黏土地層盾構(gòu)始發(fā)洞門安全破除技術(shù)

吳發(fā)展，黎 忠

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

盾構(gòu)隧道屬地下工程，為保證盾構(gòu)施工的安全順利，須建始發(fā)井，始發(fā)井端頭地層自穩(wěn)能力差時，須對端頭土體加固，盾構(gòu)始發(fā)前鑿除洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土。盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)用于盾構(gòu)法建造的隧道工程。盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)難度大，是盾構(gòu)隧道工程的主要風(fēng)險點(diǎn)，對后續(xù)工序有重要影響。始發(fā)技術(shù)包括洞口端頭加固、洞門混凝土鑿除、盾構(gòu)始發(fā)基座的設(shè)計加工和定位安裝以及反力架的設(shè)計加工、洞門環(huán)的安設(shè)、盾構(gòu)組裝等，直到始發(fā)推進(jìn)，始發(fā)洞門端頭加固和洞門破除是盾構(gòu)始發(fā)的關(guān)鍵因素，關(guān)系到施工安全，應(yīng)根據(jù)始發(fā)端地質(zhì)情況和工程的實(shí)施條件，本著降低施工風(fēng)險的原則，制定可靠的技術(shù)措施。

目前，諸多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，游永鋒等[1]為解決超大直徑盾構(gòu)隧道超淺覆土始發(fā)，結(jié)合始發(fā)端地質(zhì)和端頭加固情況，將始發(fā)端洞門分層分塊破除，降低施工風(fēng)險。為保證盾構(gòu)機(jī)在中等膨脹性下蜀黏土層安全順利始發(fā)，孔玉清[2]對始發(fā)井端頭采用Ф1 000 mm旋噴進(jìn)行地基加固，洞門圈內(nèi)連續(xù)墻分3次進(jìn)行鑿除。張巍[3]為保持盾構(gòu)在軟土地層始發(fā)期間的土體穩(wěn)定性，采取端頭凍結(jié)法加固土體。曹穎[4]采用三重管高壓旋噴樁和人工凍結(jié)組合工法，可有效確保盾構(gòu)始發(fā)段在粉質(zhì)黏土為主的地層中破除圍護(hù)結(jié)構(gòu)時的安全性。劉俊杰等[5]考慮洞門破除及盾構(gòu)動態(tài)掘進(jìn)的影響，分析盾構(gòu)始發(fā)合理的端頭加固范圍，有效降低了加固費(fèi)用。

筆者結(jié)合現(xiàn)有的盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)，以某軌道交通4號線工程為例，探討一種在黏土地層盾構(gòu)始發(fā)洞門范圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后施作素混凝土地下連續(xù)墻加固以保證始發(fā)洞門安全破除的技術(shù)方法。

1 工程概況

某軌道交通4號線賽馬場西站—賽馬場南站區(qū)間全長1 147.182 m，洞門埋深18.5 m，洞門范圍內(nèi)地質(zhì)情況有：〈6-4〉泥炭質(zhì)土，深灰、灰黑色，軟塑大可塑，II級普通土；〈6-5-1〉粉土，灰、深灰、要灰藍(lán)色，中密，很濕，I級松土。洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)為0.8 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，洞門直徑為6.4 m。端頭設(shè)計加固方案：賽馬場西站—賽馬場南站盾構(gòu)區(qū)間端頭加固采用Ф900 mm@650 mm×650 mm高壓旋噴樁，旋噴樁實(shí)噴長度>12.2 m，插入盾構(gòu)底部設(shè)計深度>3 m。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

黏土地層洞門端頭用高壓旋噴樁加固，做好方案的編制和審核，取芯檢測加固質(zhì)量，驗證加固效果達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求。破除洞門前在洞門范圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后施作素混凝土地下連續(xù)墻(見圖1)，地下連續(xù)墻的兩端均由洞門的邊側(cè)向外延伸1 m，使地下連續(xù)墻與土體的接觸面積能夠牢固地固定洞門的端頭。素混凝土地下連續(xù)墻施工方便快速；采用較低強(qiáng)度素混凝土，造價較少；素混凝土地下連續(xù)墻將洞門土體隔離到墻后，無洞門坍塌風(fēng)險。

破除洞門時利用素混凝土地下連續(xù)墻的保護(hù)作用，有效預(yù)防黏土地層的盾構(gòu)洞門旋噴加固不到位或者加固效果不佳，實(shí)現(xiàn)安全破除洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使盾構(gòu)在素混凝土地下連續(xù)墻中掘進(jìn)，有利于盾構(gòu)始發(fā)安全。

圖1 素混凝土地下連續(xù)墻加固剖面

2.1 導(dǎo)墻施工

地下連續(xù)墻施工前，在其兩側(cè)施工導(dǎo)墻，保證連續(xù)墻的幾何尺寸和形狀。導(dǎo)墻起到地下連續(xù)墻施工導(dǎo)向作用，引導(dǎo)和限定地下連續(xù)墻的走向及位置，使其能夠按照預(yù)定走向布置。導(dǎo)墻高度以開挖至原土面為準(zhǔn)，容蓄部分泥漿，保證泥漿穩(wěn)定液位；承受水土壓力和施工機(jī)械作業(yè)時的附加荷載，維護(hù)地下連續(xù)墻上部土體穩(wěn)定。

施工現(xiàn)場設(shè)立測量控制點(diǎn)，根據(jù)導(dǎo)墻施工范圍測量放樣，引測導(dǎo)墻軸線，定出導(dǎo)墻挖土位置，為防止損壞既有地下管線，先人工開挖探溝，確信無地下管線時再機(jī)械開挖和人工修整。導(dǎo)墻開挖完成后，測量投放導(dǎo)墻綁扎鋼筋位置，注意安裝墊塊滿足對鋼筋保護(hù)層的要求。導(dǎo)墻C25混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%后方可拆模。拆模后立即在內(nèi)墻上分層支撐8 cm×8 cm木枋3道，防止導(dǎo)墻向內(nèi)擠壓，方木水平間距2 m，上下間距為0.8 m，梅花形布置(見圖2)。

圖2 素混凝土地下連續(xù)墻導(dǎo)墻施工(單位：mm)

2.2 泥漿制備

地下連續(xù)墻成槽過程中使用膨潤土泥漿進(jìn)行護(hù)壁，泥漿應(yīng)有合適的流動性、適當(dāng)?shù)拿芏群臀锢砘瘜W(xué)穩(wěn)定性、良好的泥皮形成能力，在槽壁表面形成泥皮，防止地下水滲入，使槽壁保持穩(wěn)定不坍塌[6]。

泥漿質(zhì)量影響到成槽的質(zhì)量與安全，每次新配置泥漿投入使用前須對泥漿進(jìn)行檢測，進(jìn)行室內(nèi)性能試驗，嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量，控制好泥漿的比重、失水量和pH值等，保障其流動性和穩(wěn)定性，初始泥漿配合比見表1。

表1 新配制泥漿配合比及性能指標(biāo)

2.3 槽段開挖

地下連續(xù)墻厚度為0.8 m，深度21 m，槽段寬度為每個洞門兩側(cè)各搭接1 m，深度為地面至洞門底部以下3 m。根據(jù)始發(fā)洞門位置槽段劃分用紅色油漆標(biāo)識在導(dǎo)墻頂面，以便進(jìn)行挖槽定位控制。采用金泰SG46成槽機(jī)配備垂直度顯示儀表和自動糾偏裝置，根據(jù)每個槽段的寬度尺寸，確定開挖序數(shù)和次序，三抓成槽，先抓兩側(cè)土體，后抓中心土體，使用抓斗挖槽時確保抓斗在土中受力均衡，保證槽孔垂直。每進(jìn)尺4 m左右檢查一次成孔垂直度，成槽機(jī)必須輕提慢放，嚴(yán)格控制成槽速度，確保成槽垂直精度。成槽過程中利用成槽機(jī)的顯示儀進(jìn)行垂直度跟蹤觀測，做到隨挖隨糾，保證成槽后槽壁垂直度≤2‰。成槽完成后，采用超聲波檢測儀對槽壁質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測位置不少于2處。對于偏孔的情況，及時進(jìn)行處理。

2.4 清槽與驗槽

檢查槽位、槽深、槽寬、槽壁垂直度及巖樣，合格后方可進(jìn)行清槽工作。使用挖槽液壓抓斗直接挖除槽底余土及沉渣，再用泵吸取孔底沉渣。

槽段完成后對槽段深度和垂直度進(jìn)行檢測，用帶有重錘的測繩實(shí)測槽段左、中、右3個位置的槽底深度，最淺深度即為該槽段的深度。

2.5 混凝土澆筑

清槽完成后在3 h內(nèi)澆筑C30混凝土，澆筑前先檢查槽深，判斷有無坍孔，并計算所需混凝土方量，保證商品混凝土的供應(yīng)量，工地技術(shù)人員必須對拌站提供的混凝土級配單進(jìn)行審核，并測試其到達(dá)施工現(xiàn)場后的混凝土坍落度，保證商品混凝土供應(yīng)的質(zhì)量?；炷翝仓捎莽?00 mm雙導(dǎo)管水下澆筑混凝土[7]，導(dǎo)管上部安裝方形漏斗，導(dǎo)管安裝及混凝土澆筑前，井口必須設(shè)有導(dǎo)管卡，搭設(shè)工作平臺(留出導(dǎo)管位置)，并且要求能保證人員的安全。

混凝土導(dǎo)管使用Q235鋼材制作并經(jīng)過耐壓試驗的混凝土絲牙導(dǎo)管，及其配套料斗、擱置梁等設(shè)備[8]。導(dǎo)管在現(xiàn)場進(jìn)行密封性測試、檢驗，經(jīng)驗收合格后方可使用，導(dǎo)管要求連接牢靠，接頭用橡膠圈密封，防止漏水。澆筑混凝土之前，確保漏斗中已放入止水球。

首批入槽混凝土量≥4 m3，混凝土埋管深度>0.5 m，保證有足夠埋管深度，控制導(dǎo)管始終插入混凝土內(nèi)保持在2 m～6 m。導(dǎo)管埋深太淺，混凝土易產(chǎn)生夾泥夾砂問題；導(dǎo)管埋得過深，混凝土流動困難，易造成拔管困難；通過導(dǎo)管長度計算導(dǎo)管埋深，合理導(dǎo)管埋深為2 m～3 m。不得因?qū)Ч馨纬鲞^快發(fā)生拔空現(xiàn)象，如拔空導(dǎo)管，應(yīng)立即將混凝土面上的淤泥吸清，重新開管放入球膽澆筑混凝土，將導(dǎo)管向下插入原混凝土面下1 m左右。嚴(yán)格控制混凝土的材料質(zhì)量，坍落度在20 cm～22 cm之間，保證混凝土的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

混凝土澆筑過程中，兩根導(dǎo)管的混凝土表面的高差不宜大于0.3 m，以保證混凝土澆筑的均勻性。澆筑混凝土?xí)r按規(guī)范要求對混凝土進(jìn)行取樣，并嚴(yán)格按照養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.6 洞門破除

2.6.1 準(zhǔn)備工作。洞門破除前先復(fù)核洞門中心坐標(biāo)和高程，確保洞門尺寸位置正確，滿足盾構(gòu)機(jī)始發(fā)要求。同時對素混凝土地下連續(xù)墻試件進(jìn)行檢驗[9]，滿足強(qiáng)度、自立性等指技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到設(shè)計要求后方可進(jìn)行洞門破除。

洞門與盾構(gòu)刀盤之間雙排腳手架平臺采用Ф48 mm架子管搭設(shè)，腳手架寬度1 m，間距1.2 m×1.2 m×1 m。最底下一層距基坑底板0.2 m立桿和橫桿搭設(shè)完成后設(shè)置兩根剪力撐。施工平臺滿鋪10 cm厚方木，用鐵絲固定牢固。在平臺外側(cè)掛設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)。作業(yè)人員攜帶安全帶方可進(jìn)行破除作業(yè)。

2.6.2 破除步驟。①采用高壓風(fēng)鎬先將地下連續(xù)墻50 mm保護(hù)層破除，清理基坑內(nèi)側(cè)鋼筋。對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻3/4部分從上到下逐層進(jìn)行破除，做好渣土清理工作。保護(hù)層的鑿除工作由上至下完成，鋼筋的割除應(yīng)自下至上切割。②對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻外側(cè)1/4墻體混凝土進(jìn)行破除，保留鋼筋，以防萬一有涌水涌砂發(fā)生時，鋼筋可以作為最后一道防護(hù)，以減小風(fēng)險。外側(cè)1/4墻體混凝土破除清渣完畢后進(jìn)行鋼筋割除，將洞門周圍的鋼筋頭全部清除，以防盾構(gòu)推進(jìn)時卡住刀盤。③拆除腳手架并清理雜物，將破除的混凝土塊及割除的鋼筋全部清理干凈(見圖3)。然后快速進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)作業(yè)，確保盾構(gòu)始發(fā)安全。

圖3 洞門破除效果

對地下連續(xù)墻進(jìn)行分層破除更加有利于施工的安全性[10]，在發(fā)生滲水或者發(fā)生洞門變形時能夠第一時間相應(yīng)，且由于一次性破除的體量較小，堵漏的成功率更高。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)工作孔洞位置的地下連續(xù)墻破除時，地下連續(xù)墻的未破除部分能夠?qū)Χ撮T進(jìn)行有效的支撐。

3 注意事項

施工中應(yīng)注意的事項有：①成槽前應(yīng)了解周邊地下管線情況，根據(jù)現(xiàn)場管線探測情況及查閱相關(guān)資料，事先采取相應(yīng)的保護(hù)措施，減小施工對周邊地下管線的影響。②槽段開挖過程中加強(qiáng)槽壁穩(wěn)定性的觀測，施工中漏失的泥漿及時補(bǔ)漿，減少泥漿液面的落差，保持必需的液面高度。③嚴(yán)格控制成槽機(jī)、空壓機(jī)、自備發(fā)電機(jī)等施工噪音，設(shè)置消音裝置，合理安排混凝土澆筑時段，夜晚禁止一切發(fā)出較大聲響的工作，盡量減小對周圍居民的影響。

4 結(jié)論

根據(jù)素混凝土地下連續(xù)墻施作和洞門破除，得出如下結(jié)論：①黏土地層洞門端頭用高壓旋噴樁加固，做好方案的編制和審核，取芯檢測加固質(zhì)量，驗證加固效果達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求。②素混凝土地下連續(xù)墻施工方便快速；采用較低強(qiáng)度素混凝土，造價較低；素混凝土地下連續(xù)墻將洞門土體隔離到墻后，無洞門坍塌風(fēng)險。③盾構(gòu)機(jī)始發(fā)工作孔洞位置的地下連續(xù)墻破除時，地下連續(xù)墻的未破除部分能夠?qū)Χ撮T進(jìn)行有效的支撐，實(shí)現(xiàn)安全破除洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)。