富水粉細砂地層盾構(gòu)全水中接收技術(shù)

葉新豐 ，張寧忠，吳精義，李振東 ，龔潔英，劉尚偉，李彥朋

（1. 北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2. 城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100068；3．北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；4. 北京市基礎設施投資有限公司，北京 100055）

1 研究背景

隨著國內(nèi)地鐵建設規(guī)模日益擴大，盾構(gòu)法施工得到普遍應用，成為區(qū)間隧道施工最常用的一類施工方法。但隨著軌道交通線網(wǎng)加密，隧道埋深進一步加大，盾構(gòu)接收的難度加劇，尤其是在地下水豐富、且水流速較快地區(qū)，盾構(gòu)接收往往遇到諸多困難[1]。為此許多學者針對盾構(gòu)接收提出了各類接收方案，根據(jù)目前已有文獻總結(jié)，盾構(gòu)接收方案主要分為加固法、凍結(jié)法、鋼套筒、水中接收4 種接收類型或其組合類型。文獻[2-3]分別研究南京、蘇州兩地地鐵區(qū)間，在高地下水水位、富水砂層條件下采用凍結(jié)法并取得良好效果；文獻[4-5]分別以太原、鄭州兩地富水砂層地鐵區(qū)間為例，研究采用鋼套筒方案接收的可行性及安全性。相對凍結(jié)及鋼套筒施工而言，采用端頭加固作為盾構(gòu)接收方式較為常見，文獻[6]介紹了福州地鐵在軟弱富水砂層中采用注漿加固地層結(jié)合降水條件下的盾構(gòu)接收，文獻[7-8]分別介紹了武漢市軌道交通2 號線越江隧道及某盾構(gòu)區(qū)間采用回填砂石及水的方式，當接收井內(nèi)外水壓平衡后進行接收，文獻[9]介紹了在以色列特拉維夫輕軌項目中，采用全水下盾構(gòu)接收的案例。文獻[10]介紹常見端頭加固形式有注漿法、深層攪拌法、高壓旋噴法、素混凝土樁(墻)法等。文獻[11]介紹了在天津地鐵施工中采用水平凍結(jié)+垂直加固的案例，文獻[12-14]介紹了在南京、武漢、哈爾濱地鐵施工中采用凍結(jié)+垂直加固的案例，文獻[15]介紹了在富水的粉砂夾粉土、粉質(zhì)黏土中，采用盾構(gòu)鋼套筒+凍結(jié)法施工的案例，文獻[16]介紹了在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，采用凍結(jié)法+水中接收超大型泥水盾構(gòu)的案例。具體案例、適應環(huán)境及工期造價比較見表1。

北京地鐵19 號線支線清河站南側(cè)盾構(gòu)區(qū)間，原方案為端頭加固施工，因地下水豐富，地下水流速快及補給充分，加固方案經(jīng)試驗檢測效果未達到設計預期，因此考慮其他接收方案?？紤]場地地下水流速過快不易形成凍結(jié)壁，且接收井場地狹小，安裝鋼套筒條件有限，因此放棄凍結(jié)及鋼套筒接收方案，選擇水下接收方案。文獻[7-8]提及的接收方案主要為在接收區(qū)域加入砂土或加氣磚，之后在頂部填充水(砂土、加氣磚填充厚度高于盾構(gòu)機頂部)，因此其接收主要為類土體接收，而本次接收方案為純水中接收，這在國內(nèi)研究文獻中較為鮮見，筆者對采用接收井內(nèi)盾構(gòu)全水中接收關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

表1 盾構(gòu)接收典型案例 Table 1 Typical case of shield receiving

2 工程概況

2.1 工程背景

區(qū)間盾構(gòu)接收井位于北京市八家郊野公園內(nèi)，現(xiàn)狀主要為綠地，場區(qū)內(nèi)無管線。區(qū)間盾構(gòu)接收井結(jié)構(gòu)形式為3 層雙跨框架結(jié)構(gòu)，由中隔墻將接收井分為左右兩個尺寸相同洞室。洞室結(jié)構(gòu)凈空尺寸長14.50 m、寬11.40 m、高19.26 m，左右線分別進行接收，為防止回灌水左右互通，接收時采用砌磚臨時封堵防火門，并采用工字鋼支頂，增強防水能力。區(qū)間盾構(gòu)接收井位于永定河沖積扇平原，土層劃分為人工堆積層、第四紀沖洪積層。接收位置盾構(gòu)隧道穿越地層為粉質(zhì)黏土、粉細砂、卵石圓礫層，地質(zhì)剖面如圖1 所示。接收區(qū)域地層自上而下描述參數(shù)如表2 所示。

圖1 接收井地質(zhì)剖面 Figure 1 Geological profile of the arriving shaft

表2 接收段地層參數(shù) Table 2 Soil parameters in the shield-reception section

接收段賦存3 層地下水，地下水類型分別為潛水(2)、承壓水(3)、承壓水(4)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析，觀測深度范圍以下的砂土層、粉土層、卵石層普遍呈飽和狀態(tài)，均應視為含水層。隧道底部及接收井底板均進入承壓水(4)。根據(jù)勘察報告顯示場區(qū)附近承壓水(3)的平均流速為7.70 m/d。地下水水位如表3、圖1所示。

表3 地下水特征及埋深 Table 3 Groundwater characteristics and buried depth m

2.2 工程參數(shù)

盾構(gòu)區(qū)間襯砌采用鋼筋混凝土預制管片，管片外徑6 400 mm，內(nèi)徑5 800 mm，厚度300 mm，管片長度1.2 m。盾構(gòu)接收井采用明挖法施工，基坑采用鉆孔灌注樁+止水帷幕+內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)形式。接收洞門端頭圍護樁采用玻璃纖維筋代替普通鋼筋，玻璃纖維筋長度為9.4 m(盾構(gòu)隧道直徑6.4 m+上下各1.5 m)，玻璃纖維筋與普通鋼筋主筋搭接長度為2.2 m，采用U型扣件連接。

盾構(gòu)機采用2 臺中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)機主要參數(shù)如表4 所示。

表4 盾構(gòu)機參數(shù) Table 4 Parameters of the shield machine

3 全水中接收施工工序及技術(shù)要點

3.1 盾構(gòu)全水中接收工序

盾構(gòu)全水中接收工序流程及其主要工作如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)全水中接收施工工序 Figure 2 Construction process of an underwater reception of the shield machine

3.2 盾構(gòu)接收各階段風險及控制措施

3.2.1 接收準備階段

盾構(gòu)接收過程中的主要風險有：盾構(gòu)推進方向與設計方向偏差超限、刀盤出洞時易發(fā)生涌水涌砂、盾構(gòu)機出現(xiàn)栽頭等。為了保證盾構(gòu)能夠安全順利接收，接收前采取了以下技術(shù)措施，應對可能出現(xiàn)的風險：①為避免盾構(gòu)推進方向超限，接收前對盾構(gòu)姿態(tài)與洞門進行復測，校核位置關(guān)系，指導接收姿態(tài)控制參數(shù)，將盾構(gòu)姿態(tài)偏差控制在±20 mm 以內(nèi)；②應對可能發(fā)生的涌水涌砂，首先進行地面注漿加固，洞門采用小導管水平注漿，加固接收端土體，其次安裝洞門橡膠簾布與扇形壓板作為止水裝置，最后洞門增加一道洞門鋼刷，加強對水土流失的控制；③在洞門下方增設一個凸起，主動抬高盾構(gòu)機頭部，同時對接收基座進行定位安裝；④在施工現(xiàn)場接收井四周增設24 口應急降水井，作為應急使用，特殊狀況下開啟，以降低接收井井外水頭高度，減少突涌風險。

3.2.2 加固區(qū)掘進階段

加固區(qū)掘進階段主要風險：盾構(gòu)推進速度過快、土倉壓力過大造成接收洞門受壓較大；加固區(qū)土體受施工影響不密實形成流水通道；盾構(gòu)姿態(tài)偏差超限。

針對上述風險，盾構(gòu)端頭加固區(qū)掘進技術(shù)控制點為：①降低盾構(gòu)推進速度，控制在20～15 mm/min，降低土倉壓力，減小對洞門壓力；②加強同步注漿，控制漿液凝結(jié)時間在3～10 h 之間，凝結(jié)后漿液的強度不小于2.0 MPa，注漿壓力控制在0.4～0.5 MPa 之間，同時洞內(nèi)多次注漿，既補充土體間隙，又能起到封環(huán)止水作用，同時控制地表沉降；③推進過程中控制盾構(gòu)機姿態(tài)，避免出現(xiàn)較大偏差，姿態(tài)偏差控制在±20 mm 范圍內(nèi)。

在刀盤抵樁后，接收井內(nèi)開始回灌水?；毓嗨扛鶕?jù)周邊水位觀測情況確定，回灌水位高于井外水位0.5～1.0 m?；毓嗨叨仁疽鈭D如圖3 所示。

圖3 接收井內(nèi)回灌水位 Figure 3 Schematic of reinjection water level in the receiving shaft

3.2.3 刀盤磨樁階段

刀盤磨樁期間主要風險為：如果盾構(gòu)推力過大或推進速度過快，可能造成圍護樁過早折斷，以及洞門出現(xiàn)大量水土流失。

磨樁過程中技術(shù)控制主要包括：控制盾構(gòu)推進速度及推力，推進速度＜10 mm/min，推力＜600 t；待刀盤切削圍護樁一半樁體后，通過盾構(gòu)機中徑向注漿孔對盾體范圍進行聚氨酯注漿止水，隔絕盾體與土體之間前后水源。

3.2.4 刀盤出洞階段

刀盤出洞階段主要風險：①出洞時易在樁間或螺旋輸送機出土口內(nèi)部出現(xiàn)涌水涌砂；②磨樁后大塊的圍護樁碎塊卡在刀盤與接收基座之間，導致無法繼續(xù)推進；③盾構(gòu)推進反力減小不足以壓密管片防水密封。當?shù)侗P通過圍護樁后，刀盤前方提供給盾構(gòu)機的反力驟減，接收段管片在失去后盾管片支撐后會松弛，導致管片環(huán)縫增大，影響防水效果，對隧道結(jié)構(gòu)或周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

為防止可能出現(xiàn)的洞內(nèi)外涌水涌砂，采取的施工措施有：接收前對接收段地層進行注漿加固；在洞門鋼環(huán)上安裝一道洞門鋼刷；合理控制接收井內(nèi)回灌水位；采用關(guān)閉螺旋輸送機出土口后磨樁推進，防止發(fā)生噴涌。

洞門注漿加固如圖4 所示。

圖4 洞門水平注漿加固 Figure 4 Schematic of horizontal grouting reinforcement of tunnel portal

為防止大塊圍護樁碎塊卡在刀盤與接收基座托架之間，采取的施工措施有：接收基座滿鋪鋼板，消除接收基座上的間隙，保證掉落圍護樁碎塊伴隨刀盤向前移動；配備潛水員，處理可能影響推進的圍護樁碎塊。

接收基座鋼板滿鋪示意圖如圖5 所示。

圖5 接收基座鋼板滿鋪 Figure 5 Schematic of fully covered steel plate of receiving base

為防止盾構(gòu)推進反力減少，不足以壓實管片防水密封，采取的應對措施為：在縱向螺栓緊固時，嚴格控制管片間隙在2 mm 之內(nèi)，并在后續(xù)推進過程中復緊3～4 次，保證管片連接緊密；同時在接收段管片拼裝完成后，對洞口前6～8 環(huán)用型鋼聯(lián)系拉緊，防水材料三元乙丙橡膠增設遇水膨脹止水條，并多次補漿，在加強盾構(gòu)環(huán)間密封防水的同時，以達到洞門密封防水的雙重效果。

3.2.5 盾體出洞階段

盾體出洞階段的風險點：一是無法順利到達接收基座上；二是出現(xiàn)涌水涌砂；三是盾構(gòu)機上浮。

為確保盾構(gòu)機順利推入接收基座，首先在接收前需對接收基座進行加固，其次為防止盾構(gòu)機出洞時機頭栽頭，接收基座的軌面標高除適應于線路情況外，適當降低2 cm，以便盾構(gòu)機順利上基座。在洞門鋼環(huán)底部增設一個凸起的頂升裝置，主動造成盾構(gòu)機在出洞時盾構(gòu)機頭上仰，避免刀盤頂在接收基座上。

新增凸起頂升裝置與以色列特拉維夫紅線輕軌項目的東標段接收洞門增加混凝土導臺所起的作用相同。相較于混凝土導臺，焊接施工更加便捷，且拆除簡單。施工成本較小，經(jīng)濟上更為合理。具體安裝如圖6 所示。

圖6 洞門增設凸起頂升裝置 Figure 6 Schematic of raised jacking device added to the tunnel portal

為避免洞門出現(xiàn)涌水涌砂，當盾體通過洞門密封裝置后，及時拉緊橡膠簾布，防止接收井外地下水沿盾殼流入接收井內(nèi)。本次接收過程中出現(xiàn)的圍護樁樁間噴錨網(wǎng)片卡在盾體與橡膠簾布之間，造成橡膠簾布封閉不嚴密導致漏水情況，經(jīng)現(xiàn)場人工清除鋼筋網(wǎng)片，同時針對漏水部位進行洞內(nèi)注漿止水，最終順利完成了接收。

為避免接收井內(nèi)浮力增加而造成盾構(gòu)機出現(xiàn)上浮，在盾構(gòu)機出洞的同時進行接收井內(nèi)水的抽排，降水同時觀察洞門橡膠簾布密封嚴密情況，如有異常暫停推進，及時進行洞內(nèi)注漿封堵，直至問題處理后繼續(xù)進行推進。

3.2.6 盾尾出洞階段

盾尾出洞階段主要風險為洞門的涌水涌砂。采取的主要措施是：當盾體通過洞門密封裝置完全進入接收井后，再次拉緊扇形壓板，使橡膠簾布與盾構(gòu)管片密貼，防止水流沿管片外徑向接收井內(nèi)流入，同時也防止同步注漿漿液外溢。盾構(gòu)機出洞后，在洞內(nèi)多次注漿，補充土體間隙，封環(huán)止水，同時控制地表沉降。

3.2.7 盾構(gòu)接收后續(xù)工作

盾構(gòu)井內(nèi)回灌水，在盾構(gòu)機出洞同時進行抽排，盾構(gòu)機完全出洞后，完成回灌水抽排工作，隨后逐步進行盾構(gòu)機的拆解吊出，最后完成接收基座吊出及雜物清理，施作洞門環(huán)梁。在此過程中，洞門在承壓水作用下仍存在滲漏風險，要加強關(guān)注，如有異常，進行注漿封堵。

4 盾構(gòu)接收過程參數(shù)控制及變形監(jiān)測

4.1 盾構(gòu)機接收控制參數(shù)

在盾構(gòu)接收過程中，為避免盾構(gòu)土倉壓力過大造成洞門發(fā)生破裂，盾構(gòu)機進入加固區(qū)后逐步降低盾構(gòu)土倉壓力，根據(jù)現(xiàn)場實際施工參數(shù)控制分析，到達加固區(qū)前正常推進段控制在0.08～0.12 MPa，接近洞門6 環(huán)左右開始降低至0.05 MPa 左右，在刀盤開始磨樁時降為0.01～0.02 MPa(見圖7)。

圖7 盾構(gòu)土倉壓力 Figure 7 Earth pressure in the soil chamber of the shield

盾構(gòu)接收過程中，推進速度同樣不能過快，盾構(gòu)實際施工過程中，正常推進段與加固區(qū)段控制在26.9～46.5 mm/min，刀盤磨樁期間控制在 3.9～5.1 mm/min，左右線均控制在施工設定值(10.0 mm/min)內(nèi)(見圖8)。

在接收過程中，盾構(gòu)對接收井洞門產(chǎn)生影響的最直觀表現(xiàn)為盾構(gòu)推力，洞門推力反映了洞門受到的壓力，根據(jù)施工方案刀盤磨樁期間總推力應小于6 000 kN。實際施工過程中，當接近接收井圍護樁2 環(huán)位置，推力開始逐漸上升，最高升至20 000 kN(見圖9)，磨樁期間總推力控制在9 000～14 000 kN，超過了施工設定值。

圖8 盾構(gòu)推進速度 Figure 8 Advance speed of shield tunneling

圖9 盾構(gòu)推進總推力 Figure 9 Total thrust of the shield

根據(jù)盾構(gòu)設備尺寸及開挖直徑大小計算，理論上同步注漿控制在每環(huán)5～5.5 m3，實際施工注漿方量為每環(huán)4.9～6.9 m3(見圖10)。同時洞內(nèi)進行了多次注漿，施作止水環(huán)，二次注漿采用水泥+水玻璃雙液漿，凝結(jié)時間控制在60 s 左右。漿液材料選用42.5 號普通硅酸鹽水泥和波美度35Be’的水玻璃，由管片注漿孔注入，控制壓力為0.4～0.5 MPa 之間，注漿量0.2 m3/孔，達到封堵盾尾后方過水通道作用。

圖10 盾構(gòu)同步注漿量 Figure 10 Synchronous grouting volume of the shield tunnel

4.2 地表變形數(shù)據(jù)

選取洞門上方兩個地表測點進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，盾構(gòu)在接收過程中，洞門部位上方地表最大沉降為5.59 mm(見圖11)，地表未出現(xiàn)異常。

圖11 接收洞門處地表沉降 Figure 11 Surface settlement at the tunnel portal

結(jié)合盾構(gòu)施工進度與沉降數(shù)據(jù)分析，在盾構(gòu)刀盤出洞后，洞門上方地表有少量沉降，沉降量為0.9～1.5 mm，盾尾出洞后出現(xiàn)明顯沉降，沉降量為4.0～4.8 mm，盾構(gòu)機出洞后，地表沉降逐漸收斂，趨于平穩(wěn)，出洞期間未發(fā)生涌水涌砂情況，洞門未出現(xiàn)大范圍的水土流失。

5 結(jié)論

該項目在地層存在粉細砂不良地層、地下水位位于隧道頂附近的條件下成功應用，接收過程未出現(xiàn)風險事件，最終完成雙線接收。本次全水中接收各項施工控制方式可作為后續(xù)水中接收施工參考依據(jù)，形成如下結(jié)論：

1) 為應對盾構(gòu)水下接收風險，除采取常規(guī)措施外，還采取了洞門上部地層水平注漿加固、關(guān)閉螺旋輸送機出土口后磨樁、洞門下方增設凸起的頂升裝置、接收基座鋼板滿鋪等專項措施。

2) 通過觀測地下水位確定接收井內(nèi)回灌水位，灌水高度在實測水位高度以上0.5～1 m 位置，可有效避免接收端涌水涌砂，確保施工安全。

3) 在接近洞門時，嚴格控制盾構(gòu)掘進參數(shù)，土倉壓力從接收前15 環(huán)正常掘進狀態(tài)，逐漸下降至抵樁前的0，同步注漿量提高至理論值的1.25 倍，推進速度控制在10 mm/min 以內(nèi)，推力控制在20 000 kN 以內(nèi)，洞內(nèi)注漿形成多道止水環(huán)，控制地下水流動。

4) 接收部位地表最大沉降為5.59 mm，刀盤出洞沉降0.9～1.5 mm，盾尾出洞沉降4.0～4.8 mm，對樁后土體的影響，盾尾出洞要大于刀盤出洞。

建議類似工程接收井采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)并在接收部位采用玻璃纖維筋，避免本案例中樁間噴砼碎片卡入盾殼與橡膠簾布之間，導致滲漏水，并且重點控制盾尾脫出時地層及管線變形，防止土體過量損失而產(chǎn)生破壞。