富水條件下盾構穿越泡沫砼回填風井施工技術

徐正齊

（中國中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

1 工程概況

1.1 工程線路

杭州地鐵6 號線一期土建工程SG6-6 標包括之江海洋公園站～振浦路站區間、振浦路站、振浦路站～中醫藥大學站區間，共計1 站2 區間。其中之振區間(之江海洋公園站～振浦路站區間)隧道全長2745m，穿越錢塘江，設江南、江北2 座風井,采用2 臺海瑞克土壓平衡盾構機施工，均由振浦路站小里程端始發，過程中依次穿越江北風井、錢塘江和江南風井，然后再一直掘進至之江海洋公園站大里程端接收吊出。工程線路詳見圖1。

圖1 本標段工程線路圖

1.2 風井結構

江北風井主體結構尺寸27.1m×21.8m，基坑開挖深度達29.1m，為地下三層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結構。風井采用地連墻與內襯墻疊合結構，地連墻既作為風井基坑圍護結構，又作為風井主體結構一部分。地連墻厚度1.2m，內襯墻厚度0.8m，預埋洞門鋼環直徑6.7m。

1.3 地質條件

江北風井區域自上而下地層：①1 雜填土、②32 砂質粉土、②4 粘質粉土、③3 砂質粉土夾粉砂、③6 粉砂、⑥2 淤泥質粉質粘土夾粉土、⑧2 含砂粉質粘土、⑿1 粉砂、⑿2 中砂、⒁4 圓礫、(22)3 中風化鈣質石英粉砂巖、(23)3 中風化砂礫巖。盾構掘進主要涉及③6 粉砂層和⑥2 淤泥質粉質粘土夾粉土層，其中隧道底部為⑥2 淤泥質粉質粘土夾粉土層。地層詳見圖2。

圖2 地層分布圖

1.4 水文條件

江北風井區域地下水類型為潛水和承壓水。淺部潛水主要賦存于上部①填土層、②粉土、粉砂及③粉土、砂土中，潛水含水層底板大致以⑥層淤泥質土為界，厚度13.5～23.3m。深部承壓水主要分布于⑿、⒁砂礫石層中,其上⑥、⑧和⑨層粘性土是相對隔水層，構成承壓水含水層頂板,其下基巖(22)鈣質石英粉砂巖、(23)砂礫巖為承壓含水層底界,厚度4.1～20.0m。

1.5 周邊條件

江北風井位于錢塘江東北岸濱文路端頭，距錢塘江堤最近110m。西側為綠地，東側30m處是新生村311 號房屋（2000 年建造，四層磚混結構，條形基礎，埋深0.5m）。風井周邊無地下管線。

2 盾構穿越風井前相關技術措施

由于江北風井緊鄰錢塘江，區域存在富水(高水位潛水及高水頭承壓水)和不良地質(粉砂及淤泥質土)雙重風險不利條件。為確保盾構掘進安全，對風井兩側端頭采用了RJP 加固、素混凝土止水帷幕及降水技術，并對風井采取泡沫混凝土回填等措施。

2.1 風井端頭加固

江北風井端頭處區間隧道頂部覆土深度約19m，隧道斷面處于③6粉砂、⑥2 淤泥質粉質粘土夾粉土層中。原設計端頭處地基加固采用1m 厚素混凝土地連墻+7m 范圍雙重管普通高壓旋噴樁。根據現場水文及工程地質條件和加固深度情況，為保證加固質量和盾構接收、始發安全，變更將原設計加固技術方案優化為：1m厚C20 素混凝土地連墻+7m 范圍三重管RJP 超高壓旋噴樁。

江北風井一側端頭的素混凝土地連墻注水帷幕總長46.2m，共計18 幅，止水帷幕素混凝土地連墻深度至區間隧道底部以下不小于10m，墻底位于⑧2 含砂粉質粘土層中。在進行江北風井主體圍護結構鋼筋混凝土地連墻施工同時，完成相應端頭的素混凝土地連墻止水帷幕。端頭7m 范圍內的土體加固采用三重管RJP 超高壓旋噴樁，樁徑及間距Ф2200@1700，樁長27～28m 之間，加固深度至區間隧道底部以下不小于3m，樁底位于⑥2 淤泥質粉質粘土夾粉土層中。風井基坑圍護結構鋼筋混凝土地連墻與端頭素混凝土地連墻止水帷幕的接縫處，采用1 根直徑Ф2200 三重管RJP 超高壓旋噴樁封堵，樁長31.0m。優化后的端頭加固及降水布置詳見圖3。

風井端頭加固三重管RJP 超高壓旋噴樁采用P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，設計水泥摻量不小于35%，水灰比0.7～1.0。根據設計要求和試樁等情況，實際選取采用水灰比1.0，水泥摻量35%。主要技術工藝參數及機械設備見表1。

表1 三重管RJP 超高壓旋噴樁工藝參數及機械設備表

2.2 風井端頭降水

2.2.1 降水井布置

在端頭井加固土體外側和素地連墻止水帷幕封閉范圍內，共設置6 口降水井和2 口觀測井，降水井深度均為28.5m。降水井平面布置詳見圖3。

圖3 優化后的端頭加固及降水布置平面圖

2.2.2 管井材質構造

降水井材質采用Ф315mmPVC 波紋管，濾水管外包裹60目濾網,填料采用優質中粗砂回填，頂部2m 回填粘土土。觀測井采用Ф110mmPVC管制作。

2.2.3 降水技術要求

抽水穩定后，出水含砂量不超過1/20000 (體積比)。為安全起見，洞門鑿除之前，須提前開始抽水，使素混凝土連續墻止水帷幕范圍的地下水位降至區間隧道底部以下。洞門破除過程中，應做好觀測井水位觀測，檢查降水效果，確保洞門破除施工安全。

2.3 風井洞門鑿除

2.3.1 加固效果檢查

根據設計和規范要求, 對風井洞門端頭處加固土體需要檢查其強度及抗滲性能。加固土體強度指標通過鉆芯取樣測定其抗壓強度；抗滲性能指標采用探孔取樣確定其抗滲性能。在洞門上、下、左、右及中心部位共設置9 個探孔，每個孔深＞2m。在加固土體鉆芯檢測和洞門探孔取樣檢查良好情況下，方可進行洞門鑿除。加固土體現場實際鉆芯完整性較好，抗壓強度滿足設計要求。鉆芯詳見圖4。

圖4 加固效果鉆芯照片

2.3.2 洞門破除施工

首先在洞門前搭設腳手架作業平臺；其次對圍護結構外側混凝土進行破除，割除外側鋼筋；再次對內側混凝土進行破除，保留內側鋼筋，待渣土清理完畢后才能進行內側鋼筋割除；最后清理好現場，開展泡沫砼回填各項準備工作。洞門鑿除須連續，加強現場觀測巡查，并盡量縮短作業時間。

2.4 風井泡沫混凝土回填

2.4.1 泡沫砼指標及配合比

綜合考慮盾構機承載及掘進切削要求，泡沫砼設計抗壓強度指標7d≥1.5Mpa、28d≥2.0Mpa。通過試驗，泡沫混凝土配合比選定為水泥:水：泡沫劑=1:0.57:0.09。初凝時間5～6 小時。濕密度1000～1050kg/m3，普通硅酸鹽水泥P.O42.5 水泥用量650kg/m3。

2.4.2 泡沫混凝土回填技術工藝

風井內回填泡沫砼之前，應完成左右線洞圈復測，以確保后續盾構機順利通過。此外還應在風井盾構接收及始發段各布置6 環增設注漿孔的管片(每環12 個注漿孔)，以便于以后注漿及封堵洞門。

為確保泡沫砼回填澆筑連續、密實和均勻，采用分層施工工藝方法。江北風井泡沫砼回填頂面為風井洞門以上3m 高度，回填總量25.5*20.2*10.4=5357m3。泡沫砼采用現場制作，配備兩臺泵送配套機械設備，24 小時連續作業，分兩班倒進行施工。按每臺泵送泡沫砼方量80m3/h，通過軟管直接由預留孔回填澆筑。

風井泡沫砼回填澆筑共計分為13 層，每層分層厚度約0.8m，澆筑速度1 層/3h，每層澆筑間隔時間5h。泡沫砼回填過程中，要確保供應連續不間斷。

泡沫砼回填技術工藝步驟：第一步風井左、右線進洞及出洞條件驗收合格；第二步同時鑿除4 個洞門第一層0.9m厚砼，拆除腳手架并將砼渣清除；第三步開始回填第1 層泡沫砼到洞圈底部位置。第四步從洞圈底部往上鑿除洞門剩余的0.3m 厚砼，鑿除高度為1.6m，同時將1.6m 高度范圍內洞門外層鋼筋全部割除完成；第五步回填完成洞圈底部位置往上1.6m 高度范圍內泡沫砼，分成兩次回填, 每次0.8m（即第2、3 層回填泡沫砼）；第六步繼續往上鑿除洞門第二層砼，鑿除高度范圍洞圈底部以上1.6m～3.35m至洞門中心線位置，同時割除該范圍內鋼筋；第七步完成洞圈底部往上1.6m～3.35m 至洞門中心線位置范圍內回填泡沫砼，分兩次回填完成（即第4、5 層回填泡沫砼）；第八步繼續鑿除洞門中心線往上第二層砼，鑿除范圍為洞門中心線至洞門頂部高度3.35m,同時割除該范圍內鋼筋，此時洞門范圍內砼已全部鑿除完成；第九步完成洞門中心線至洞門頂部高度3.35m 范圍內回填泡沫砼，一共分四次回填施工，相當于（即第6～9 層回填泡沫砼）；第十步繼續往上回填泡沫砼，回填高度為盾構管片外徑頂部以上3m高度（相當于洞門鋼環往上2.75m，因為洞門鋼環半徑3.35m，管片半徑3.10m），此高度范圍回填泡沫砼分四次施工，相當于（第10～13 層回填泡沫砼）。第十一步完成泡沫砼回填收尾工作，做好盾構機穿過風井準備。風井內泡沫砼回填橫斷面詳見圖5。

圖5 江北風井泡沫混凝土回填橫斷面圖

2.5 盾構姿態復測

由于回填泡沫砼7d 強度≥1.5Mpa，可承載盾構機自重，因此本次盾構穿越時不需要布置基座。盾構在穿越江北風井前，須對4 個洞門位置進行復核測量，復核盾構所處方位、確認盾構姿態、評估盾構進入江北風井時姿態、擬定盾構接收段施工軸線、推進坡度控制值等，確保盾構在此階段施工中始終按預定方案實施，以良好姿態穿越風井。

3 盾構穿越風井施工

本工程采用盾構過站江北風井施工工藝。在江北風井底板和負三層側墻施工完成后，進行盾構穿越風井。待盾構通過風井結束后，再進行風井剩余負二層和負一層主體結構施工。

3.1 總體施工分區：盾構穿越江北風井主要分為盾構進洞、風井回填泡沫砼內盾構掘進和盾構出洞三個施工階段。本項目左線盾構先行穿越江北風井, 隨后右線盾構穿越,兩者前后相距約50 環，以避免左右線掘進相互干擾和影響。根據施工順序，將盾構穿越江北風井施工分為7 個區域(依次為一區至七區)。詳見圖6。

圖6 盾構穿越江北風井總體籌劃分區圖

3.2 穿越江北風井技術

以左線盾構穿越江北風井為例，施工過程依次為：左線盾構掘進一區素混凝土墻止水帷幕(1m)；左線盾構掘進二區土層(5m)；江北風井左、右線洞門破除同時施工；風井泡沫砼回填施工及養護；左線盾構掘進三區RJP 加固區(7m）；左線盾構穿越四區風井回填泡沫砼(19.2m)；左線盾構過錢塘江之前全面檢查；左線盾構穿越四區風井回填泡沫砼(10m)；左線盾構掘進五區RJP 加固區(7m)；左線盾構掘進六區土層(5m)；左線盾構掘進七區素混凝土墻止水帷幕(1m)。左線盾構穿越江北風井的總體施工時間控制在35 天以內。

3.2.1 接近江北風井

當盾構機切口距離江北風井地連墻外側24 環距離時，此時盾構機與地連墻距離為一倍盾構底埋深。本階段土壓力設定區域為中心土壓控制，設定值為0.35MPa， 推進速度調整至2cm/min，控制推進總推力≤17000KN。同步注漿量保持正常6m3/環，同步注漿壓力控制在0.4～0.5MPa。土壓力及同步注漿量設定，可具體根據出土量及地表監測數據適當調整。

3.2.2 進洞

盾構到達加固體前，防止推力過大而對加固體產生較大擾動，推力、土倉壓力設置需嚴格控制，可根據現場情況將土倉壓力減小到較小值。在盾構機碰壁以前，須注意盾構掘進參數選擇，防止糾偏過急，通過正確的管片拼裝點位選取，保證盾構機碰壁時良好姿態。在即將碰壁時，提前一環將速度減小到10mm/min，推力＜12000kN；至碰壁前50cm 距離時，速度減小到5mm/min，推力＜10000kN，刀盤轉速＜1.5rad/min。

3.2.3 穿越風井回填的泡沫混凝土

當盾構刀盤中心刀靠上泡沫混凝土后，逐步減小土壓力。推進時應密切注意盾構機姿態，使盾構機能順利進入洞門。本階段盾構控制推進速度在1cm/min 左右，以控制總推力為主，控制推力≤10000KN，刀盤轉速1r/min。同步漿液注漿量保持3.4m3/環，并在壓注過程中密切觀察注漿壓力變化。盾構盾尾進入泡沫混凝土內5 環時，在洞門封堵效果檢查滿足要求后，盾構機暫停掘進，對盾構機穿越錢塘江前進行刀具和盾尾刷等器件全面檢查，對于不能繼續使用的器件給予更換。盾構穿越江北風井詳見圖7。

圖7 盾構機直接穿越江北風井縱斷面圖

3.2.4 出洞

3.2.4.1 盾構刀盤在加固體中推進：由于本階段掘進正面土體土質較硬，為控制推進軸線和保護盾構刀盤，須耐心磨削，使加固區土體得到充分切削，為控制好刀盤油壓和轉速，推進速度應放慢，盡量做到平穩施工，減少對周圍土體擾動。推進速度在1cm/min 以內為宜，出土量為38.6m3/環，刀盤轉速采用1r/min，控制盾構機推力≤14000kN，刀盤扭矩控制≤4200kN·m。土壓控制為中心土壓控制，土壓力值設定為0.12MPa～0.15MPa 左右。土壓力值主要根據盾構機推力、扭矩以及出土量等參數進行調整。

3.2.4.2 刀盤出加固體推進：盾構刀盤出加固區后，土壓力設定為0.35MPa。刀盤剛剛出加固區時，盾尾仍在加固區內，推進速度控制在1cm/min，同步漿液注漿量保持在3.4m3/環。待盾尾完全離開加固區，推進速度提升至3cm/min，同步注漿量恢復6m3/環。

4 監控量測

根據設計及規范相關要求，盾構穿越風井主要監測內容有：一是盾構軸線頂部地表沉降監測，沿盾構軸線每隔5 環布設一點。二是盾構橫向剖面地表沉降監測，盾構進洞、出洞段50 環范圍內沿盾構軸線每隔5 環布設一組，每組各11 點，盾構進洞、出洞段50～100 環范圍內沿盾構軸線每隔10 環布設一組，每組各11 點，盾構其余段每隔20 環布設一組，每組各11 點。此外，盾構穿越風井過程中，對風井基坑支撐軸力、端頭地下水位及臨近房屋沉降等也進行了監測。通過監測，各項數據均未超過相應預警或報警值，盾構穿越風井過程中，施工安全總體受控。

5 穿越風井后相關措施

盾構穿越風井后，通過對地連墻及內襯墻范圍內的管片注漿孔加裝球閥基礎上,采用沖擊鉆進行封水效果探測，確認無滲漏后，方可進行下一步泡沫砼鑿除和洞門封堵。封堵結束后，還對整個洞門進行了補注壓漿。

6 結論

城市地鐵建設過程中，需設置風井來滿足長距離區間隧道通風需要。對于盾構穿越良好地質條件下的區間風井，通常采用“接收到站、平移過站、再始發”的施工技術工藝。針對本工程對復雜高風險地質條件下的于盾構穿越區間風井施工，采用“回填風井、盾構穿越”的施工技術工藝，既降低了盾構多次常規接收和始發的安全風險，同時還可以有效加快工程進度、縮短施工工期。本項目實例可為其他類似工程施工提供有益借鑒和參考。