富水卵石土地層泥水平衡盾構接收技術分析

劉 磊 魏力峰 蒲 松 陳 爽

（1.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211800；2.西南交通大學土木工程學院 四川成都 610031）

1 引言

伴隨城市化進程的推進，地下空間開發逐漸受到重視，新建各類市政管道多設于地下，但同時也暴露出整體規劃設計不合理的問題。面對日益復雜的地下環境，為保證隧道下穿區域城市功能正常運作及施工安全，必須嚴格控制地表不均勻沉降。盾構接收技術問題是盾構法隧道施工的關鍵風險點，在復雜周邊環境及軟弱富水地質條件下［1］，盾構安全接收、對周邊構筑物及管線的保護、地表沉降的控制是施工重難點［2］。現階段，國內對盾構接收技術的研究多基于地鐵工程設計實踐，如孫國華等［3］以福州地鐵2號線某區間隧道接收工程為例，考慮富水砂層地質條件下復合氣墊式泥水盾構較土壓平衡盾構施工風險差異，分析了鋼套筒接收施工工序、控制要點等，就風險環節提出了針對性的輔助措施；史策輝［4］以南昌地鐵2號線某區間為背景，基于盾構接收過程中諸多不利因素，對幾種可行的端部加固方案進行了比選，合理擬定了富水砂層地質條件下盾構接收方案；張海彥［5］以特拉維夫紅線輕軌某標段車站盾構機水下接收工程為背景，借助現有土壓平衡盾構工作機理研究，經有限元預測、現場監測值分析，對實施方案的可行性、安全性等進行了論證。

本文以新建北京至張家口鐵路某標段一區間盾構接收施工為背景，探究泥水平衡盾構在復雜周邊環境、富水卵石土地層條件下的接收施工工藝，以供近似工況下施工參考。

2 工程概況

2.1 區間概況

新建北京至張家口鐵路某標段地處北京市海淀區，正線全長約10.5 km。該標段始于北京北站，并行地鐵13號線東側敷設，向北約987 m后進入清華園隧道，出地面后向北終于北清河火車站。

清華園隧道總長6.02 km（含明挖段及 U型槽），盾構段共兩區間。其中，3＃～2＃盾構區間由3＃盾構豎井始發，2＃豎井2b接收井接收；2＃～1＃盾構區間由2＃豎井2a始發井始發，1＃接收井接收。隧道采用大型泥水平衡盾構機掘進，盾構直徑為12.64 m，管片詳細參數見表1。

表1 管片參數

2.2 工程地質條件

清華園隧道盾構區間穿越地層主要為粉質黏土、粉土、圓礫及卵石土［6］。根據隧道斷面地層分布情況可劃分兩段：長約750 m的全斷面段（粉質黏土、粉土地層）和1 200 m左右的非全斷面段（以卵石土地層為主）。相較而言，粉土、粉質黏土的自穩性較好，而砂類土、卵石土自穩能力要差，易出現坍塌等問題。

2.3 工程水文條件

隧址范圍內的地下水類型主要為上層滯水和承壓水，多賦存于平原區第四系砂礫卵石層和山區及平原隱伏碳巖地層中。其中上層滯水主要靠大氣降水補給，承壓水則以側向徑流及越流作為主要補給來源，側向徑流為主要排泄方式。由于北京近郊地下水超采嚴重，部分區域地下水位下降，以致相應地段局部承壓，甚至已失去承壓性。

2.4 周邊環境

清華園隧道下穿道路多為城市主路，車流量大，市政管線錯綜復雜，與北四環某處污水管道凈距僅6.63 m；與多條地鐵線路不同程度并行下穿或交叉穿越，部分線路承擔較大客流輸送任務。為保證既有基礎設施正常運作，盾構掘進過程中，必須以地表沉降的控制為重點，避免因施工工藝不合理而引發安全事故。

3 盾構接收施工重難點分析

現階段，為解決復雜周邊環境及軟弱富水地質條件下的盾構接收難題所采取的安全措施主要有端頭加固、深井到達、冷凍等［7－8］，常規端頭加固方式有旋噴樁加固、深層攪拌樁加固、地面水平（垂直）注漿加固、旋挖素砼樁、冷凍法等［9］。當單一措施難以滿足工程需要時，也可適當組合兩種或多種加固方式，以確保盾構接收施工安全。

結合2＃盾構井實際地質及場地條件，從盾構安全接收、對周邊構筑物及管線的保護、地表沉降的控制等方面考慮，本工程盾構接收施工技術重難點主要體現在以下幾方面：

（1）2＃接收井2b出洞端基坑底部距離地面約20 m，隧道洞身及基底地層以粉質黏土、卵石土為主，此類地層滲透系數大，場地地下水豐富，以致地層承載能力較差。軟弱富水地質條件下的盾構接收施工會對周圍地層產生較大的擾動，進而引發突水、涌水等安全事故［10］，因此應切實開展接收端頭加固、地下水控制各方案適應性研究，實施方案合理與否將直接關聯盾構接收施工的安全性。

（2）2＃接收井所處區域地下管線復雜，施工可能造成的管線變形損壞會引發嚴重后果。2b出洞端采用深井到達，土體施工擾動有限，對污雨水等市政管線影響較小，但仍需加強變形檢測并合理監控接收過程中盾構機的掘進參數。

（3）隧道并行地鐵13號線敷設，2＃接收井施工影響區域內線路主要以高架方式敷設，受地表不均勻沉降影響較大，且2b出洞端距橋墩僅31.3 m，盾構接收施工過程中的姿態糾偏、差異掘進等引起的土體擾動都將增加地鐵13號線的運營風險。

4 盾構接收關鍵技術

4.1 盾構接收施工流程

盾構接收總體施工順序如下：

在2＃接收井主體結構施工的同時預埋洞門環；主體結構施工完成后開展端部加固作業；盾構掘進至最后200 m時進行貫通測量；待姿態測量完成后，盾構繼續掘進穿越加固區至洞門位置停機，此過程需妥善處理盾尾密封，在盾體中線以上素墻位置的兩環管片注入聚氨酯、脫離盾尾的5～10環管片注入雙液漿以止水；此后便可開展接收基座、加固區降水井施工；待基座澆筑作業完成后，從接收基座兩側往下30 cm回填C30混凝土與基座連成整體，基座中間空隙以沙袋填實。

上述作業完成后，方可開始洞門破除施工。破除工作完成后，盾構機繼續推進，對后10環管片進行固定連接，直至盾尾脫離洞門環，焊接密封鋼板并以二次注漿實現洞門最終密封，此后主要進行盾構機拆解。接收施工流程見圖1。

圖1 盾構接收流程

4.2 洞門端頭加固措施

根據2＃盾構井2b出洞端實際地質及周邊環境等，結合本工程設計圖紙，確定對端頭地層進行加固，采用φ600 mm高壓旋噴樁加固方案，長度自圍護結構外邊緣，沿掘進方向16.2 m，縱向加固為洞身向外5 m，橫向尺寸為區間隧道輪廓外擴2.9 m。加固體外采用C25素混凝土地下連續墻進行封閉，素墻深入地層41.3 m，厚0.8 m，墻底置于卵石層中。端頭旋噴樁加固示意見圖2。

圖2 接收井端頭加固示意

4.3 盾構機到位姿態測量

盾構推進至到達停機位置后，以盾構隧道的測量控制點為基準，精準測定盾構機所處位置，明確隧道實際中心軸線與設計中心軸線之間偏差數值；對盾構接收井的洞門進行復測，確定盾構機的貫通姿態，制定掘進糾偏方案［11］。

考慮接收精度、場地條件等，在隧道設計中心軸線的基礎上合理規劃調整方案，現場糾偏需分多次到位。本工程計劃在盾構推進至最后200 m處時進行貫通前控制測量，測量結果見表2。

表2 測量結果

洞門鋼環與盾構機刀盤單邊差距為265 mm，結合偏差測定結果，可保證盾構機順利出洞，無需作出調整。

4.4 洞門端頭加固措施

盾構接收原擬用水下接收方案，后根據場地環境，調整為干接收方案，接收基座按照始發基座配筋，對已施作砂漿基座進行破除，破除后剩余基座頂部距底板750 mm，即洞門內置鋼環以下650 mm，破除完成后對剩余基座表面做植筋處理，使用φ22鋼筋，間距1.5 m×1.5 m分布，并分別預埋250 mm×250 mm H型鋼做導軌基礎與600 mm×600 mm鋼板做型鋼連接基礎；兩側平臺預埋300 mm×300 mm工字鋼為盾構機推出洞門后空拼管片提供反力，隨后澆筑弧形基座。基座導軌使用80 mm×80 mm方鋼，焊接在導軌基礎上。接收基座與洞門圈之間安裝兩根型鋼支撐的導軌，方位同基座導軌一致，具體設計見圖3，現場已完成澆筑基座見圖4。

圖3 接收托架示意

圖4 接收托架現場

4.5 降水井施工

盾構機出洞前進階段需保證接收井內無大量涌水、涌沙，本工程采取提前降低液位的方式，以保證加固區內地下水液位在盾構機以下。根據接收井加固區的地下水分布情況，于西南、西北角布置2口降水井，實際位置見圖5。降水井深入盾構機底4 m左右，即井深35.35 m，井底置于黏土隔水層上方，采用φ300鋼花管。降水井施作完成后，開展洗井作業。經探測，井內實際留有2～3 m積水，僅利用7.5 kW水泵進行降水，無法將水抽至地面。

圖5 降水井位置示意

打開盾體周圈注漿球閥觀察，觀察結果見表3，結合洞門水平探孔可知加固區內水位低、水量小。

表3 盾體周圈注漿球閥檢查結果

4.6 洞門破除

為保證施工安全，端墻圍護結構破除前，需檢測旋噴樁對端頭土體加固效果，本工程采用地面抽芯檢測、水平探孔這兩種檢測方式。現場取芯（見圖6）后，確認端頭加固旋噴樁連續性良好，并對其強度進行檢測，根據最終的檢測報告可確認其強度滿足要求。

圖6 加固區取芯

水平探孔位置取洞門環最底端往上0.5 m、1.0 m、2.2 m 處，檢測結果見表 4。

表4 水平探孔檢測結果

確認加固體28 d無側限抗壓強度不小于1 MPa、滲透系數不大于10－6cm/s，便可開展洞門破除作業。洞門需逐步破除，先是破除外側鋼筋混凝土并切割外側鋼筋，緊接著利用兩臺挖掘機液壓錘再次破除混凝土面，以加快洞門破除速度，鋼筋內側保護層采用人工方式破除。破除完成后清理場內混凝土碴料并吊運出基坑。整個破除過程中需嚴格控制墻體位移，以防水土流失，當洞門圈內墻土體出現較大變形或滲漏水現象時，應及時停止作業［12］，對問題部位采取相應措施，如注漿封堵處理滲漏水等。待異常情況解決后，方可繼續破除。

洞門破除完畢后，在洞門底部固定安裝兩根方鋼引軌，一頭與洞門圈外的引軌固定連接，一頭楔形插入盾構機刀盤底部，以保證盾構機出洞能順著引軌走向接收基座。

4.7 盾構機掘進

4.7.1 參數控制措施

盾構掘進過程中，需根據接收場地實際情況，擬定合理的泥水壓力。待盾構推進至降水影響區域內后，再就實際測定地下水位相應調整。泥水壓力等參數設定是否合理將直接影響盾構隧道施工質量，且關乎盾構施工軸線偏差、地層變形等的控制。掘進參數設置見表5。

表5 接收端掘進參數設置

4.7.2 最后10環推進

剩余距離推進控制每進尺2 000 mm、注漿量23 m3左右，注漿量需根據實際注漿壓力進行調整，洞門漏漿較多時考慮二次注漿。每環管片拼裝完后，二次注漿孔安裝注漿閥，縱向用100 mm槽鋼打孔連接相鄰管片，左右各三道（見圖7），防止管片拖出盾尾后，出現松動、變形等情況。刀盤推出洞門時注意觀察井口漏漿情況，嚴重時可先停止推進，加強同步注漿。盾尾止漿板脫離管片距離達400 mm時，滿足刀盤分割吊裝條件，進行洞門封堵，接收環管片外側預埋鋼板借助弧形鋼板與洞門圈焊接密封，再通過洞門環預埋注漿口完成二次注漿，到此洞門密封作業基本完成。在刀盤分解拆除后，盾構機向前推進200 mm至最終停機位置，滿足盾尾分割吊裝條件，進行盾構機拆解。

圖7 二次注漿閥位置

5 工法分析

5.1 應用效果

應用此工法進行復雜周邊環境、富水卵石土地層條件下的盾構接收施工，可在保證施工影響區域內城市基礎設施正常運作的前提下，實現隧道的順利貫通，且各施工工序組織緊湊合理，各階段成效顯著。該工法妥善處理了復雜環境、軟弱富水地質條件下的盾構接收難題，兼顧安全性及經濟性，滿足城市遠期發展要求，具備良好的社會效益，對近似工況下盾構接收施工有一定的參考價值。

5.2 優缺點分析

就本工程盾構接收施工過程中各施工工序施作成效，對此工法優缺點進行分析評價。

優點：各階段施工安全可靠性較高；無明顯的地區差異，適用性良好；材料選用、廢料處理充分考慮環境友好；與原有基礎設施協調性良好，對其產生影響較小。

缺點：采取降水處理會對一定范圍內的地質條件產生影響；由于場地受限，接收過程中測量難度較大，測量精度要求較高。

6 結束語

就新建北京至張家口鐵路某標段一區間盾構接收關鍵施工工藝作簡要闡述，技術要點在于綜合考慮接收場地實際條件，合理選用單一或組合式的端部加固方式；提前降低液面以改善盾構接收作業環境；洞門破除及最后距離掘進需加強監測，采取有效措施應對姿態偏差、洞門漏漿等問題，以控制接收端土體位移，從而在保證盾構安全接收的前提下，減小對周邊構筑物及管線的影響。