無內襯結構豎井盾構快速接收工藝研究

呂 波， 段高翔

(1. 中建交通建設集團有限公司, 北京 100142; 2. 中建市政工程有限公司, 北京 100161；3. 中國建筑一局(集團)有限公司, 北京 100161)

0 引言

盾構法具有施工速度快、安全性高、對環境影響小等優點，在地鐵隧道施工中得到了廣泛應用。在盾構法隧道施工中，盾構接收是需要面臨的主要風險之一，發生的事故較多[1]。關于盾構接收豎井采用何種結構型式可以實現安全、快捷的接收，目前國內學者做了較多的研究。馮海洋[2]介紹了套筒咬合樁+內支撐結構體系的豎井圍護結構；通過設置相應的內襯墻，輔以逆作法施工，確保了隧道豎井的施工安全。馮啟[3]以北京市南水北調配套工程南干渠工程第13標段盾構施工為例，總結了豎井采用鉆孔灌注樁+內襯墻的盾構接收施工工藝。文獻[4-6]闡述了地下連續墻+混凝土撐或鋼支撐+內襯混凝土組合的豎井圍護結構；采用數值分析和現場監測，對開挖過程進行模擬，對其引起的周圍地面沉降進行了對比和預測，從而了解豎井設計的合理性并控制沉降。溫少軒[7]介紹了盾構豎井圍護結構為地下連續墻的相關施工工藝。文獻[8-9]重點闡述了地下連續墻+內襯混凝土組合的超深豎井疊合墻結構，建立了三維有限元模型，對工作井的疊合墻結構施工和運營進行了仿真模擬，研究了疊合結構的變形和受力特征。文獻[10-11]介紹了錨噴混凝土+內襯墻的豎井施工工藝，并采用軟件分析計算了施工豎井結構受力及變形情況。

經過前人的研究和實踐，在盾構接收方面取得了重要的成果和經驗，但是現有的豎井盾構接收技術，是基于具有內襯結構的豎井進行的，對無內襯結構豎井及其盾構接收技術卻鮮有研究和實例。本文結合南寧地鐵2號線土建4標石子塘站—建設路站區間在無內襯結構豎井中盾構接收的工程實例，介紹了無內襯結構豎井盾構快速接收技術。

1 工程概況

南寧地鐵2號線石子塘站—建設路站區間位于銀海大道正下方，右線接建設路站端小里程方向設有202 m暗挖法停車線大斷面隧道，其余均為盾構法隧道。原設計要求石建區間右線盾構空推過暗挖段后，進入建設路站接收。暗挖段因受巖溶地質影響，不能按時提供盾構空推過隧施工條件。為保證盾構順利接收，降低施工成本，提高施工效率，在右線盾構與暗挖隧道相接處增設1座臨時盾構接收豎井，兼作暗挖施工豎井。臨時豎井平面位置見圖1。

圖1 臨時施工豎井平面位置

豎井平面尺寸為12 500 mm×15 500 mm，深度為24.7 m。豎井所處地層主要為黏土、粉質黏土、全風化泥巖、中風化角礫巖，基底基本位于中風化角礫巖層⑧J3。豎井所處土層相關參數見表1。

表1 豎井所處土層相關參數

場區內地下水主要為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，含水巖組主要為角礫巖(角礫巖成分主要為灰巖，含少量砂巖)，夾少量灰巖等可溶巖。此含水層具有中等透水性，為弱—中等富水，滲透系數為4.60～4.83 m3/d，穩定水位埋深5.6 m，具承壓性。

2 總體設計施工思路

為了避免發生盾構提前到達卻不能接收，增設臨時豎井。按常規技術必須待豎井內襯結構完成才能接收，由此造成豎井建設工期長、建設成本高，施工工序多等問題。通過設計、施工一種無內襯結構豎井實現盾構快速接收，加大、密排對應盾構進入接收豎井位置的圍護樁，并在洞門位置用玻璃纖維筋代替鋼筋，盾構可以直接切削樁體進入豎井，而不必人工鑿樁[12-14]；同時，由于洞門處主要為全風化泥巖和中風化角礫巖，且對圍護樁進行了加大密排，在豎井四周采取了降水措施，將地下水位降至基底以下1 m，并采取了特制的洞門密封裝置，避免了盾構進洞時洞門土體失穩或涌水的風險，可不必施作接收端頭土體加固。

豎井內支護采用水平環梁代替內支撐或預應力錨索。水平環梁增強了豎井圍護結構的強度和剛度，可不必施作豎井內襯主體結構；同時，提供了豎井支護結構施工階段大空間盾構吊裝作業的條件，可以保證在豎井尺寸受限或內襯結構來不及施作的情況下，順利進行盾構的接收吊出。

豎井臨時封底標高可以根據盾構軌面標高和現有基座高度靈活調整，底板配筋與結構厚度可以相應從簡，滿足盾構接收基座安裝需要即可。

洞門接收密封裝置通過特制的后置鋼環板與圍護樁以植筋連接；同時，通過加大植筋深度，填充鋼環板與圍護樁之間的空隙，以減小盾構切削對洞門密封環板穩固性的影響，保證盾構洞門密封效果。在盾構切口環開始進入2倍洞徑范圍時，降低盾構各項掘進參數，減小盾構對豎井支護結構和洞門密封裝置的影響，保證在豎井支護結構施工階段安全順利地完成盾構接收。

3 主要工藝方法

3.1 工藝流程

無內襯豎井及其盾構接收工藝流程見圖2。

圖2 無內襯豎井及其盾構接收工藝流程

Fig. 2 Flowchart of shield receiving method in shaft without lining

3.2 施工要點

3.2.1 豎井圍護樁與降水井施工

1)圍護樁施工測放樁位時，應充分考慮好施工誤差、噴射混凝土層和外包防水層厚度，做適當外放，確保樁位不侵限。鉆孔樁采用“隔2打1”的方法進行鉆孔灌注樁施工，分為非接收端的A型樁與接收端的B型樁2種，A型樁為φ1 200 mm@1 500 mm疏排樁，B型樁為φ1 500 mm密排樁。在豎井基坑四角各布置1個降水井，用于疏干豎井開挖深度范圍內地下水，并用于觀測地下水位的變化。鉆孔樁與降水井平面布置如圖3所示。

2)盾構進入接收豎井位置的鉆孔樁，采用加大直徑的密排B型圍護樁。洞門位置用玻璃纖維筋代替鋼筋。玻璃纖維筋與普通鋼筋應采用專用的U形卡扣連接，連接接頭應錯開50%，每根鋼筋連接端的U形卡扣數量不得少于2個，且應確保有效連接。

圖3 鉆孔樁與降水井平面布置

3)對應水平環梁位置的圍護樁，應預埋水平環梁的錨筋。預埋水平環梁的錨筋，每處3排，每排4根；錨固段長度不小于35d(d為錨筋直徑)，并與圍護樁鋼筋籠點焊；預先在圍護樁內彎折埋置，施工水平環梁時再拔直錨入。此外，為提高水平環梁的穩定性，每根樁對應水平環梁設置1根吊筋。吊筋與圍護樁的夾角≤35°，樁內錨固長度同預埋水平環梁錨筋，水平環梁內錨固長度至環梁外側梁底。圍護樁水平環梁預埋錨筋與吊筋設置如圖4所示。

圖4 豎井圍護樁水平環梁預埋錨筋與吊筋設置(單位： mm)

Fig. 4 Pre-embedded anchor bars and suspenders for horizontal ring beam of fender piles of shaft (unit: mm)

3.2.2 豎井開挖支護

1)豎井開挖前進行降水，保證豎井內水位在開挖作業面以下1 m。待盾構接收井使用結束并覆土后方可封堵降水井。

2)豎井土方開挖嚴格遵循“分層開挖、先井中后井周分塊進行、嚴禁超挖、及時支護”的施工原則，施工過程中加強監控量測，確保基坑安全與穩定。在冠梁及第1道支撐達到設計強度的75%之后，方可進行基坑下一步開挖等施工工序。每層開挖深度不大于3 m，嚴禁在1個工況下一次開挖到底。

3)豎井內設2道水平環梁，截面尺寸分別為2 000 mm×1 200 mm和2 000 mm×1 500 mm。土方開挖至水平環梁底部標高以下5 cm后，平整基底面，澆筑5 cm厚墊層，然后將預埋在圍護樁的錨筋拔直錨入水平環梁內，與水平環梁鋼筋焊接牢固。在水平環梁達到設計強度的75%之后,方可進行基坑下一步開挖等施工工序。

3.2.3 豎井臨時封底

1)豎井開挖至基坑底部必須及時施工臨時封底混凝土板。臨時封底標高可以根據盾構軌面標高和現有基座高度靈活調整，保證盾構順利接收。

2)臨時底板厚度為50 cm，橫、縱向均采用上下2排C10@150鋼筋，拉鉤為A8@450×450鋼筋。同時，臨時底板結構內注意預埋接收基座固定鋼板的預埋件。

3)臨時封底混凝土板必須與圍護樁緊密連接，不得有縫隙。

3.2.4 洞門密封裝置安裝

盾構接收洞門密封裝置不是預埋在豎井內襯結構中，而是直接通過后置的鋼環板與圍護樁以植筋連接。并通過加大植筋深度，填充鋼環板與圍護樁之間的空隙，減小盾構切削對洞門密封環板穩固性的影響，保證了盾構洞門密封的效果。具體如下：

1)根據設計圖紙提供的洞門坐標尺寸，標出洞門中心、隧道輪廓線，以及植筋孔位。

2)鋼環板安裝需根據現場實際樁位，在距樁中心線左右各650 mm范圍內進行植筋，盡量均勻布置。植筋鋼筋采用φ22 mm螺紋鋼，預先彎成L型，錨入圍護樁深度加深至1/2樁徑，并保證外露部分的尺寸。植筋清孔應徹底。植筋膠應符合國家標準，使用前應進行現場試驗和復檢。膠稱量應準確，攪拌應均勻，灌注應充實。植筋數量為120個，以洞門中心為準，每隔3°植入1根鋼筋。洞門鋼環板安裝如圖5所示。

3)鋼環板由上、下半環(圓弧板)拼接而成。拼接半圓環時將2塊圓弧板平鋪在平整的地面上進行端頭對接，測量半圓直徑及平鋪后鋼板面的平整度，偏差控制在10 mm以內。

4)先將就位的下半環鋼環板底端中心與對應植筋鋼筋焊接，再進行上下半環端頭對接，同時保證φ6 480 mm的內徑，最后進行鋼環板與植筋鋼筋之間的焊接固定。

5)樁身與環板間空隙采用細石混凝土填充密實，保證不滲水、不漏漿。澆搗過程中，需臨時封堵載絲螺孔避免漿水進入。

圖5 洞門環板安裝示意圖(單位： mm)

6)橡膠止水簾布板安裝。首先確認簾布橡膠板和螺栓孔處于完好狀態，對簾布橡膠板、圓環板和扇形板上所開螺孔位置、尺寸進行復核，確保其與洞口鋼環上預留螺孔位置一致，并用螺絲攻清理螺孔內螺紋并涂上黃油。通過設有M20螺孔的預埋洞門鋼環板，用螺栓將簾布橡膠板、圓環板和扇形壓板栓連在預埋鋼環板上。洞門密封裝置安裝時，需注意橡膠簾布及扇形壓板的安裝方向，橡膠簾布端頭的凸起方向與盾構掘進方向相同[15-16]。盾構進入預留洞門前在外圍刀盤和簾布橡膠板外側涂潤滑油，以免盾構刀盤掛破簾布橡膠板，影響密封效果。

3.2.5 盾構接收基座安裝

接收基座的中心軸線應與隧道設計軸線一致，同時還需要兼顧盾構進洞姿態。接收基座的軌面標高除適應線路情況外，適當降低10 mm，以便盾構順利上基座。為保證盾構刀盤貫通后拼裝管片有足夠的反力，將接收基座以盾構進洞方向+2‰的坡度進行安裝。要特別注意對接收基座的加固，尤其是縱向的加固，需與底板預埋件焊接牢固，保證盾構能順利到達接收基座上。

3.2.6 盾構切削洞門進洞

1)分別在洞門上、中、下部各至少打設1個水平探孔。探孔深度應打穿圍護結構，并進入土體50～100 cm。探孔完成24 h后，觀測滲水量，滲水量需不超過設計要求。洞門密封止水裝置安裝完成后，外觀質量及完整性需符合設計要求。若探孔或洞門密封裝置滲水量超過設計要求，應加大豎井周邊降水，必要時進行注漿止水加固處理，確保盾構接收端頭土體穩定。

2)盾構到達前100 m復測洞門中心位置。隧道內使用陀螺儀復測盾構位置，校對盾構與洞門之間的偏差，確定下一步掘進的調整量。

3)在臨時封底混凝土板達到設計強度75%及以上時，方可破樁進洞。

4)當盾構切口環開始進入距洞門2倍洞徑范圍時，調整掘進參數，逐步降低推力、掘進速度和開挖面壓力；其次，同步注漿壓力、注漿量、漿液配合比等均根據地質情況和地下水的情況進行調整。豎井進行盾構接收時，應實時監測各項盾構掘進參數，控制盾構的推力不大于8 000 kN，并應加強樁體變形和地表沉降監測。必要時，采取臨時鋼支撐或鋼拱架對盾構接收端的圍護樁進行加固，確保基坑的安全。對于φ6 280 mm土壓平衡盾構，采用拼裝內徑5 400 mm、外徑6 000 mm、寬度1 500 mm的標準環管片，盾構切口環開始進入距洞門2倍洞徑范圍時，具體施工參數為： ①總推力控制在8 000 kN以內；②速度控制在10～20 mm/min；③刀盤轉速控制在1～1.3 r/min；④注漿量為5～6 m3/環，注漿壓力為0.2 MPa左右；⑤嚴格控制出土量，每環出土量不大于58 m3；⑥盾構掘進時土艙壓力不大于0.1 MPa[17]；⑦樁體變形累計值不大于30 mm，變化速率不大于3 mm/d，每4～6 h監測1次。

5)盾構切口環開始切削圍護結構玻璃纖維筋時，緩慢掘進；切割玻璃纖維筋混凝土過程中，記錄推力和刀盤轉矩，如果發生參數突然大幅增大時，則必須停機查找原因；計算刀盤里程，在完全進入圍護結構后，排清土艙，敞開掘進。

6)刀盤切割圍護結構靠豎井內側的玻璃纖維筋時，由于壓力不平衡，玻璃纖維筋混凝土會以彎抗破壞為主。大量混凝土塊倒向車站內側，施工人員須注意安全。同時，要采取措施盡快清理混凝土塊，減少盾構在洞門位置的停留時間。

7)當盾構推上接收基座，管片拼裝至洞門位置時，迅速封閉洞門管片與開挖面之間的間隙，注雙液漿加固。

3.2.7 盾構解體吊裝

1)盾構到達接收井之后，將盾構主機與后配套完全斷開，斷開皮帶輸送機并放置好皮帶，將盾構主機逐步移上接收基座。

2)按如下吊裝順序依次吊裝各個部分： 刀盤、盾尾、螺旋輸送機、管片拼裝機、前體、中體。在整個拆裝過程中，利用液壓千斤頂適當移動盾構本體部分，避免豎井的空間限制。分塊解體后，逐一用300 t吊車吊出接收井，再用150 t吊車配合將其翻轉，平穩地放于地面(應驗算地基承載力是否符合要求，必要時滿鋪鋼板或進行地基加固)。

3.2.8 洞門處理

盾構接收完成后，拆除洞門密封裝置，采用水泥砂漿封堵洞門處管片與豎井圍護結構之間的空隙；然后，在管片端頭植筋，按設計要求完成后續結構施工。

3.2.9 監控量測

在豎井開挖過程中，應對鄰近地下管線和建筑物基礎沉降、圍護結構頂面水平位移、圍護樁變形、支撐軸力等進行全方位監測。如發現異常應立即停止施工，連續監測并采取相應措施，確保施工安全。測斜管及水位管須避開盾構接收洞門范圍。通過對豎井圍護樁樁體水平位移的監測可見，從豎井第1道混凝土撐到第2道水平環梁施工完成，樁體變形較小，均不超過3 mm。隨著第4層土方的開挖，變形逐漸增大；盾構進洞階段，樁體水平位移達到最大值8.94 mm，發生在樁頂以下16.5 m處，即盾構接收洞門范圍內(洞門位置對應樁長15.5～21.5 m)。豎井圍護樁樁體變形曲線如圖6所示。

圖6 豎井圍護樁樁體變形曲線

4 效益分析

根據石子塘站—建設路站區間盾構施工工籌以及施工進度，按照常規盾構豎井接收施工方法，盾構將在豎井內襯結構施工完成(具備盾構接收條件)前到達接收端，無法實現盾構到達—接收的流水作業。通過采用無內襯豎井結構及其盾構接收技術，實現了在豎井支護結構施工階段進行盾構接收，避免了后續防水、接地、內襯結構等一系列施工作業對盾構接收的制約，盾構接收提前85 d完成。這不僅縮短了盾構施工工期，實現了節點工期內右線區間盾構的安全順利接收，為石建區間雙線貫通提供了保障；同時，減小了施工難度，提高了盾構施工工效，降低了工程能耗，減少了材料浪費，可節約工程成本165萬元。

該技術從優化接收豎井支護結構入手，對盾構進入接收豎井位置處的豎井圍護結構，采取加大直徑的密排圍護樁，將盾構隧道洞門位置圍護樁鋼筋替換成玻璃纖維筋，同時進行豎井四周降水等措施。這不僅使盾構可以直接切削樁體進入豎井，而不必人工鑿樁，避免了洞門土體失穩或涌水的風險；而且可以不必施作接收端頭土體加固，降低了施工成本，節省了施工時間，解決了盾構已到達接收井而接收井內襯結構不能按時完成就不得不進行盾構接收的難題，施工工藝簡單。

5 結論與討論

作為一種無內襯結構豎井及其盾構接收技術，該技術實現了在豎井支護結構施工階段進行盾構接收，避免了后續防水、接地、內襯結構等一系列施工作業對盾構接收工期的制約，施工工藝簡單，工期快、造價低，拓展了盾構豎井接收的設計施工方法。該技術適用于受“洞通”工期或施工組織制約，在豎井支護結構施工階段不得不進行盾構提前接收，而盾構接收端頭土體自穩能力較好、或經過處理自穩能力較好的情況，尤其對于臨時設置的、不需要內襯結構的豎井進行盾構快速接收施工的綜合效益好，可為同類工程設計或盾構臨時接收施工提供借鑒，具有良好的推廣應用前景。

由于不施作內襯結構，僅靠豎井圍護結構承受盾構到達階段的水平推力，其對豎井圍護結構穩定性的影響規律還需要深入研究，以進一步改進無內襯結構盾構施工豎井設計，并為無內襯結構豎井盾構到達時掘進參數的確定提供理論依據和指導。此外，可開展無內襯結構豎井盾構始發技術的研究，拓展無內襯結構豎井的盾構施工范圍。