大直徑盾構(gòu)穿越沉箱豎井的施工工藝研究*

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0 引言

近年來，隨著城市地下快速通道的興建，大深度、大斷面的盾構(gòu)隧道的社會需求日趨明顯。例如，已經(jīng)完工的上海外灘隧道工程采用φ14.27 m的土壓平衡盾構(gòu)、上海長江隧道工程采用φ15.43 m的泥水平衡盾構(gòu)、正在建設(shè)中的上海周家嘴路越江隧道以及即將開工建設(shè)的上海北橫通道工程均采用大直徑盾構(gòu)。大直徑盾構(gòu)由于埋深大和洞口面積大，盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)更容易引起涌水涌沙事故，導(dǎo)致大量土體和地下水涌向工作井，地表也因此下沉并危及地下管線和附近的建筑物，對周圍環(huán)境造成破壞。因此，對大直徑盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)的研究是隧道工程建設(shè)必須面臨的新課題[1]。周文波等[2]根據(jù)近年的大直徑泥水盾構(gòu)的施工，對大直徑盾構(gòu)的進(jìn)出洞施工的風(fēng)險(xiǎn)和措施進(jìn)行了分析，提出了加固、凍結(jié)、降水、止水裝置相結(jié)合的進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)控制措施。本文通過分析現(xiàn)有進(jìn)出洞工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了大直徑盾構(gòu)直接過站工藝，可以縮短洞門暴露時(shí)間，減少盾構(gòu)進(jìn)出洞的風(fēng)險(xiǎn)。

1 現(xiàn)有盾構(gòu)進(jìn)出洞工藝及其優(yōu)缺點(diǎn)

大直徑盾構(gòu)進(jìn)出洞面臨的風(fēng)險(xiǎn)有2 個(gè)，其一為土的風(fēng)險(xiǎn)，即防止洞門鑿除后土體坍塌。現(xiàn)常用的做法是將洞門處的土體加固改良，常用的措施有注漿、旋噴、攪拌、素混凝土地下連續(xù)墻、素混凝土圍護(hù)樁、凍結(jié)法、降水固結(jié)等技術(shù)，以提高土體自穩(wěn)能力。其二為水的風(fēng)險(xiǎn)，常用的措施有出洞時(shí)的橡膠簾布止水工藝，進(jìn)洞時(shí)的橡膠簾布、氣囊法以及水中進(jìn)洞工藝等，同時(shí)在盾構(gòu)進(jìn)出洞處設(shè)置降水井加以配合?，F(xiàn)有盾構(gòu)進(jìn)出洞技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 傳統(tǒng)盾構(gòu)進(jìn)出洞技術(shù)措施優(yōu)缺點(diǎn)

雖然現(xiàn)有的盾構(gòu)進(jìn)出洞工藝解決了很多施工難題，但總的來說還存在一些不足。

1）洞口止水能力的形成相對滯后。不管是盾構(gòu)進(jìn)洞還是出洞作業(yè)，洞口止水裝置都是解決盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過洞口時(shí)的止水問題。但是由于人工鑿除門洞操作空間的需要，盾構(gòu)機(jī)處于洞門位置的時(shí)間必須在洞口鑿除之后，與之相對應(yīng)，止水裝置發(fā)揮止水作用的時(shí)段也只能在鑿除門洞工序之后。也就是洞口止水能力的形成與洞口鑿除完成之間存在時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差就是風(fēng)險(xiǎn)相對集中的時(shí)段。

2）過分依賴洞口外地基加固。按照現(xiàn)有人工開門洞的作業(yè)習(xí)慣，洞門外地基加固成為了整個(gè)工序成敗的關(guān)鍵因素，有多項(xiàng)工程因?yàn)榈鼗庸藤|(zhì)量不良而發(fā)生事故。隨著工程各方風(fēng)險(xiǎn)意識的增加，人們對地基加固的依賴與日劇增。比如上海等軟土地區(qū)，洞門外加固寬度習(xí)慣上為3 m（進(jìn)洞作業(yè)）及6 m（出洞作業(yè)），但現(xiàn)在已經(jīng)有一種趨勢，強(qiáng)調(diào)加固寬度必須大于盾構(gòu)機(jī)長度。部分工程甚至在攪拌樁等水泥漿液加固的基礎(chǔ)上采用凍結(jié)法進(jìn)行二次加固。還有部分工程在水中進(jìn)洞作業(yè)中也采取了大寬度的洞門外地基加固。洞門外地基加固在盾構(gòu)進(jìn)出洞作業(yè)中解決了很多問題，但我們有必要認(rèn)真剖析地基加固的必要性及加固量。

3）洞口止水裝置的止水效果有待加強(qiáng)。洞口止水裝置止水能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系到整個(gè)進(jìn)出洞作業(yè)的成功與否?，F(xiàn)有的洞口止水裝置其實(shí)僅有1 種，即有一定變形協(xié)調(diào)能力的橡膠簾布。這一裝置在出洞作業(yè)及圓形洞口時(shí)效果較好，但在進(jìn)洞作業(yè)或洞口為矩形、雙圓形時(shí)效果較差。

盾構(gòu)進(jìn)出洞工藝還與豎井結(jié)構(gòu)的形式密切相關(guān)。豎井結(jié)構(gòu)不同，洞口的封門形式也不同。可作為超深豎井結(jié)構(gòu)形式的有：混凝土地下連續(xù)墻、NOMST地下連續(xù)墻、沉箱?；炷恋叵逻B續(xù)墻工藝成熟，但在大深度開挖的情況下，對環(huán)境影響不可控；而NOMST可切削的地下連續(xù)墻造價(jià)較高；現(xiàn)代化的氣壓沉箱也具有一定的實(shí)踐，對環(huán)境控制較好，適用于大深度開挖。

2 盾構(gòu)穿越沉箱豎井的施工工藝

現(xiàn)代化的氣壓沉箱技術(shù)可以在地面上通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，在無水的地下作業(yè)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)挖排土的無人機(jī)械自動化，不會發(fā)生污水等工業(yè)垃圾，排除的土體也可以作為普通土進(jìn)行處理。當(dāng)氣壓沉箱采用無人化、自動化、信息化和人工呼吸保護(hù)系統(tǒng)等高新技術(shù)后，將使得地下空間的開發(fā)利用可以向大深度、大面積的方向發(fā)展，并且考慮到沉箱結(jié)構(gòu)剛度明顯優(yōu)于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)等，因此新型沉箱工法在復(fù)雜環(huán)境下的地下結(jié)構(gòu)施工中有著明顯的優(yōu)越性。

本文就氣壓沉箱豎井下超深大直徑盾構(gòu)的進(jìn)出洞提出一種設(shè)計(jì)思路。盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)鑒于洞口深度較大且洞口面積較大，沉箱豎井盾構(gòu)洞口位置不建議預(yù)留，而是采取洞口外加固，人工鑿除門洞的做法，通過回填，盾構(gòu)可以通過沉箱豎井直接過站，現(xiàn)將其工藝流程簡述如下。

流程一：沉箱下沉就位后對兩側(cè)洞口外土體加固，可采用工法樁擋土止水、在確保施工質(zhì)量的情況下可以有效減少加固量，在工法樁與沉箱井壁之間采用高壓旋噴樁提高井壁與旋噴樁間的密封性能。待加固完成形成強(qiáng)度后再人工鑿除兩側(cè)門洞，如圖1所示。

流程二：工作井底部回填素混凝土，防止盾構(gòu)穿越豎井時(shí)由于沉井底部回填土過于軟弱導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)磕頭下沉。在工作井內(nèi)灌注一定水頭的水或回填水泥土，在中道支撐或中板處設(shè)置封板，以平衡盾構(gòu)穿越豎井時(shí)的水土壓力，防止因覆土淺導(dǎo)致冒漿，如圖2所示。

圖1 沉箱中間風(fēng)井盾構(gòu)過站流程一

圖2 沉箱中間風(fēng)井盾構(gòu)過站流程二

流程三：拔出加固范圍內(nèi)的型鋼，盾構(gòu)直接過站，洞門處管片與洞圈縫隙間通過預(yù)埋的注漿管進(jìn)行注漿或凍結(jié)封堵，如圖3所示。

圖3 沉箱中間風(fēng)井盾構(gòu)過站流程三

流程四：拆除封板并對工作井清理，拆除豎井范圍內(nèi)的管片，洞門處管片與洞圈縫隙采用鋼板臨時(shí)封堵，如圖4所示。

圖4 沉箱中間風(fēng)井盾構(gòu)過站流程四

3 結(jié)語

采用大直徑盾構(gòu)穿越沉箱豎井的方法，可以避免盾構(gòu)進(jìn)出洞的風(fēng)險(xiǎn)，特別適用于大深度、高水壓下的盾構(gòu)進(jìn)出洞的風(fēng)險(xiǎn)控制，同時(shí)減少了盾構(gòu)的拆卸和組裝步驟，節(jié)省了工期。