超深埋富水砂層土壓平衡盾構水下接收技術研究

黨成鵬

中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司

1 引言

課題以廣州地鐵18號線橫瀝站-番禺廣場站區間HP2中間風井～HP3盾構井區間為依托，該區間沿線地表水豐富，地下水主要由地表水下滲而成，一般與地表水具有直接的補給、排泄關系。HP3 接收井附近洞身穿越地層為中粗砂，上部為淤泥質粉細砂，透水性強，自穩性差，接收時端頭有涌水涌沙風險，為確保盾構順利作業，創新采用了土壓平衡盾構水下接收施工工法，使2臺8.8m土壓盾構機安全快速地完成接收，綜合效益顯著。

2 工程概況

2.1 區間概況

廣州地鐵18號線橫瀝站-番禺廣場站區間HP2中間風井～HP3 盾構井盾構區間：區間左線設計起訖里程YDK20+108.5~YDK22+614.645，左線長2503.346m，區間右線設計起訖里程YDK19+784.4~YDK22+606.561，右線長2819.278m，采用兩臺土壓平衡盾構機施工。

2.2 地質水文情況

盾構接收端，隧道穿越地層為<3-2>中粗砂、<3-1>粉細砂、<3-4>卵石,隧道上覆地層從上往下依次為<1-2>素填土、<2-1B>淤泥質土、<2-2>淤泥質粉細砂、<2-1B>淤泥質土、<2-2>淤泥質粉細砂、<3-2>中粗砂、<3-4>卵石土，,隧道下覆地層<4N-2>粉質黏土、<7-2>強風化砂質泥巖。，地下水按賦存方式分為第四系土層孔隙水（潛水），層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水、構造裂隙水（承壓水）。

圖1 HP2中間風井~HP3盾構井區間接收端地質縱斷面圖

3 盾構水下接收施工控制技術

3.1 接收端頭加固、降水

接收井端頭加固：按藍圖設計要求，采用800mm厚素混凝土連續墻外包，內部采用Φ850@600mm三軸攪拌樁加固，貼近盾構井連續墻一側設一排Φ800@600mm三管旋噴樁咬合止水的綜合加固措施，加固深度32.1m。

3.2 混凝土導臺施作

接收基座結構采用M30鋼筋混凝土施工。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機出洞姿態。接收基座的軌面標高除適應于線路情況外，適當降低30mm，以便盾構機順利上托架。接收基座分兩列，基座距延長鋼環0.5m。基座軌面中心相距4.4m。基座長16.8m。

3.3 延伸鋼環安裝

在地面上將延伸鋼環拼接完成，盾尾刷焊接完成，安裝時先用吊車將延伸鋼環吊至井下與洞門齊平再用手拉葫蘆將其拉至與洞門鋼環貼住，延伸鋼環與洞門鋼環對齊貼緊后先將其一圈點焊固定住再整圈滿焊。

延伸鋼環由4個四分之一圓拼接而成，為了便于施工可在拼接前在延長鋼環上焊接盾尾刷和鋼板束，每塊盾尾刷及鋼板束應搭接緊密。盾尾刷焊接距延長鋼環內側邊線8cm、鋼板束焊接距延長鋼環外側邊線2cm。焊接時焊縫應飽滿、不得漏焊、不得存在砂眼等。

為保證延伸鋼環兩道密封的密封效果，我們參照盾構機始發前手涂盾尾油脂的方式給鋼環上兩道密封也填涂盾尾油脂。

3.4 洞門填砂灌水

為了確保出洞安全性，針對出洞填灌水提出了兩種方案設想。一種設想是填沙高度至少要將洞門完全埋住甚至要比洞門高1m~2m，理由是水和沙子的密度不一樣，基坑灌水至地下水位高度不能保證盾構機磨穿地連墻到盾體被延伸鋼環盾尾刷包裹這個過程中洞門處沙子不會大量垮塌；另一種設想為只要保持地下水相對靜止，那么洞門處土體就會保持穩定，為了減少前期填砂量以及后期抽水后的清理量，只需要填砂至洞門中心高度即可。

為了驗證這兩種方案的可行性及優化空間，我們做了如下實驗：

實驗材料：直徑100mm透明鋼絲軟管、100mm蝶閥、鋼卷尺、記號筆、未經清洗的盾構渣土、回填所用沙子

實驗步驟：

（1）取2根2.5m長透明鋼絲軟管中間用蝶閥連接，將鋼絲軟管兩頭掛在高處使得蝶閥處為最低點，蝶閥處于關閉狀態

（2）在左側鋼絲軟管離地85cm、200cm 處用記號筆畫線標記，右側鋼絲軟管離地15cm、22cm、30cm、200cm處畫線標記

（3）往左側鋼絲軟管灌入未清洗的渣樣至85cm處然后灌水至200cm，再往右側鋼絲軟管灌入回填所用沙子至15cm 處然后也灌水至200cm處，最終使得2邊液位一樣高

（4）打開最低點蝶閥觀察兩邊固體的流動情況。實驗結果：打來蝶閥后左側砂子高度未見明顯變化，靜置1小時后還是未見變化。實驗結論:地層滲水率較低且流動性不強，所以接收井填砂高度只需要填到洞門中心高度即可以減小后期清理量。

根據實驗得出的結論，選擇填沙至洞門中心高度自延伸鋼環外邊按照30度放坡，為防止兩道盾尾刷之間被沙子進入從而影響密封效果，在填砂之前需要用海綿將兩道盾尾刷之間的空隙用海綿填充最后蓋好。

上述措施完成后開始填沙，填沙完成后開始灌水至地下水位高度，填沙灌水過程如下。

圖2 基坑填沙灌水過程

3.5 盾構機到達前測量

盾構機水下接收過程我們是看不見盾構機與洞門的相對位置的，因此必須對洞內所有的測量控制點進行一次整體的、系統的控制測量復測，對所有控制點的坐標進行精密、準確的平差計算。糾偏要逐步完成，每一環糾偏量不能過大。盾構機到達前100m地段即加強盾構姿態和隧道線形測量，及時糾正偏差確保盾構順利地從到達口進入。并根據實測的車站洞門位置進行必要的調整隧道貫通時的盾構機刀盤位置。隧道貫通時其刀盤平面偏差允許值：平面≤±20mm、高程≤±50mm。同時將接收過程中各個關鍵位置對應的導向系統里程做成表格。

3.6 盾構接收

為了防止刀具長距離砂層掘進磨損量過大，導致刀盤開挖直徑小于盾體直徑從而引發盾體被地連墻卡住這一問題，因此在盾構機到達地連墻前帶壓開倉檢查邊緣滾刀磨損情況，刀具檢查主要針對保徑刀，如果保徑刀磨損過大則必須更換。

刀具檢查完成后開始磨地連墻，磨墻過程控制掘進速度在20mm~40mm 左右，當地連墻只剩30cm 時進一步降低掘進速度至15mm 左右，在這段掘進過程中螺旋機可持續出土，當螺旋機出土口一旦出現渣土明顯變稀的情況立刻停螺旋機并關閉上下閘門。為了防止出現螺旋機閘門密封磨損關不死出現漏水的情況，需提前在隧道里準備好聚氨酯注入設備以及材料。掘進至刀盤到達洞門預埋鋼環小里程位置時停止刀盤轉動直接往前推進拼裝。

根據導向系統里程和盾體尺寸計算出盾尾與延伸鋼環搭接50cm時停止推進開始封堵洞門。為了減少對洞門的擾動，雙線接收過程中先讓一臺機到達停機位置開始封堵后再進行另一臺機的掘進接收工作。

3.7 洞門封堵

右線拼最后一環管片為1760 環，當環管片伸出延伸鋼環1m，每環管片寬度1.6m，出洞最后20 環管片都是增設注漿孔管片，通過計算可知1759環管片注漿孔位置對應洞門地連墻位置，1758環管片注漿孔對應地連墻后方加固體三軸旋噴樁位置。

首先從1759 環6 點位開孔注雙液漿，注漿壓力變大后就更換注漿孔，實際注漿過程中我們要求注漿由下往上，左右交替，而且必須保證除了封頂塊之外所有注漿孔都必須開孔注漿，按照此方式把1759 環注完后緊接著在1758 環按照同樣的方式進行注漿，由于1759環注漿孔還在連續墻范圍內，所以開孔深度有所限制，而1758環注漿孔已經出了地連墻范圍，開孔的時候可以打深孔。

在洞門位置進行二次注漿的同時在加固體外側混凝土素墻位置管片開孔用臺車同步注漿管進行補注水泥砂漿以封堵加固體后方來水。

為了減少砂漿凝固時間，在拌制過程中每方漿液另外加入了1 包普通硅酸鹽水泥，砂漿取樣初凝時間為10 小時。雙液漿經過現場實驗調整初凝時間為50s。注漿完成后，為了檢驗注漿效果，我們對注漿質量進行了檢查，確保無滲漏水即達到洞門封堵要求。

3.8 基坑排水

洞門注漿質量檢查合格后開始基坑抽排水，第一次抽水將接收井水抽去一半，然后觀察水位變化若干小時，確定井外無水土流進接收井，也沒有引起井內液面高度變化再繼續抽水，如果水位上漲明顯則需要再次進行洞門封堵。

水位抽至洞門高度時要密切關注兩邊洞門鋼環有無滲漏水情況，取保洞門無滲漏后可將基坑內水抽完，抽完水后即可開始泥沙清理工作，泥沙清理完成后將盾構機往前推進至盾尾與延伸鋼環完全分離，分離過程也必須關注洞門情況，一旦出現滲水情況立即進行二次注漿或者注聚氨酯。

抽排水過程中通過觀察發現停止抽水后液位無明顯上升，水抽完后洞門一圈未出現滲漏情況，說明此次洞門封堵效果良好，最后將盾尾與延伸鋼環脫離之后洞門依然未出現滲漏，此次水下接收成功完成。

4 結語

深覆土富水砂層盾構接收施工具有施工風險高、控制難度大、社會影響大等顯著特點，結合廣州地鐵18號線橫瀝站-番禺廣場站區間HP2 中間風井~HP3 盾構井區間水下接收的成功案例，說明這個難題是可以克服的，風險也是可控的，主要從以下幾個方面進行管控：（1）全面理解深覆土富水砂層盾構接收施工工程本身的特點、難點、重點；（2）結合工程特點，合理進行方案對比優選；（3）積極借助自動化監測預警、信息化視頻監控等有效手段確保信息實時傳達；（4）層層落實管理責任，從基礎作業人員抓起，確保技術方案執行有力；（5）充分估計困難和風險，充分考慮應急預案，做到有備無患。