城市大直徑泥水盾構洞內接收施工技術

劉健

【摘要】為了實現大直徑泥水盾構在洞內安全、順利的到達接收；北京鐵路地下直徑線工程在隧道貫通盾構機接收過程中采用了在接收端墻設置砂漿體反力的方法實現盾構機洞內順利接收。在接收過程中通過砂漿體應力實驗、設備層應力檢算以及接收端地層加固、接收端設備層加固、端墻破除、設置砂漿體反力支撐等等幾項施工技術方法的應用，獲得盾構機在接受過程中對周圍地層及地面環(huán)境影響小，洞內無涌水漏漿，刀盤拆除安全高效的良好效果。以此可以得出以砂漿體置換端墻實現盾構接收的方法在城市大直徑泥水盾構工程中是可行的。

【關鍵詞】盾構洞內接收；端墻破除；砂漿體置換

引言

近年來我國城市地下交通建設蓬勃發(fā)展。隨著盾構機施工技術的日趨成熟和盾構機施工機械化程度高、施工速度快、對底層及周邊環(huán)境影響小、人員工作環(huán)境好等優(yōu)點，盾構施工法成為城市地下交通建設的首選工法。但由于受限于城市既有建筑環(huán)境影響，盾構機到達接受端的接受方式受到很大的限制；盾構機很難實現豎井直接接收，而更多的采用旁井接收或洞內接收，這就對接收端施工技術提出了更高的要求。

北京鐵路地下直徑線地處北京市中心城區(qū)，由于本項目不設盾構接收井，盾構接收通過在東端暗挖段洞內設置擴大段，作業(yè)空間小，無法使用大型吊裝設備等諸多困難及施工難題，工程通過系統(tǒng)的思考、分析和論證，深入的研究與實踐，形成了可靠的盾構接收施工技術，對大直徑泥水平衡盾構的洞內接收具有較大的借鑒價值。

1.工程概況

1.1盾構接收端概況

盾構接收端位于前門東大街南側輔路，該位置南側距隧道7.5米位置為前門東大街6號樓，北側為地鐵二號線，另在接收端范圍在有兩條與隧道平行的管線，分別是：橫斷面結構尺寸為2.0*2.0m的電力管線；直徑為Φ1000的上水管線。

本項目不設盾構接收井，設計考慮通過在東段暗挖段與盾構銜接位置對一定區(qū)域內的暗挖段進行擴大，盾構到達后刀盤破除洞門襯砌結構進入暗挖擴大段，然后停機分解刀盤及其它各系統(tǒng)，盾殼棄于洞內，最后直接在盾殼內澆筑鋼筋混凝土實現盾構接收及拆機。

盾構接收的暗挖擴大段已提前施工完成，襯砌內壁里程為DK1+624-DK1+609.15（共14.85米長）。該段暗挖段寬凈寬13米，最大凈高13.85米，為弧形斷面，拱部內壁設計半徑為8.25米。設計該段底部做設備安裝層使用，中間通過中層板將上下進行分隔，支撐柱及中層板施工已完成，其中中層板距盾構接收端墻凈距為1650mm。根據擴大段采用洞樁法施工，其中盾構洞門墻豎向每障隔4米設置有角撐。盾構洞門端頭墻厚1350mm，其中初期支護分兩次施作，厚度為350+150mm，二襯為850mm厚鋼筋混凝土墻。設計停機里程為DK1+623.1，即盾構刀盤離開洞門端頭墻900mm。

根據接收端設計既有建筑，及周邊環(huán)境要求，盾構機無法實現直接切削出洞。故此根據多方專家會議論證，需對原接收端端墻進行破除、置換，以實現盾構機直接切削出洞和方便后續(xù)拆機工作。具體施工方案參見下文。

1.2盾構接收端工程地質及水文地質情況

盾構接收端隧道覆土11.28m，小于1倍盾構直徑，地層主要粉質粘土及砂層為主。根據地質勘察資料，盾構接收端附近區(qū)域地下水以孔隙潛水為主，地下水位埋深22m，位于刀盤底部以上1.3m。此外因刀盤中心區(qū)域存在一層粘土隔水，刀盤中心以上存在局部層間滯水。

根據設計情況，盾構接收豎井施工前進行了降水處理，其降水井深度為28～32m，降水井與隧道結構邊緣凈距為1.5.m，降水井間距6-7m。

1.3施工難點分析

（1）接收端位于前門東大街南側輔路處，且周圍又受前門東大街6號樓和既有管線、地鐵2號線影響，為此對施工造成的地層擾動要求嚴格。

（2）由于盾構洞門墻設計為850mm厚的C35鋼筋混凝土墻，并且二襯結構后尚有兩層合計厚度達500mm厚的初支鋼筋混凝土墻，為此造成難以利用盾構刀盤實現直接切削出洞。

（3）接收暗挖擴大段斷面尺寸大，施工過程采取了洞樁法施作，并沿豎向不同高度設置了橫撐及角撐。而接收由于無法直接利用盾構切削，需提前鑿除洞門墻混凝土，為此難以保證洞門墻鑿除過程中自身的穩(wěn)定。

（4）預留暗挖擴大段凈高僅13.85米，結構至盾構刀盤頂部空間高度僅330mm，難以安裝吊具進行盾構刀盤分解拆除；同時由于擴大段設備層中層板及立柱已施工，盾構機的拆除空間受限較大。

2.施工方案

2.1總體方案思路

結合盾構接收難點分析，為確保盾構安全順利接收，整體方案考慮如下：首先在接收端進行地層加固，加固采取“隔離樁+注漿加固”；隨后接著在接收端墻切除前對闊大段設備層進行加固處理。在端頭加固完成后，自下而上利用水鉆、繩鋸、液壓漲裂機、風鎬等設備工具將端墻分層分塊破除，同步用砂漿對端墻進行置換。根據盾構拆機作業(yè)需要及砂漿體受力檢算，將整個盾構洞門端墻范圍內鋼筋混凝土（含0.5m厚初支及1m厚二襯）全部置換為M5號砂漿，對暗挖擴大段同步進行砂漿回填，回填體頂部寬3.0m，底部寬12.0m。接著盾構直接切削洞門端墻置換后的砂漿體進洞，盾構到達后直接切削砂漿墻到達停機位置后，自上而下分層破除砂漿墻體并同步進行刀盤分解拆機工作。

2.2具體方案

2.2.1接收端加固

圖1 盾構接收端加固平面圖

盾構到達端地層加固采取“隔離樁+注漿加固”進行加固處理具體為隧道北側及南側采用隔離樁對北側既有地鐵、南側居民樓進行隔離保護，隔離樁樁徑1米、間距1.5米的，樁長21米，隔離樁與隧道結構凈距0.5米。隔離樁施工完成后對兩排樁間的土體進行注漿加固，整體注漿加固范圍為15m*15m，加固區(qū)東側6m范圍注漿孔間距按0.8*0.8m梅花形布置，加固區(qū)西側9m范圍注漿孔間距按1.5*1.5m梅花形布置，鉆孔深度25m，地面以下5m不注漿。加固示意圖如圖1、圖2：

圖2 盾構接收端加固橫斷面圖

2.2.2盾構接收端設備層受力檢算

設備層受力檢算基本條件及參數：砂漿體高9m，計算重度20kN/m3，設備層柱高5m，柱中間有橫向支撐，柱間距3m，柱截面配筋圖如圖3。盾構達到時按刀盤頂部泥水預設壓力為1.0bar計算，設備層上砂漿體高9m，設備層與砂漿體接觸面縱向長12m，M5砂漿抗剪強度按規(guī)范取0.12MPa，計算過程取隧道軸線區(qū)域橫向1m。

圖3 設備層立柱配筋截面圖

（一）設備層立柱抗壓強度計算：

單柱承受的壓力：

單柱允許軸線壓力：

結論：

設備層頂面填筑9米高砂漿體，設備層立柱的抗壓承載力滿足強度要求。

（二）設備層立柱抗彎檢算：

立柱群底部承受的總彎矩（未考慮軌道板與邊墻連接產生的影響）：

單個立柱抗彎承載力（柱單側按9根φ20鋼筋計算）：

僅考慮立柱對應高度范圍內的水平推力產生的彎矩：

結論：因未考慮設備層軌道板與二襯剛接影響，盾構水平泥水壓力全部作用在設備層立柱上會則其強度不足，但實際軌道板通過增強抗剪能力處理，大部分水平剪力通過軌道板傳遞至二襯，因此通過詳細計算確定，采取設備層縱向加固措施。具體措施參見下文。

（三）砂漿體抗剪強度計算：

設備層頂面抗剪強度：

設備層頂面需承受泥水壓力引起的水平剪力：

圖5 砂漿體抗剪強度示意圖

結論：由上式得出在僅考慮砂漿自身抗剪強度條件下，砂漿體底部抗剪強度不足，故采取豎向加筋措施從而提高砂漿體抗剪強度以滿足實際需要。

2.2.3設備層立柱加固

根據設備層立柱抗彎檢算結果對設備層立柱采取縱向加固措施。加固采用規(guī)格22cm*22cm的熱軋工字鋼。經力學檢算加固強度滿足要求，具體加固樣式如圖六所示。

圖6 設備層立柱加固平面圖

2.2.4洞門拆除與置換流程

本工程擴大段接收洞門襯砌采用C35鋼筋混凝土，襯砌外側處置分兩層采用鋼格柵+C25噴射混凝土，厚度分別為15cm和35cm，端頭墻總厚度為1350mm。因此盾構接收方案實施的關鍵是如何快速高效拆除端頭墻體及如何保證墻體拆除后背后土體的穩(wěn)定。

考慮整個端頭墻混凝土切除體積較大，及為提高墻體切除過程中端頭附近土體穩(wěn)定性，端墻切除過程自下而上分四個層次，每層次分3個區(qū)域累計12部分進行分塊切除，相應區(qū)域拆除后即使用M5砂漿對端頭墻區(qū)域及擴大段進行回填，端頭墻拆除分塊圖及分塊重量統(tǒng)計表如圖7所示。

圖7 端頭墻拆除分塊圖

具體端頭墻拆除及砂漿回填流程如下：根據現場勘察情況，擬采用“水鉆鉆孔+繩鋸切割”的方式分塊拆除洞門端墻。具體洞門拆除方法如下：

第一步：首先對設備層頂面軌道板進行鑿毛處理，并在軌道板頂面植入短鋼筋，鋼筋長度為10cm，梅花型布置，間距50cm。在東側設備層立柱軌道板及中層夾板對應位置橫向分別架設兩道I22a工字鋼，將設備層立柱連接成為整體，并在工資剛上設置兩層縱向圓形鋼管，鋼管支撐于隧道二次襯砌之上，并為縱向鋼管增設豎向支撐，提高其穩(wěn)定性。利用水鉆對接收端端墻底部進行鉆孔，檢查端墻背后地下水埋藏情況，當地下水較大影響端墻切除工作時，利用接收端附近降水井進行降水處理。

第二步：利用水鉆、繩鋸等進行第一層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割1號區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將1號區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在1號區(qū)域外側砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達到設計強度后，利用M5號砂漿回填，并在砂漿中添加。然后依次進行2號、3號區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴大段灌注與第一層墻體同等高度的砂漿體。砂漿體切除同時在洞門鋼環(huán)外側底部用水鉆鉆出直徑為10cm的預留孔兩個，孔深1.5米，孔內插入注漿鋼管。

第三步：利首先在設備層西側兩排立柱對應位置設置工字鋼立柱，已增強底層砂漿體抗剪強度。然后用水鉆、繩鋸等進行第二層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割4號區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將4號區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在4號區(qū)域外側砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達到設計強度后，利用M5號砂漿回填。然后依次進行5號、6號區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴大段灌注與第二層墻體同等高度的砂漿體。砂漿體切除同時在洞門鋼環(huán)外側水平位置用水鉆鉆出直徑為10cm的預留孔兩個，孔深1.5米，孔內插入注漿鋼管。

第四步：利用水鉆、繩鋸等進行第三層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割7號區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將7號區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在7號區(qū)域外側砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達到設計強度后，利用M5號砂漿回填。然后依次進行8號、9號區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴大段灌注與第三層墻體同等高度的砂漿體。

第五步：利用水鉆、繩鋸等進行第四層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割10號區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將10號區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在10號區(qū)域外側砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達到設計強度后，利用M5號砂漿回填。然后依次進行11號、12號區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴大段灌注與第四層墻體同等高度的砂漿體。砂漿體切除同時在洞門鋼環(huán)外側頂部用水鉆鉆出直徑為10cm的預留孔兩個，孔深1.5米，孔內插入注漿鋼管。

2.2.5洞門端墻混凝土塊體拆除

本工程需切除的洞門端墻面積為119m2，總厚度1350mm，總重量在403t，按照擬定方案共分12個區(qū)域逐一切除，切除最大混凝土塊為35t。端墻混凝土塊體切除后，通過液壓千斤頂、隧道內設置水平及垂直掛點反將大型混凝土塊從墻體內拉出。

水平掛點設置：當擬拆除的分塊洞門端墻完全與洞門端墻脫離后，在其表面鑿出鋼筋作為掛點利用導鏈將分塊洞門端墻混凝土水平拖出，下部的1號、2號、3號區(qū)域切割下的混凝土塊可利用擴大段下部結構的混凝土立柱固定導鏈將其拖出，其他區(qū)域切割下的混凝土塊可預先在擴大段回填的砂漿內埋設型鋼地錨來固定導鏈將其拖出。

垂直掛點設置：拖出的混凝土塊須及時在其頂部鑿出鋼筋作為掛點，鑿除深度要在20cm左右，須選擇初支伸出的φ28錨筋作為混凝土塊起吊的頂部掛點。

頂部吊耳設置：擴大段頂部已經預埋有三條鋼板可在其上焊接吊耳固定導鏈配合鋼絲繩和柔性吊帶來起吊混凝土塊。

考慮到每個區(qū)域的混凝土塊重量達到40以上，為減小起吊難度、降低作業(yè)風險擬在每個區(qū)域混凝土塊拖出70cm左右時固定好頂部起吊設施，然后在其頂部設置繩鋸將每個區(qū)域混凝土塊一分為二使每次起吊的混凝土塊重量減小到21～24t之間。

混凝土塊的運輸：下部的1號、2號、3號區(qū)域切割下的混凝土塊起吊至擴大段下部結構頂板上采用滑軌轉移達到平板車上經直徑線隧道東端運至地面。其他區(qū)域混凝土塊由擴大段填充的砂漿體坡道溜至平板車上經直徑線隧道東端運至地面。

2.2.6分部回填置換

當相應區(qū)域的混凝土塊完全取出并運離施工現場后立即組織對洞門范圍及擴大段相應區(qū)域進行砂漿回填工作。

澆筑方式：砂漿回填采用輸送泵進行灌筑，輸送泵設置在2號井井底，混凝土由2號井安裝的臨時下料管下井，通過輸送管連接至澆筑部位。

模板支設：模板盡量選擇木模板、竹膠板支設，擴大段與2號井橫通道之間的封堵采用37磚墻砌筑作為磚模。1號、2號區(qū)域回填時洞門與擴大段下部結構之間側模板亦采用37磚墻砌筑。

擴大段砂漿體坡道設置：為方便盾構到達后刀盤解體、洞內倒運，擴大段內填充的砂漿體向東按1：1坡度，使得擴大段下部結構之上砂漿體剖面呈直角梯形，梯形上底寬度為1.82m，為最初砂漿體破除提供充足的作業(yè)空間。

考慮到擴大段內砂漿放坡填充高度較高，方量較大，堆積填充難度較大，因此考慮首先隨洞門端墻回填進度先將放坡部分砂漿體填充成臺階狀，“臺階踢腳”位置模板采用37磚墻+1：1磚扶臂的形式，待洞內范圍內砂漿全部回填完畢后再將臺階范圍的三角區(qū)域用砂漿進行填充。

為保證放坡面的穩(wěn)定，在填充放坡面之前須設置鋼筋錨桿，并鋪設鋼筋網片進行加固。

具體做法如圖8所示。

圖8 擴大段放坡砂漿填充示意圖

2.2.7分層破除砂漿體拆除刀盤

待盾殼外堵水措施全部完成后方可進行擴大段內砂漿體破除及刀盤解體工作。自上而下破除刀盤前方砂漿體，露出刀盤同時鑿出人員作業(yè)平臺，一次鑿出高度以方便人員切割作業(yè)為宜。首先拆除刀盤外露部分范圍內的全部刀具，然后將外露的刀盤本體切割成塊沿著砂漿體預留好的坡道溜至平板車上，由平板車經隧道內向東運出地面。

如此自上而下將擴大段內填充的砂漿體全部鑿出干凈，將刀盤全部拆解同時恢復擴大段原貌。

3.結束語

根據北京直徑線盾構順利接收的實踐證明：利用砂漿體反力支撐實現大直徑泥水盾構洞內接收是安全可行的。在貫通掘進施工過程中砂漿體起到了很好的反力穩(wěn)固作用，而且還有效的降低了對周圍地層及地面建筑物的影響，同時也實現了貫通過程中地下水及泥漿的零滲漏。同時在后續(xù)的刀盤拆解工作中，砂漿體起到了安全可靠地作業(yè)平臺和運輸滑道的作用，有效地降低了施工風險、縮短了施工周期。

參考文獻

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