富水條件下盾構(gòu)穿越泡沫砼回填風(fēng)井施工技術(shù)

徐正齊

（中國中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

1 工程概況

1.1 工程線路

杭州地鐵6 號線一期土建工程SG6-6 標(biāo)包括之江海洋公園站～振浦路站區(qū)間、振浦路站、振浦路站～中醫(yī)藥大學(xué)站區(qū)間，共計1 站2 區(qū)間。其中之振區(qū)間(之江海洋公園站～振浦路站區(qū)間)隧道全長2745m，穿越錢塘江，設(shè)江南、江北2 座風(fēng)井,采用2 臺海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機施工，均由振浦路站小里程端始發(fā)，過程中依次穿越江北風(fēng)井、錢塘江和江南風(fēng)井，然后再一直掘進(jìn)至之江海洋公園站大里程端接收吊出。工程線路詳見圖1。

圖1 本標(biāo)段工程線路圖

1.2 風(fēng)井結(jié)構(gòu)

江北風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)尺寸27.1m×21.8m，基坑開挖深度達(dá)29.1m，為地下三層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。風(fēng)井采用地連墻與內(nèi)襯墻疊合結(jié)構(gòu)，地連墻既作為風(fēng)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又作為風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)一部分。地連墻厚度1.2m，內(nèi)襯墻厚度0.8m，預(yù)埋洞門鋼環(huán)直徑6.7m。

1.3 地質(zhì)條件

江北風(fēng)井區(qū)域自上而下地層：①1 雜填土、②32 砂質(zhì)粉土、②4 粘質(zhì)粉土、③3 砂質(zhì)粉土夾粉砂、③6 粉砂、⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、⑧2 含砂粉質(zhì)粘土、⑿1 粉砂、⑿2 中砂、⒁4 圓礫、(22)3 中風(fēng)化鈣質(zhì)石英粉砂巖、(23)3 中風(fēng)化砂礫巖。盾構(gòu)掘進(jìn)主要涉及③6 粉砂層和⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層，其中隧道底部為⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層。地層詳見圖2。

圖2 地層分布圖

1.4 水文條件

江北風(fēng)井區(qū)域地下水類型為潛水和承壓水。淺部潛水主要賦存于上部①填土層、②粉土、粉砂及③粉土、砂土中，潛水含水層底板大致以⑥層淤泥質(zhì)土為界，厚度13.5～23.3m。深部承壓水主要分布于⑿、⒁砂礫石層中,其上⑥、⑧和⑨層粘性土是相對隔水層，構(gòu)成承壓水含水層頂板,其下基巖(22)鈣質(zhì)石英粉砂巖、(23)砂礫巖為承壓含水層底界,厚度4.1～20.0m。

1.5 周邊條件

江北風(fēng)井位于錢塘江東北岸濱文路端頭，距錢塘江堤最近110m。西側(cè)為綠地，東側(cè)30m處是新生村311 號房屋（2000 年建造，四層磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，埋深0.5m）。風(fēng)井周邊無地下管線。

2 盾構(gòu)穿越風(fēng)井前相關(guān)技術(shù)措施

由于江北風(fēng)井緊鄰錢塘江，區(qū)域存在富水(高水位潛水及高水頭承壓水)和不良地質(zhì)(粉砂及淤泥質(zhì)土)雙重風(fēng)險不利條件。為確保盾構(gòu)掘進(jìn)安全，對風(fēng)井兩側(cè)端頭采用了RJP 加固、素混凝土止水帷幕及降水技術(shù)，并對風(fēng)井采取泡沫混凝土回填等措施。

2.1 風(fēng)井端頭加固

江北風(fēng)井端頭處區(qū)間隧道頂部覆土深度約19m，隧道斷面處于③6粉砂、⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層中。原設(shè)計端頭處地基加固采用1m 厚素混凝土地連墻+7m 范圍雙重管普通高壓旋噴樁。根據(jù)現(xiàn)場水文及工程地質(zhì)條件和加固深度情況，為保證加固質(zhì)量和盾構(gòu)接收、始發(fā)安全，變更將原設(shè)計加固技術(shù)方案優(yōu)化為：1m厚C20 素混凝土地連墻+7m 范圍三重管RJP 超高壓旋噴樁。

江北風(fēng)井一側(cè)端頭的素混凝土地連墻注水帷幕總長46.2m，共計18 幅，止水帷幕素混凝土地連墻深度至區(qū)間隧道底部以下不小于10m，墻底位于⑧2 含砂粉質(zhì)粘土層中。在進(jìn)行江北風(fēng)井主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土地連墻施工同時，完成相應(yīng)端頭的素混凝土地連墻止水帷幕。端頭7m 范圍內(nèi)的土體加固采用三重管RJP 超高壓旋噴樁，樁徑及間距Ф2200@1700，樁長27～28m 之間，加固深度至區(qū)間隧道底部以下不小于3m，樁底位于⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層中。風(fēng)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土地連墻與端頭素混凝土地連墻止水帷幕的接縫處，采用1 根直徑Ф2200 三重管RJP 超高壓旋噴樁封堵，樁長31.0m。優(yōu)化后的端頭加固及降水布置詳見圖3。

風(fēng)井端頭加固三重管RJP 超高壓旋噴樁采用P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，設(shè)計水泥摻量不小于35%，水灰比0.7～1.0。根據(jù)設(shè)計要求和試樁等情況，實際選取采用水灰比1.0，水泥摻量35%。主要技術(shù)工藝參數(shù)及機械設(shè)備見表1。

表1 三重管RJP 超高壓旋噴樁工藝參數(shù)及機械設(shè)備表

2.2 風(fēng)井端頭降水

2.2.1 降水井布置

在端頭井加固土體外側(cè)和素地連墻止水帷幕封閉范圍內(nèi)，共設(shè)置6 口降水井和2 口觀測井，降水井深度均為28.5m。降水井平面布置詳見圖3。

圖3 優(yōu)化后的端頭加固及降水布置平面圖

2.2.2 管井材質(zhì)構(gòu)造

降水井材質(zhì)采用Ф315mmPVC 波紋管，濾水管外包裹60目濾網(wǎng),填料采用優(yōu)質(zhì)中粗砂回填，頂部2m 回填粘土土。觀測井采用Ф110mmPVC管制作。

2.2.3 降水技術(shù)要求

抽水穩(wěn)定后，出水含砂量不超過1/20000 (體積比)。為安全起見，洞門鑿除之前，須提前開始抽水，使素混凝土連續(xù)墻止水帷幕范圍的地下水位降至區(qū)間隧道底部以下。洞門破除過程中，應(yīng)做好觀測井水位觀測，檢查降水效果，確保洞門破除施工安全。

2.3 風(fēng)井洞門鑿除

2.3.1 加固效果檢查

根據(jù)設(shè)計和規(guī)范要求, 對風(fēng)井洞門端頭處加固土體需要檢查其強度及抗?jié)B性能。加固土體強度指標(biāo)通過鉆芯取樣測定其抗壓強度；抗?jié)B性能指標(biāo)采用探孔取樣確定其抗?jié)B性能。在洞門上、下、左、右及中心部位共設(shè)置9 個探孔，每個孔深＞2m。在加固土體鉆芯檢測和洞門探孔取樣檢查良好情況下，方可進(jìn)行洞門鑿除。加固土體現(xiàn)場實際鉆芯完整性較好，抗壓強度滿足設(shè)計要求。鉆芯詳見圖4。

圖4 加固效果鉆芯照片

2.3.2 洞門破除施工

首先在洞門前搭設(shè)腳手架作業(yè)平臺；其次對圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)混凝土進(jìn)行破除，割除外側(cè)鋼筋；再次對內(nèi)側(cè)混凝土進(jìn)行破除，保留內(nèi)側(cè)鋼筋，待渣土清理完畢后才能進(jìn)行內(nèi)側(cè)鋼筋割除；最后清理好現(xiàn)場，開展泡沫砼回填各項準(zhǔn)備工作。洞門鑿除須連續(xù)，加強現(xiàn)場觀測巡查，并盡量縮短作業(yè)時間。

2.4 風(fēng)井泡沫混凝土回填

2.4.1 泡沫砼指標(biāo)及配合比

綜合考慮盾構(gòu)機承載及掘進(jìn)切削要求，泡沫砼設(shè)計抗壓強度指標(biāo)7d≥1.5Mpa、28d≥2.0Mpa。通過試驗，泡沫混凝土配合比選定為水泥:水：泡沫劑=1:0.57:0.09。初凝時間5～6 小時。濕密度1000～1050kg/m3，普通硅酸鹽水泥P.O42.5 水泥用量650kg/m3。

2.4.2 泡沫混凝土回填技術(shù)工藝

風(fēng)井內(nèi)回填泡沫砼之前，應(yīng)完成左右線洞圈復(fù)測，以確保后續(xù)盾構(gòu)機順利通過。此外還應(yīng)在風(fēng)井盾構(gòu)接收及始發(fā)段各布置6 環(huán)增設(shè)注漿孔的管片(每環(huán)12 個注漿孔)，以便于以后注漿及封堵洞門。

為確保泡沫砼回填澆筑連續(xù)、密實和均勻，采用分層施工工藝方法。江北風(fēng)井泡沫砼回填頂面為風(fēng)井洞門以上3m 高度，回填總量25.5*20.2*10.4=5357m3。泡沫砼采用現(xiàn)場制作，配備兩臺泵送配套機械設(shè)備，24 小時連續(xù)作業(yè)，分兩班倒進(jìn)行施工。按每臺泵送泡沫砼方量80m3/h，通過軟管直接由預(yù)留孔回填澆筑。

風(fēng)井泡沫砼回填澆筑共計分為13 層，每層分層厚度約0.8m，澆筑速度1 層/3h，每層澆筑間隔時間5h。泡沫砼回填過程中，要確保供應(yīng)連續(xù)不間斷。

泡沫砼回填技術(shù)工藝步驟：第一步風(fēng)井左、右線進(jìn)洞及出洞條件驗收合格；第二步同時鑿除4 個洞門第一層0.9m厚砼，拆除腳手架并將砼渣清除；第三步開始回填第1 層泡沫砼到洞圈底部位置。第四步從洞圈底部往上鑿除洞門剩余的0.3m 厚砼，鑿除高度為1.6m，同時將1.6m 高度范圍內(nèi)洞門外層鋼筋全部割除完成；第五步回填完成洞圈底部位置往上1.6m 高度范圍內(nèi)泡沫砼，分成兩次回填, 每次0.8m（即第2、3 層回填泡沫砼）；第六步繼續(xù)往上鑿除洞門第二層砼，鑿除高度范圍洞圈底部以上1.6m～3.35m至洞門中心線位置，同時割除該范圍內(nèi)鋼筋；第七步完成洞圈底部往上1.6m～3.35m 至洞門中心線位置范圍內(nèi)回填泡沫砼，分兩次回填完成（即第4、5 層回填泡沫砼）；第八步繼續(xù)鑿除洞門中心線往上第二層砼，鑿除范圍為洞門中心線至洞門頂部高度3.35m,同時割除該范圍內(nèi)鋼筋，此時洞門范圍內(nèi)砼已全部鑿除完成；第九步完成洞門中心線至洞門頂部高度3.35m 范圍內(nèi)回填泡沫砼，一共分四次回填施工，相當(dāng)于（即第6～9 層回填泡沫砼）；第十步繼續(xù)往上回填泡沫砼，回填高度為盾構(gòu)管片外徑頂部以上3m高度（相當(dāng)于洞門鋼環(huán)往上2.75m，因為洞門鋼環(huán)半徑3.35m，管片半徑3.10m），此高度范圍回填泡沫砼分四次施工，相當(dāng)于（第10～13 層回填泡沫砼）。第十一步完成泡沫砼回填收尾工作，做好盾構(gòu)機穿過風(fēng)井準(zhǔn)備。風(fēng)井內(nèi)泡沫砼回填橫斷面詳見圖5。

圖5 江北風(fēng)井泡沫混凝土回填橫斷面圖

2.5 盾構(gòu)姿態(tài)復(fù)測

由于回填泡沫砼7d 強度≥1.5Mpa，可承載盾構(gòu)機自重，因此本次盾構(gòu)穿越時不需要布置基座。盾構(gòu)在穿越江北風(fēng)井前，須對4 個洞門位置進(jìn)行復(fù)核測量，復(fù)核盾構(gòu)所處方位、確認(rèn)盾構(gòu)姿態(tài)、評估盾構(gòu)進(jìn)入江北風(fēng)井時姿態(tài)、擬定盾構(gòu)接收段施工軸線、推進(jìn)坡度控制值等，確保盾構(gòu)在此階段施工中始終按預(yù)定方案實施，以良好姿態(tài)穿越風(fēng)井。

3 盾構(gòu)穿越風(fēng)井施工

本工程采用盾構(gòu)過站江北風(fēng)井施工工藝。在江北風(fēng)井底板和負(fù)三層側(cè)墻施工完成后，進(jìn)行盾構(gòu)穿越風(fēng)井。待盾構(gòu)通過風(fēng)井結(jié)束后，再進(jìn)行風(fēng)井剩余負(fù)二層和負(fù)一層主體結(jié)構(gòu)施工。

3.1 總體施工分區(qū)：盾構(gòu)穿越江北風(fēng)井主要分為盾構(gòu)進(jìn)洞、風(fēng)井回填泡沫砼內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)和盾構(gòu)出洞三個施工階段。本項目左線盾構(gòu)先行穿越江北風(fēng)井, 隨后右線盾構(gòu)穿越,兩者前后相距約50 環(huán)，以避免左右線掘進(jìn)相互干擾和影響。根據(jù)施工順序，將盾構(gòu)穿越江北風(fēng)井施工分為7 個區(qū)域(依次為一區(qū)至七區(qū))。詳見圖6。

圖6 盾構(gòu)穿越江北風(fēng)井總體籌劃分區(qū)圖

3.2 穿越江北風(fēng)井技術(shù)

以左線盾構(gòu)穿越江北風(fēng)井為例，施工過程依次為：左線盾構(gòu)掘進(jìn)一區(qū)素混凝土墻止水帷幕(1m)；左線盾構(gòu)掘進(jìn)二區(qū)土層(5m)；江北風(fēng)井左、右線洞門破除同時施工；風(fēng)井泡沫砼回填施工及養(yǎng)護(hù)；左線盾構(gòu)掘進(jìn)三區(qū)RJP 加固區(qū)(7m）；左線盾構(gòu)穿越四區(qū)風(fēng)井回填泡沫砼(19.2m)；左線盾構(gòu)過錢塘江之前全面檢查；左線盾構(gòu)穿越四區(qū)風(fēng)井回填泡沫砼(10m)；左線盾構(gòu)掘進(jìn)五區(qū)RJP 加固區(qū)(7m)；左線盾構(gòu)掘進(jìn)六區(qū)土層(5m)；左線盾構(gòu)掘進(jìn)七區(qū)素混凝土墻止水帷幕(1m)。左線盾構(gòu)穿越江北風(fēng)井的總體施工時間控制在35 天以內(nèi)。

3.2.1 接近江北風(fēng)井

當(dāng)盾構(gòu)機切口距離江北風(fēng)井地連墻外側(cè)24 環(huán)距離時，此時盾構(gòu)機與地連墻距離為一倍盾構(gòu)底埋深。本階段土壓力設(shè)定區(qū)域為中心土壓控制，設(shè)定值為0.35MPa， 推進(jìn)速度調(diào)整至2cm/min，控制推進(jìn)總推力≤17000KN。同步注漿量保持正常6m3/環(huán)，同步注漿壓力控制在0.4～0.5MPa。土壓力及同步注漿量設(shè)定，可具體根據(jù)出土量及地表監(jiān)測數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整。

3.2.2 進(jìn)洞

盾構(gòu)到達(dá)加固體前，防止推力過大而對加固體產(chǎn)生較大擾動，推力、土倉壓力設(shè)置需嚴(yán)格控制，可根據(jù)現(xiàn)場情況將土倉壓力減小到較小值。在盾構(gòu)機碰壁以前，須注意盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)選擇，防止糾偏過急，通過正確的管片拼裝點位選取，保證盾構(gòu)機碰壁時良好姿態(tài)。在即將碰壁時，提前一環(huán)將速度減小到10mm/min，推力＜12000kN；至碰壁前50cm 距離時，速度減小到5mm/min，推力＜10000kN，刀盤轉(zhuǎn)速＜1.5rad/min。

3.2.3 穿越風(fēng)井回填的泡沫混凝土

當(dāng)盾構(gòu)刀盤中心刀靠上泡沫混凝土后，逐步減小土壓力。推進(jìn)時應(yīng)密切注意盾構(gòu)機姿態(tài)，使盾構(gòu)機能順利進(jìn)入洞門。本階段盾構(gòu)控制推進(jìn)速度在1cm/min 左右，以控制總推力為主，控制推力≤10000KN，刀盤轉(zhuǎn)速1r/min。同步漿液注漿量保持3.4m3/環(huán)，并在壓注過程中密切觀察注漿壓力變化。盾構(gòu)盾尾進(jìn)入泡沫混凝土內(nèi)5 環(huán)時，在洞門封堵效果檢查滿足要求后，盾構(gòu)機暫停掘進(jìn)，對盾構(gòu)機穿越錢塘江前進(jìn)行刀具和盾尾刷等器件全面檢查，對于不能繼續(xù)使用的器件給予更換。盾構(gòu)穿越江北風(fēng)井詳見圖7。

圖7 盾構(gòu)機直接穿越江北風(fēng)井縱斷面圖

3.2.4 出洞

3.2.4.1 盾構(gòu)刀盤在加固體中推進(jìn)：由于本階段掘進(jìn)正面土體土質(zhì)較硬，為控制推進(jìn)軸線和保護(hù)盾構(gòu)刀盤，須耐心磨削，使加固區(qū)土體得到充分切削，為控制好刀盤油壓和轉(zhuǎn)速，推進(jìn)速度應(yīng)放慢，盡量做到平穩(wěn)施工，減少對周圍土體擾動。推進(jìn)速度在1cm/min 以內(nèi)為宜，出土量為38.6m3/環(huán)，刀盤轉(zhuǎn)速采用1r/min，控制盾構(gòu)機推力≤14000kN，刀盤扭矩控制≤4200kN·m。土壓控制為中心土壓控制，土壓力值設(shè)定為0.12MPa～0.15MPa 左右。土壓力值主要根據(jù)盾構(gòu)機推力、扭矩以及出土量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.2.4.2 刀盤出加固體推進(jìn)：盾構(gòu)刀盤出加固區(qū)后，土壓力設(shè)定為0.35MPa。刀盤剛剛出加固區(qū)時，盾尾仍在加固區(qū)內(nèi)，推進(jìn)速度控制在1cm/min，同步漿液注漿量保持在3.4m3/環(huán)。待盾尾完全離開加固區(qū)，推進(jìn)速度提升至3cm/min，同步注漿量恢復(fù)6m3/環(huán)。

4 監(jiān)控量測

根據(jù)設(shè)計及規(guī)范相關(guān)要求，盾構(gòu)穿越風(fēng)井主要監(jiān)測內(nèi)容有：一是盾構(gòu)軸線頂部地表沉降監(jiān)測，沿盾構(gòu)軸線每隔5 環(huán)布設(shè)一點。二是盾構(gòu)橫向剖面地表沉降監(jiān)測，盾構(gòu)進(jìn)洞、出洞段50 環(huán)范圍內(nèi)沿盾構(gòu)軸線每隔5 環(huán)布設(shè)一組，每組各11 點，盾構(gòu)進(jìn)洞、出洞段50～100 環(huán)范圍內(nèi)沿盾構(gòu)軸線每隔10 環(huán)布設(shè)一組，每組各11 點，盾構(gòu)其余段每隔20 環(huán)布設(shè)一組，每組各11 點。此外，盾構(gòu)穿越風(fēng)井過程中，對風(fēng)井基坑支撐軸力、端頭地下水位及臨近房屋沉降等也進(jìn)行了監(jiān)測。通過監(jiān)測，各項數(shù)據(jù)均未超過相應(yīng)預(yù)警或報警值，盾構(gòu)穿越風(fēng)井過程中，施工安全總體受控。

5 穿越風(fēng)井后相關(guān)措施

盾構(gòu)穿越風(fēng)井后，通過對地連墻及內(nèi)襯墻范圍內(nèi)的管片注漿孔加裝球閥基礎(chǔ)上,采用沖擊鉆進(jìn)行封水效果探測，確認(rèn)無滲漏后，方可進(jìn)行下一步泡沫砼鑿除和洞門封堵。封堵結(jié)束后，還對整個洞門進(jìn)行了補注壓漿。

6 結(jié)論

城市地鐵建設(shè)過程中，需設(shè)置風(fēng)井來滿足長距離區(qū)間隧道通風(fēng)需要。對于盾構(gòu)穿越良好地質(zhì)條件下的區(qū)間風(fēng)井，通常采用“接收到站、平移過站、再始發(fā)”的施工技術(shù)工藝。針對本工程對復(fù)雜高風(fēng)險地質(zhì)條件下的于盾構(gòu)穿越區(qū)間風(fēng)井施工，采用“回填風(fēng)井、盾構(gòu)穿越”的施工技術(shù)工藝，既降低了盾構(gòu)多次常規(guī)接收和始發(fā)的安全風(fēng)險，同時還可以有效加快工程進(jìn)度、縮短施工工期。本項目實例可為其他類似工程施工提供有益借鑒和參考。