超深埋富水砂層土壓平衡盾構(gòu)水下接收技術(shù)研究

黨成鵬

中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司

1 引言

課題以廣州地鐵18號線橫瀝站-番禺廣場站區(qū)間HP2中間風(fēng)井～HP3盾構(gòu)井區(qū)間為依托，該區(qū)間沿線地表水豐富，地下水主要由地表水下滲而成，一般與地表水具有直接的補(bǔ)給、排泄關(guān)系。HP3 接收井附近洞身穿越地層為中粗砂，上部為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，透水性強(qiáng)，自穩(wěn)性差，接收時端頭有涌水涌沙風(fēng)險，為確保盾構(gòu)順利作業(yè)，創(chuàng)新采用了土壓平衡盾構(gòu)水下接收施工工法，使2臺8.8m土壓盾構(gòu)機(jī)安全快速地完成接收，綜合效益顯著。

2 工程概況

2.1 區(qū)間概況

廣州地鐵18號線橫瀝站-番禺廣場站區(qū)間HP2中間風(fēng)井～HP3 盾構(gòu)井盾構(gòu)區(qū)間：區(qū)間左線設(shè)計起訖里程YDK20+108.5~YDK22+614.645，左線長2503.346m，區(qū)間右線設(shè)計起訖里程YDK19+784.4~YDK22+606.561，右線長2819.278m，采用兩臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

2.2 地質(zhì)水文情況

盾構(gòu)接收端，隧道穿越地層為<3-2>中粗砂、<3-1>粉細(xì)砂、<3-4>卵石,隧道上覆地層從上往下依次為<1-2>素填土、<2-1B>淤泥質(zhì)土、<2-2>淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、<2-1B>淤泥質(zhì)土、<2-2>淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、<3-2>中粗砂、<3-4>卵石土，,隧道下覆地層<4N-2>粉質(zhì)黏土、<7-2>強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。，地下水按賦存方式分為第四系土層孔隙水（潛水），層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水（承壓水）。

圖1 HP2中間風(fēng)井~HP3盾構(gòu)井區(qū)間接收端地質(zhì)縱斷面圖

3 盾構(gòu)水下接收施工控制技術(shù)

3.1 接收端頭加固、降水

接收井端頭加固：按藍(lán)圖設(shè)計要求，采用800mm厚素混凝土連續(xù)墻外包，內(nèi)部采用Φ850@600mm三軸攪拌樁加固，貼近盾構(gòu)井連續(xù)墻一側(cè)設(shè)一排Φ800@600mm三管旋噴樁咬合止水的綜合加固措施，加固深度32.1m。

3.2 混凝土導(dǎo)臺施作

接收基座結(jié)構(gòu)采用M30鋼筋混凝土施工。接收基座的中心軸線應(yīng)與隧道設(shè)計軸線一致，同時還需要兼顧盾構(gòu)機(jī)出洞姿態(tài)。接收基座的軌面標(biāo)高除適應(yīng)于線路情況外，適當(dāng)降低30mm，以便盾構(gòu)機(jī)順利上托架。接收基座分兩列，基座距延長鋼環(huán)0.5m。基座軌面中心相距4.4m?；L16.8m。

3.3 延伸鋼環(huán)安裝

在地面上將延伸鋼環(huán)拼接完成，盾尾刷焊接完成，安裝時先用吊車將延伸鋼環(huán)吊至井下與洞門齊平再用手拉葫蘆將其拉至與洞門鋼環(huán)貼住，延伸鋼環(huán)與洞門鋼環(huán)對齊貼緊后先將其一圈點(diǎn)焊固定住再整圈滿焊。

延伸鋼環(huán)由4個四分之一圓拼接而成，為了便于施工可在拼接前在延長鋼環(huán)上焊接盾尾刷和鋼板束，每塊盾尾刷及鋼板束應(yīng)搭接緊密。盾尾刷焊接距延長鋼環(huán)內(nèi)側(cè)邊線8cm、鋼板束焊接距延長鋼環(huán)外側(cè)邊線2cm。焊接時焊縫應(yīng)飽滿、不得漏焊、不得存在砂眼等。

為保證延伸鋼環(huán)兩道密封的密封效果，我們參照盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前手涂盾尾油脂的方式給鋼環(huán)上兩道密封也填涂盾尾油脂。

3.4 洞門填砂灌水

為了確保出洞安全性，針對出洞填灌水提出了兩種方案設(shè)想。一種設(shè)想是填沙高度至少要將洞門完全埋住甚至要比洞門高1m~2m，理由是水和沙子的密度不一樣，基坑灌水至地下水位高度不能保證盾構(gòu)機(jī)磨穿地連墻到盾體被延伸鋼環(huán)盾尾刷包裹這個過程中洞門處沙子不會大量垮塌；另一種設(shè)想為只要保持地下水相對靜止，那么洞門處土體就會保持穩(wěn)定，為了減少前期填砂量以及后期抽水后的清理量，只需要填砂至洞門中心高度即可。

為了驗(yàn)證這兩種方案的可行性及優(yōu)化空間，我們做了如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)材料：直徑100mm透明鋼絲軟管、100mm蝶閥、鋼卷尺、記號筆、未經(jīng)清洗的盾構(gòu)渣土、回填所用沙子

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）取2根2.5m長透明鋼絲軟管中間用蝶閥連接，將鋼絲軟管兩頭掛在高處使得蝶閥處為最低點(diǎn)，蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)

（2）在左側(cè)鋼絲軟管離地85cm、200cm 處用記號筆畫線標(biāo)記，右側(cè)鋼絲軟管離地15cm、22cm、30cm、200cm處畫線標(biāo)記

（3）往左側(cè)鋼絲軟管灌入未清洗的渣樣至85cm處然后灌水至200cm，再往右側(cè)鋼絲軟管灌入回填所用沙子至15cm 處然后也灌水至200cm處，最終使得2邊液位一樣高

（4）打開最低點(diǎn)蝶閥觀察兩邊固體的流動情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：打來蝶閥后左側(cè)砂子高度未見明顯變化，靜置1小時后還是未見變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)論:地層滲水率較低且流動性不強(qiáng)，所以接收井填砂高度只需要填到洞門中心高度即可以減小后期清理量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，選擇填沙至洞門中心高度自延伸鋼環(huán)外邊按照30度放坡，為防止兩道盾尾刷之間被沙子進(jìn)入從而影響密封效果，在填砂之前需要用海綿將兩道盾尾刷之間的空隙用海綿填充最后蓋好。

上述措施完成后開始填沙，填沙完成后開始灌水至地下水位高度，填沙灌水過程如下。

圖2 基坑填沙灌水過程

3.5 盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前測量

盾構(gòu)機(jī)水下接收過程我們是看不見盾構(gòu)機(jī)與洞門的相對位置的，因此必須對洞內(nèi)所有的測量控制點(diǎn)進(jìn)行一次整體的、系統(tǒng)的控制測量復(fù)測，對所有控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行精密、準(zhǔn)確的平差計算。糾偏要逐步完成，每一環(huán)糾偏量不能過大。盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前100m地段即加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)和隧道線形測量，及時糾正偏差確保盾構(gòu)順利地從到達(dá)口進(jìn)入。并根據(jù)實(shí)測的車站洞門位置進(jìn)行必要的調(diào)整隧道貫通時的盾構(gòu)機(jī)刀盤位置。隧道貫通時其刀盤平面偏差允許值：平面≤±20mm、高程≤±50mm。同時將接收過程中各個關(guān)鍵位置對應(yīng)的導(dǎo)向系統(tǒng)里程做成表格。

3.6 盾構(gòu)接收

為了防止刀具長距離砂層掘進(jìn)磨損量過大，導(dǎo)致刀盤開挖直徑小于盾體直徑從而引發(fā)盾體被地連墻卡住這一問題，因此在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)地連墻前帶壓開倉檢查邊緣滾刀磨損情況，刀具檢查主要針對保徑刀，如果保徑刀磨損過大則必須更換。

刀具檢查完成后開始磨地連墻，磨墻過程控制掘進(jìn)速度在20mm~40mm 左右，當(dāng)?shù)剡B墻只剩30cm 時進(jìn)一步降低掘進(jìn)速度至15mm 左右，在這段掘進(jìn)過程中螺旋機(jī)可持續(xù)出土，當(dāng)螺旋機(jī)出土口一旦出現(xiàn)渣土明顯變稀的情況立刻停螺旋機(jī)并關(guān)閉上下閘門。為了防止出現(xiàn)螺旋機(jī)閘門密封磨損關(guān)不死出現(xiàn)漏水的情況，需提前在隧道里準(zhǔn)備好聚氨酯注入設(shè)備以及材料。掘進(jìn)至刀盤到達(dá)洞門預(yù)埋鋼環(huán)小里程位置時停止刀盤轉(zhuǎn)動直接往前推進(jìn)拼裝。

根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)里程和盾體尺寸計算出盾尾與延伸鋼環(huán)搭接50cm時停止推進(jìn)開始封堵洞門。為了減少對洞門的擾動，雙線接收過程中先讓一臺機(jī)到達(dá)停機(jī)位置開始封堵后再進(jìn)行另一臺機(jī)的掘進(jìn)接收工作。

3.7 洞門封堵

右線拼最后一環(huán)管片為1760 環(huán)，當(dāng)環(huán)管片伸出延伸鋼環(huán)1m，每環(huán)管片寬度1.6m，出洞最后20 環(huán)管片都是增設(shè)注漿孔管片，通過計算可知1759環(huán)管片注漿孔位置對應(yīng)洞門地連墻位置，1758環(huán)管片注漿孔對應(yīng)地連墻后方加固體三軸旋噴樁位置。

首先從1759 環(huán)6 點(diǎn)位開孔注雙液漿，注漿壓力變大后就更換注漿孔，實(shí)際注漿過程中我們要求注漿由下往上，左右交替，而且必須保證除了封頂塊之外所有注漿孔都必須開孔注漿，按照此方式把1759 環(huán)注完后緊接著在1758 環(huán)按照同樣的方式進(jìn)行注漿，由于1759環(huán)注漿孔還在連續(xù)墻范圍內(nèi)，所以開孔深度有所限制，而1758環(huán)注漿孔已經(jīng)出了地連墻范圍，開孔的時候可以打深孔。

在洞門位置進(jìn)行二次注漿的同時在加固體外側(cè)混凝土素墻位置管片開孔用臺車同步注漿管進(jìn)行補(bǔ)注水泥砂漿以封堵加固體后方來水。

為了減少砂漿凝固時間，在拌制過程中每方漿液另外加入了1 包普通硅酸鹽水泥，砂漿取樣初凝時間為10 小時。雙液漿經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)調(diào)整初凝時間為50s。注漿完成后，為了檢驗(yàn)注漿效果，我們對注漿質(zhì)量進(jìn)行了檢查，確保無滲漏水即達(dá)到洞門封堵要求。

3.8 基坑排水

洞門注漿質(zhì)量檢查合格后開始基坑抽排水，第一次抽水將接收井水抽去一半，然后觀察水位變化若干小時，確定井外無水土流進(jìn)接收井，也沒有引起井內(nèi)液面高度變化再繼續(xù)抽水，如果水位上漲明顯則需要再次進(jìn)行洞門封堵。

水位抽至洞門高度時要密切關(guān)注兩邊洞門鋼環(huán)有無滲漏水情況，取保洞門無滲漏后可將基坑內(nèi)水抽完，抽完水后即可開始泥沙清理工作，泥沙清理完成后將盾構(gòu)機(jī)往前推進(jìn)至盾尾與延伸鋼環(huán)完全分離，分離過程也必須關(guān)注洞門情況，一旦出現(xiàn)滲水情況立即進(jìn)行二次注漿或者注聚氨酯。

抽排水過程中通過觀察發(fā)現(xiàn)停止抽水后液位無明顯上升，水抽完后洞門一圈未出現(xiàn)滲漏情況，說明此次洞門封堵效果良好，最后將盾尾與延伸鋼環(huán)脫離之后洞門依然未出現(xiàn)滲漏，此次水下接收成功完成。

4 結(jié)語

深覆土富水砂層盾構(gòu)接收施工具有施工風(fēng)險高、控制難度大、社會影響大等顯著特點(diǎn)，結(jié)合廣州地鐵18號線橫瀝站-番禺廣場站區(qū)間HP2 中間風(fēng)井~HP3 盾構(gòu)井區(qū)間水下接收的成功案例，說明這個難題是可以克服的，風(fēng)險也是可控的，主要從以下幾個方面進(jìn)行管控：（1）全面理解深覆土富水砂層盾構(gòu)接收施工工程本身的特點(diǎn)、難點(diǎn)、重點(diǎn)；（2）結(jié)合工程特點(diǎn)，合理進(jìn)行方案對比優(yōu)選；（3）積極借助自動化監(jiān)測預(yù)警、信息化視頻監(jiān)控等有效手段確保信息實(shí)時傳達(dá)；（4）層層落實(shí)管理責(zé)任，從基礎(chǔ)作業(yè)人員抓起，確保技術(shù)方案執(zhí)行有力；（5）充分估計困難和風(fēng)險，充分考慮應(yīng)急預(yù)案，做到有備無患。