富水砂層高承壓水頭土壓平衡盾構(gòu)機(jī)水下接收技術(shù)

劉 民

中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司 北京 100040

1 工程概況

廣州市軌道交通十八和二十二號線項(xiàng)目三分部位于橫瀝站至番禺廣場站間，HP2 中間風(fēng)井～HP3 盾構(gòu)井區(qū)間，左線長2503.346m，右線長2819.278m。盾構(gòu)機(jī)從HP2 中間風(fēng)井始發(fā)，在HP3 盾構(gòu)井到達(dá)并吊出。區(qū)間左右線均采用ZTE8800 型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，隧道采用鋼筋混凝土單層襯砌，通用楔形環(huán)管片，管片內(nèi)徑7.7m，外徑8.5m。HP3 盾構(gòu)井盾構(gòu)接收端位于南沙大道南側(cè)路旁，隧道埋深約31m，地下水位約1～2m，隧道主要為<3- 2> 中砂、<3- 3> 圓礫和<7- 2> 強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖地層。

2 接收方式選擇

2.1 選擇水下接收原因

HP3 接收井附近洞身穿越地層為中粗砂，上部為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，透水性強(qiáng)、自穩(wěn)性差，且基坑埋深41m，地下水位1～2m，屬于高承壓水頭，接收時(shí)端頭有涌水涌沙風(fēng)險(xiǎn)。水下接收工法可以應(yīng)用在壓力高、地基局限性不足的環(huán)境條件下，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)接收施工保護(hù)。

2.2 工法特點(diǎn)

（1）水下接收方式可以實(shí)現(xiàn)接收井內(nèi)外水土壓力平衡性的要求，有效規(guī)避盾構(gòu)接收時(shí)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，提高工程安全性與穩(wěn)定性。

（2）在盾構(gòu)接收地基加固環(huán)節(jié)，盾構(gòu)掘進(jìn)至與接收井井壁達(dá)到規(guī)定距離的條件下，停止掘進(jìn)施工，保證洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)外加固土體無任何滲漏問題后，才能夠使用盾構(gòu)機(jī)接收，保證安全性合格。

（3）接收井中灌水到達(dá)地下水位的標(biāo)高部位，可以讓內(nèi)外結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)。盾構(gòu)水接收時(shí)，可以避免出現(xiàn)井外水土流失問題，防止盾構(gòu)接收滲漏情況發(fā)生，保證建設(shè)完成的隧道運(yùn)行安全。

2.3 工藝原理

盾構(gòu)接收前的準(zhǔn)備工作包括洞門測量、隧道軸線擬合、場地布置、混凝土基座的制作等。在掘進(jìn)到洞門周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，使結(jié)構(gòu)加固土體符合要求，再填砂到地下水位標(biāo)高部位讓井內(nèi)外的水土實(shí)現(xiàn)平衡，進(jìn)行后續(xù)接收準(zhǔn)備工作。

3 施工工藝及操作要點(diǎn)

3.1 水下接收總體施工工藝順序

接收井端頭土體加固和鋼筋混凝土接收基座的施工；洞門延長鋼環(huán)安裝、密封鋼板束及鋼板刷安裝和貫通測量；盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固土體后進(jìn)行刀具檢查和盾尾止水環(huán)施工；向工作井內(nèi)填砂灌水，灌水至現(xiàn)狀地下水位高度；盾構(gòu)機(jī)破碎洞門地連墻，逐步進(jìn)入接收盾構(gòu)井；抽掉盾構(gòu)井內(nèi)泥水，在洞門周邊空間使用密封注漿方式加固處理，并且根據(jù)工藝要求拆解盾構(gòu)機(jī)。

3.2 水下接收操作要點(diǎn)

3.2.1 接收準(zhǔn)備工作

材料準(zhǔn)備：保證現(xiàn)場使用的材料、器具完善，達(dá)到該環(huán)節(jié)施工需要，管片、連接件等材料準(zhǔn)備充足，不存在停工待料的情況。準(zhǔn)備足夠施工材料，接收后及時(shí)進(jìn)行封閉注漿施工。

測量工作：再次檢查盾構(gòu)施工位置的精度，保證盾構(gòu)姿態(tài)、里程符合要求，洞門偏差處于合理范圍內(nèi)，對于擬定的施工軸線、坡度等進(jìn)行復(fù)測，保證盾構(gòu)機(jī)安裝到基座部位上。

3.2.2 端頭加固

接收井端頭加固： 按設(shè)計(jì)要求， 采用Φ850@600mm 三軸攪拌樁加固，貼近盾構(gòu)井連續(xù)墻一側(cè)設(shè)置一排Φ800@600mm 三管旋噴樁咬合止水的綜合加固措施。加固尺寸：長12m、寬14.5m、深41m。滿足施工要求。

3.2.3 降水井施工觀察水位

降水井的作用是觀察地下水位。在地基加固區(qū)外設(shè)置降水井時(shí)，需要根據(jù)水文、地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)算，使其滿足各施工階段的要求，降水井深度為12～15m。盾構(gòu)接收期間需要隨時(shí)觀察地下水位。

3.2.4 盾構(gòu)接收導(dǎo)臺施工

本區(qū)間接收端處于1600m 的圓曲線中，隧道線路中心偏移值為280mm。盾構(gòu)接收采用割線接收，否則會(huì)使盾體卡住洞門造成出洞困難，甚至不能出洞。

3.2.5 洞門密封安裝

洞門密封裝置安裝主要包含1 道延長鋼環(huán)、1 道盾尾刷和1 道鋼板束。延長鋼環(huán)和洞門預(yù)埋鋼環(huán)應(yīng)使用螺栓連接，通過焊接方式封閉。盾尾刷與洞門具有10cm 的距離，通過焊接方式和延長鋼環(huán)連接，彈簧鋼板層層交疊的方式和延長鋼環(huán)連接，使用壓板固定。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入到洞門鋼環(huán)后，鋼板束需要直接包裹盾體結(jié)構(gòu)，阻隔地層內(nèi)水土與洞門封堵漿液進(jìn)入到接收井內(nèi)。

洞門密封裝置的作用如下：避免盾構(gòu)機(jī)出洞時(shí)發(fā)生涌水、涌砂的問題；盾構(gòu)機(jī)出洞洞門封閉前，需要進(jìn)行壓力阻擋，確保封堵質(zhì)量合格，盾構(gòu)機(jī)出洞達(dá)到安全性、穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.6 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整

盾構(gòu)到達(dá)前需要進(jìn)行洞內(nèi)檢測，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性復(fù)測，做好各個(gè)控制點(diǎn)的精密度、準(zhǔn)確性。同時(shí)，還要進(jìn)行洞門中心部位偏差、洞門全圓半徑的控制，必要時(shí)根據(jù)測量結(jié)果做出調(diào)整，保證盾構(gòu)機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)線路要求從到達(dá)接收井基座開始控制。

3.2.7 井內(nèi)水土回填

為減少盾構(gòu)出洞時(shí)的涌砂、涌水現(xiàn)象。盾構(gòu)井內(nèi)需要填砂至洞門中心高度，自延伸鋼環(huán)的外邊按照30°放坡；灌水到地下水位標(biāo)高，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外水壓平衡。

（1）在接收條件驗(yàn)收通過，盾構(gòu)井內(nèi)密封裝置及混凝土導(dǎo)臺等準(zhǔn)備工作完成后，盾構(gòu)機(jī)刀盤位于加固區(qū)內(nèi)，開始接收井水土回填。

（2）水下法接收采取動(dòng)態(tài)平衡接收法，可以在灌水后及時(shí)通過水位觀察孔量測復(fù)核端頭地下水位，確定接收井內(nèi)外壓力是否平衡。

（3）當(dāng)水灌至地下水位齊平時(shí)，應(yīng)該測量水壓是否滿足接收要求，接收過程中，盾構(gòu)機(jī)及時(shí)按水壓做適當(dāng)調(diào)整。

（4）回填灌水結(jié)束后，應(yīng)在端頭蓄水池中蓄滿水，以防井內(nèi)壓力低于水土壓力，及時(shí)抽排回灌。

3.2.8 盾構(gòu)到達(dá)掘進(jìn)參數(shù)的控制

（1）達(dá)到段掘進(jìn)：盾構(gòu)到達(dá)接收部位時(shí)，結(jié)合地質(zhì)狀態(tài)、覆土厚度、降水壓力等基礎(chǔ)，確定水土壓力，保證掘進(jìn)參數(shù)符合要求，且結(jié)合地表沉陷數(shù)據(jù)做好上部壓力調(diào)節(jié)，滿足工程施工需要。盾構(gòu)機(jī)接收部位的掘進(jìn)速度均勻、穩(wěn)定，不會(huì)給土體造成過大地?cái)_動(dòng)和影響，保證盾構(gòu)隧道軸線精度合格。同步注漿量與注漿壓力需要結(jié)合推進(jìn)速度、出渣量進(jìn)行控制，避免盾尾漏漿。

（2）加固區(qū)掘進(jìn)：加固土體強(qiáng)度高，加固掘進(jìn)時(shí)速度在20mm/ min 以內(nèi)，土壓按照監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡查結(jié)論進(jìn)行調(diào)整，保證符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在加固土體掘進(jìn)施工時(shí)，隨時(shí)進(jìn)行接收井觀察，加強(qiáng)沉降監(jiān)測控制，保證土壓力合格，回填注漿飽滿度合格，且推力相對較小。最后10 環(huán)管片拼裝的質(zhì)量合格，每一環(huán)進(jìn)行3 次復(fù)緊處理。每3 環(huán)設(shè)置止水環(huán)，便于切斷后方來水，從而確?？s短漿液凝固時(shí)間，注入過程中應(yīng)嚴(yán)控注漿壓力，注漿壓力為0.3～0.5MPa。確保盾尾下部空隙的封堵密實(shí)，避免隧道底部出現(xiàn)滲漏水。

（3）工作井內(nèi)推進(jìn)：盾構(gòu)機(jī)刀盤突破連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)入接收井時(shí)，可以推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)刀盤到洞門鋼環(huán)位置上，停止轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，關(guān)閉螺旋機(jī)閘門。需要確保土倉壓力與水壓相同，且注漿量均勻。拼裝環(huán)節(jié)，油缸伸縮速度降低，防止拼裝過程中發(fā)生設(shè)備移動(dòng)、千斤頂松動(dòng)等問題，管片密封性必須合格，防止?jié)B漏問題發(fā)生。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)至盾尾與延伸鋼環(huán)搭接40～50 cm 時(shí)停止前進(jìn)，并開始洞門封堵注漿。

3.2.9 螺旋機(jī)止水措施

盾構(gòu)井內(nèi)水壓力較高，易從螺旋機(jī)涌出，應(yīng)采取收回螺旋機(jī)，關(guān)閉螺旋機(jī)前、后閘門；在螺旋機(jī)內(nèi)注入高濃度的膨潤土止水或聚氨酯、厚漿等措施。

3.2.10 止水環(huán)施做

為了及時(shí)切斷后續(xù)來水，需要制作止水環(huán)，采取二次注漿方式。二次注漿根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)要求確定，壓力為0.3～0.4MPa，應(yīng)使用雙液補(bǔ)充注漿方式，通過多孔、多次循環(huán)方法進(jìn)行，探究管片和后部結(jié)構(gòu)間隙密封性合格，對后方來水的進(jìn)行影響。

3.2.11 盾構(gòu)一次接收

盾構(gòu)機(jī)第1 次出洞時(shí)，盾尾留40～50cm 在洞門密封里，洞門部位需要預(yù)埋鋼環(huán)相應(yīng)的管片，保證注漿孔上雙液漿從下到上進(jìn)行封閉處理，洞門上方12 點(diǎn)處設(shè)置一排氣閥，直到漿液從閥流出時(shí)關(guān)閉。盾構(gòu)盾體進(jìn)入洞圈后，通過雙液漿把洞門封閉，保證預(yù)埋鋼環(huán)全部填充好漿液，確保整體洞門密封性合格。

3.2.12 洞門注漿封堵

盾構(gòu)接收時(shí)，盾殼與洞圈之間存在約15cm 間隙，可能成為滲漏通道。注漿封堵間隙是確保盾構(gòu)接收后洞門密封效果的有效措施，為之后井內(nèi)水土排除提供有利條件。利用隧道內(nèi)增加的注漿孔向隧道外注漿，待注漿達(dá)到預(yù)期效果后在接收井內(nèi)抽出部分水，觀察水位變化。洞門封堵注漿以不形成水流為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.13 井內(nèi)排土排水

（1）二次注漿封堵完成后，若無漏水現(xiàn)象，開始抽排井內(nèi)積水。

（2）清理接收井內(nèi)泥沙。

（3）時(shí)刻觀測洞門位置處是否具有涌水涌砂的情況，若存在涌水涌砂應(yīng)立即停止抽水或清泥工作，重新進(jìn)行洞門封堵。

3.2.14 盾構(gòu)二次接收

確認(rèn)洞圈無滲漏，盾構(gòu)盡快推上導(dǎo)臺，縮短盾構(gòu)二次接收時(shí)間。將密封裝置拆除一部分，在背覆鋼板管片與預(yù)埋鋼環(huán)之間焊接鋼板，封堵管片與預(yù)埋鋼環(huán)之間的間隙。

4 到達(dá)測量監(jiān)測

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工階段，每日對盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，采取人工測量方法反饋給管理者、監(jiān)理工程師審查。地面監(jiān)測一般為全天候兩班輪流工作，結(jié)果及時(shí)送報(bào)監(jiān)理。地表設(shè)置觀測點(diǎn)，不間斷進(jìn)行地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測，一旦有任何危險(xiǎn)征兆，及時(shí)采取措施處理。

5 結(jié)語

通過對水下接收施工難點(diǎn)的調(diào)查、分析和實(shí)踐，可以保證盾構(gòu)機(jī)安全順利接收。為今后土壓平衡盾構(gòu)機(jī)水下接收提供參考。