富水卵石土地層泥水平衡盾構(gòu)接收技術(shù)分析

劉 磊 魏力峰 蒲 松 陳 爽

（1.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211800；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 四川成都 610031）

1 引言

伴隨城市化進(jìn)程的推進(jìn)，地下空間開發(fā)逐漸受到重視，新建各類市政管道多設(shè)于地下，但同時(shí)也暴露出整體規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理的問題。面對(duì)日益復(fù)雜的地下環(huán)境，為保證隧道下穿區(qū)域城市功能正常運(yùn)作及施工安全，必須嚴(yán)格控制地表不均勻沉降。盾構(gòu)接收技術(shù)問題是盾構(gòu)法隧道施工的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，在復(fù)雜周邊環(huán)境及軟弱富水地質(zhì)條件下［1］，盾構(gòu)安全接收、對(duì)周邊構(gòu)筑物及管線的保護(hù)、地表沉降的控制是施工重難點(diǎn)［2］。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)接收技術(shù)的研究多基于地鐵工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，如孫國(guó)華等［3］以福州地鐵2號(hào)線某區(qū)間隧道接收工程為例，考慮富水砂層地質(zhì)條件下復(fù)合氣墊式泥水盾構(gòu)較土壓平衡盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)差異，分析了鋼套筒接收施工工序、控制要點(diǎn)等，就風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)提出了針對(duì)性的輔助措施；史策輝［4］以南昌地鐵2號(hào)線某區(qū)間為背景，基于盾構(gòu)接收過程中諸多不利因素，對(duì)幾種可行的端部加固方案進(jìn)行了比選，合理擬定了富水砂層地質(zhì)條件下盾構(gòu)接收方案；張海彥［5］以特拉維夫紅線輕軌某標(biāo)段車站盾構(gòu)機(jī)水下接收工程為背景，借助現(xiàn)有土壓平衡盾構(gòu)工作機(jī)理研究，經(jīng)有限元預(yù)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值分析，對(duì)實(shí)施方案的可行性、安全性等進(jìn)行了論證。

本文以新建北京至張家口鐵路某標(biāo)段一區(qū)間盾構(gòu)接收施工為背景，探究泥水平衡盾構(gòu)在復(fù)雜周邊環(huán)境、富水卵石土地層條件下的接收施工工藝，以供近似工況下施工參考。

2 工程概況

2.1 區(qū)間概況

新建北京至張家口鐵路某標(biāo)段地處北京市海淀區(qū)，正線全長(zhǎng)約10.5 km。該標(biāo)段始于北京北站，并行地鐵13號(hào)線東側(cè)敷設(shè)，向北約987 m后進(jìn)入清華園隧道，出地面后向北終于北清河火車站。

清華園隧道總長(zhǎng)6.02 km（含明挖段及 U型槽），盾構(gòu)段共兩區(qū)間。其中，3?！?＃盾構(gòu)區(qū)間由3＃盾構(gòu)豎井始發(fā)，2＃豎井2b接收井接收；2?！?＃盾構(gòu)區(qū)間由2＃豎井2a始發(fā)井始發(fā)，1＃接收井接收。隧道采用大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，盾構(gòu)直徑為12.64 m，管片詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 管片參數(shù)

2.2 工程地質(zhì)條件

清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫及卵石土［6］。根據(jù)隧道斷面地層分布情況可劃分兩段：長(zhǎng)約750 m的全斷面段（粉質(zhì)黏土、粉土地層）和1 200 m左右的非全斷面段（以卵石土地層為主）。相較而言，粉土、粉質(zhì)黏土的自穩(wěn)性較好，而砂類土、卵石土自穩(wěn)能力要差，易出現(xiàn)坍塌等問題。

2.3 工程水文條件

隧址范圍內(nèi)的地下水類型主要為上層滯水和承壓水，多賦存于平原區(qū)第四系砂礫卵石層和山區(qū)及平原隱伏碳巖地層中。其中上層滯水主要靠大氣降水補(bǔ)給，承壓水則以側(cè)向徑流及越流作為主要補(bǔ)給來源，側(cè)向徑流為主要排泄方式。由于北京近郊地下水超采嚴(yán)重，部分區(qū)域地下水位下降，以致相應(yīng)地段局部承壓，甚至已失去承壓性。

2.4 周邊環(huán)境

清華園隧道下穿道路多為城市主路，車流量大，市政管線錯(cuò)綜復(fù)雜，與北四環(huán)某處污水管道凈距僅6.63 m；與多條地鐵線路不同程度并行下穿或交叉穿越，部分線路承擔(dān)較大客流輸送任務(wù)。為保證既有基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)作，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，必須以地表沉降的控制為重點(diǎn)，避免因施工工藝不合理而引發(fā)安全事故。

3 盾構(gòu)接收施工重難點(diǎn)分析

現(xiàn)階段，為解決復(fù)雜周邊環(huán)境及軟弱富水地質(zhì)條件下的盾構(gòu)接收難題所采取的安全措施主要有端頭加固、深井到達(dá)、冷凍等［7－8］，常規(guī)端頭加固方式有旋噴樁加固、深層攪拌樁加固、地面水平（垂直）注漿加固、旋挖素砼樁、冷凍法等［9］。當(dāng)單一措施難以滿足工程需要時(shí)，也可適當(dāng)組合兩種或多種加固方式，以確保盾構(gòu)接收施工安全。

結(jié)合2＃盾構(gòu)井實(shí)際地質(zhì)及場(chǎng)地條件，從盾構(gòu)安全接收、對(duì)周邊構(gòu)筑物及管線的保護(hù)、地表沉降的控制等方面考慮，本工程盾構(gòu)接收施工技術(shù)重難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）2＃接收井2b出洞端基坑底部距離地面約20 m，隧道洞身及基底地層以粉質(zhì)黏土、卵石土為主，此類地層滲透系數(shù)大，場(chǎng)地地下水豐富，以致地層承載能力較差。軟弱富水地質(zhì)條件下的盾構(gòu)接收施工會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)突水、涌水等安全事故［10］，因此應(yīng)切實(shí)開展接收端頭加固、地下水控制各方案適應(yīng)性研究，實(shí)施方案合理與否將直接關(guān)聯(lián)盾構(gòu)接收施工的安全性。

（2）2＃接收井所處區(qū)域地下管線復(fù)雜，施工可能造成的管線變形損壞會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。2b出洞端采用深井到達(dá)，土體施工擾動(dòng)有限，對(duì)污雨水等市政管線影響較小，但仍需加強(qiáng)變形檢測(cè)并合理監(jiān)控接收過程中盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)。

（3）隧道并行地鐵13號(hào)線敷設(shè)，2＃接收井施工影響區(qū)域內(nèi)線路主要以高架方式敷設(shè)，受地表不均勻沉降影響較大，且2b出洞端距橋墩僅31.3 m，盾構(gòu)接收施工過程中的姿態(tài)糾偏、差異掘進(jìn)等引起的土體擾動(dòng)都將增加地鐵13號(hào)線的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

4 盾構(gòu)接收關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾構(gòu)接收施工流程

盾構(gòu)接收總體施工順序如下：

在2＃接收井主體結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)預(yù)埋洞門環(huán)；主體結(jié)構(gòu)施工完成后開展端部加固作業(yè)；盾構(gòu)掘進(jìn)至最后200 m時(shí)進(jìn)行貫通測(cè)量；待姿態(tài)測(cè)量完成后，盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)穿越加固區(qū)至洞門位置停機(jī)，此過程需妥善處理盾尾密封，在盾體中線以上素墻位置的兩環(huán)管片注入聚氨酯、脫離盾尾的5～10環(huán)管片注入雙液漿以止水；此后便可開展接收基座、加固區(qū)降水井施工；待基座澆筑作業(yè)完成后，從接收基座兩側(cè)往下30 cm回填C30混凝土與基座連成整體，基座中間空隙以沙袋填實(shí)。

上述作業(yè)完成后，方可開始洞門破除施工。破除工作完成后，盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)，對(duì)后10環(huán)管片進(jìn)行固定連接，直至盾尾脫離洞門環(huán)，焊接密封鋼板并以二次注漿實(shí)現(xiàn)洞門最終密封，此后主要進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)拆解。接收施工流程見圖1。

圖1 盾構(gòu)接收流程

4.2 洞門端頭加固措施

根據(jù)2＃盾構(gòu)井2b出洞端實(shí)際地質(zhì)及周邊環(huán)境等，結(jié)合本工程設(shè)計(jì)圖紙，確定對(duì)端頭地層進(jìn)行加固，采用φ600 mm高壓旋噴樁加固方案，長(zhǎng)度自圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣，沿掘進(jìn)方向16.2 m，縱向加固為洞身向外5 m，橫向尺寸為區(qū)間隧道輪廓外擴(kuò)2.9 m。加固體外采用C25素混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行封閉，素墻深入地層41.3 m，厚0.8 m，墻底置于卵石層中。端頭旋噴樁加固示意見圖2。

圖2 接收井端頭加固示意

4.3 盾構(gòu)機(jī)到位姿態(tài)測(cè)量

盾構(gòu)推進(jìn)至到達(dá)停機(jī)位置后，以盾構(gòu)隧道的測(cè)量控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，精準(zhǔn)測(cè)定盾構(gòu)機(jī)所處位置，明確隧道實(shí)際中心軸線與設(shè)計(jì)中心軸線之間偏差數(shù)值；對(duì)盾構(gòu)接收井的洞門進(jìn)行復(fù)測(cè)，確定盾構(gòu)機(jī)的貫通姿態(tài)，制定掘進(jìn)糾偏方案［11］。

考慮接收精度、場(chǎng)地條件等，在隧道設(shè)計(jì)中心軸線的基礎(chǔ)上合理規(guī)劃調(diào)整方案，現(xiàn)場(chǎng)糾偏需分多次到位。本工程計(jì)劃在盾構(gòu)推進(jìn)至最后200 m處時(shí)進(jìn)行貫通前控制測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 測(cè)量結(jié)果

洞門鋼環(huán)與盾構(gòu)機(jī)刀盤單邊差距為265 mm，結(jié)合偏差測(cè)定結(jié)果，可保證盾構(gòu)機(jī)順利出洞，無需作出調(diào)整。

4.4 洞門端頭加固措施

盾構(gòu)接收原擬用水下接收方案，后根據(jù)場(chǎng)地環(huán)境，調(diào)整為干接收方案，接收基座按照始發(fā)基座配筋，對(duì)已施作砂漿基座進(jìn)行破除，破除后剩余基座頂部距底板750 mm，即洞門內(nèi)置鋼環(huán)以下650 mm，破除完成后對(duì)剩余基座表面做植筋處理，使用φ22鋼筋，間距1.5 m×1.5 m分布，并分別預(yù)埋250 mm×250 mm H型鋼做導(dǎo)軌基礎(chǔ)與600 mm×600 mm鋼板做型鋼連接基礎(chǔ)；兩側(cè)平臺(tái)預(yù)埋300 mm×300 mm工字鋼為盾構(gòu)機(jī)推出洞門后空拼管片提供反力，隨后澆筑弧形基座?；鶎?dǎo)軌使用80 mm×80 mm方鋼，焊接在導(dǎo)軌基礎(chǔ)上。接收基座與洞門圈之間安裝兩根型鋼支撐的導(dǎo)軌，方位同基座導(dǎo)軌一致，具體設(shè)計(jì)見圖3，現(xiàn)場(chǎng)已完成澆筑基座見圖4。

圖3 接收托架示意

圖4 接收托架現(xiàn)場(chǎng)

4.5 降水井施工

盾構(gòu)機(jī)出洞前進(jìn)階段需保證接收井內(nèi)無大量涌水、涌沙，本工程采取提前降低液位的方式，以保證加固區(qū)內(nèi)地下水液位在盾構(gòu)機(jī)以下。根據(jù)接收井加固區(qū)的地下水分布情況，于西南、西北角布置2口降水井，實(shí)際位置見圖5。降水井深入盾構(gòu)機(jī)底4 m左右，即井深35.35 m，井底置于黏土隔水層上方，采用φ300鋼花管。降水井施作完成后，開展洗井作業(yè)。經(jīng)探測(cè)，井內(nèi)實(shí)際留有2～3 m積水，僅利用7.5 kW水泵進(jìn)行降水，無法將水抽至地面。

圖5 降水井位置示意

打開盾體周圈注漿球閥觀察，觀察結(jié)果見表3，結(jié)合洞門水平探孔可知加固區(qū)內(nèi)水位低、水量小。

表3 盾體周圈注漿球閥檢查結(jié)果

4.6 洞門破除

為保證施工安全，端墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)破除前，需檢測(cè)旋噴樁對(duì)端頭土體加固效果，本工程采用地面抽芯檢測(cè)、水平探孔這兩種檢測(cè)方式?，F(xiàn)場(chǎng)取芯（見圖6）后，確認(rèn)端頭加固旋噴樁連續(xù)性良好，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)最終的檢測(cè)報(bào)告可確認(rèn)其強(qiáng)度滿足要求。

圖6 加固區(qū)取芯

水平探孔位置取洞門環(huán)最底端往上0.5 m、1.0 m、2.2 m 處，檢測(cè)結(jié)果見表 4。

表4 水平探孔檢測(cè)結(jié)果

確認(rèn)加固體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa、滲透系數(shù)不大于10－6cm/s，便可開展洞門破除作業(yè)。洞門需逐步破除，先是破除外側(cè)鋼筋混凝土并切割外側(cè)鋼筋，緊接著利用兩臺(tái)挖掘機(jī)液壓錘再次破除混凝土面，以加快洞門破除速度，鋼筋內(nèi)側(cè)保護(hù)層采用人工方式破除。破除完成后清理場(chǎng)內(nèi)混凝土碴料并吊運(yùn)出基坑。整個(gè)破除過程中需嚴(yán)格控制墻體位移，以防水土流失，當(dāng)洞門圈內(nèi)墻土體出現(xiàn)較大變形或滲漏水現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止作業(yè)［12］，對(duì)問題部位采取相應(yīng)措施，如注漿封堵處理滲漏水等。待異常情況解決后，方可繼續(xù)破除。

洞門破除完畢后，在洞門底部固定安裝兩根方鋼引軌，一頭與洞門圈外的引軌固定連接，一頭楔形插入盾構(gòu)機(jī)刀盤底部，以保證盾構(gòu)機(jī)出洞能順著引軌走向接收基座。

4.7 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)

4.7.1 參數(shù)控制措施

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，需根據(jù)接收?qǐng)龅貙?shí)際情況，擬定合理的泥水壓力。待盾構(gòu)推進(jìn)至降水影響區(qū)域內(nèi)后，再就實(shí)際測(cè)定地下水位相應(yīng)調(diào)整。泥水壓力等參數(shù)設(shè)定是否合理將直接影響盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量，且關(guān)乎盾構(gòu)施工軸線偏差、地層變形等的控制。掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置見表5。

表5 接收端掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

4.7.2 最后10環(huán)推進(jìn)

剩余距離推進(jìn)控制每進(jìn)尺2 000 mm、注漿量23 m3左右，注漿量需根據(jù)實(shí)際注漿壓力進(jìn)行調(diào)整，洞門漏漿較多時(shí)考慮二次注漿。每環(huán)管片拼裝完后，二次注漿孔安裝注漿閥，縱向用100 mm槽鋼打孔連接相鄰管片，左右各三道（見圖7），防止管片拖出盾尾后，出現(xiàn)松動(dòng)、變形等情況。刀盤推出洞門時(shí)注意觀察井口漏漿情況，嚴(yán)重時(shí)可先停止推進(jìn)，加強(qiáng)同步注漿。盾尾止?jié){板脫離管片距離達(dá)400 mm時(shí)，滿足刀盤分割吊裝條件，進(jìn)行洞門封堵，接收環(huán)管片外側(cè)預(yù)埋鋼板借助弧形鋼板與洞門圈焊接密封，再通過洞門環(huán)預(yù)埋注漿口完成二次注漿，到此洞門密封作業(yè)基本完成。在刀盤分解拆除后，盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)200 mm至最終停機(jī)位置，滿足盾尾分割吊裝條件，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)拆解。

圖7 二次注漿閥位置

5 工法分析

5.1 應(yīng)用效果

應(yīng)用此工法進(jìn)行復(fù)雜周邊環(huán)境、富水卵石土地層條件下的盾構(gòu)接收施工，可在保證施工影響區(qū)域內(nèi)城市基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)作的前提下，實(shí)現(xiàn)隧道的順利貫通，且各施工工序組織緊湊合理，各階段成效顯著。該工法妥善處理了復(fù)雜環(huán)境、軟弱富水地質(zhì)條件下的盾構(gòu)接收難題，兼顧安全性及經(jīng)濟(jì)性，滿足城市遠(yuǎn)期發(fā)展要求，具備良好的社會(huì)效益，對(duì)近似工況下盾構(gòu)接收施工有一定的參考價(jià)值。

5.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

就本工程盾構(gòu)接收施工過程中各施工工序施作成效，對(duì)此工法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

優(yōu)點(diǎn)：各階段施工安全可靠性較高；無明顯的地區(qū)差異，適用性良好；材料選用、廢料處理充分考慮環(huán)境友好；與原有基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)性良好，對(duì)其產(chǎn)生影響較小。

缺點(diǎn)：采取降水處理會(huì)對(duì)一定范圍內(nèi)的地質(zhì)條件產(chǎn)生影響；由于場(chǎng)地受限，接收過程中測(cè)量難度較大，測(cè)量精度要求較高。

6 結(jié)束語

就新建北京至張家口鐵路某標(biāo)段一區(qū)間盾構(gòu)接收關(guān)鍵施工工藝作簡(jiǎn)要闡述，技術(shù)要點(diǎn)在于綜合考慮接收?qǐng)龅貙?shí)際條件，合理選用單一或組合式的端部加固方式；提前降低液面以改善盾構(gòu)接收作業(yè)環(huán)境；洞門破除及最后距離掘進(jìn)需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，采取有效措施應(yīng)對(duì)姿態(tài)偏差、洞門漏漿等問題，以控制接收端土體位移，從而在保證盾構(gòu)安全接收的前提下，減小對(duì)周邊構(gòu)筑物及管線的影響。