泥水盾構到達信息化施工技術

王承山

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州450000)

引言

隨著泥水盾構在國內的城市軌道交通、公路交通、水利水電、輸氣工程等領域的應用越來越廣泛，泥水盾構施工技術日益成熟，泥水盾構施工的安全問題也受到了高度關注。近幾年的在建、已建泥水盾構工程的盾構始發、到達分項施工，尤其是到達施工[1-6]，經常出現各種各樣的問題，進而引發事故。在工程中，盾構到達是盾構施工中的一個關鍵環節，也是風險控制的難點。

目前，泥水盾構到達施工采用的到達技術多種多樣，文章總結了三種常用的到達方式:常規到達方式、水下到達方式、水平凍結輔助到達[7-8]等。合理的選取到達方式，可較好地控制工程風險，取得較好的效果。

1 常規到達施工技術要點

1.1 方案設計

在盾構機到達接收井前，首先完成端頭土體加固(常規情況下加固范圍覆蓋盾構主機寬度大于3m、長度大于1～2m)，并對加固土體進行檢查;盾構穿越加固區過程中，利用同步注漿、管片壁后二次注漿封閉開挖面和盾構殼體間隙，切斷流向掌子面的水源。在盾構刀盤到達接收井端頭井洞門圍護結構時停止掘進，將泥水倉泥水排空，在確保無地下水流的情況下將洞門鑿除(在鑿除洞門前需將洞門密封和接收臺做好)，盾構機推出洞門，利用洞門簾布橡膠等密封裝置快速將盾殼包裹形成密封(同時通過同步注漿、二次注漿、超前注漿和洞門處注漿封閉可能沿開挖面和盾殼間隙的涌水);盾構按照掘進循環(安裝管片同時進行同步和二次注漿)繼續向前推進至接收臺上逐步拆機(在盾殼脫離洞門密封前應打穿底部管片二次注漿孔檢查是否有地下水涌出)，在確認無地下水由洞門涌出時方可將盾尾脫離洞門密封。

1.2 施工特點

在水文地質條件較為常規地區，采用此種到達方式，具有經濟合理、風險可控等突出優點。

1.3 關鍵工序施工

(1)端頭加固

端頭加固多采用高壓旋噴樁或攪拌樁等水泥土加固方式。加固完成后，為提高加固區土體穩定性和止水效果，多在加固區內采取補充注漿的加強措施。端頭補充注漿可分兩步進行，第一步為始發井端頭垂直袖閥管注漿，第二步通過洞門向加固體打水平孔和斜孔注漿。

(2)端頭降水

根據盾構到達時該地區地下水位情況進行降水設計，保證在盾構機抵攏洞門圍護結構和洞門鑿除開始前，降水井將地下水位抽至盾構開挖面下1 m。

(3)到達洞門密封

到達洞門密封主要是防止盾構同步注漿和二次注漿砂漿及地下水從盾殼和洞門的間隙處涌出，造成地表沉陷等嚴重后果。到達洞門密封多采用的方法是將簾布橡膠板套在預埋鋼環上，用扇形壓板固定簾布橡膠板，等刀盤推出洞口再用扇形壓板將簾布橡膠板壓緊在盾殼上，起到密封止水的作用，如圖1。

圖1 到達洞門密封

(4)盾構到達施工步驟

將盾構到達分為三個階段，第一階段為盾構機抵攏洞門圍護結構前后施工控制，第二階段為洞門鑿除、盾構機前推、形成洞門密封，第三階段為盾構機推出、拆除洞門密封、洞門結構施工。

盾構進入到達段后，保證泥水壓力，確保泥水循環，掘進過程中，減小推力、降低推進速度，加快刀盤轉速，時刻監視泥水倉壓力值和刀盤扭矩變化，當刀盤扭矩明顯上升時，說明已抵攏洞門，立即停止掘進。依次打開超前注漿、二次注漿孔，實施注漿。

當超前注漿及管片壁后二次注漿完成后，利用盾構泥水循環將氣倉、泥水倉液位降至最低(出漿口位置)，逐步降低氣壓，觀察倉內水位變化，當氣壓降至常壓后，泥水倉內水位未放生變化，將倉內泥水排干，開始洞門鑿除作業。

洞門鑿除完成后，盾構機快速前推。推上接收平臺時，適當放慢前推速度，觀察盾構機滾動角變，及時改變刀盤旋轉方向。推至臨時環管片后，緩慢前推，當盾殼脫離管片后，將簾布橡膠板通過吊帶、鋼絲繩捆在臨時環管片上，同時調整洞門扇形壓板使簾布橡膠板貼近臨時環管片;打開臨時環二次注漿孔，壓注水泥—水玻璃雙液漿，利用洞門鋼環上預留的注漿孔壓注水泥—水玻璃雙液漿，填充盾殼前移產生的間隙，在盾殼內繼續拼裝一環管片，將盾構機推至拆機位置，完成盾構到達工作。

1.4 施工總結

(1)對于地下水位高的泥水盾構，盾構到達最重要的是防止從洞門密封處發生涌水。因此盾構到達技術的關鍵在于洞口地基加固范圍、效果和洞圈止水密封的效果。根據這一原則土體加固長度宜大于盾構殼體長度1-2環管左右，同時結合管片壁后、盾構機上超前注漿，有效封堵側向來水。

(2)端頭土體加固應滿足設計強度要求，可有效避免盾構到達時盾構機下沉。

(3)在高水壓下到達洞門密封結構增加油脂腔，增強防水效果。

(4)高水壓下盾構到達，采用端頭降水輔助措施疏干潛水降低承壓水位，可大大降低施工風險。

2 水下到達施工技術要點

2.1 方案設計

在盾構到達前首先施工端頭加固和垂直凍結(根據端頭施工條件進行一定范圍內的水泥土端頭加固)，保證接收井洞門鑿除過程中的土體穩定和封水效果，在水泥土端頭加固完成后開始實施垂直凍結，凍結達到設計強度后開始鑿除洞門。

洞門鑿除完成后，在盾構接收井基坑內回填塑性混凝土至洞門頂一定高度，然后上部灌水至接收井外地下水位高度，以平衡接收井內外的水土壓力，避免盾構到達過程中洞門圈由于接收井內外水頭差出現涌水、涌砂等事故，從而安全的完成盾構到達。盾構水下到達原理示意見圖2。

圖2 盾構水下到達原理示意圖

2.2 施工特點

在深覆土、高水壓工況狀態盾構到達時，端頭無法進行常規降水或者降水不能達到預期效果的情況下，可采用水下到達方法;在端頭無足夠場地進行端頭加固或者降水等輔助措施的情況下，也可采用此種安全有效的到達方式。

泥水盾構水下到達施工具有安全可靠、對地表影響很小、整個盾構到達時間顯著減少、管片拼裝質量好等特點。

2.2.1 安全可靠，風險小

(1)采用水下到達時，到達基坑內進行回填是以水土壓力平衡設計的原則為依據，充分保證了接收井內外水土壓力平衡，不會發生涌水涌砂等事故。

(2)對于到達端頭無需采用降水等輔助措施，能充分保證端頭地表的穩定性，不會造成地表在盾構穿越時的沉降加劇，充分保證建筑物和管線的安全。

(3)對端頭進行小范圍的地表加固及冷凍，有效的保證了洞門鑿除的安全性，以及開挖基坑內回填物時洞門圈的穩定性。

2.2.2 盾構到達時間短

在前期準備工作完成后，盾構機直接掘進穿越端頭加固區，穿越洞門后直接掘進回填塑性混凝土，到達指定位置，以盾構機常規長度10 m左右計算，正常情況下掘進12 h內盾構機即到達指定位置停機，完成盾構到達。

2.2.3 管片拼裝質量提高

盾構機刀盤抵攏洞門后，因接收井內已回填并且灌水加壓，井內外水土壓力基本平衡，因此在到達過程中，盾構機推力變化較小，能充分保證洞門附近管片拼裝的環縫防水質量，有效防止了洞門附近管片錯臺現象的發生。

2.3 關鍵工序施工

2.3.1 施工工藝流程

端頭加固→端頭凍結→洞門鑿除→基坑回填→盾構到達→后續施工。

2.3.2 端頭加固

在盾構水下到達施工中，因在端頭加固完成后，洞門鑿除前輔助進行了端頭凍結施工，以保證洞門鑿除過程中的土體穩定及防水效果，所以端頭加固的主要目的是保證盾構在穿越加固體的過程中保證端頭土體的穩定以及在盾構到達后，開挖基坑內回填物時洞門內土體穩定性。因此端頭加固的重要性稍微削弱，在采用水下到達方案的武漢地鐵二號線越江隧道工程，盾構機到達時接收井端頭加固長度僅3 m。

端頭加固采用水泥土加固方式，加固完成后，和常規到達方式類似，進行加固體補充注漿以保證加固土體質量。

2.3.3 端頭冷凍

為防止在洞門鑿除過程中發生突泥涌水、塌方等事故，在端頭水泥土加固完成后，洞門鑿除前進行端頭垂直冷凍，確保施工中的安全。

端頭冷凍施工工藝流程見圖3。

圖3 端頭冷凍工藝流程圖

圖4 凍結孔布置圖

2.3.4 洞門鑿除與基坑回填

垂直凍結效果達到設計要求后，通過打設探孔確定后進行洞門鑿除。鑿除完成后，使用預先配制好的塑性混凝土對基坑進行回填，回填高度以超過洞門頂2 m為標準。回填完成待塑性混凝土達到一定強度后，基坑內即回灌水至地下水位標高處，至此盾構機到達前準備工作全部完成。

基坑回填示意圖見圖5。

塑性混凝土的配制，由工地試驗室根據盾構機刀盤及刀具設計情況進行合理配比，回填料的配比設計依據主要有以下兩條:

(1)根據盾構機的刀具配置，必須保證回填料的易切削性;

(2)考慮回填混凝土的特性需求，在盾構機切削掘進過程中，為保證前方壓力的穩定，必須保證回填物具有良好的延展性，以保證在輕度變形下不產生裂隙導致漏氣漏漿，需加入適量的膨潤土。在武漢地鐵二號線越江隧道盾構到達施工時采用的水下到達方案回填塑性混凝土配合比見表1。

2.3.5 盾構到達及后續施工

圖5 基坑回填示意圖

接收井內回填及灌水加壓完成后，盾構掘進穿越洞門至設計位置停機，完成盾構機到達。

待盾構機到達指定停機位置后，在隧洞內進行管片壁后二次注漿，封堵管片與接收井洞門圈與管片之間的空隙。待二次注漿完成后，開始后續施工(抽排井內回灌水、二次開挖回填物、進行盾構拆機、施工洞門等)。

3 水平凍結到達施工技術要點

3.1 方案設計

端頭井在凍結加固前，已對盾構到達處地層進行了水泥土地基加固，加固范圍如圖6所示。為安全考慮，在盾構到達前，采用“洞門外圈全水平凍結+盾構注漿”相結合法加固地層。

3.2 施工特點

在施工場地無法滿足常規降水及水下達到時，采用水平冷凍法盾構出洞，即解決了外界條件限制問題，又很好的控制了施工風險，也是一種比較常見的到達方法。

表1 塑性混凝土配合比

圖6 車站端頭井地基加固平面圖

3.3 關鍵工序施工

3.3.1 凍結壁結構設計

盾構到達過程中，需預先對隧道與工作井基坑連續墻外側一定范圍內的含水地層進行加固，使之具有一定的強度和封水性。這樣盾構機在連續墻外側等待連續墻破除鑿通時不會出現地層涌砂出水、坍塌等問題。

凍結壁的作用是結合盾構注漿層一起支撐盾構在等待連續墻破除過程中臨時封水擋土的作用。

3.3.2 凍結施工

鑒于盾構到達對加固體強度及密封性要求很高，采用“洞門外圈全水平凍結+盾構注漿”相結合的加固方案，其主要技術參數:

凍結體:凍結環塊厚1.2 m，進入土層深度11.2 m。

孔數:外圈水平凍結孔31個;測溫孔3個(數量及位置可根據孔斜作適當調整);

孔深:13.0 m;

鹽水溫度:－28～－30℃;

冷量損失系數:1.2;冷卻水溫度:+23℃;冷凝溫度:+35℃;

總需冷量:Q=1.2×3.14qNHd=37.12 kW;選用JYSLGF300Ⅱ型螺桿機組2臺，其中一臺備用;主要凍結設備見表2。

表2 主要凍結施工設備

3.3.3 水平凍結孔的布置及施工

(1)水平凍結孔布置

凍結孔布置如圖7～圖8，板塊部分凍結孔布置一圈，凍結孔總數31個，距洞門400 mm布置，采用水平全深凍結方案。凍結孔間距751 mm;另外，測溫孔為3個，深度為3.8 m。

(2)凍結孔施工

1)凍結管、測溫管和供液管規格:凍結管選用φ89×8 mm20#低碳鋼無縫鋼管，采用絲扣加手工電弧焊焊接連接;供液管采用φ45mm無縫鋼管;測溫管采用φ32 mm無縫鋼管。

2)打鉆設備選型:打鉆選用MD-60型鉆機一臺，電機功率60.0KW，鉆孔使用燈光測斜，選用BW-250/50型泥漿泵一臺，電機功率22KW。

圖7 盾構進洞凍結孔平面布置圖

圖8 盾構進洞凍結孔布置剖面圖

(3)水平孔主要施工工藝

1)定位開孔及孔口管安裝

根據預留孔位，用開孔器(配金剛石鉆頭取芯)按設計角度開孔，開孔直徑130 mm，當開到深度500 mm時停止130 mm孔的取芯鉆進，安裝孔口管，孔口管的安裝方法為:首先將孔口處鑿平，安好四個膨脹螺絲，而后在孔口管的魚鱗扣上纏好麻絲或棉絲等密封物，將孔口管砸進去，用膨脹螺絲上緊，上緊后，再去掉螺母，裝上DN125閘閥，再將閘閥打開，用開孔器從閘閥內開孔，開孔直徑為91 mm，一直將砼墻開穿，這時，如地層內的水砂流量大，就及時關好閘門。

孔口裝置安裝:用螺絲將孔口裝置裝在閘閥上，注意加好密封墊片。

2)鉆孔

按設計要求調整好鉆機位置，并固定好，將鉆頭裝入孔口裝置內，在孔口裝置上接上1閥門，并將盤根輕壓在盤根盒內，首先采用干式鉆進，當鉆進費勁不進尺時，從鉆機上進行注水鉆進，同時打開小閥門，觀察出水、出砂情況，利用閥門的開關控制出漿量，保證地面安全，不出現沉降。鉆機選用MD-60型錨桿鉆機，鉆機扭矩2000 N·M，推力17 KN。

打壓試驗:封閉好孔口用手壓泵打水到孔內，至壓力達到0.8～1 MPa時，停止打壓，關好閘門，觀測壓力的變化，15分鐘內壓力無變化為合格。

鉆孔的偏斜應控制在100 mm以內，在確保凍土帷幕厚度的情況下，終孔間距不得大于1.2 m，否則應補孔。

Ф32 mm孔徑的測溫孔開孔后用大錘夯進或鉆機頂進。

3.3.4 盾構進洞條件

盾構在進洞之前，必須具備如下條件方可進洞，見表3。

表3 盾構進洞具體條件表

3.3.5 破壁及盾構穿越凍結區的保證措施

(1)破壁保證措施

盾構注漿，待漿液凝固后進行探孔打設，(探孔布置圖見圖9)在探孔打設過程中，如發現有滲水涌砂現象，要及時進行封堵，然后盾構再行注漿，并等漿液達到一定強度后再行打探孔，探孔進入凍土內深度控制在10 cm。如探孔無泥水流出，可進行破壁。

圖9 探孔布置圖

破壁時不能一次完成，分4-5層分層剝離，如發現有滲水點，要及時進行封堵，以防水土流失，影響凍土墻交圈。

最后一層破壁須采用分層分塊進行，破壁速度要快。

(2)盾構在凍結區推進及洞門破壁等待中的保證措施

1)由于此凍結方案凍結壁厚度有限，所以盾構在凍土區推進過程中一定要慢推，防止盾構推力使凍結管斷裂，影響凍結效果;

2)盾構在凍結區推進時不能停留，拼裝管片及故障時，每隔10～15分鐘將刀盤轉動3～5分鐘，以防刀盤被凍死，盾構機被凍住;

3)盾構在等待洞門破除過程中要有防盾構機被凍住的措施。

4 結論與討論

采用常規到達施工工藝，即經濟又相對安全，但要求施工場地大，地質水文環境相對較好;采用水下到達施工工藝，即能保證盾構的快速出洞又相對安全，但后續工作較為繁多;采用水平凍結施工工藝是以上兩種方案都無法滿足的情況下使用的，其產生的費用較大。總的來說，盾構機到達無論采用哪種施工工藝，都應該綜合考慮，在滿足邊界條件的情況下，選用既經濟又安全的施工工藝。

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