無端頭加固條件下土壓平衡盾構(gòu)水下接收施工技術(shù)

安宏斌， 懷平生， 白曉嶺， 郭銀新， *， 姚八五

(1. 中鐵十二局集團第二工程有限公司， 山西 太原 030000； 2. 中鐵十二局集團國際工程有限公司， 北京 100176)

0 引言

隨著國內(nèi)隧道施工技術(shù)水平飛速發(fā)展，盾構(gòu)施工在我國城市交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用，雖然技術(shù)日趨成熟，但盾構(gòu)施工仍面臨著極大的挑戰(zhàn)。為了解決富水砂層中盾構(gòu)接收困難問題，很多學(xué)者和施工人員提出了采用多種端頭加固的方式來進行盾構(gòu)水下接收。邢慧堂[1]、葸振東等[2]針對富水砂層超大直徑泥水盾構(gòu)接收問題，提出了凍結(jié)、旋噴、深孔攪拌樁的端頭加固方法，并在豎井內(nèi)回填水土進行盾構(gòu)接收； 賁志江等[3]對大直徑泥水盾構(gòu)水中接收的端頭加固方法進行了比選，得到了水泥土三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+垂直冷凍固結(jié)的加固方法； 潘榮凱等[4]在南京江島變電站工程中，對高滲透性的砂性土進行了盾構(gòu)端頭加固的研究，提出了三軸攪拌樁和凍結(jié)法的施工措施，成功完成了盾構(gòu)水下接收施工； 徐延召[5]針對武漢軌道交通2號線泥水盾構(gòu)在深覆土、高水壓的地質(zhì)條件下采用水下接收的案例，對凍結(jié)法加固端頭和盾構(gòu)水下到達施工參數(shù)進行了研究； 趙亮等[6]、丁國勝[7]以復(fù)雜軟弱含水地層盾構(gòu)接收為例，介紹了端頭水平凍結(jié)與鋼套筒結(jié)合的方式； 劉玉林等[8]、吳鎮(zhèn)等[9]、刁鵬程等[10]針對盾構(gòu)接收，提出了端頭采用旋噴加固、凍結(jié)加固的施工技術(shù)，并提出富水砂層中盾構(gòu)接收的另外一種有效方式可以采用鋼套筒接收； 陳珊東[11]、湯泳等[12]針對盾構(gòu)接收過程中容易發(fā)生的涌水、涌砂等風(fēng)險提出了鋼套筒接收方案； 肖衡等[13]、吳瓊[14]提出了在富水地層條件下采用鋼套筒裝置進行盾構(gòu)接收的方法； 于加云[15]提出了一種在鋼筋混凝土洞室內(nèi)回灌水和砂土接收的方法。雖然鋼套筒接收也是一種有效的辦法，但在本工程中，盾構(gòu)接收豎井采用蓋挖順作法，只留了16 m×8.5 m的吊裝孔，若采用鋼套筒接收，需要在豎井內(nèi)1號線側(cè)將鋼套筒整體組裝后至2號線設(shè)計接收位置，接收完成后，整體平移至吊裝口下方，進行盾構(gòu)拆除，工序復(fù)雜，且該區(qū)域是宗教敏感區(qū)，夜間噪音限制極其嚴格，吊裝作業(yè)受時間限制嚴格，工期會很長。

從已有文獻的調(diào)研來看，對于盾構(gòu)在富水地層的接收，通常采用凍結(jié)和旋噴加固相結(jié)合的方式，眾多科研人員聚焦于對凍結(jié)的研究。此外，鋼套筒技術(shù)也在國內(nèi)成為一項成功技術(shù)，但目前國內(nèi)尚沒有僅采用注水填充豎井而不采用端頭加固的案例，本文對采用豎井填水方法進行盾構(gòu)水中接收的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 工程概況

以色列特拉維夫紅線輕軌項目東標(biāo)段由2臺直徑為7.55 m的土壓平衡盾構(gòu)掘進，在本古里安站東端設(shè)置專門獨立接收豎井。接收端上方交通繁忙，周邊房屋林立，施工場地狹窄，無法進行端頭加固，如圖1所示。盾構(gòu)開挖范圍及拱頂以砂層為主，滲透系數(shù)較大，地層水位高于隧道埋深，在無法進行端頭加固和采用鋼套筒接收困難的情況下，計劃采用只在豎井中填水進行盾構(gòu)水下接收的方式。本古里安站接收井內(nèi)部尺寸為22 m×23.15 m，地下連續(xù)墻為1.2 m厚B40鋼筋混凝土，洞門范圍內(nèi)為B40玻璃纖維筋混凝土，盾構(gòu)接收直接采用刀盤切割地下連續(xù)墻。地面標(biāo)高為16.19 m，車站底板頂部標(biāo)高為-9.05 m，與地面高差為25.24 m，隧道軸線標(biāo)高為-4.815 m，在地表以下21 m。接收井剖面圖如圖2所示。

圖1 接收端地表情況

1.1 工程地質(zhì)

地下連續(xù)墻外從上到下的地層分別是細砂、黏土質(zhì)砂、粉黏細砂、庫卡。土層具體描述如表1所示。

表1 圍巖情況描述

1.2 水文地質(zhì)

接收井地質(zhì)剖面圖如圖3所示。隧道將穿過庫卡地層，庫卡是一種少部分膠結(jié)的顆粒土，它可以細分為4類，強度最高的庫卡層稱為K-4，強度最低的層稱為K-1。隧道頂部是砂層，滲透系數(shù)達到5×10-4m/s。設(shè)計的地下水位為+1 m，隧道拱頂距離地層水位線的距離為2.04 m。

圖3 接收井地質(zhì)剖面圖

2 豎井接收準備工作

2.1 豎井質(zhì)量要求

豎井圍護結(jié)構(gòu)為連續(xù)墻，連續(xù)墻盾構(gòu)刀盤切割區(qū)域采用玻璃纖維筋替代鋼筋，連續(xù)墻厚度、混凝土強度滿足設(shè)計要求，垂直度滿足規(guī)范要求；相鄰兩幅錯臺小于5 cm，滿足安裝后的洞門密封鋼環(huán)與連續(xù)墻表面密貼，最大間隙不超過5 cm。

2.2 混凝土導(dǎo)臺

當(dāng)盾構(gòu)突破地下連續(xù)墻后，刀盤會出現(xiàn)栽頭的情況，如果無法精確控制姿態(tài)而直接安裝托架，刀盤可能直接抵住托架，致使盾構(gòu)無法上到托架；若將托架安裝太低，刀盤可以上到托架，但因為栽頭的出現(xiàn)，會導(dǎo)致盾體卡在連續(xù)墻內(nèi)。因此，增加了混凝土導(dǎo)臺，在導(dǎo)臺到托架這段距離的推進過程中，可以對盾構(gòu)的姿態(tài)進行必要的調(diào)整，確保盾構(gòu)能夠順利上到托架。盾構(gòu)刀盤破除連續(xù)墻后，盾體支撐于混凝土托架上?；炷镣屑苡?部分組成，下部為普通混凝土，上部為低強度混凝土，刀盤易于切削。混凝土托架高1.0 m、寬6.0 m、長6.04 m，距離連續(xù)墻1.5 m，便于安裝接收鋼環(huán)和簾布翻板的展開及拉緊。盾構(gòu)通過混凝土導(dǎo)臺后，由鋼托架支撐盾體，其長度為11.3 m。導(dǎo)臺截面如圖4所示。

(a) 混凝土導(dǎo)臺橫截面圖

(b) 混凝土導(dǎo)臺剖面圖

2.3 密封環(huán)

在接收端墻上安裝橡膠密封環(huán)，由錨固在地下連續(xù)墻上的鐵板、2道止水簾布和1圈鋼絲繩組成，如圖5所示。由于底板受到擾動，密封圈的結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)較低的區(qū)域，減少了結(jié)構(gòu)的寬度。底板在安裝密封圈的位置有2.0 m×50 cm×10 cm的凹槽，用于密封圈的安裝。盾構(gòu)破墻之后，鋼絲繩需要張緊，起到密封效果。密封環(huán)上有2個粗管道膨潤土進料口，用軟管連接到地面。一旦盾構(gòu)被密封，膨潤土將通過一根軟管泵入，另一根軟管可用于確保灌裝或作為備用。

圖5 密封環(huán)的安裝示意圖(單位： m)

2.4 應(yīng)急準備工作

如出現(xiàn)險情，封閉該路段，撤離隧道內(nèi)所有作業(yè)人員。準備2臺100 m3/h的水泵備用，將其接入市政供水管網(wǎng)，以防豎井水位突然下降時補償水位；豎井地表面，應(yīng)急注漿機、聚氨酯數(shù)量若干；隧道內(nèi)，應(yīng)急注漿機2臺，聚氨酯數(shù)量若干，棉被、砂袋若干，防止螺旋漏水時應(yīng)急封堵。

3 水下接收條件分析

3.1 風(fēng)險性分析

盾構(gòu)刀盤直徑為7 550 mm，前盾直徑為7 510 mm，刀盤的寬度為800 mm。盾構(gòu)刀盤還未突破地下連續(xù)墻時，地層中的水土只能通過開挖間隙到達刀盤前方以及土艙內(nèi)，無法滲入豎井內(nèi)。但是當(dāng)?shù)侗P突破地下連續(xù)墻的瞬間，豎井內(nèi)的水便會通過刀盤開口涌入到土艙內(nèi)，而地層中的水土也同時通過開挖間隙從切口環(huán)流入土艙，如圖6所示。刀盤推出地下連續(xù)墻后，前盾底部將直接被填實，滲流通道就變?yōu)槎荏w上半部分與地下連續(xù)墻之間的空隙，空隙的最大寬度為4 cm。如果地層中的水土壓力大于豎井內(nèi)的水壓力，地層中的水便會流向豎井中，并不斷帶走細砂，導(dǎo)致地層中的水土缺失，進而致使地表產(chǎn)生較大沉降。當(dāng)?shù)侗P推出地下連續(xù)墻后，潛水員便可以下潛將密封圈與前盾封好，并在地面將鋼絲繩拉緊，使簾布橡膠板被壓實在盾體上，阻塞開挖間隙，防止土中細砂繼續(xù)流入井內(nèi)。需要探討的是，盾構(gòu)刀盤突破地下連續(xù)墻的瞬間，豎井內(nèi)的水位需要比地層中的水位高多少，才能防止地層中的水滲入豎井，并帶走細砂。

圖6 盾構(gòu)刀盤突破地下連續(xù)墻

Fig. 6 Shield cutterhead breaks through underground diaphragm wall

在破墻瞬間，如果內(nèi)外水土壓失衡，墻外砂土向豎井內(nèi)流動，會引起地面沉陷，甚至塌坑；盾構(gòu)姿態(tài)控制不好時，會出現(xiàn)洞門密封環(huán)被盾構(gòu)刀盤頂推切割脫落，威脅成型隧道的安全；螺旋輸送機閘門密封不好會導(dǎo)致豎井內(nèi)水通過螺旋輸送機涌入隧道，存在隧道被水淹的風(fēng)險。

3.2 可行性分析

對于盾構(gòu)水下接收，若豎井水位過低，會導(dǎo)致隧道上部的土體沿盾構(gòu)掘進面上邊緣流向豎井。滲流及動水壓力存在時，會發(fā)生水平滲流破壞。當(dāng)豎井的水位過低時，首先盾構(gòu)上邊緣與隧道形成的縫隙之間的承壓水會沿著隧道方向側(cè)向流動，進而帶動附近的土顆粒，隨著土顆粒的移動，上部土體下沉，最后上部土體逐漸陷落，造成地表沉降甚至塌陷。首先要確定上部土體的臨界水力梯度，當(dāng)土體發(fā)生側(cè)向滲流時，臨界水力梯度

(1)

式中：C為常數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗取C=42；d3為土中小于某粒徑的顆粒重占總重的3%時的該粒徑，取1 mm；φ為土的內(nèi)摩擦角，取30°；n為孔隙度，取0.3；k為滲透系數(shù)，取5×10-4m/s。

經(jīng)計算，發(fā)生管涌破壞時，臨界水力坡降icr=0.18，則

ΔH/l≥icr=0.18

。

(2)

式中：l為盾構(gòu)剛突破地下連續(xù)墻時的間隙長度，取1.2 m。

由式(2)可知，豎井水位的最小深度應(yīng)不低于地層水位0.216(=1.2×0.18) m。為了確保地層中的砂不被滲流帶入豎井中，向豎井中注入高出地層水位1 m的水量，如圖7所示。需保持豎井內(nèi)的水位高度，并時刻觀測，為此準備了1臺100 m3/h的水泵，隨時準備向豎井中注水。

圖7 豎井填水照片

3.3 專家論證分析

方案設(shè)計由德國BARBEN公司負責(zé)，方案設(shè)計完成后，報國內(nèi)組織專家進行論證，形成專家意見，同意采用水下接收。同時，方案報德國隧道設(shè)計WBI公司，德國盾構(gòu)制造商海瑞克公司提出指導(dǎo)意見，最終一致同意采用水下接收。最后方案提交WSP(業(yè)主咨詢公司)和當(dāng)?shù)刈稍児?Spivak)審批同意后實施。在國內(nèi)組織專家評審，并給出如下參考建議。

1)盾構(gòu)刀盤切除地下連續(xù)墻后，潛水員只檢查混凝土塊掉落位置，不需拆除刀盤最外側(cè)滾刀，盡快推出，避免滲流風(fēng)險。

2)車站與隧道接口處永久管片10—15環(huán)，建議設(shè)置管片拉緊裝置。

3)現(xiàn)場準備封堵應(yīng)急材料、雙液漿制備材料、聚氨酯等； 在密封環(huán)設(shè)置無縫鋼管，用液氮冷凍作為應(yīng)急封堵措施。

4)混凝土基座B20強度太高，建議采用砂漿或者標(biāo)號更低的混凝土，刀盤切削混凝土基座時，控制好盾構(gòu)姿態(tài)。

5)滲漏嚴重時，可棄置盾尾作為永久結(jié)構(gòu)進行密封。

4 盾構(gòu)接收施工控制

4.1 姿態(tài)控制

在隧道貫通前50 m，需要確保盾構(gòu)姿態(tài)已調(diào)節(jié)至隧道設(shè)計中線。如果偏差較大，則需加大調(diào)向力度，給盾構(gòu)糾偏提供足夠空間，以保證刀盤順利掘出洞門。在隧道貫通前20 m，帶壓開艙檢查邊緣滾刀的磨損情況。如果磨損過大，則應(yīng)更換滾刀，防止?jié)L刀無法超切地下連續(xù)墻而將盾構(gòu)卡死在地下連續(xù)墻中。在隧道貫通前10 m，逐漸減小推力，保持盾構(gòu)姿態(tài)不變。在刀盤距離地下連續(xù)墻最后5 m時，需要對掘進姿態(tài)再次測量，確保姿態(tài)在隧道軸線50 mm范圍內(nèi)。由于刀盤在突破過程中有扎頭的趨勢，盾構(gòu)在破墻時要保持姿態(tài)上抬。

4.2 掘進推力控制

盾構(gòu)掘進地下連續(xù)墻的過程中，若推力過大，則會造成地下連續(xù)墻變形過大，甚至損壞地下連續(xù)墻。該地下連續(xù)墻設(shè)計承受的載荷為9 000 kN，豎井中注入的水可以為地下連續(xù)墻提供額外約3 000 kN的力。在掘進地下連續(xù)墻的過程中，需要控制好推力，不能超過12 000 kN，而推力是被動的，可通過貫入度來控制，刀盤貫入度限制為3 mm/r，將地下連續(xù)墻混凝土磨成小顆粒，避免形成大塊，導(dǎo)致周邊混凝土破壞和密封環(huán)受損。實際接收過程中最后15環(huán)的推力如圖8所示。正常掘進的推力為2 500～3 000 kN，隨著盾構(gòu)靠近地下連續(xù)墻，推力逐漸降低，在地下連續(xù)墻中掘進的推力為5 000 kN左右。

圖8 最后15環(huán)盾構(gòu)推力

4.3注漿控制

在掘進過程中，通過盾壁孔向盾體周邊注入高黏度膨潤土漿(流動度>90 s)，填充開挖空隙，防止砂土進入豎井，必要時，將膨潤土換成丙烯酸酯凝膠進行注入。最后1環(huán)永久結(jié)構(gòu)管片拼完之后，要額外拼2個負環(huán)，以便把盾構(gòu)推出密封環(huán)。盾尾出連續(xù)墻的過程中，管片和墻之間的環(huán)形空隙采用同步注漿完全填充。為了確保注漿的充分，同步注漿完成24 h后，通過管片上預(yù)留的二次注漿孔對最后5環(huán)注水泥-水玻璃雙液漿。漿液注入量如圖9所示。同步注漿量為5～7 m3/環(huán)，二次注漿量為0.3～0.5 m3/環(huán)，在最后5環(huán)大量注入雙液漿，形成止水環(huán)，防止涌水、涌砂。

圖9 最后15環(huán)注漿量

雙液漿配比A液與B液之比為1∶1(體積比)，初凝時間為23 s。漿液配比如表2所示。注漿完成12 h后，通過在管片上鉆小孔，看是否有水流出來檢查注漿的密封性。如果有水流出，繼續(xù)進行注雙液漿，確保在管片背后形成止水環(huán)。

表2 漿液配比

4.4 盾構(gòu)出洞

螺旋輸送機閘口密封至關(guān)重要。當(dāng)?shù)侗P掘進至地下連續(xù)墻剩余50 cm時，螺旋輸送機進行反轉(zhuǎn)，利用艙內(nèi)渣土將螺旋輸送機進行間接密封，最后關(guān)閉閘門。在螺旋輸送機的泡沫和膨潤土的注入口連接好注漿管路，一旦發(fā)生泄漏，立即注入聚氨酯等堵漏材料。為防止玻璃纖維筋損壞簾布橡膠板，需控制刀盤的貫入度和掘進速度。在刀盤破除混凝土墻，但未接觸橡膠簾布之前，潛水員下潛檢查，如果有伸進簾布的玻璃纖維筋，進行切除，及時清除堆積在簾布橡膠板上的混凝土碎塊和切斷的玻璃纖維筋。刀盤在前端與連續(xù)墻位置齊平后(需要潛水員下潛測量核實)，即停止轉(zhuǎn)動刀盤；空推約1.5 m至混凝土導(dǎo)臺邊緣，刀盤接觸混凝土導(dǎo)臺時開始轉(zhuǎn)動刀盤繼續(xù)推進；刀盤厚度約70 cm，前盾盾體前端越過第2道簾布橡膠板10～20 cm，刀盤越過第2道橡膠簾布80～90 cm后拉緊密封，確保簾布橡膠板緊密壓在盾體上。

當(dāng)盾構(gòu)進入豎井后，刀盤出現(xiàn)栽頭，隨著盾體的推進，刀盤開始切削導(dǎo)臺上部的低強度混凝土，并且逐步調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)以準確推上鋼托架。每環(huán)掘進完成后，潛水員潛入檢查掘進盾構(gòu)位置，并觀察是否有漿液通過密封環(huán)流到豎井里。由于漿液凝結(jié)時間為8 h，所以最后幾環(huán)的掘進速度必須限制在每環(huán)至少4 h，確保漿液凝固。

最后1環(huán)拼完并完成注漿，在確認注漿效果達到要求后，豎井中的水可以泵出，但在抽水過程中，檢查是否有地下水通過環(huán)形空隙流出。為了驗證密封性，豎井內(nèi)水位每降1～3 m，等待30 min，檢查是否有水通過環(huán)向間隙流入豎井。如果有水流入，通過第1負環(huán)注入聚氨酯材料，并在隧道內(nèi)對最后2環(huán)永久管片進行再次注雙液漿。排水完成后，利用管片拼裝機拆除第2道負環(huán)(底部管片除外)，盾構(gòu)在托架上繼續(xù)推進，連續(xù)安裝底部管片，安裝管片螺栓，盾構(gòu)到達接收鋼托架指定位置。當(dāng)盾構(gòu)完全推上托架后，將與托架一起滑到頂板開口下的拆卸位置，最終盾構(gòu)成功在水下完成接收，如圖10所示。

(a) 豎井抽水盾構(gòu)露出

(b) 盾構(gòu)與洞門管片分離

2號盾構(gòu)為第1臺接收的盾構(gòu)，當(dāng)盾構(gòu)完全進入豎井后，根據(jù)全站儀自動化監(jiān)測，其沉降最大值為8.8 mm，位于2號線隧道上方。1號盾構(gòu)成功進入豎井后，地表沉降最大值只有5.5 mm，位于雙線隧道中間位置。洞內(nèi)管片無滲漏水，無明顯錯臺及上浮，豎井內(nèi)只有很少一部分細砂和地下連續(xù)墻殘渣堆積在洞門前，表明開挖間隙填充良好，并無涌砂情況；地下連續(xù)墻的變形也小于5 mm。整個施工過程安全可控，地表無塌陷，豎井中未發(fā)現(xiàn)大量泥砂涌入，從破墻到接收只耗時6 d，不僅節(jié)約了工期，而且提高了經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論與建議

該項目的成功之處在于確定了合適的水位高度、設(shè)置了合理的掘進參數(shù)、對開挖間隙進行了及時填充，防止了涌水涌砂的可能，另外還有潛水員的不間斷觀察以及各種得當(dāng)?shù)娘L(fēng)險應(yīng)對措施。該方法適用于由于場地限制，不具備端頭加固條件但有獨立的具備不透水的且滿足盾構(gòu)接收設(shè)施安置和盾構(gòu)拆除的接收豎井；地層具有一定自穩(wěn)能力，不能為富水淤泥質(zhì)土。主要結(jié)論如下：

1)由于盾構(gòu)姿態(tài)的偏差，無法直接采用鋼托架接收，導(dǎo)臺作為一個調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)的過渡區(qū)域，可以確保盾構(gòu)順利進入托架，但導(dǎo)臺的混凝土強度、幾何尺寸可根據(jù)盾構(gòu)尺寸及豎井尺寸進行適當(dāng)調(diào)整，混凝土強度也可適當(dāng)降低。

2)從刀盤破墻到盾尾進入簾布橡膠板的過程中，每掘進一環(huán)，潛水員至少下潛檢查一次，尤其在破墻、刀盤進入第1道簾布橡膠板、刀盤進入第2道簾布橡膠板、刀盤后端通過第2道簾布橡膠板、刀盤接觸混凝土導(dǎo)臺以及刀盤接觸鋼托架等各個節(jié)點，都需要潛水員下潛檢查盾構(gòu)的位置和密封情況。這些節(jié)點的檢查要引起足夠的重視并嚴格執(zhí)行，確保接收安全。

3)盾構(gòu)在水下接收前，需要提前進行軸線測量工作，確保盾構(gòu)沒有較大的偏差。在突破地下連續(xù)墻之前需要對邊緣滾刀進行檢修，確保盾構(gòu)刀盤開挖直徑大于盾殼外徑，防止盾構(gòu)在突破地下連續(xù)墻時被卡住。

4)盾構(gòu)掘進地下連續(xù)墻的推力不能超過12 000 kN，刀盤貫入度控制為3 mm/r。在最后幾環(huán)注入大量雙液漿，可形成止水環(huán)。在掘進過程中，通過盾壁孔向盾體周邊注入高黏度膨潤土漿(流動度>90 s)，填充開挖空隙，防止砂土進入豎井。

建議車站主體結(jié)構(gòu)做完后接收，在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入安裝接收密封環(huán)，密封效果更好。豎井內(nèi)用于調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)的混凝土導(dǎo)臺過渡段采用低標(biāo)號混凝土，不要超過B20。對于水下接收螺旋輸送機輸送閘門的密封措施和應(yīng)急密封措施，還需要進一步研究。