富水砂層土壓平衡盾構(gòu)純水下接收施工技術(shù)研究

摘要：為確保盾構(gòu)在無(wú)端頭加固等施工條件下安全接收，依托沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線南延線土建2標(biāo)工程，對(duì)富水砂層土壓平衡盾構(gòu)采用純水下接收技術(shù)進(jìn)行研究。對(duì)盾構(gòu)接收前準(zhǔn)備工作和水下接收過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)行闡述，并從現(xiàn)場(chǎng)、工期、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保四方面對(duì)盾構(gòu)接收效果分析。研究結(jié)果表明：采用純水下接收方式，盾構(gòu)安全順利接收，且施工工藝簡(jiǎn)單，環(huán)保經(jīng)濟(jì)，節(jié)省工期；該技術(shù)能有效降低盾構(gòu)接收過(guò)程中引起的地表沉降變形，達(dá)到了業(yè)主關(guān)于地表沉降≤10mm的要求。

關(guān)鍵詞：富水砂層；土壓平衡盾構(gòu)；鋼托架；洞門密封環(huán)

0" "引言

在富水砂層中，盾構(gòu)機(jī)在接收階段經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)涌砂、涌水、以及地面塌陷等事故，危及地下管線及附近建（構(gòu)）筑物[1-2]。盾構(gòu)機(jī)接收常采用的方法有端頭加固、鋼套筒接收、接收井內(nèi)回填土接收等方法[3]。針對(duì)富水砂層土壓平衡盾構(gòu)在無(wú)端頭加固條件，在不可能采取鋼套筒或接收井內(nèi)回填土等接收方法情況下，可探索采用水下接收施工技術(shù)進(jìn)行施工。

近年來(lái)，針對(duì)盾構(gòu)水下接收技術(shù)不少學(xué)者進(jìn)行了研究。楊釗等[4]針對(duì)孟加拉卡納普里河底隧道盾構(gòu)水下接收關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。安宏斌等[5]研究了無(wú)端頭加固條件下土壓平衡盾構(gòu)水下接收施工技術(shù)。葸振東等[6]研究了超大直徑泥水平衡盾構(gòu)水下接收加固及保障措施。韓林等[7]分析了富水地層盾構(gòu)水下接收端頭加固及地表沉降控制技術(shù)。為確保盾構(gòu)在無(wú)端頭加固等施工條件下安全接收，本文依托沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線南延線土建2標(biāo)工程，對(duì)富水砂層土壓平衡盾構(gòu)采用純水下接收技術(shù)進(jìn)行研究。

1" "工程概況

沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線南延線土建2標(biāo)全市區(qū)間盾構(gòu)工程，從全運(yùn)三路站始發(fā)至市民廣場(chǎng)站接收，在區(qū)間右線設(shè)置一處區(qū)間明挖段。明挖段為地下單層矩形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)92.8m，寬約8.6～17m。盾構(gòu)機(jī)平推過(guò)站，盾構(gòu)施工場(chǎng)地位于沈陽(yáng)市渾南區(qū)市政府周圍。區(qū)間采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑6.44m，管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.50m，混凝土強(qiáng)度C50/P10。

盾構(gòu)隧道穿越粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中粗砂，富含地下水。區(qū)間明挖段接收段地下水位絕對(duì)標(biāo)高為+1.00m，盾構(gòu)隧道位于地下水位以下，拱頂埋深為15.30m，處于富水砂層。工程周圍環(huán)境復(fù)雜、高樓林立、地下管線眾多，市政府要求施工中保護(hù)地下水資源，且保證地表沉降小于10mm，施工難度較高。地層水位高于盾構(gòu)埋深，周邊道路交通繁忙，建筑物較多，沒(méi)有端頭加固條件，且不宜采用降水措施。明挖段接收井頂板上只有一個(gè)吊裝口，尺寸為10m×5m。

2" "水下接收技術(shù)應(yīng)用總體思路

根據(jù)地層的水文地質(zhì)情況和施工條件，盾構(gòu)區(qū)間隧道選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)明挖段接收井之前，在盾構(gòu)接收井內(nèi)安裝洞門密封翻板和簾布橡膠，同時(shí)安裝并加固盾構(gòu)接收托架。利用水體流力學(xué)原理計(jì)算出接收豎井內(nèi)注水高度，并注水至指定標(biāo)高。

嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)破除圍護(hù)樁，確保接收井內(nèi)回填水與盾構(gòu)掘進(jìn)地層的水土之間達(dá)到力學(xué)平衡狀態(tài)，防止地層中水土向豎井內(nèi)流失，避免接收井地面塌方。盾構(gòu)按照不同推進(jìn)行程的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)，待盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入接收井內(nèi)后拉緊簾布橡膠。盾尾尾部20cm留在圍護(hù)樁內(nèi)停機(jī)進(jìn)行洞門注漿封堵，經(jīng)檢測(cè)洞門處封堵完畢后，清理完豎井內(nèi)回填的水，將盾構(gòu)推出洞門，盾構(gòu)機(jī)接收完畢。

3" "接收前準(zhǔn)備工作

3.1" "施作洞門密封環(huán)

在圍護(hù)樁洞門范圍內(nèi)安裝洞門密封環(huán)，每個(gè)洞門安裝一套，同步注漿保證洞門密封效果，等刀盤(pán)穿過(guò)圍護(hù)樁后拉緊鋼絲繩。鋼環(huán)上預(yù)留8個(gè)注入孔，使用橡膠管接到第二道鋼支撐位置，給每個(gè)注入管編號(hào)標(biāo)注位置。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿過(guò)鋼環(huán)時(shí)，如果砂土流入接收井內(nèi)，可通過(guò)注入孔注入聚氨酯等緊急密封漿液進(jìn)行封堵。

盾構(gòu)接收端墻安裝固定密封鋼環(huán)，利用鋼絲繩系好鋼環(huán)的翻板固定在相交叉位置。在張緊鋼絲繩一端安裝連接一個(gè)3t手拉葫蘆和一個(gè)1t拉緊葫蘆。盾構(gòu)穿墻前鋼絲繩處于放松狀態(tài)，水中接收時(shí)潛水員視翻板具體狀態(tài)進(jìn)行松緊調(diào)整，使簾布和翻板始終密貼盾體。

3.2" "施作鋼托架

混凝土導(dǎo)臺(tái)前方放置鋼托架，用于接收盾體及后期盾構(gòu)拆機(jī)。為確保盾體在托架上方空推移動(dòng)時(shí)托架不動(dòng)，托架前方用工字鋼支撐在圍護(hù)樁上，后部用工字鋼支撐在混凝土導(dǎo)臺(tái)上。鋼托架接收軸線需低于設(shè)計(jì)軸線5cm。

3.3" "施作混凝土導(dǎo)臺(tái)

盾構(gòu)機(jī)穿過(guò)圍護(hù)樁后，盾構(gòu)機(jī)將被混凝土導(dǎo)臺(tái)支撐。導(dǎo)臺(tái)能夠調(diào)整盾構(gòu)出洞軸線偏差，同時(shí)也為盾構(gòu)機(jī)出洞時(shí)提供適當(dāng)反力作用。導(dǎo)臺(tái)包括兩個(gè)混凝土塊，上部將被盾構(gòu)刀盤(pán)切割，下部為盾體支撐。導(dǎo)臺(tái)尺寸為6.04m×6m×1m，上部50cm采用C20混凝土，下部50cm使用C30混凝土。刀盤(pán)破完圍護(hù)樁后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。需要刀盤(pán)完全空推出簾布翻板范圍，再轉(zhuǎn)動(dòng)切割混凝土導(dǎo)臺(tái)，故需在簾布翻板和混凝土導(dǎo)臺(tái)之間預(yù)留空推空間。

3.4" "接收井內(nèi)注水

前面接收準(zhǔn)備工作完成后，向接收井內(nèi)注水。盾構(gòu)穿墻時(shí)停止接收井內(nèi)降水。此時(shí)洞門處地下水位標(biāo)高為+1.0m，接收井內(nèi)注水標(biāo)高為+1.5m，比井外水位高0.5m，可以平衡盾構(gòu)機(jī)破墻進(jìn)入接收井時(shí)井外水土壓力。

注水前在圍護(hù)樁上標(biāo)注注水標(biāo)高，每50cm標(biāo)記一次，標(biāo)注范圍為-1.0～+3.0m。檢查盾構(gòu)進(jìn)入接收井后水位上升及下降情況。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算可知，如果沒(méi)有水流失或者外部水進(jìn)入接收井，整個(gè)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入水下后，水位將上升1m。接收井內(nèi)水深為9.5m，需要注入約9350m3水，采用降水系統(tǒng)進(jìn)行注水。接收井內(nèi)注水水位如圖1所示。

4" "水下盾構(gòu)接收

4.1" "盾構(gòu)掘進(jìn)出洞

4.1.1" "盾構(gòu)到達(dá)接收井

盾構(gòu)到達(dá)圍護(hù)樁前50m，測(cè)量確定盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際位置，確保盾構(gòu)按設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。盾構(gòu)離墻5m時(shí)再次測(cè)量盾構(gòu)機(jī)位置，將軸線誤差控制在±50mm。盾構(gòu)到達(dá)圍護(hù)樁前20m時(shí)，接收井停止降水前進(jìn)行帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查刀具，確保周邊開(kāi)挖刀能夠滿足開(kāi)挖直徑要求。

4.1.2" "刀盤(pán)接觸圍護(hù)樁

圍護(hù)樁直徑為0.8m，接收井設(shè)計(jì)圍護(hù)樁可受盾構(gòu)載荷為9000kN。盾構(gòu)開(kāi)始接觸圍護(hù)樁后，將上土壓由6MPa逐步降低，圍護(hù)樁最后50cm掘進(jìn)時(shí)上土壓為2MPa，控制盾構(gòu)貫入度使推力小于9000kN。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完50cm圍護(hù)樁后，關(guān)閉盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)排閘門不再出渣。

密封螺旋輸送機(jī)，若不能完全密封，提前更換密封系統(tǒng)。若水從螺旋輸送機(jī)漏入，向螺旋輸送機(jī)注入聚氨酯進(jìn)行封堵。刀盤(pán)接觸圍護(hù)樁及穿墻過(guò)程中，對(duì)圍護(hù)樁變形及地表沉降情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.1.3" "刀盤(pán)穿過(guò)圍護(hù)樁

掘進(jìn)最后70cm時(shí)，關(guān)閉螺旋輸送機(jī)不出土，將刀盤(pán)貫入度控制在3mm/r。掘進(jìn)速度嚴(yán)格控制在5mm/min，緩慢磨削圍護(hù)樁，確保混凝土被切碎而不是被推裂，防止大塊混凝土損壞洞門密封裝置。盾構(gòu)穿墻過(guò)程中，可通過(guò)盾體膨潤(rùn)土注入口向盾體周圍注入膨潤(rùn)土，適當(dāng)降低盾構(gòu)出洞推力。同時(shí)這也能及時(shí)填充開(kāi)挖輪廓與盾體之間的間隙，保證洞門密封性。刀盤(pán)穿過(guò)圍護(hù)樁后，開(kāi)挖倉(cāng)里面將會(huì)充滿水，土壓力由接收井內(nèi)水壓形成。

4.1.4" "盾構(gòu)在混凝土導(dǎo)臺(tái)上掘進(jìn)

刀盤(pán)破除圍護(hù)樁后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，空推穿過(guò)橡膠簾布。潛水員再次進(jìn)入水中拉緊洞門鋼環(huán)翻板上鋼絲繩，使橡膠簾布完全包裹盾體。檢查刀盤(pán)離翻板簾布及混凝土托架的距離，以確定刀盤(pán)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，待刀盤(pán)體完全離開(kāi)橡膠簾布翻板即可開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)。隨著盾構(gòu)刀盤(pán)離開(kāi)橡膠簾布翻板，刀盤(pán)切削混凝土導(dǎo)臺(tái)上部素混凝土，盾體落在混凝土導(dǎo)臺(tái)上，慢慢到達(dá)鋼托架。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，同步注漿壓力由每環(huán)20MPa逐步減少至5MPa。

4.1.5" "盾構(gòu)到達(dá)停機(jī)位置

盾構(gòu)在刀盤(pán)上鋼托架前停止轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行空推。管片拼裝過(guò)程中推力始終保持在2500kN。為保證洞門密封狀態(tài)，空推期間潛水員下水檢查盾尾位置，在盾尾末端距圍護(hù)樁20cm處停機(jī)。

4.2" "洞門密封及抽水

4.2.1" "二次注漿密封洞門

注漿完成后，盾構(gòu)停機(jī)等待24h使砂漿達(dá)到足夠強(qiáng)度。使用1：1水泥水玻璃雙液漿，向最后3環(huán)管片所有注漿孔進(jìn)行二次注漿，確保注漿位置穿過(guò)砂漿層。

4.2.2" "檢查洞門密封效果

完成二次注漿后，使用電鉆在圍護(hù)樁范圍管片上鉆φ10mm孔，深度為38cm，伸出管片外3cm，位置為上下左右4個(gè)部位。檢查是否有滲漏水，如果有滲漏水，應(yīng)繼續(xù)通過(guò)管片注漿孔對(duì)最后5環(huán)管片進(jìn)行二次注漿，重新鉆測(cè)水孔檢查滲漏水情況。如此反復(fù)，直至側(cè)水孔無(wú)滲漏水，以確保洞門密封效果后方可進(jìn)入下一工序。

4.2.3" "抽水

檢查洞門密封效果，如果沒(méi)有滲漏水，開(kāi)始抽水降低水位。為了確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否有滲漏，抽水將逐步進(jìn)行，每30min降低1～3m水位。如果發(fā)現(xiàn)滲漏，從洞門環(huán)管片注入聚氨酯，最后兩環(huán)隧道管片進(jìn)行二次注漿。接收井水抽完后，及時(shí)清理盾構(gòu)井。

4.3" "盾構(gòu)推出洞門

盾構(gòu)接收順序?yàn)椋和瓿勺⑺蠼邮斩軜?gòu)，將盾尾尾部20cm留在圍護(hù)樁內(nèi)，停機(jī)開(kāi)始二次注漿封堵第一條隧道洞門。抽水降水位至標(biāo)高+1.5m，其后接收第二臺(tái)盾構(gòu)，二次注漿封堵第二條隧道洞門。經(jīng)檢測(cè)洞門密封效果良好后，抽水降水位，將盾構(gòu)推出接收洞門，完成盾構(gòu)水下接收。采用方木支撐管片與混凝土臺(tái)之間空隙，使用底部管片在鋼托架上將盾體空推向前移動(dòng)，直至盾構(gòu)順利推出洞門。

5" "施工效果分析

沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線南延線土建2標(biāo)全市區(qū)間盾構(gòu)隧道的施工建設(shè)中，通過(guò)對(duì)工程實(shí)際情況具體分析，采用土壓平衡盾構(gòu)純水下接收方法，最終使盾構(gòu)快速、安全地完成接收。應(yīng)用該技術(shù)不僅提高了施工效率，縮短了工期，而且有效控制了地表沉降，達(dá)到了業(yè)主招標(biāo)文件關(guān)于地表沉降≤10mm的要求，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

5.1" "工期分析

對(duì)比分析鋼套筒接收、端頭加固接收和純水下接收3種盾構(gòu)接收工藝所需工期。從接收井內(nèi)準(zhǔn)備工作開(kāi)始到完成盾構(gòu)接收工作，若采用純水下接收施工需耗時(shí)16d，采用鋼套筒接收需要72d，采用端頭加固接收需要16d，加上加固60d，共需要76d。綜合對(duì)比可知，通過(guò)水下接收對(duì)比鋼套筒節(jié)省盾構(gòu)接收工期56d，對(duì)比端頭加固接收節(jié)省了60d，工期占用最短。

5.2" "經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)比分析鋼套筒接收、端頭加固接收和純水下接收3種盾構(gòu)接收工藝所需費(fèi)用。盾構(gòu)純水下接收施工，接收費(fèi)用為174萬(wàn)元。若使用鋼套筒接收，接收費(fèi)用為403萬(wàn)元。若使用端頭加固接收，接收費(fèi)用為716萬(wàn)元。使用純水下接收，對(duì)比鋼套筒接收節(jié)省229萬(wàn)元，對(duì)比端頭加固接收節(jié)省542萬(wàn)元。因此純水下接收經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5.3" "節(jié)能環(huán)保效益

采用純水下接收，避免了端頭加固對(duì)地下水的污染，減少降水工作對(duì)于地下水資源的浪費(fèi)，環(huán)保效果明顯。采用純水下接收避免了水土流失，有效降低了洞口涌水涌砂、地表隆起與沉降變形等帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了盾構(gòu)施工的效率和安全。該技術(shù)優(yōu)化了施工方案和接收順序，通過(guò)往接收井注一次水，先后完成盾構(gòu)接收，避免了資源浪費(fèi)。

6" "結(jié)束語(yǔ)

采用純水下接收方式盾構(gòu)安全順利接收，解決了地下水的不利影響，有效降低了盾構(gòu)接收過(guò)程中引起的地表沉降變形，施工工效大大提高。當(dāng)土壓平衡盾構(gòu)接收地層中含有黏土、粘質(zhì)砂土、細(xì)砂、粉質(zhì)細(xì)砂等復(fù)雜地質(zhì)，且地下水含量豐富、易滲透時(shí)，采用純水下接收技術(shù)施工效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，環(huán)保效果加強(qiáng)，避免了環(huán)境污染，社會(huì)效益顯著，為今后工程施工提供了新的思路。

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