富水砂層超深圓形盾構接收井施工關鍵技術

董云濤，董 闊，牛秀寶，黃 君，金鈺寅

(1.中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東 深圳 518083；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海 201804)

0 引言

近年來，隨著國內經濟的發展及工程技術的發展與創新，跨河越江隧道工程不斷增多。盾構法施工憑借其施工速度快、對隧道周邊環境影響小、安全性較高的特點成為水下隧道施工的常用方法[1]。

盾構法施工水下隧道可分為進洞始發、區間掘進、出洞接收3個階段，盾構進洞始發、出洞接收是盾構法施工中的關鍵環節[2-4]。不良地質或全斷面富水砂層中大直徑泥水平衡盾構的出洞接收是施工的一大難點[5]。該施工階段，坍塌、涌砂和噴水等事故頻發[6]，需采用合理的施工工藝保障施工安全。

對于富水砂層中盾構的接收，不同地區結合自身施工條件和具體地質條件，提出適宜的接收井施工技術以保證其安全接收。長春地鐵1號線某區間盾構采用地面三重管旋噴樁加固止水工藝對在富水砂層中的盾構接收井進行土體加固[7]；武漢長江隧道接收井采用鋼筋網噴射混凝土地下連續墻和深井降水的方式進行加固[8]；廣州地鐵某區間盾構使用密閉接收裝置進行接收井施工[9]；天津地鐵3號線某區間使用水平凍結法[10]和接收箱接收工藝[3]實現安全接收；濟南地鐵R1線使用垂直凍結加固、外凸式洞門設計等方法實現水下接收[6]；南京長江隧道工程在接收井施工中使用冷凍加固、三軸攪拌加固等方法[11]，并對江心洲接收井降水進行深入研究[12]。

目前，國內外已有關于不良地質情況下盾構接收井施工技術、風險控制和事故處理的案例[13-16]，但在富水砂層超深圓形盾構接收井施工技術尚未成熟，也未形成一套完整、成熟的施工工藝[17]。

本文基于華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項目(一期)下穿黃河隧道工程，對接收井主體結構防水、主體結構逆作法施工、地下水治理和防突涌等內容進行研究，總結富水砂層超深圓形盾構接收井施工經驗和關鍵技術，為今后類似工程提供一定參考。

1 工程概況

華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項目(一期)下穿黃河段盾構接收井施工工程位于永寧縣與靈武市交界處。河東接收井工程項目位于河東側黃河河道濱河大道約150m，接收井外邊緣與黃河大堤坡腳處水平距離約80m，如圖1所示。

圖1 工程所處地理位置

河東接收井直徑為23.60m，周長為69.42m，成槽深度為73.00m。地下連續墻深70.30m、寬1.50m，共16幅，采用液壓抓斗協助雙輪成槽機分2期槽段進行施工。

工程場區位于黃河河床及兩側一、二級階地，主要由第四紀全新統沖湖積、沖洪積細砂、粉土組成。接收井地層全斷面以粉細砂地層為主，各地層參數如表1所示。

表1 接收井所在地層相關參數

2 富水砂層超深圓形地下連續墻施工技術

河東接收井地下連續墻分2期槽段進行施工，Ⅰ，Ⅱ期槽各8個，Ⅰ期槽長6.418m，分三銑成槽；Ⅱ期槽長2.80m，一銑成槽；Ⅰ，Ⅱ期槽搭接，搭接長度為53cm(軸線位置)，如圖2所示。

圖2 Ⅰ，Ⅱ期槽段劃分示意

2.1 地下連續墻施作

Ⅰ期槽上部使用SG60液壓抓斗成槽機施作，對于液壓抓斗成槽機無法保證垂直度的部分，即Ⅱ期槽采取銑槽機一銑成槽。先進行Ⅰ期槽段的制作，再使用銑接法在2個已灌注混凝土的Ⅰ期槽段中間施作Ⅱ期槽，成槽流程如圖3所示。

圖3 Ⅰ，Ⅱ期槽段成槽示意

此工藝的基本原理為：在2個施作完畢的先行幅中施作嵌幅，先行幅的一邊由銑槽機切割出粗糙面，提供止水接頭，從而在兩幅間形成止水接縫；地下連續墻接頭由銑槽機切割成齒狀，形成較長的防水路線，使地下連續墻具有較好的防水性能，同時具有較高的垂直精度。

槽孔驗收合格后，用泵吸法清孔換漿。

由于成槽時反復使用的泥漿密度和黏度增大，傳統的掃孔→刷壁→清孔換漿順序會導致接頭處仍存在泥皮，因此采用清孔→刷壁→掃孔工藝，以確保地下連續墻防水性能。

2.2 泥漿配合比設計

由于地下連續墻較深且各工序施工時間長，易產生沉渣增厚和槽段失穩等問題，因此需對泥漿的配合比進行設計，并對泥漿性能進行檢驗以保證施工安全。

從護壁及攜渣能力角度出發，選用新型復合鈉基膨潤土(優鉆100)泥漿，以滿足砂層中超深地下連續墻護壁要求。泥漿配合比為：膨潤土150kg/m3，純堿5kg/m3，自來水1 000kg/m3。泥漿各項性能指標如表2所示。

表2 泥漿的各項性能指標

3 接收井主體結構防水技術

河東接收井位于④細砂層中，主體結構為1.5m厚、73m長地下連續墻，墻底穿越④細砂層和⑤1粉質黏土層。

3.1 結構防水

接收井主體結構采用抗滲等級≥P8的高性能防水混凝土，使混凝土結構浸水一定深度而不發生滲漏。通過加入UEA膨脹劑等材料，減少混凝土收縮，增強其抗裂性能，并采取相關措施，盡量減少混凝土在固化過程中出現0.2mm及以上的微裂縫，以保證結構抗滲性能。

主體結構通過防水卷材和防水墊層等使整個框架形成封閉的防水體系：①在頂板上涂抹2.5mm厚雙組分聚氨酯防水涂料，并鋪紙胎油氈隔離層和耐根系穿刺層，最后設置70mm厚C20細石混凝土保護層；②側墻水泥砂漿找平層及底板澆筑200mm厚C20混凝土墊層，鋪設瀝青基聚酯胎防水卷材；③頂板、側墻及底板變形縫處設置中埋式止水帶。

結構自防水混凝土施工時，使用插入式振搗器保證混凝土的勻質性和密實度，分段澆筑以減少混凝土的一次澆筑量，從而控制混凝土的溫度應力和收縮量，提高混凝土自身抗裂能力。

為保證頂、底板四周與鉆孔樁相接部位的防水性能，將頂、底板瀝青基聚酯胎預鋪防水卷材向上連續鋪設至側墻上1.0m，以間距200～300mm的水泥釘固定，并用扁銅收口壓條；側面加鋪兩端抹密封膠的瀝青基聚酯胎防水卷材，并在拐角部位增設防水加強層。

3.2 施工縫防水

采用預埋鍍鋅鋼板止水帶和埋設可重復注漿的注漿管等方法進行施工縫防水，施工過程中在結合面上鋪涂30～50mm厚1∶1水泥漿；對于不宜施工鋼板止水帶的部位采用緩膨型遇水膨脹止水膠進行處理。

4 接收井主體結構逆作法施工技術

河東接收井主體結構采用逆作法施工，圍護結構采用圓形支護結構和逆作法開挖工藝結合的方式。邊開挖基坑邊施工接收井主體，使基坑支護結構和永久性結構共同作用形成良好的共同受力體，從上至下滑模施工至基坑底部，順作底板及剩余側墻。

接收井主體結構施作流程如圖4所示。

圖4 逆作法施作流程

冠梁施工時將基坑開挖至冠梁底標高，鑿除連續墻，綁扎鋼筋施作冠梁，鋼筋綁扎時，預留下步內襯鋼筋接頭，如圖5所示。

圖5 冠梁施工示意

內襯結構施工時需待混凝土強度符合要求后，繼續土方開挖至第1道腰梁位置，鑿除腰梁部位地下連續墻預留凹槽。采用嵌固方式將腰梁與地下連續墻咬合，再施作腰梁及第1步內襯結構，如圖6所示。

圖6 內襯結構施工示意

循環開挖，施作腰梁及內襯結構，當施工至洞門處時，開挖至設計標高，并進行地基驗槽；地基驗槽合格后，先施作底板；底板施作完成后進行最后一步內襯結構施工。

5 基坑防突涌及地下水治理技術

地下水是基坑工程施工過程中的主要風險源，基坑降水設計及施工對工程總體安全、質量和工期目標的實現有極大影響。富水飽和砂層中基坑工程由于含水層厚度大、地層滲透性好、地下水位高，降水難度較大[18]。

5.1 降水井概況

根據施工場地地質勘察報告，場地內地層基本為砂土，各層滲透系數為4.81×10-3～9.66×10-3cm/s，屬強透水層，降水半徑為103.94～329.05m。類比分析地層情況，場區滲透系數取9.66×10-3cm/s，降水半徑取329.05m。

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[19]計算接收井基坑涌水量為1 308m3/d，設置4口降水井，井深55m?？紤]封底加固效果，在基坑外設2口觀測井，通過坑內降水試驗檢驗圍護結構止水效果。若止水效果不達標，以坑外降水為主，必要時觀測井可兼作降水井；若達標，則以坑內降水為主。

5.2 降水井施工工藝

降水方案及實施流程為：降水方案設計→根據試驗降水井統計地下水位和涌水量→修訂降水方案→施工降水井→降水管道安裝→降水→水位觀測。降水井施工過程如下。

1)埋設護筒 護筒上部應高出地面0.10～0.30m，根據實際孔深確定護筒長度，確保滿足降水施工要求。

2)安裝鉆機 需保證機臺水平，同時大鉤、轉盤與孔的中心在一條直線上。

3)成井施工 選用扭矩較大的GPS-20C型回轉鉆機進行鉆井施工；成井過程中控制鉆機底盤水平度和鉆架垂直度，并在鉆頭上部配置導正器，防止井孔偏斜，同時減壓鉆進，根據地層嚴格控制進尺速度。

4)清孔換漿 通過泥漿槽將泥漿從泥漿池送至鉆孔，為保證回流速度，槽底需設置一定坡度，且槽寬宜≥50cm。

5)下井管 檢查過濾器縫隙是否滿足設計要求，確保沉降管底部嚴格封堵；檢查井管焊接形式和焊接質量；確認合格后開始下井管，并在濾水管兩端設扶正器保證居中。

6)埋填濾料 在井管內下鉆至離孔底0.4m左右處，并在井管上口設置密封。后從鉆桿內泵送泥漿并逐步調漿，使孔內泥漿通過井管與孔壁間的環狀間隙向外返漿，當孔內泥漿相對密度調至1.05后，適當減小泵量并填入濾料，在填料過程中不斷測量濾料高度直至達到設計要求。

7)洗井 使用活塞和空壓機洗井，先用活塞洗井至洗通濾料，之后提出活塞并用空壓機洗井，直至水清；洗井過程中，活塞一般需從下向上拉，對于出水量很少的井應邊向井內注水邊拉活塞。

降水井施工中成孔施工的井管和濾料回填質量控制要求如表3所示。

表3 特殊過程質量控制要求

6 結語

以華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項目(一期)下穿黃河隧道河東超深圓形盾構接收井工程為依托，針對該段地表水系發達、飽和砂層含水豐富、黃河水補充充分的難題，論述了富水砂層中超深圓形盾構接收井施工關鍵技術。

1)針對接收井主體結構防水，從接收井結構防水和施工縫防水兩方面入手，采用加入UEA膨脹劑的高性能防水混凝土施作主體結構，并在結構上鋪設防水卷材，形成封閉的防水體系，確保接收井主體結構的防水性能。

2)針對富水飽和砂性地層中超深圓形盾構接收井圓形支護結構及主體結構逆作法施作難題，采用銑接法工藝提高超深地下連續墻成槽垂直精度，并形成可靠的止水接頭，同時采用新型復合鈉基膨潤土泥漿解決超深地下連續墻施工過程中可能產生的沉渣增厚和槽段失穩等問題。

3)針對富水飽和砂性地層超深圓形基坑突涌及地下水控制難題，在計算基坑涌水量的基礎上，確定降水井數量及深度，結合降水井現場施工工藝，提出降水運行管理及應急保障措施。