無端頭加固條件下土壓平衡盾構水下接收施工技術

安宏斌， 懷平生， 白曉嶺， 郭銀新， *， 姚八五

(1. 中鐵十二局集團第二工程有限公司， 山西 太原 030000； 2. 中鐵十二局集團國際工程有限公司， 北京 100176)

0 引言

隨著國內隧道施工技術水平飛速發展，盾構施工在我國城市交通網絡的建設中發揮著極其重要的作用，雖然技術日趨成熟，但盾構施工仍面臨著極大的挑戰。為了解決富水砂層中盾構接收困難問題，很多學者和施工人員提出了采用多種端頭加固的方式來進行盾構水下接收。邢慧堂[1]、葸振東等[2]針對富水砂層超大直徑泥水盾構接收問題，提出了凍結、旋噴、深孔攪拌樁的端頭加固方法，并在豎井內回填水土進行盾構接收； 賁志江等[3]對大直徑泥水盾構水中接收的端頭加固方法進行了比選，得到了水泥土三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+垂直冷凍固結的加固方法； 潘榮凱等[4]在南京江島變電站工程中，對高滲透性的砂性土進行了盾構端頭加固的研究，提出了三軸攪拌樁和凍結法的施工措施，成功完成了盾構水下接收施工； 徐延召[5]針對武漢軌道交通2號線泥水盾構在深覆土、高水壓的地質條件下采用水下接收的案例，對凍結法加固端頭和盾構水下到達施工參數進行了研究； 趙亮等[6]、丁國勝[7]以復雜軟弱含水地層盾構接收為例，介紹了端頭水平凍結與鋼套筒結合的方式； 劉玉林等[8]、吳鎮等[9]、刁鵬程等[10]針對盾構接收，提出了端頭采用旋噴加固、凍結加固的施工技術，并提出富水砂層中盾構接收的另外一種有效方式可以采用鋼套筒接收； 陳珊東[11]、湯泳等[12]針對盾構接收過程中容易發生的涌水、涌砂等風險提出了鋼套筒接收方案； 肖衡等[13]、吳瓊[14]提出了在富水地層條件下采用鋼套筒裝置進行盾構接收的方法； 于加云[15]提出了一種在鋼筋混凝土洞室內回灌水和砂土接收的方法。雖然鋼套筒接收也是一種有效的辦法，但在本工程中，盾構接收豎井采用蓋挖順作法，只留了16 m×8.5 m的吊裝孔，若采用鋼套筒接收，需要在豎井內1號線側將鋼套筒整體組裝后至2號線設計接收位置，接收完成后，整體平移至吊裝口下方，進行盾構拆除，工序復雜，且該區域是宗教敏感區，夜間噪音限制極其嚴格，吊裝作業受時間限制嚴格，工期會很長。

從已有文獻的調研來看，對于盾構在富水地層的接收，通常采用凍結和旋噴加固相結合的方式，眾多科研人員聚焦于對凍結的研究。此外，鋼套筒技術也在國內成為一項成功技術，但目前國內尚沒有僅采用注水填充豎井而不采用端頭加固的案例，本文對采用豎井填水方法進行盾構水中接收的關鍵技術進行研究。

1 工程概況

以色列特拉維夫紅線輕軌項目東標段由2臺直徑為7.55 m的土壓平衡盾構掘進，在本古里安站東端設置專門獨立接收豎井。接收端上方交通繁忙，周邊房屋林立，施工場地狹窄，無法進行端頭加固，如圖1所示。盾構開挖范圍及拱頂以砂層為主，滲透系數較大，地層水位高于隧道埋深，在無法進行端頭加固和采用鋼套筒接收困難的情況下，計劃采用只在豎井中填水進行盾構水下接收的方式。本古里安站接收井內部尺寸為22 m×23.15 m，地下連續墻為1.2 m厚B40鋼筋混凝土，洞門范圍內為B40玻璃纖維筋混凝土，盾構接收直接采用刀盤切割地下連續墻。地面標高為16.19 m，車站底板頂部標高為-9.05 m，與地面高差為25.24 m，隧道軸線標高為-4.815 m，在地表以下21 m。接收井剖面圖如圖2所示。

圖1 接收端地表情況

1.1 工程地質

地下連續墻外從上到下的地層分別是細砂、黏土質砂、粉黏細砂、庫卡。土層具體描述如表1所示。

表1 圍巖情況描述

1.2 水文地質

接收井地質剖面圖如圖3所示。隧道將穿過庫卡地層，庫卡是一種少部分膠結的顆粒土，它可以細分為4類，強度最高的庫卡層稱為K-4，強度最低的層稱為K-1。隧道頂部是砂層，滲透系數達到5×10-4m/s。設計的地下水位為+1 m，隧道拱頂距離地層水位線的距離為2.04 m。

圖3 接收井地質剖面圖

2 豎井接收準備工作

2.1 豎井質量要求

豎井圍護結構為連續墻，連續墻盾構刀盤切割區域采用玻璃纖維筋替代鋼筋，連續墻厚度、混凝土強度滿足設計要求，垂直度滿足規范要求；相鄰兩幅錯臺小于5 cm，滿足安裝后的洞門密封鋼環與連續墻表面密貼，最大間隙不超過5 cm。

2.2 混凝土導臺

當盾構突破地下連續墻后，刀盤會出現栽頭的情況，如果無法精確控制姿態而直接安裝托架，刀盤可能直接抵住托架，致使盾構無法上到托架；若將托架安裝太低，刀盤可以上到托架，但因為栽頭的出現，會導致盾體卡在連續墻內。因此，增加了混凝土導臺，在導臺到托架這段距離的推進過程中，可以對盾構的姿態進行必要的調整，確保盾構能夠順利上到托架。盾構刀盤破除連續墻后，盾體支撐于混凝土托架上。混凝土托架由2部分組成，下部為普通混凝土，上部為低強度混凝土，刀盤易于切削。混凝土托架高1.0 m、寬6.0 m、長6.04 m，距離連續墻1.5 m，便于安裝接收鋼環和簾布翻板的展開及拉緊。盾構通過混凝土導臺后，由鋼托架支撐盾體，其長度為11.3 m。導臺截面如圖4所示。

(a) 混凝土導臺橫截面圖

(b) 混凝土導臺剖面圖

2.3 密封環

在接收端墻上安裝橡膠密封環，由錨固在地下連續墻上的鐵板、2道止水簾布和1圈鋼絲繩組成，如圖5所示。由于底板受到擾動，密封圈的結構為了適應較低的區域，減少了結構的寬度。底板在安裝密封圈的位置有2.0 m×50 cm×10 cm的凹槽，用于密封圈的安裝。盾構破墻之后，鋼絲繩需要張緊，起到密封效果。密封環上有2個粗管道膨潤土進料口，用軟管連接到地面。一旦盾構被密封，膨潤土將通過一根軟管泵入，另一根軟管可用于確保灌裝或作為備用。

圖5 密封環的安裝示意圖(單位： m)

2.4 應急準備工作

如出現險情，封閉該路段，撤離隧道內所有作業人員。準備2臺100 m3/h的水泵備用，將其接入市政供水管網，以防豎井水位突然下降時補償水位；豎井地表面，應急注漿機、聚氨酯數量若干；隧道內，應急注漿機2臺，聚氨酯數量若干，棉被、砂袋若干，防止螺旋漏水時應急封堵。

3 水下接收條件分析

3.1 風險性分析

盾構刀盤直徑為7 550 mm，前盾直徑為7 510 mm，刀盤的寬度為800 mm。盾構刀盤還未突破地下連續墻時，地層中的水土只能通過開挖間隙到達刀盤前方以及土艙內，無法滲入豎井內。但是當刀盤突破地下連續墻的瞬間，豎井內的水便會通過刀盤開口涌入到土艙內，而地層中的水土也同時通過開挖間隙從切口環流入土艙，如圖6所示。刀盤推出地下連續墻后，前盾底部將直接被填實，滲流通道就變為盾體上半部分與地下連續墻之間的空隙，空隙的最大寬度為4 cm。如果地層中的水土壓力大于豎井內的水壓力，地層中的水便會流向豎井中，并不斷帶走細砂，導致地層中的水土缺失，進而致使地表產生較大沉降。當刀盤推出地下連續墻后，潛水員便可以下潛將密封圈與前盾封好，并在地面將鋼絲繩拉緊，使簾布橡膠板被壓實在盾體上，阻塞開挖間隙，防止土中細砂繼續流入井內。需要探討的是，盾構刀盤突破地下連續墻的瞬間，豎井內的水位需要比地層中的水位高多少，才能防止地層中的水滲入豎井，并帶走細砂。

圖6 盾構刀盤突破地下連續墻

Fig. 6 Shield cutterhead breaks through underground diaphragm wall

在破墻瞬間，如果內外水土壓失衡，墻外砂土向豎井內流動，會引起地面沉陷，甚至塌坑；盾構姿態控制不好時，會出現洞門密封環被盾構刀盤頂推切割脫落，威脅成型隧道的安全；螺旋輸送機閘門密封不好會導致豎井內水通過螺旋輸送機涌入隧道，存在隧道被水淹的風險。

3.2 可行性分析

對于盾構水下接收，若豎井水位過低，會導致隧道上部的土體沿盾構掘進面上邊緣流向豎井。滲流及動水壓力存在時，會發生水平滲流破壞。當豎井的水位過低時，首先盾構上邊緣與隧道形成的縫隙之間的承壓水會沿著隧道方向側向流動，進而帶動附近的土顆粒，隨著土顆粒的移動，上部土體下沉，最后上部土體逐漸陷落，造成地表沉降甚至塌陷。首先要確定上部土體的臨界水力梯度，當土體發生側向滲流時，臨界水力梯度

(1)

式中：C為常數，根據工程經驗取C=42；d3為土中小于某粒徑的顆粒重占總重的3%時的該粒徑，取1 mm；φ為土的內摩擦角，取30°；n為孔隙度，取0.3；k為滲透系數，取5×10-4m/s。

經計算，發生管涌破壞時，臨界水力坡降icr=0.18，則

ΔH/l≥icr=0.18

。

(2)

式中：l為盾構剛突破地下連續墻時的間隙長度，取1.2 m。

由式(2)可知，豎井水位的最小深度應不低于地層水位0.216(=1.2×0.18) m。為了確保地層中的砂不被滲流帶入豎井中，向豎井中注入高出地層水位1 m的水量，如圖7所示。需保持豎井內的水位高度，并時刻觀測，為此準備了1臺100 m3/h的水泵，隨時準備向豎井中注水。

圖7 豎井填水照片

3.3 專家論證分析

方案設計由德國BARBEN公司負責，方案設計完成后，報國內組織專家進行論證，形成專家意見，同意采用水下接收。同時，方案報德國隧道設計WBI公司，德國盾構制造商海瑞克公司提出指導意見，最終一致同意采用水下接收。最后方案提交WSP(業主咨詢公司)和當地咨詢公司(Spivak)審批同意后實施。在國內組織專家評審，并給出如下參考建議。

1)盾構刀盤切除地下連續墻后，潛水員只檢查混凝土塊掉落位置，不需拆除刀盤最外側滾刀，盡快推出，避免滲流風險。

2)車站與隧道接口處永久管片10—15環，建議設置管片拉緊裝置。

3)現場準備封堵應急材料、雙液漿制備材料、聚氨酯等； 在密封環設置無縫鋼管，用液氮冷凍作為應急封堵措施。

4)混凝土基座B20強度太高，建議采用砂漿或者標號更低的混凝土，刀盤切削混凝土基座時，控制好盾構姿態。

5)滲漏嚴重時，可棄置盾尾作為永久結構進行密封。

4 盾構接收施工控制

4.1 姿態控制

在隧道貫通前50 m，需要確保盾構姿態已調節至隧道設計中線。如果偏差較大，則需加大調向力度，給盾構糾偏提供足夠空間，以保證刀盤順利掘出洞門。在隧道貫通前20 m，帶壓開艙檢查邊緣滾刀的磨損情況。如果磨損過大，則應更換滾刀，防止滾刀無法超切地下連續墻而將盾構卡死在地下連續墻中。在隧道貫通前10 m，逐漸減小推力，保持盾構姿態不變。在刀盤距離地下連續墻最后5 m時，需要對掘進姿態再次測量，確保姿態在隧道軸線50 mm范圍內。由于刀盤在突破過程中有扎頭的趨勢，盾構在破墻時要保持姿態上抬。

4.2 掘進推力控制

盾構掘進地下連續墻的過程中，若推力過大，則會造成地下連續墻變形過大，甚至損壞地下連續墻。該地下連續墻設計承受的載荷為9 000 kN，豎井中注入的水可以為地下連續墻提供額外約3 000 kN的力。在掘進地下連續墻的過程中，需要控制好推力，不能超過12 000 kN，而推力是被動的，可通過貫入度來控制，刀盤貫入度限制為3 mm/r，將地下連續墻混凝土磨成小顆粒，避免形成大塊，導致周邊混凝土破壞和密封環受損。實際接收過程中最后15環的推力如圖8所示。正常掘進的推力為2 500～3 000 kN，隨著盾構靠近地下連續墻，推力逐漸降低，在地下連續墻中掘進的推力為5 000 kN左右。

圖8 最后15環盾構推力

4.3注漿控制

在掘進過程中，通過盾壁孔向盾體周邊注入高黏度膨潤土漿(流動度>90 s)，填充開挖空隙，防止砂土進入豎井，必要時，將膨潤土換成丙烯酸酯凝膠進行注入。最后1環永久結構管片拼完之后，要額外拼2個負環，以便把盾構推出密封環。盾尾出連續墻的過程中，管片和墻之間的環形空隙采用同步注漿完全填充。為了確保注漿的充分，同步注漿完成24 h后，通過管片上預留的二次注漿孔對最后5環注水泥-水玻璃雙液漿。漿液注入量如圖9所示。同步注漿量為5～7 m3/環，二次注漿量為0.3～0.5 m3/環，在最后5環大量注入雙液漿，形成止水環，防止涌水、涌砂。

圖9 最后15環注漿量

雙液漿配比A液與B液之比為1∶1(體積比)，初凝時間為23 s。漿液配比如表2所示。注漿完成12 h后，通過在管片上鉆小孔，看是否有水流出來檢查注漿的密封性。如果有水流出，繼續進行注雙液漿，確保在管片背后形成止水環。

表2 漿液配比

4.4 盾構出洞

螺旋輸送機閘口密封至關重要。當刀盤掘進至地下連續墻剩余50 cm時，螺旋輸送機進行反轉，利用艙內渣土將螺旋輸送機進行間接密封，最后關閉閘門。在螺旋輸送機的泡沫和膨潤土的注入口連接好注漿管路，一旦發生泄漏，立即注入聚氨酯等堵漏材料。為防止玻璃纖維筋損壞簾布橡膠板，需控制刀盤的貫入度和掘進速度。在刀盤破除混凝土墻，但未接觸橡膠簾布之前，潛水員下潛檢查，如果有伸進簾布的玻璃纖維筋，進行切除，及時清除堆積在簾布橡膠板上的混凝土碎塊和切斷的玻璃纖維筋。刀盤在前端與連續墻位置齊平后(需要潛水員下潛測量核實)，即停止轉動刀盤；空推約1.5 m至混凝土導臺邊緣，刀盤接觸混凝土導臺時開始轉動刀盤繼續推進；刀盤厚度約70 cm，前盾盾體前端越過第2道簾布橡膠板10～20 cm，刀盤越過第2道橡膠簾布80～90 cm后拉緊密封，確保簾布橡膠板緊密壓在盾體上。

當盾構進入豎井后，刀盤出現栽頭，隨著盾體的推進，刀盤開始切削導臺上部的低強度混凝土，并且逐步調整盾構姿態以準確推上鋼托架。每環掘進完成后，潛水員潛入檢查掘進盾構位置，并觀察是否有漿液通過密封環流到豎井里。由于漿液凝結時間為8 h，所以最后幾環的掘進速度必須限制在每環至少4 h，確保漿液凝固。

最后1環拼完并完成注漿，在確認注漿效果達到要求后，豎井中的水可以泵出，但在抽水過程中，檢查是否有地下水通過環形空隙流出。為了驗證密封性，豎井內水位每降1～3 m，等待30 min，檢查是否有水通過環向間隙流入豎井。如果有水流入，通過第1負環注入聚氨酯材料，并在隧道內對最后2環永久管片進行再次注雙液漿。排水完成后，利用管片拼裝機拆除第2道負環(底部管片除外)，盾構在托架上繼續推進，連續安裝底部管片，安裝管片螺栓，盾構到達接收鋼托架指定位置。當盾構完全推上托架后，將與托架一起滑到頂板開口下的拆卸位置，最終盾構成功在水下完成接收，如圖10所示。

(a) 豎井抽水盾構露出

(b) 盾構與洞門管片分離

2號盾構為第1臺接收的盾構，當盾構完全進入豎井后，根據全站儀自動化監測，其沉降最大值為8.8 mm，位于2號線隧道上方。1號盾構成功進入豎井后，地表沉降最大值只有5.5 mm，位于雙線隧道中間位置。洞內管片無滲漏水，無明顯錯臺及上浮，豎井內只有很少一部分細砂和地下連續墻殘渣堆積在洞門前，表明開挖間隙填充良好，并無涌砂情況；地下連續墻的變形也小于5 mm。整個施工過程安全可控，地表無塌陷，豎井中未發現大量泥砂涌入，從破墻到接收只耗時6 d，不僅節約了工期，而且提高了經濟效益。

5 結論與建議

該項目的成功之處在于確定了合適的水位高度、設置了合理的掘進參數、對開挖間隙進行了及時填充，防止了涌水涌砂的可能，另外還有潛水員的不間斷觀察以及各種得當的風險應對措施。該方法適用于由于場地限制，不具備端頭加固條件但有獨立的具備不透水的且滿足盾構接收設施安置和盾構拆除的接收豎井；地層具有一定自穩能力，不能為富水淤泥質土。主要結論如下：

1)由于盾構姿態的偏差，無法直接采用鋼托架接收，導臺作為一個調整盾構姿態的過渡區域，可以確保盾構順利進入托架，但導臺的混凝土強度、幾何尺寸可根據盾構尺寸及豎井尺寸進行適當調整，混凝土強度也可適當降低。

2)從刀盤破墻到盾尾進入簾布橡膠板的過程中，每掘進一環，潛水員至少下潛檢查一次，尤其在破墻、刀盤進入第1道簾布橡膠板、刀盤進入第2道簾布橡膠板、刀盤后端通過第2道簾布橡膠板、刀盤接觸混凝土導臺以及刀盤接觸鋼托架等各個節點，都需要潛水員下潛檢查盾構的位置和密封情況。這些節點的檢查要引起足夠的重視并嚴格執行，確保接收安全。

3)盾構在水下接收前，需要提前進行軸線測量工作，確保盾構沒有較大的偏差。在突破地下連續墻之前需要對邊緣滾刀進行檢修，確保盾構刀盤開挖直徑大于盾殼外徑，防止盾構在突破地下連續墻時被卡住。

4)盾構掘進地下連續墻的推力不能超過12 000 kN，刀盤貫入度控制為3 mm/r。在最后幾環注入大量雙液漿，可形成止水環。在掘進過程中，通過盾壁孔向盾體周邊注入高黏度膨潤土漿(流動度>90 s)，填充開挖空隙，防止砂土進入豎井。

建議車站主體結構做完后接收，在主體結構內嵌入安裝接收密封環，密封效果更好。豎井內用于調整盾構姿態的混凝土導臺過渡段采用低標號混凝土，不要超過B20。對于水下接收螺旋輸送機輸送閘門的密封措施和應急密封措施，還需要進一步研究。