軟土地層下盾構穿越污水工作井施工優化設計與應用

賴鵬安 董進成

(中交第二公工程局有限公司 陜西西安 710065)

0 引言

目前，盾構法施工已經成為城市地鐵區間隧道施工的主要手段，特別是在軟、粘土分布較廣、且地下水豐富的地區，更是具有其獨特的優勢[1-2]。隨著地鐵線路規劃的不斷延伸與加密，盾構區間隧道不可避免地要穿越各類建(構)筑物，如何減少其穿越過程的相互影響，成為廣大工程師及院校專家研究的主要內容[3-4]。穆巖松等[5]采用數值模擬的方式，分析了富水砂層中不同掘進參數對地表沉降及周邊房屋建筑變形的影響，揭示了掘進參數與地表沉降值的相關規律。黃曉康等[6]通過室內模型試驗，探究了盾構開挖時與其平行的地下管線在砂土和黏土不同地層中受力和變形的規律。黃德中等[7]以上海外灘通道工程穿越周邊歷史建筑群為例，在試驗和監測基礎上提出了不同的施工保護措施，有效控制了地表沉降。崔懷春[8]以北京地鐵6號線盾構穿越中間風井玻璃纖維筋圍護樁為例，通過調整刀盤轉速、推進壓力等掘進參數，避免了風井接收及二次始發，降低了施工風險。

基于既有研究大多集中在盾構穿越施工對平行管線變形的影響分析及保護措施評價，對于穿越垂直管線的研究相對較少，本文以福州地鐵二號線鼓山出入段線盾構穿越污水工作井施工為研究對象，通過改變盾構機選型、適時調整掘進參數及盾構姿態、增設加固措施等來實現施工方案的優化，確保了穿越施工的順利完成，并基此對穿越效果進行綜合分析，以期為相似工程提供有益參考。

1 工程概況

福州地鐵二號線鼓山出入段線盾構區間隧道，出上洋站后沿福馬路北側向東行進，其中左線區間隧道依次穿越磨洋河、溫福鐵路橋及公路高架橋等建(構)筑物。盾構掘進方向為上洋站～鼓山出入段線明挖區間接收井。鼓山出入段線盾構段左線長度為686.278m，區間隧道管片外徑6.2m，隧道內徑5.5m。

其盾構區間隧道左線于里程CDK0+614～622處穿越福州市洋里污水處理廠廠外管網二期工程51#圓形工作井，該污水工作井管徑1400mm，管材為壁厚140mm的C25混凝土管材，外徑7.6m，內徑5.5m，井深8.99m，其圍護結構形式為鋼筋砼排樁+內支撐圍護結構，樁徑400mm，樁長18.5m。樁間采用注漿止水加固，基坑底為0.35m厚鋼筋砼底板。

該位置盾構隧道覆土厚度11.7m，工作井與盾構隧道頂凈間距約1.6m，工作井與盾構區間平面位置關系如圖1所示。

圖1 工作井與盾構區間位置關系平面圖

該地地質條件較差，隧道拱頂位于淤泥層，拱身上部位于粘土層，拱身下部及拱底位于淤泥質土夾薄層砂層，工作井與盾構區間剖面位置關系如圖2所示。

圖2 工作井與盾構區間位置關系剖面圖

2 施工重難點

2.1 控制地面沉降

盾構穿越51#工作井在盾構隧道施工過程對地面沉降要求較高，盾構推進開挖破壞了地層的原始應力狀態，進而產生了不同程度的地面沉降。當差異沉降過大時，污水管或檢查井就有可能遭到破壞，造成連接部位出現破裂、漏水等不良現象。因此，穿越污水管及檢查井過程中對地面沉降的控制是該工程的重點及難點。

2.2 控制盾構掘進姿態

穿越工作井期間，盾構推進始終受到千斤頂推力和來自盾構本體以外的各種阻力作用，尤其是盾構在切樁過程中由于工作井圍護樁與盾構刀盤的不均勻接觸，盾構機在推進過程經常處于姿態調整和控制狀態，若調整姿態幅度過大，將會引起盾構外側土體受到擾動，從而引起地面沉降。因此，盾構姿態調整是該工程施工的重點。

2.3 預防刀盤結泥餅

盾構在穿越51#工作井時，穿越地層經過袖閥管注漿加固的粘土層，其掘進過程中土倉壓力設定不合理、渣土改良不當、刀盤高速旋轉后與周圍土體及樁體介質摩擦生熱等情況都會使得土艙內溫度升高，進而發生泥餅現象，對盾構機刀盤造成嚴重損害。因此，預防刀盤結泥餅是該工程的重點。

2.4 減少盾構穿越對污水井的擾動

盾構在穿越51#工作井過程，需要切除工作井底部的圍護樁，在檢查井前導墻位置盾構機刀盤頂部距污水管底部僅2.4m，在盾構切樁過程必定會對污水管存在擾動，如何減少盾構切樁過程對污水管及檢查井的擾動是該工程施工的重點和難點。

2.5 切斷圍護樁鋼筋及減少切斷的鋼筋對盾構施工的影響

該次盾構共切削圍護樁43根，圍護樁滿布于整個刀盤，圍護樁被切削部位含直徑為18mm的HRB335鋼筋215根(不含圍護樁箍筋)，數量較大，對盾構機的刀具、刀盤配備要求高。另外，將切削下來的鋼筋如何順利從螺旋輸送機中排出，保證螺旋輸送機出渣的順暢也是該工程的重點。

3 施工方案優化設計

3.1 盾構機優化

該區間盾構穿越的地層以淤泥、粘土、淤泥質土夾薄層砂為主，期間需要穿越多個土體加固區，累計穿越加固區長度約110m，加固區的強度約為0.3～1.0MPa，若采用全盤滾刀配置，盾構在粘土及水泥加固體中長距離穿越存在結泥餅的可能。通過對盾構機參數與地層適應性的研究，提出了針對刀盤和刀具的優化方案，以確保掘進的順利進行。

3.1.1刀盤

刀盤在支撐掌子面土壓的同時進行隧道開挖，需要安裝不同的開挖刀具，適宜不同地質地層的隧道施工。該項目盾構選用中交天和盾構，刀盤采用適宜于不同地質條件的復合式刀盤，開口率32%。在切樁過程中，高的刀盤剛度和強度是盾構挖掘的保證。本盾構機刀盤重量65t，材質選用Q345B鋼板，中間支撐結構，使刀盤受力更為均勻，避免刀盤變形、裂紋、斷裂現象的發生，刀盤應有中心回轉裝置以便將各類液體輸入至刀盤上。

為提高刀盤的耐磨性，該工程施工采取如下措施：

(1)刀盤外圈及面板焊接高強度耐磨塊(條)；

(2)對刀盤開口部位的表面進行硬化；

(3)在攪拌棒表面堆焊網狀耐磨條，耐磨條網眼尺寸80mm×80mm，耐磨條高度5mm，寬度10mm。

3.1.2刀具配置

要保證本區間的順利完工，盾構刀具的配備是關鍵，配備的刀具需要滿足：①配備的刀具應適應在淤泥、粘土、淤泥質土夾薄層砂地層中穿越且能夠順利切削工作井圍護樁；②在盾構施工過程中減少結泥餅產生的幾率；③盡量避免盾構切削下來的鋼筋纏繞刀盤。鑒于此，取消部分滾刀配置，在中心半徑1.7m范圍內采用重型撕裂刀(23套)，外圍1.5m范圍采用滾刀配置(25套)，其中邊緣位置采用球齒滾刀，以增強刀具的切削能力和刀具與掌子面的摩擦力，降低滾刀偏磨的幾率，其余滾刀采用窄刃滾刀，以便快速切斷樁體內的鋼筋。結構圖如圖3所示(其中1～13為球齒單刃滾刀，14～25為窄刃滾刀)。

圖3 刀具配置圖

3.2 加固方案優化

盾構在下穿、側穿重要建(構)筑物時，常對其地層進行加固，以期提高土體的抗剪強度，并隔絕穿越區域的部分水力聯系，降低水頭壓力，確保盾構機的順利穿越和重要建(構)筑物的變形、沉降的有效控制。對此，一般采用劈裂注漿加固、地面攪拌樁加固、盾構管片預留注漿孔注漿、地層凍結法等方式來實現盾構穿越地層的加固。本文著重介紹袖閥管劈裂注漿加固、盾構管片預留注漿孔注漿在本次工程的實際應用情況。

3.2.1袖閥管劈裂注漿加固

因原有污水井圍護結構位于軟弱地層中，為避免盾構在切割圍護樁過程出現樁體位移現象，盾構穿越前對51號工作井圍護結構采用袖伐管注漿加固，采用直徑50mm的袖閥管劈裂注漿加固，在不影響交通情況下，以不同角度斜發散向工作井周邊及下側土體注漿；袖閥管采取分段注漿，分段長度0.6～1m，平面加固范圍為圍護結構外擴不小于3m，豎向加固范圍為區間結構頂不小于4m，結構底不小于3m。加固完成后注漿加固量不小于加固土體的20%～25%，加固體28d無側限抗壓強度不小于0.8MPa。

3.2.2管片預留注漿孔

隧道管片增設預留注漿孔，除封頂塊外，管片每塊均增設2個注漿孔(3個注漿孔，每環16個注漿孔)，盾構施工完成后打開注漿孔，對管片周圍采用全斷面注漿加固，加固范圍為洞周1.5m，注漿采用“多點、多次、少量、均勻”的原則，注漿加固改良完成后的土體強度為0.2～0.3MPa。另外，當盾構穿越過程出現污水井沉降超限時，可打開預留的注漿孔，對沉降區域進行二次注漿，確保污水井安全運行。

3.3 掘進參數優化

盾構穿越期間，因檢查井內存在空腔，為避免檢查井隆起，土倉壓力比理論計算壓力小15～25kPa，即按照靜止土壓力的0.8～0.9倍。由于穿越地段地層不均，且盾構需要切割工作井圍護樁，需要密切關注監測反饋信息，及時調整土倉壓力。盾構推進過程，通過對渣土車的實際存土方量對開挖出土進行控制。出土量采用龍門吊稱重與容積雙控，目標值為42m3/環(理論值39.6m3，松散系數1.06)，出土量浮動值控制在±1m3。掘進過程從掘進參數變化和渣土性能來判斷渣土改良效果和切樁進程，并調至最佳值。對于出土量大的位置進行二次注漿補注。

盾構在穿越工作井期間，盾構推力不宜過大，總推力控制在12 000～14 000kN范圍內，浮動量為±10%；盾構掘進速度控制控制在1cm/min；刀盤轉速控制在0.8～1.0r/min之間；刀盤扭矩控制在1500～2000kN·m以內，推進過程密切關注推力、刀盤扭矩變化，同時防止不均勻切樁出現盾構姿態偏差，及時結合盾構推進位置和圍護樁分布調整盾構掘進參數。

3.4 盾構姿態調整

盾構在穿越工作井時，工作井位于直線段上，坡度為3‰的上坡段上，平曲線及豎向坡度對盾構姿態的影響較小，盾構穿越地層基本位于粘土層，相對較穩定，因此地質對盾構姿態的影響也不大，但是盾構在穿越工作井時，由于圍護樁在掌子面左右位置分布不均，存在盾構推進中左右刀盤位置所受的阻力不同而出現姿態難以控制的現象。

當右側刀盤剛剛接觸工作井圍護樁時(圖4)，左側刀盤還未接觸圍護樁，此時出現右側阻力加大，左側阻力相對較小，可能出現盾構向右偏離中線，這時推進中需要加大右側推進油缸區壓調整姿態。

圖4 刀盤剛接觸工作井圍護樁

隨著盾構的推進，掌子面的圍護樁逐漸被切削，刀盤右側樁體越來越少，刀盤左側樁體逐漸增多，此時會出現刀盤右側阻力逐漸減少，刀盤左側阻力逐漸加大，推進過程左右推進油缸區壓逐漸平衡后左側逐漸加大，從而調整盾構水平姿態，推進至工作井中部，如圖5所示。

圖5 刀盤推進至工作井中部

當刀盤推進至工作井中部，離開工作井的推進過程與刀盤進入工作井的過程剛好相反，推進過程通過左右推進油缸的區壓調整保證盾構的姿態不偏離中線。盾構離開工作井示意圖如圖6所示。

圖6 刀盤離開工作井

同時，刀盤在不同時段轉動時，旋轉方向應有區別。當盾構剛接觸圍護樁時，刀盤應進行順時針旋轉，隨著盾構的推進當刀盤左側推力大于右側推力時，刀盤進行逆時針旋轉，隨著盾構離開污水工作井，右側推力大于左側推力，這時刀盤應進行順時針旋轉，盡量保證盾構切削樁體時形成對樁體向下的拉力，避免圍護結構向上的力破壞管井結合處污水管。

4 穿越效果分析

盾構于2018年4月14日開始穿越，2018年4月18日(耗時5d)盾構完全脫離工作井，期間污水工作井最大隆起2mm，沉降15mm。推進過程土倉壓力不大于0.1MPa，推進速度控制在10mm/min，刀盤扭矩1900kN·m左右波動，但波動不大；推力變化不大，控制在13000kN左右，整個施工過程基本按照既定的施工方案完成施工，盾構穿越完成后對污水井底部管片進行二次注漿，有效地控制了污水井的沉降。盾構在推進180環時出現一次出渣口堵塞現象，經現場檢查，其因為盾構切斷的圍護樁鋼筋堆積造成出渣口堵塞，經人工清理，取出渣土口的鋼筋后，盾構順利完成了后期的施工。經對清理出的鋼筋進行實測，長度在15cm～95cm之間，說明圍護樁的鋼筋基本被切斷排出。

2018年5月25日，該臺盾構機順利推至接收端圍護結構；6月2日，盾構順利接收，經對接收后的刀盤刀具進行觀察，刀盤無損傷，滾刀完好，無偏磨現象，中心撕裂刀有2把損壞，其它完好，無結泥餅現象；刀盤中心位置有3處纏繞有直徑25mm的鋼筋，經分析應為接收端圍護結構的鋼筋，與污水工作井圍護結構鋼筋無關。

5 結論

本文主要闡述了福州地鐵二號線鼓山出入段線盾構穿越污水工作井施工方案的優化設計，并通過對優化后的施工過程及穿越效果的分析，得到以下幾個結論：

(1)在盾構穿越上部既有建(構)筑物時，采用增設管片預留注漿口的方式來實現區間隧道二次注漿，對控制上部建(構)筑物是有效的。

(2)結合地層信息與工程實際情況，對盾構機刀盤刀具進行優化設計，可以有效避免掘進過程中的換刀施工，縮短了工期，節約了施工成本。

(3)在非正交穿越與盾構隧道直徑相近的圍護結構體時，應考慮到盾構推進過程中左右刀盤位置所受的阻力，并根據掘進情況通過調節油缸區壓的方式及時調整姿態。同時，在出現左右推力不均時，應改變刀盤轉動方向，使被切削的圍護結構始終受到向下的拉力。

(4)通過對接收后的刀具損傷情況進行分析，可知在盾構穿越類似灌注樁施工中，滾刀的切削能力優于撕裂刀。在鋼筋不能切斷的情況下，鋼筋纏繞撕裂刀刀盤的可能性大于滾刀刀盤。無論是滾刀還是撕裂刀配置對于直徑18mm以下的鋼筋，均可以順利切削通過，但是對于直徑25mm及以上直徑的鋼筋，其切削能力降低，存在鋼筋纏繞刀盤的可能。