支撐

由于臨時(shí)中板原設(shè)計(jì)僅考慮了盾構(gòu)荷載及部分附加人行荷載，未考慮注水的影響，故臨時(shí)板下澆筑混凝土支撐柱，提升臨時(shí)板豎向載荷的承載能力。柱子縱向間距為3.7 m，設(shè)置3排，橫向間距為3.5 m，每排設(shè)置4根。支撐柱尺寸為1 000 mm×700 mm，柱子內(nèi)配4根鋼管(直徑48 mm、壁厚3.1 mm)，混凝土等級(jí)為C40。

圖4 擋水墻及板下支撐柱布置圖(單位： mm)

Fig. 4 Layout of water retaining wall and under-supporting column (unit: mm)

4.3 盾構(gòu)接收基座

考慮到盾構(gòu)水下接收，常用的鋼制或混凝土接收臺(tái)對(duì)盾構(gòu)接收掘進(jìn)的控制精度要求相對(duì)較高，故本次盾構(gòu)接收基座采用M7.5水泥砂漿基座?；诙軜?gòu)井內(nèi)為矩形結(jié)構(gòu)，基座寬度與接收井同寬。基座厚度為1.6 m，盾構(gòu)切削水泥砂漿的最大厚度為0.8 m。長度方向比接收井短1.2 m，是為了防止盾構(gòu)在剛出洞門進(jìn)入接收井時(shí)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)破壞簾布橡膠板，盾構(gòu)在通過該1.2 m范圍時(shí)，刀盤處于靜止?fàn)顟B(tài)。盾構(gòu)接收基座剖面如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)接收基座剖面圖(單位： mm)Fig. 5 Profile of shield receiving base (unit: mm)

4.4 端頭凍結(jié)加固

在原旋噴樁加固地層中利用垂直凍結(jié)孔液氮凍結(jié)進(jìn)行加固地層，使地下連續(xù)墻外側(cè)形成不透水的凍結(jié)壁，凍結(jié)壁起封水作用和承載作用，為盾構(gòu)接收鑿除洞門提供條件。

凍結(jié)孔數(shù)量及布置： 采用垂直凍結(jié)孔單排布置，間距為700 mm，每個(gè)端頭布置凍結(jié)孔15個(gè)、測溫孔2個(gè)。凍結(jié)管距離既有地下連續(xù)墻300 mm。

根據(jù)測溫孔溫度計(jì)算凍結(jié)壁平均溫度為-17.3 ℃，實(shí)際凍結(jié)壁帷幕厚度達(dá)2.36 m。

凍結(jié)體圓板中心處所承受的側(cè)向水土壓力

(1)

凍結(jié)體強(qiáng)度按照彈性薄板理論進(jìn)行檢算。在側(cè)向水土壓力作用下凍結(jié)體圓板中心處最大彎拉應(yīng)力

0.28 MPa<2.0 MPa。

(2)

在側(cè)向水土壓力作用下凍結(jié)體圓板支座處最大剪應(yīng)力

(3)

式(2)—(3)中：D為洞口直徑，m；t為凍結(jié)壁厚度，m；μ為凍結(jié)體泊松比。

通過計(jì)算可知，2.36 m凍結(jié)壁帷幕厚度可滿足凍結(jié)體強(qiáng)度要求，能夠保證洞門鑿除的安全。

4.5 洞門鑿除

大楊站接收端洞門處地下連續(xù)墻槽段長度為6 m，豎向主筋的混凝土保護(hù)層內(nèi)外側(cè)厚度均為70 mm，采用C35水下混凝土。配筋洞門處地下連續(xù)墻配筋及連接節(jié)點(diǎn)如圖6所示。地下連續(xù)墻槽段間采用888 mm×500 mm×14 mm×12 mm工字型止水鋼板連接，左、右線隧道洞口范圍內(nèi)工字鋼連接節(jié)點(diǎn)分別為1處和2處。

圖6 洞門處地下連續(xù)墻配筋及連接節(jié)點(diǎn)圖(單位： mm)

Fig. 6 Reinforcement and connection nodes of underground diaphragm wall out of tunnel (unit: mm)

盾構(gòu)接收前，對(duì)接收洞門范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工分層鑿除。為降低洞門破除對(duì)液氮凍結(jié)的影響，避免洞門發(fā)生涌水涌泥風(fēng)險(xiǎn)，洞門位置處地下連續(xù)墻分3次鑿除，每次鑿除的厚度分別為10、50、40 cm。為防止盾構(gòu)進(jìn)入凍結(jié)加固區(qū)后刀盤凍結(jié)，整個(gè)洞門破除過程中應(yīng)保證刀盤與凍結(jié)加固區(qū)之間凈距大于2 m。洞門破除完畢后，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)情況及時(shí)拔除凍結(jié)管。當(dāng)凍結(jié)管拔除完畢，盾構(gòu)刀盤到達(dá)凍結(jié)加固區(qū)外邊緣時(shí)，開始向明洞內(nèi)注水，明洞水位線應(yīng)與外部降水穩(wěn)定水位線齊平。

4.6 盾構(gòu)掘進(jìn)模式及掘進(jìn)參數(shù)

為確保盾構(gòu)整個(gè)接收過程的安全，根據(jù)刀盤切削外圍套管咬合素樁、旋噴樁、凍結(jié)加固區(qū)、地下連續(xù)墻外邊緣至砂漿基座范圍、砂漿基座區(qū)等5個(gè)不同區(qū)域(Ⅰ—Ⅴ區(qū))設(shè)定不同的掘進(jìn)模式及掘進(jìn)參數(shù)。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及掘進(jìn)模式分區(qū)控制如表2所示。Ⅰ—Ⅲ區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中考慮到掌子面存在水土壓力，采用與常規(guī)地段相同的全土壓掘進(jìn)模式；Ⅳ—Ⅴ區(qū)掌子面為全水壓力，采用全土壓掘進(jìn)模式螺旋輸送機(jī)不能形成“土塞”效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，故采用封閉掘進(jìn)模式。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)均是通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推算，然后根據(jù)現(xiàn)場掘進(jìn)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行修正總結(jié)。盾構(gòu)在不同區(qū)域掘進(jìn)的示意圖如圖5所示。

表2盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及掘進(jìn)模式分區(qū)控制表

Table 2 Shield tunneling parameters and tunneling mode corresponding to partition control

掘進(jìn)區(qū)域土艙壓力/MPa盾構(gòu)推力/kN掘進(jìn)速度/(mm/min)刀盤轉(zhuǎn)速/(r/min)掘進(jìn)模式 Ⅰ區(qū)(素樁加固區(qū))≤0.01≤1×106101 全土壓掘進(jìn)模式 Ⅱ區(qū)(旋噴樁加固區(qū))≤0.05≤8×10510～201 全土壓掘進(jìn)模式 Ⅲ區(qū)(凍結(jié)加固區(qū))≤0.01≤3×105101 全土壓掘進(jìn)模式 Ⅳ區(qū)(地下連續(xù)墻外邊緣至砂漿基座邊緣范圍區(qū))≤0.01≤1×105100 封閉掘進(jìn)模式,關(guān)閉螺旋輸送機(jī) Ⅴ區(qū)(砂漿基座區(qū))≤0.01≤1×105100.5 封閉掘進(jìn)模式,關(guān)閉螺旋輸送機(jī)

4.7 同步注漿及補(bǔ)強(qiáng)注漿

盾構(gòu)自進(jìn)入加固區(qū)至接收完成整個(gè)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制同步注漿質(zhì)量，封堵管片與加固區(qū)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體接收之間的孔隙，避免涌水現(xiàn)象發(fā)生。同步注漿采用水泥砂漿，膠凝時(shí)間控制為3～6 h，注漿壓力為0.3 MPa，固結(jié)體強(qiáng)度1 d不小于0.2 MPa，28 d不小于2.5 MPa，注漿量控制為構(gòu)筑空隙的1.3～2.5倍。待盾構(gòu)接收完成后，進(jìn)行洞內(nèi)二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，注漿壓力一般為0.3～0.4 MPa，注漿范圍為洞門內(nèi)10環(huán)。若在后續(xù)施工過程中發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿，直至無滲水、漏水現(xiàn)象。

4.8 洞門外凸式環(huán)梁設(shè)計(jì)

靠近洞口處3環(huán)管片背后注漿凝固后，開始現(xiàn)澆洞門環(huán)梁，環(huán)梁混凝土型號(hào)為C40。考慮到洞門范圍內(nèi)分布有卵石層，且地下水具有承壓性，同時(shí)受接收端頭上方管線及城市主干道變形控制的影響，將左右線洞門后澆環(huán)梁做成外凸式。使得拆除或切割后最后一環(huán)管片端部距離內(nèi)襯墻內(nèi)皮為4 cm，然后通過向管片、內(nèi)襯墻植筋方式保證兩者之間的連接。外凸式環(huán)梁現(xiàn)場施工情況如圖7所示。

圖7 外凸式洞門實(shí)物圖Fig. 7 Outer convex portal

4.9 現(xiàn)場接收效果

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，盾構(gòu)在接收過程中管線最大沉降為1.41 mm，地表、管線及道路均未出現(xiàn)異常，沒有出現(xiàn)涌水、涌泥等現(xiàn)象，盾構(gòu)順利完成接收?，F(xiàn)場盾構(gòu)接收實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場盾構(gòu)接收實(shí)物圖Fig. 8 Shield receiving photo

5 結(jié)論與建議

1)富水卵石層中盾構(gòu)接收可按照洞門破除和盾構(gòu)接收2個(gè)階段進(jìn)行考慮。在巨厚富水卵石層中盾構(gòu)接收，常規(guī)加固措施無法保證加固效果時(shí)，建議采用水下接收方式。

2)為確保破除地下連續(xù)墻后洞門的安全，采取地面垂直凍結(jié)對(duì)墻后土體進(jìn)行加固，防止鑿除過程中產(chǎn)生涌水、涌泥現(xiàn)象，并通過優(yōu)化洞門鑿除工序，視情況分層分塊鑿除，以降低洞門鑿除的風(fēng)險(xiǎn)。

3)盾構(gòu)接收階段采取水下接收方案，使洞門內(nèi)外側(cè)水土壓力得到平衡，防止突水、突泥現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)刀盤從開始進(jìn)入外圍素樁至最后完成砂漿基座切削整個(gè)過程中，盾構(gòu)采用不同的掘進(jìn)模式，保證了土壓平衡盾構(gòu)水下接收的順利實(shí)施，成功解決了富水卵石層中土壓平衡盾構(gòu)的接收難題。

4)外凸式洞門后澆環(huán)梁設(shè)計(jì)減小了洞門永久封堵的施工風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)洞門處于復(fù)雜地質(zhì)條件，采用內(nèi)置式洞門位置處管片破除風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，該種做法可推廣應(yīng)用。

5)由于本次臨時(shí)改變?yōu)樗陆邮辗桨?，總體的費(fèi)用比較高，而且其中液氮凍結(jié)費(fèi)用所占比例達(dá)70%。遇到類似情況接收，建議在洞口范圍內(nèi)采用玻璃纖維筋。針對(duì)長大鋼筋籠，為防止吊裝過程中產(chǎn)生過大變形，建議對(duì)鋼筋籠剛度保護(hù)措施進(jìn)行研究。另外，優(yōu)化地下連續(xù)墻施工工藝，加大槽段長度，使得工字鋼連接節(jié)點(diǎn)位于洞口范圍以外，或者調(diào)整地下連續(xù)墻接頭形式，可避免鑿除洞門風(fēng)險(xiǎn)，不必進(jìn)行端頭凍結(jié)加固，直接進(jìn)行水下接收。