大直徑盾構穿越沉箱豎井的施工工藝研究*

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

0 引言

近年來，隨著城市地下快速通道的興建，大深度、大斷面的盾構隧道的社會需求日趨明顯。例如，已經完工的上海外灘隧道工程采用φ14.27 m的土壓平衡盾構、上海長江隧道工程采用φ15.43 m的泥水平衡盾構、正在建設中的上海周家嘴路越江隧道以及即將開工建設的上海北橫通道工程均采用大直徑盾構。大直徑盾構由于埋深大和洞口面積大，盾構進出洞時更容易引起涌水涌沙事故，導致大量土體和地下水涌向工作井，地表也因此下沉并危及地下管線和附近的建筑物，對周圍環境造成破壞。因此，對大直徑盾構進出洞施工技術的研究是隧道工程建設必須面臨的新課題[1]。周文波等[2]根據近年的大直徑泥水盾構的施工，對大直徑盾構的進出洞施工的風險和措施進行了分析，提出了加固、凍結、降水、止水裝置相結合的進出洞風險控制措施。本文通過分析現有進出洞工藝的優缺點，提出了大直徑盾構直接過站工藝，可以縮短洞門暴露時間，減少盾構進出洞的風險。

1 現有盾構進出洞工藝及其優缺點

大直徑盾構進出洞面臨的風險有2 個，其一為土的風險，即防止洞門鑿除后土體坍塌。現常用的做法是將洞門處的土體加固改良，常用的措施有注漿、旋噴、攪拌、素混凝土地下連續墻、素混凝土圍護樁、凍結法、降水固結等技術，以提高土體自穩能力。其二為水的風險，常用的措施有出洞時的橡膠簾布止水工藝，進洞時的橡膠簾布、氣囊法以及水中進洞工藝等，同時在盾構進出洞處設置降水井加以配合。現有盾構進出洞技術的優缺點見表1。

表1 傳統盾構進出洞技術措施優缺點

雖然現有的盾構進出洞工藝解決了很多施工難題，但總的來說還存在一些不足。

1）洞口止水能力的形成相對滯后。不管是盾構進洞還是出洞作業，洞口止水裝置都是解決盾構機經過洞口時的止水問題。但是由于人工鑿除門洞操作空間的需要，盾構機處于洞門位置的時間必須在洞口鑿除之后，與之相對應，止水裝置發揮止水作用的時段也只能在鑿除門洞工序之后。也就是洞口止水能力的形成與洞口鑿除完成之間存在時間差，這個時間差就是風險相對集中的時段。

2）過分依賴洞口外地基加固。按照現有人工開門洞的作業習慣，洞門外地基加固成為了整個工序成敗的關鍵因素，有多項工程因為地基加固質量不良而發生事故。隨著工程各方風險意識的增加，人們對地基加固的依賴與日劇增。比如上海等軟土地區，洞門外加固寬度習慣上為3 m（進洞作業）及6 m（出洞作業），但現在已經有一種趨勢，強調加固寬度必須大于盾構機長度。部分工程甚至在攪拌樁等水泥漿液加固的基礎上采用凍結法進行二次加固。還有部分工程在水中進洞作業中也采取了大寬度的洞門外地基加固。洞門外地基加固在盾構進出洞作業中解決了很多問題，但我們有必要認真剖析地基加固的必要性及加固量。

3）洞口止水裝置的止水效果有待加強。洞口止水裝置止水能力的強弱直接關系到整個進出洞作業的成功與否。現有的洞口止水裝置其實僅有1 種，即有一定變形協調能力的橡膠簾布。這一裝置在出洞作業及圓形洞口時效果較好，但在進洞作業或洞口為矩形、雙圓形時效果較差。

盾構進出洞工藝還與豎井結構的形式密切相關。豎井結構不同，洞口的封門形式也不同。可作為超深豎井結構形式的有：混凝土地下連續墻、NOMST地下連續墻、沉箱。混凝土地下連續墻工藝成熟，但在大深度開挖的情況下，對環境影響不可控；而NOMST可切削的地下連續墻造價較高；現代化的氣壓沉箱也具有一定的實踐，對環境控制較好，適用于大深度開挖。

2 盾構穿越沉箱豎井的施工工藝

現代化的氣壓沉箱技術可以在地面上通過遠程控制系統，在無水的地下作業室內實現挖排土的無人機械自動化，不會發生污水等工業垃圾，排除的土體也可以作為普通土進行處理。當氣壓沉箱采用無人化、自動化、信息化和人工呼吸保護系統等高新技術后，將使得地下空間的開發利用可以向大深度、大面積的方向發展，并且考慮到沉箱結構剛度明顯優于地下連續墻結構等，因此新型沉箱工法在復雜環境下的地下結構施工中有著明顯的優越性。

本文就氣壓沉箱豎井下超深大直徑盾構的進出洞提出一種設計思路。盾構進出洞時鑒于洞口深度較大且洞口面積較大，沉箱豎井盾構洞口位置不建議預留，而是采取洞口外加固，人工鑿除門洞的做法，通過回填，盾構可以通過沉箱豎井直接過站，現將其工藝流程簡述如下。

流程一：沉箱下沉就位后對兩側洞口外土體加固，可采用工法樁擋土止水、在確保施工質量的情況下可以有效減少加固量，在工法樁與沉箱井壁之間采用高壓旋噴樁提高井壁與旋噴樁間的密封性能。待加固完成形成強度后再人工鑿除兩側門洞，如圖1所示。

流程二：工作井底部回填素混凝土，防止盾構穿越豎井時由于沉井底部回填土過于軟弱導致盾構機磕頭下沉。在工作井內灌注一定水頭的水或回填水泥土，在中道支撐或中板處設置封板，以平衡盾構穿越豎井時的水土壓力，防止因覆土淺導致冒漿，如圖2所示。

圖1 沉箱中間風井盾構過站流程一

圖2 沉箱中間風井盾構過站流程二

流程三：拔出加固范圍內的型鋼，盾構直接過站，洞門處管片與洞圈縫隙間通過預埋的注漿管進行注漿或凍結封堵，如圖3所示。

圖3 沉箱中間風井盾構過站流程三

流程四：拆除封板并對工作井清理，拆除豎井范圍內的管片，洞門處管片與洞圈縫隙采用鋼板臨時封堵，如圖4所示。

圖4 沉箱中間風井盾構過站流程四

3 結語

采用大直徑盾構穿越沉箱豎井的方法，可以避免盾構進出洞的風險，特別適用于大深度、高水壓下的盾構進出洞的風險控制，同時減少了盾構的拆卸和組裝步驟，節省了工期。