軟弱富水砂層地質(zhì)條件下土壓平衡盾構(gòu)接收施工技術(shù)

溫良濤

(中交三公局工程總承包分公司,北京 100123)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，盾構(gòu)法施工以其安全性和高效性在城市地鐵隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)接收是盾構(gòu)施工過(guò)程中最主要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之一，尤其是在軟弱富水砂層地質(zhì)中盾構(gòu)施工、安全接收、對(duì)周邊建筑物的保護(hù)、地面沉降的控制是施工中的難點(diǎn)[1-15]。本文以福州地鐵2號(hào)線桔園洲站—洪灣站區(qū)間盾構(gòu)接收施工為背景[16]，探討在軟弱富水砂層地質(zhì)條件下盾構(gòu)接收施工技術(shù)，為類似地質(zhì)條件下施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

福州市地鐵2號(hào)線桔園洲站—洪灣站區(qū)間在桔園洲站始發(fā)，沿金祥路由西向東洪灣站接收。區(qū)間隧道兩側(cè)主要為商鋪、居民小區(qū)，北側(cè)為橫江渡河，與本區(qū)間平行向東。區(qū)間設(shè)計(jì)起終點(diǎn)里程為Y(Z)DK20+853.339～Y(Z)DK21+284.215，區(qū)間右線長(zhǎng)430.882 m、區(qū)間左線長(zhǎng)430.076 m(左線長(zhǎng)鏈0.193 m)。線路出桔園洲站后左右線分別以2‰上坡，之后以3.997‰、4‰上坡，最后以4.22‰下坡接入洪灣站，線間距14 m，隧道埋深9.2～9.6 m。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。

區(qū)間隧道襯砌采用通用的楔形環(huán)錯(cuò)縫拼裝(雙面楔形環(huán))，管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，環(huán)寬1.2 m，管片厚度為350 mm。管片為鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P10，鋼筋采用HPB300、HRB400熱軋鋼筋。

管片環(huán)縫與縱縫采用雙頭M30鍍鋅彎螺栓連接，機(jī)械性能等級(jí)為6.8級(jí)，每環(huán)管片縱縫共12根螺栓， 每個(gè)環(huán)縫16根螺栓。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，區(qū)間隧道通過(guò)及影響范圍內(nèi)地層由上至下分別為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粗中砂(稍密)、粗中砂(中密)、淤泥質(zhì)土，局部為粉細(xì)砂〈2-5-1〉，粗中砂層厚約14 m。

粗中砂為飽和性砂土，松軟，富含承壓水，易產(chǎn)生涌水、涌砂，極易坍塌變形；粉土、粉質(zhì)粘土為殘坡積層，硬塑，性質(zhì)較好。

1.3 水文概況

場(chǎng)地地下水主要為潛水(二)和基巖裂隙水(四)。潛水水位埋深1.00～4.10 m，水位標(biāo)高3.85～6.93 m，主要分布于淤泥夾砂層、粉細(xì)砂層和粗中砂層中；基巖裂隙水賦存于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(碎塊狀)層, 場(chǎng)地本層水埋深較大，對(duì)本工程影響較小。

區(qū)間隧道施工為全斷面富水粗中砂層，地下水水位高，地層滲透系數(shù)大，施工中極易產(chǎn)生涌水、涌砂及開挖面失穩(wěn)。

2 盾構(gòu)接收施工風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)類似地層盾構(gòu)接收施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況及場(chǎng)地條件進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)分析。在富水砂層盾構(gòu)接收施工中，盾構(gòu)接收端頭加固方案選擇及加固效果的檢測(cè)至為關(guān)鍵，將直接影響盾構(gòu)接收施工安全。

本工程盾構(gòu)接收施工風(fēng)險(xiǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

(1)在富水砂層地質(zhì)中，盾構(gòu)接收時(shí)姿態(tài)控制不好易發(fā)生“磕頭”等事故，造成盾構(gòu)刀盤周邊損傷洞圈密封橡膠帶，致使洞門密封止水裝置失效發(fā)生涌水、涌砂事故。

(2)本工程盾構(gòu)施工為全斷面粗中砂層，地下水位高。若端頭加固范圍及加固深度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，加固質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，盾構(gòu)接收施工極易發(fā)生涌水、涌砂事故。

(3)富水砂層流動(dòng)性大，一旦發(fā)生涌水、涌砂風(fēng)險(xiǎn)，將造成地面塌陷，危及周邊建筑物安全[13]。

(4)盾構(gòu)接收端頭位于市政主干道金祥路，地下管線多而雜，其允許變形較小且具有較大的不確定性，盾構(gòu)接收施工中，地下管線的安全保護(hù)是主要風(fēng)險(xiǎn)之一。

(5)盾構(gòu)接收時(shí)，需提前鑿除預(yù)留洞口處圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻，而后由盾構(gòu)刀盤切削洞口加固土體進(jìn)入洞圈密封裝置，此過(guò)程中洞口土體及加固土體暴露時(shí)間較長(zhǎng)，且受前期工作井施工方法及其施工擾動(dòng)影響，容易因加固土體或洞圈密封裝置的缺陷而發(fā)生洞口水土流失或坍方。

3 盾構(gòu)接收前施工準(zhǔn)備措施

3.1 盾構(gòu)接收端頭加固

盾構(gòu)接收時(shí)須提前破除盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)——地下連續(xù)墻，為確保盾構(gòu)接收時(shí)暴露出來(lái)的盾構(gòu)掌子面穩(wěn)定，保證盾構(gòu)接收端土體有良好的自穩(wěn)性和密實(shí)性，使接收洞口土體在洞門破除時(shí)不坍塌，以免造成地下水及砂土涌入工作井，需提前對(duì)接收端頭土層進(jìn)行加固。

原接收端頭加固初步設(shè)計(jì)為：(1)U形素墻深度為20.8 m，墻底在透水層粗中砂層中，未能有效隔斷止水帷幕內(nèi)外地下水聯(lián)系；(2)原端頭加固止水帷幕內(nèi)設(shè)置2口?273 mm降水井；(3)原素墻止水帷幕內(nèi)三軸攪拌樁地層加固地面以下6.6 m為弱加固區(qū)域，水泥摻量為7%；盾構(gòu)隧道外邊線各3 m為強(qiáng)加固區(qū)，水泥摻量為15%，現(xiàn)場(chǎng)施工操作時(shí)難以區(qū)分強(qiáng)弱加固區(qū)。

根據(jù)施工地質(zhì)實(shí)際情況，洪灣站接收端頭加固設(shè)計(jì)方案調(diào)整如下：

(1)在車站端頭采用800 mm厚素砼地下連續(xù)墻形成封閉止水帷幕，素砼地連墻深度約29 m，素墻墻底進(jìn)入不透水層淤泥質(zhì)土層中2 m，有效阻隔止水帷幕內(nèi)外地下水的聯(lián)系，使止水帷幕內(nèi)降水井降水施工達(dá)到預(yù)定效果。每相鄰地連墻幅段接縫處設(shè)置3根?800@600三重管旋噴樁止水，深度與地連墻深度相同。

(2)素墻止水帷幕內(nèi)采用?850@600三軸攪拌樁對(duì)盾構(gòu)施工范圍地層進(jìn)行加固，加固深度為地面至盾構(gòu)隧道底下3 m，加固長(zhǎng)度約9 m，取消地面以下6.6 m弱加固區(qū)域。攪拌樁加固區(qū)水泥摻量15%；水灰比均為1.0。施工中，應(yīng)保持?jǐn)嚢铇稒C(jī)底盤的水平和導(dǎo)向架的豎直，攪拌樁垂直度偏差≯L/200(L為樁長(zhǎng))，樁定位偏差≯50 mm。攪拌樁鉆進(jìn)攪拌速度0.8 m/min，提升攪拌速度1.2 m/min。為保證樁端成樁質(zhì)量，攪拌樁鉆頭下到設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)坐底噴漿≮30 s并重復(fù)攪拌噴漿。

(3)車站主體結(jié)構(gòu)地連墻與素砼墻圍閉內(nèi)側(cè)設(shè)置一排?800@600三重管旋噴樁密貼主體結(jié)構(gòu)地連墻止水。水灰比0.8～1.0，施工控制參數(shù)如下：空氣壓力0.7 MPa，漿液壓力3 MPa，水壓25 MPa，提升速度10 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度10 r/min，漿液流量100 L/min。施工過(guò)程中出現(xiàn)不返漿、返漿量少時(shí)可以采用適當(dāng)卸壓、放慢鉆桿提速等措施保證返漿暢通，減少對(duì)周邊環(huán)境擠壓影響。

端頭加固平面布置如圖1、圖2所示。

圖1洪灣站接收端頭加固平面圖
Fig.1Layout of shield receiving end reinforcement at Hongwan Station

圖2 洪灣站接收端頭加固剖面圖Fig.2 Sectional elevation of shield receiving end reinforcement at Hongwan Station

在現(xiàn)有施工工藝中，三軸攪拌樁和三重管旋噴樁是富水砂層地質(zhì)端頭加固較為成熟的工藝。但其加固質(zhì)量很大程度上取決于施工過(guò)程中的參數(shù)控制(如水泥摻量、噴漿壓力、提升速度等)，其加固的最終效果與盾構(gòu)接收施工風(fēng)險(xiǎn)緊密相關(guān)。

接收端頭地基加固完成后，檢測(cè)加固后土體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≮0.8 MPa。

3.2 盾構(gòu)接收端頭降水施工

盾構(gòu)接收端頭加固區(qū)域前需對(duì)止水帷幕加固區(qū)域進(jìn)行降水施工。本區(qū)間地層主要為粗中砂層，地下水位高，基坑降水使盾構(gòu)接收端頭止水帷幕內(nèi)地下水水位降至隧底以下，使盾構(gòu)接收在無(wú)水狀態(tài)下作業(yè)，保證盾構(gòu)接收的安全。本盾構(gòu)接收端頭止水帷幕加固區(qū)域內(nèi)共設(shè)置4口降水井，降水井深約25 m，井管為?273 mm、壁厚3 mm的鋼管。降水穩(wěn)定后水位應(yīng)在隧底標(biāo)高以下2 m，降水即滿足設(shè)計(jì)施工要求。

接收端頭止水帷幕區(qū)域內(nèi)降水施工完成后，在洞門開挖輪廓線范圍內(nèi)打檢查孔，檢查地基加固及降水施工效果，檢查孔全斷面布置且不少于9個(gè)，米字形布置，檢查孔直徑63 mm，長(zhǎng)度3 m。根據(jù)端頭加固施工圖設(shè)計(jì)檢查方法及標(biāo)準(zhǔn)[12]：(1)平均出水量<0.2 L/min或任一孔出水量<0.5 L/min；(2)壓水檢查，在0.8 MPa壓力下，吸水量<2 L/min；(3)加固土體抗壓強(qiáng)度≮0.8 MPa；(4)滲透系數(shù)<10-7cm/s。

3.3 聯(lián)系測(cè)量及洞門復(fù)測(cè)

聯(lián)系測(cè)量是將地面平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)傳遞到井下，使盾構(gòu)區(qū)間上下能采用同一坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量工作。為保證盾構(gòu)接收準(zhǔn)確進(jìn)洞，本區(qū)間盾構(gòu)接收共進(jìn)行了4次聯(lián)系測(cè)量，4次測(cè)量相互間差值未超過(guò)規(guī)定限差，確保了盾構(gòu)姿態(tài)等測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。

根據(jù)聯(lián)系測(cè)量結(jié)果，對(duì)接收端頭洞門中心坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，確定盾構(gòu)機(jī)的貫通姿態(tài)及掘進(jìn)糾偏計(jì)劃[11]。在調(diào)整盾構(gòu)接收貫通姿態(tài)時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是盾構(gòu)接收貫通時(shí)的中心軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差；二是接收洞門中心坐標(biāo)的偏差。綜合這些因素在隧道設(shè)計(jì)中心軸線的基礎(chǔ)上進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整。為保證盾構(gòu)順利接收上接收架，一般考慮盾構(gòu)接收貫通前20 m可逐漸將盾構(gòu)姿態(tài)抬高15～30 mm。

4 盾構(gòu)接收施工控制措施

富水砂層中盾構(gòu)接收施工極容易發(fā)生涌水、涌砂事故，主要風(fēng)險(xiǎn)為盾構(gòu)開挖直徑比盾構(gòu)機(jī)直徑大，在盾構(gòu)機(jī)外圍形成一環(huán)縫，且富水砂層中土層的穩(wěn)定性很差，使得高水頭細(xì)砂和水從此環(huán)縫涌入盾構(gòu)井中，引發(fā)涌水、涌砂事故，進(jìn)而導(dǎo)致地面坍塌，故須采取施工技術(shù)措施防止涌水、涌砂事故發(fā)生。

4.1 加固區(qū)內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)進(jìn)入接收端頭加固區(qū)后，由于加固區(qū)土體強(qiáng)度較高，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)扭矩較大，為控制推進(jìn)軸線，盾構(gòu)總推力控制在12000 kN以內(nèi)，降低掘進(jìn)速度，控制在10 mm/min以內(nèi)，刀盤轉(zhuǎn)速降低到0.8 r/min，盾構(gòu)機(jī)在接近洞門前10環(huán)范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)對(duì)每一環(huán)同步注漿量需達(dá)到每一環(huán)理論注漿量的90%以上，并對(duì)接收端頭加固區(qū)端位置的前后各二環(huán)進(jìn)行二次注漿。

在盾構(gòu)機(jī)抵近圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)需密切關(guān)注刀盤扭矩、盾構(gòu)總推力等掘進(jìn)參數(shù)的變化，避免刀盤前方土體過(guò)度擠壓[17]。

4.2 盾尾止水環(huán)箍注漿施工

現(xiàn)階段施工工藝中，盾尾注漿封閉止水環(huán)一般采取“聚氨酯+雙液漿”，注漿順序?yàn)橄仍诳拷芪驳淖詈笠画h(huán)或兩環(huán)管片上開孔注入聚氨酯，然后再在盾尾第三至五環(huán)管片開孔注雙液漿，這樣既能保證止水效果持久，又能避免雙液漿流到盾體外殼快速固結(jié)以及導(dǎo)致盾體被固結(jié)不能前進(jìn)的次生事故。

本工程中當(dāng)盾尾抵近接收端頭加固區(qū)與非加固區(qū)接縫處時(shí)，暫停盾構(gòu)掘進(jìn)，通過(guò)管片吊裝孔在346～350環(huán)進(jìn)行整環(huán)壓注“聚氨酯+雙液漿”，將襯砌管片與開挖面之間的間隙填充密實(shí)，在盾尾后方形成止水環(huán)箍，保證接收端頭止水的封閉性。

4.3 止水簾布安裝(參見圖3)

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞前，采用簾布橡膠板+折頁(yè)壓板+螺栓按施工工序安裝在洞門鋼環(huán)上進(jìn)行洞門密封。為保證盾構(gòu)密封止水效果，采用鋼絲繩穿過(guò)折頁(yè)壓板卡環(huán)，并用倒鏈將鋼絲繩拉緊，使簾布橡膠板與折頁(yè)壓板緊壓在盾構(gòu)機(jī)上。為使簾布橡膠板不被盾構(gòu)刀盤損壞，在簾布橡膠板外側(cè)及盾構(gòu)機(jī)刀盤外邊刀上涂抹黃油，以避免簾布橡膠板損壞。

當(dāng)盾構(gòu)刀盤進(jìn)入車站接收洞口時(shí)盾構(gòu)與洞門之間的縫隙可能發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，需立即收緊鋼絲繩壓緊洞門密封。

圖3 止水簾布橡膠安裝大樣圖Fig.3 Detail drawing of water-sealing fabric rubber installation

4.4 洞門破除

為保證施工安全，應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)刀頭頂?shù)竭B續(xù)墻后再安排洞門破除，且應(yīng)在洞門破除之前安裝止水簾布，而托架安裝應(yīng)在第一次洞門破除之后。只有這樣，方可在刀頭頂?shù)竭B續(xù)墻后，空倉(cāng)觀察土倉(cāng)內(nèi)是否有水位上升現(xiàn)象，若有，應(yīng)采取降水等有效技術(shù)措施降低地下水水位，確保洞門破除時(shí)無(wú)涌水、涌沙現(xiàn)象。

盾構(gòu)機(jī)接收前要先通過(guò)水平探孔檢查端頭加固土體的穩(wěn)定性和滲水情況，防止盾構(gòu)接收時(shí)土體(洞門)塌方。洞門地連墻采用二次破除法，破除洞門結(jié)構(gòu)砼原則上先破除外層鋼筋混凝土，保留里排鋼筋和約10 cm厚的砼層。第一次破除應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入到接收端頭加固區(qū)后割除外側(cè)鋼筋，鑿除600 mm厚地連墻混凝土，安裝止水簾布。為防止洞門完全破除后土體失穩(wěn)危及車站及隧道安全，第二次破除洞門應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)刀頭頂?shù)絿o(hù)結(jié)構(gòu)后開始割除里排鋼筋，鑿除剩余10 cm砼并清理混凝土渣和雜物。

4.5 接收基座施工

盾構(gòu)接收基座采用鋼筋混凝土澆筑導(dǎo)臺(tái)(見圖4、圖5)，導(dǎo)臺(tái)斜面預(yù)埋300 mm×200 mm×20 mm鋼板，鋼板間距0.5 m，鋼板上焊接43號(hào)鋼軌作為盾構(gòu)滑行導(dǎo)軌。導(dǎo)臺(tái)由左右兩個(gè)混凝土梁組成，導(dǎo)臺(tái)梁長(zhǎng)11.2 m，梁寬0.9 m，梁間距2.9 m。導(dǎo)臺(tái)梁內(nèi)植兩排?25@500鋼筋，防止導(dǎo)臺(tái)梁受盾構(gòu)側(cè)壓力發(fā)生側(cè)移破壞。導(dǎo)臺(tái)梁澆筑完成后及時(shí)對(duì)預(yù)埋鋼板標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測(cè)，以檢測(cè)導(dǎo)臺(tái)標(biāo)高誤差是否在允許值范圍內(nèi)，保證盾構(gòu)能順利上導(dǎo)軌。

4.6 管片拉緊緊固

圖4 接收導(dǎo)臺(tái)示意圖Fig.4 Schematic diagram of receiving guide platform

圖5 接收導(dǎo)臺(tái)大樣圖Fig.5 Detail drawing of receiving guide platform

因洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)破除后，刀盤前方土壓力消失，為防止管片之間缺乏足夠的千斤頂推力致使管片不能緊密連接，為保證盾構(gòu)進(jìn)洞前管片的穩(wěn)定，在接收前最后10環(huán)管片采用槽鋼與管片縱向螺栓拉緊連接，確保洞門附近管片的整體穩(wěn)定性。

4.7 洞門密封

盾構(gòu)脫出洞門環(huán)后，立即通過(guò)管片注漿孔對(duì)管片壁后進(jìn)行二次注漿，將管片與加固土體間隙填充密實(shí)。同時(shí)盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)洞后，采用加工好的弧形鋼板將管片與洞門鋼環(huán)直接焊接封堵，并在弧形鋼板上預(yù)留6個(gè)鉆孔進(jìn)行雙液注漿。注漿遵循先下部、后上部施工順序，使注漿漿液將土體間隙填充密實(shí)，保證加固土體與管片形成一個(gè)封閉的防水體系。

5 結(jié)語(yǔ)

富水砂層中進(jìn)行盾構(gòu)接收施工風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大，尤其在盾構(gòu)施工場(chǎng)地周邊建筑物密集，地面為城市主干道等復(fù)雜環(huán)境條件下，施工技術(shù)難度更高，應(yīng)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素有針對(duì)性的設(shè)計(jì)、施工方案來(lái)保證盾構(gòu)機(jī)安全接收。本文針對(duì)桔園洲站—洪灣站區(qū)間富水砂層地質(zhì)條件下盾構(gòu)接收施工技術(shù)進(jìn)行分析探討，總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

(1)應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)端頭現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)水文條件及周邊場(chǎng)地環(huán)境選擇合理的接收端頭加固方案，同時(shí)適當(dāng)加長(zhǎng)端頭加固長(zhǎng)度，以降低涌水、涌砂的風(fēng)險(xiǎn)，從技術(shù)方案上確保盾構(gòu)接收的安全。

(2)通過(guò)端頭地連墻加固與加固區(qū)內(nèi)降水井降水相結(jié)合，把加固區(qū)水位降至盾構(gòu)機(jī)底面以下2 m，確保盾構(gòu)接收在無(wú)水狀態(tài)下作業(yè)。

(3)盾構(gòu)進(jìn)入端頭加固區(qū)后，逐步降低土壓設(shè)定值，同時(shí)放慢掘進(jìn)速度，加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量及接收端頭地層變形監(jiān)測(cè)等，超出限值時(shí)應(yīng)采取有效措施進(jìn)行修正后方能繼續(xù)掘進(jìn)。

(4)盾構(gòu)進(jìn)入加固區(qū)后，加強(qiáng)對(duì)同步注漿施工控制，使加固土體與管片間隙填充密實(shí)，控制接收端頭周圍地層沉降。同時(shí)在加固區(qū)與非加固區(qū)接縫處5環(huán)管片進(jìn)行二次注漿壓注雙液漿形成一道止水環(huán)箍，徹底將地下水阻止在加固區(qū)外，保證盾構(gòu)接收的安全。