盾構(gòu)機(jī)采用水土平衡法通過中間風(fēng)井的技術(shù)

黃威然 米晉生 竺維彬

(1.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州 510010;2.廣州市地下鐵道總公司 廣州 510030)

隨著過江過河長隧道盾構(gòu)工程的增多，盾構(gòu)機(jī)通過大埋深中間風(fēng)井的機(jī)會(huì)也隨之增加。由于盾構(gòu)開挖直徑大于管片直徑的特點(diǎn)，砂層中盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)有較大涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)［1］。一般情況下盾構(gòu)過中間風(fēng)井［2－3］，采取先完成中間風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)，鑿除洞門處地下連續(xù)墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而后盾構(gòu)機(jī)過站的方式。相當(dāng)于完成一次到達(dá)、平移、再始發(fā)的過程，造成涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)集中［4］，其風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要是中間風(fēng)井內(nèi)外水土壓力相差懸殊，極其細(xì)小的縫隙都可能造成嚴(yán)重的涌水涌砂事故。

上海某過黃浦江公路隧道采用吊筑法施工工藝［5］，該工法施工技術(shù)要求極高，需要嚴(yán)格控制不同對象相互間的不利影響，即:盾構(gòu)掘進(jìn)對風(fēng)井結(jié)構(gòu)，降水對周邊建構(gòu)筑物，風(fēng)管開挖對隧道結(jié)構(gòu)。風(fēng)管開挖還可能有涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。

水土平衡法通過中風(fēng)井技術(shù)，即在中風(fēng)井底板結(jié)構(gòu)完成后，往井中回填水泥土等材料，盾構(gòu)掘進(jìn)通過風(fēng)井。該技術(shù)的優(yōu)勢是:

1)節(jié)約投資?？s小了端頭加固的規(guī)模，省略了盾構(gòu)機(jī)在中間風(fēng)井到達(dá)、過站和再始發(fā)的工序。

2)降低工程風(fēng)險(xiǎn)。由于井內(nèi)外水土壓力相當(dāng)，可避免洞門間隙發(fā)生的涌水、涌砂事故。

1 與傳統(tǒng)加固方案比較［6－7］

傳統(tǒng)過風(fēng)井的加固方案主要包括水泥土加固、凍結(jié)法加固、組合加固，筆者僅列舉其中較為常用的兩種方案與本文工法進(jìn)行比較，以廣州地鐵3號(hào)線北延線人和—高增區(qū)間盾構(gòu)工程為背景資料。該工程需要通過明挖中間風(fēng)井一個(gè)，風(fēng)井平面尺寸為 28.8 m×27.2 m，基底埋深約22 m?；又車貙佑?＜3－1＞沖積-洪積粉細(xì)沙，地質(zhì)補(bǔ)勘判別為中液化;＜3－2＞沖積-洪積中粗砂層。

方案1(傳統(tǒng)工法):φ600攪拌樁+外包兩排φ800三重管高壓旋噴樁方案，樁間咬合150 mm。始發(fā)加固長度9 m，到達(dá)加固長度10 m(見圖1)。

圖1 方案1 旋噴樁+攪拌樁加固

方案2(傳統(tǒng)工法):相對方案1，端頭加固外包旋噴樁改為素混凝土連續(xù)墻(C20)，厚600 mm，連續(xù)墻底進(jìn)入巖層1 m，頂面進(jìn)入不透水層1 m，加固體與連續(xù)墻間隙仍然采用三重管旋噴樁封堵(見圖2)。

圖2 方案2 素砼連續(xù)墻+攪拌樁加固

方案3(水土平衡法):中間風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)完成底板和中隔墻(盾構(gòu)隧道通過的高度以上，中板不做)，回填塑性混凝土和水泥改性土，盾構(gòu)掘進(jìn)過中間風(fēng)井。等整個(gè)區(qū)間掘進(jìn)完成后，重新開挖回填的塑性混凝土，拆除中間風(fēng)井管片，施工地下2層中板、中隔墻及樓梯間等剩余結(jié)構(gòu)。中間風(fēng)井進(jìn)出洞加固為地下素混凝土墻，墻寬9.4 m，厚0.8 m，上部比基坑冠梁高，下部比盾構(gòu)隧道底部深1 m，素砼墻與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻間用三管旋噴樁止水(見圖3)。3種方案特點(diǎn)比較見表1。

考慮中間風(fēng)井4個(gè)端頭加固深度范圍均為砂層，深度較大，即使采用方案1和方案2加固方案，加固體尺寸大于盾構(gòu)機(jī)輪廓，仍然無法避免涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，攪拌樁和旋噴樁的加固質(zhì)量可能存在缺陷，即使加固體完好，盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)過程中，盾體外間隙也可能出現(xiàn)涌水涌沙。

為保證施工安全，采取方案3。

圖3 方案3 塑性混凝土回填剖面

表1 3種方案特點(diǎn)比較［6］

2 平衡法過中間風(fēng)井方案［5－6］

該技術(shù)的要點(diǎn)是回填材料和方案;盾構(gòu)掘進(jìn)通過中風(fēng)井;施作中風(fēng)井剩余主體結(jié)構(gòu)。

2.1 回填材料

結(jié)合盾構(gòu)工法的特點(diǎn)，回填材料應(yīng)該具備以下特性:

1)具有一定的強(qiáng)度，可避免盾構(gòu)掘進(jìn)通過中風(fēng)井時(shí)機(jī)體下沉。

2)強(qiáng)度不可太高。一方面避免盾構(gòu)刀具不必要的磨損，另一方面方便最終的開挖作業(yè)。

3)具有一定的整體性。一方面可以作為土模，為盾構(gòu)換刀臨時(shí)開挖提供方便，也為中板等永久結(jié)構(gòu)施工提供便利;另一方面有一定的防水性能，防止基坑外地下水在加固體中形成滲流通道。

4)回填土應(yīng)具有一定的厚度，以平衡基坑外水土壓力，可防止可能出現(xiàn)的涌水涌砂。

結(jié)合以上特點(diǎn)，采用了組合回填材料:塑性混凝土+水泥改性土+砂土。

塑性混凝土是用黏土和(或)膨潤土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的一種柔性墻體材料，這種材料的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度不高，R28=0.5～2 MPa，彈性模量較低，E28=100～500 MPa。一般在水壩防滲墻施工中應(yīng)用較多，有很好的和易性、穩(wěn)定性、變形能力和抗?jié)B性。水泥改性土是在普通砂性土中摻入水泥粉，潮濕處理后夯實(shí)，通過水泥的固結(jié)作用使砂土形成一個(gè)整體，具有一定的強(qiáng)度及較好的抗?jié)B性能。砂土可以就地取材，開挖方便。

3種材料的回填范圍可見圖3。塑性混凝土回填在兩端洞門區(qū)域沿線路軸線約3 m，主要目的是為了控制盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)穿過洞門時(shí)可能發(fā)生的涌水涌砂，小范圍采用塑性混凝土可以控制造價(jià)，避免后期處理困難;水泥改性土防水性比塑性混凝土差，主要是土模作用，可方便臨時(shí)開挖檢查和更換刀具;砂土主要是壓載的作用，減少基坑內(nèi)外水頭壓力差。

2.2 回填與洞門破除

由于洞門的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼連續(xù)墻，需要在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)以前進(jìn)行人工破除，所以回填與洞門破除同步進(jìn)行，流程如下:

1)用水平探孔檢測洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)與素砼連續(xù)墻密實(shí)性。

2)第1輪回填。施作中間風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)底板、中隔墻至站臺(tái)板高度，混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%以上。首先進(jìn)行水泥改性土的回填，將砂性土和水泥分開下放至基底，拌和均勻平鋪在基底中間，碾壓密實(shí)，然后用氣夯人工夯實(shí)。按每層50～80 cm分層回填，每回填1～2層做一次壓實(shí)度試驗(yàn)，要求回填體壓實(shí)度達(dá)到90%，第1次回填至站臺(tái)板高度。兩端靠洞門位置預(yù)留3 m寬度不回填，待左右線洞門部分鋼筋混凝土破除后回填塑性混凝土，塑性混凝土在基坑外拌制，泵送澆筑。

3)第1輪破洞門及塑性混凝土回填。左右線洞門同時(shí)采用從下至上分層鑿除，每次1 m，每鑿一層回填塑性混凝土一層，回填高度與開鑿面平齊，待3 d強(qiáng)度后，再破上一層，盡量減少新舊連續(xù)墻夾縫暴露時(shí)間。依次向上分層進(jìn)行，第1輪塑性混凝土回填至站臺(tái)板以下。

4)地下2層主體結(jié)構(gòu)中隔墻施工，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%以上進(jìn)行。

5)第2輪回填和洞門破除。依照第1輪同樣步驟，完成剩余洞門破除和塑性混凝土回填施工，最后將剩余水泥改性土和塑性混凝土一次回填至設(shè)計(jì)回填面。

6)回填反壓土。待塑性混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，回填3 m厚反壓土，分兩次回填到位，用勾機(jī)壓實(shí)。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)通過中風(fēng)井

盾構(gòu)掘進(jìn)通過中風(fēng)井主要控制點(diǎn)為:精確掘進(jìn)通過洞門;管片外縫隙封堵;中間風(fēng)井內(nèi)檢修刀具。具體如下:

1)確保按照軸線穿越洞門，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前150 m時(shí)，進(jìn)行聯(lián)系測量，控制好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。

2)保證刀具充分破碎加固體素砼。到達(dá)素砼加固體時(shí)，降低推力和刀盤轉(zhuǎn)速。

3)封堵管片外縫隙。由于盾構(gòu)刀盤開挖半徑大于管片外徑，地層中水砂會(huì)沿著該縫隙流入中間風(fēng)井。所以，在0環(huán)脫出盾尾時(shí)，進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，采用速凝的雙液漿。如左線盾構(gòu)進(jìn)入盾構(gòu)井后(見圖4)，發(fā)現(xiàn)地下水從盾構(gòu)井反壓砂土層涌出，遂從0環(huán)二次補(bǔ)漿，約7 min后，漿液將漏水通道堵死。

4)檢查更換刀具。盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入盾構(gòu)井后，利用回填材料土模的有利條件，放坡開挖出刀盤檢查更換刀具(見圖5)。

2.4 施作中風(fēng)井剩余主體結(jié)構(gòu)

剩余主體結(jié)構(gòu)包括中隔墻、地下2層頂板、檢修樓梯井和洞門。

1)中隔墻、地下2層頂板、檢修樓梯井為常規(guī)鋼筋砼工程，可以利用回填材料的土模輔助施作。

2)拆除0環(huán)時(shí)，有涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。采取的措施為:0環(huán)不拆除，切割一部分，中間風(fēng)井的4個(gè)洞門全做成內(nèi)突的洞門。

3)控制管片外與洞門間隙涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。采取的措施為:在洞門圈預(yù)埋鋼板(A板)，在0環(huán)外圈也預(yù)埋鋼板(B板)，清除洞門附近一層0.5 m的土層后，將A板和B板焊在一起。

圖4 洞門0環(huán)二次補(bǔ)漿串漿

圖5 換刀作業(yè)

3 結(jié)論和建議

廣州地鐵3號(hào)線北延線人和—高增區(qū)間工程采用該工法后，兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)安全通過中間風(fēng)井。隨著盾構(gòu)隧道的埋深加大，盾構(gòu)通過中間風(fēng)井的涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)也在同步增加。采用本文所述的水土平衡法過風(fēng)井，可以有效控制該風(fēng)險(xiǎn)，該工法仍有以下方面需改進(jìn):

1)塑性砼的取舍。采用塑性砼是為了防止管片外間隙涌水涌砂，但由于盾構(gòu)開挖直徑大于管片直徑的特點(diǎn)，涌水縫隙依然存在，故可以考慮用黏性土或水泥土代替塑性砼。

2)采用回灌水代替面層反壓的砂土。中風(fēng)井回灌水同樣可以達(dá)到井內(nèi)外水土平衡的目的，而且排水較方便，但改性水泥土應(yīng)該保留至隧道頂上一定厚度，以利于注漿封堵洞門間隙。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋連續(xù)墻。盾構(gòu)直接切割洞門，既可以節(jié)約端頭加固的費(fèi)用，也避免了人工破除洞門的風(fēng)險(xiǎn)。玻璃纖維筋應(yīng)限定應(yīng)用在配置滾刀為主的土壓盾構(gòu)。

4)后做中間風(fēng)井底板。如果基底下地層為隔水層，結(jié)合玻璃纖維筋的應(yīng)用，完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)后暫不施作底板，待盾構(gòu)掘進(jìn)通過后，再開挖基坑和破除管片，施工風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)。

［1］竺維彬，鞠世健.地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)源及典型事故的研究［M］.廣州:暨南大學(xué)出版社，2009.

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［5］楊子松，彭芳樂，譚勇，等.軟土地區(qū)隧道區(qū)間風(fēng)井吊筑法施工工藝研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(1):103－109.

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［7］王暉，譚文.廣州地鐵三號(hào)線北延線盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究［M］.北京:人民交通出版社，2012.