无端头加固条件下土压平衡盾构水下接收施工技术

安宏斌， 怀平生， 白晓岭， 郭银新， *， 姚八五

(1. 中铁十二局集团第二工程有限公司， 山西 太原 030000； 2. 中铁十二局集团国际工程有限公司， 北京 100176)

0 引言

随着国内隧道施工技术水平飞速发展，盾构施工在我国城市交通网络的建设中发挥着极其重要的作用，虽然技术日趋成熟，但盾构施工仍面临着极大的挑战。为了解决富水砂层中盾构接收困难问题，很多学者和施工人员提出了采用多种端头加固的方式来进行盾构水下接收。邢慧堂[1]、葸振东等[2]针对富水砂层超大直径泥水盾构接收问题，提出了冻结、旋喷、深孔搅拌桩的端头加固方法，并在竖井内回填水土进行盾构接收； 贲志江等[3]对大直径泥水盾构水中接收的端头加固方法进行了比选，得到了水泥土三轴搅拌桩+高压旋喷桩+垂直冷冻固结的加固方法； 潘荣凯等[4]在南京江岛变电站工程中，对高渗透性的砂性土进行了盾构端头加固的研究，提出了三轴搅拌桩和冻结法的施工措施，成功完成了盾构水下接收施工； 徐延召[5]针对武汉轨道交通2号线泥水盾构在深覆土、高水压的地质条件下采用水下接收的案例，对冻结法加固端头和盾构水下到达施工参数进行了研究； 赵亮等[6]、丁国胜[7]以复杂软弱含水地层盾构接收为例，介绍了端头水平冻结与钢套筒结合的方式； 刘玉林等[8]、吴镇等[9]、刁鹏程等[10]针对盾构接收，提出了端头采用旋喷加固、冻结加固的施工技术，并提出富水砂层中盾构接收的另外一种有效方式可以采用钢套筒接收； 陈珊东[11]、汤泳等[12]针对盾构接收过程中容易发生的涌水、涌砂等风险提出了钢套筒接收方案； 肖衡等[13]、吴琼[14]提出了在富水地层条件下采用钢套筒装置进行盾构接收的方法； 于加云[15]提出了一种在钢筋混凝土洞室内回灌水和砂土接收的方法。虽然钢套筒接收也是一种有效的办法，但在本工程中，盾构接收竖井采用盖挖顺作法，只留了16 m×8.5 m的吊装孔，若采用钢套筒接收，需要在竖井内1号线侧将钢套筒整体组装后至2号线设计接收位置，接收完成后，整体平移至吊装口下方，进行盾构拆除，工序复杂，且该区域是宗教敏感区，夜间噪音限制极其严格，吊装作业受时间限制严格，工期会很长。

从已有文献的调研来看，对于盾构在富水地层的接收，通常采用冻结和旋喷加固相结合的方式，众多科研人员聚焦于对冻结的研究。此外，钢套筒技术也在国内成为一项成功技术，但目前国内尚没有仅采用注水填充竖井而不采用端头加固的案例，本文对采用竖井填水方法进行盾构水中接收的关键技术进行研究。

1 工程概况

以色列特拉维夫红线轻轨项目东标段由2台直径为7.55 m的土压平衡盾构掘进，在本古里安站东端设置专门独立接收竖井。接收端上方交通繁忙，周边房屋林立，施工场地狭窄，无法进行端头加固，如图1所示。盾构开挖范围及拱顶以砂层为主，渗透系数较大，地层水位高于隧道埋深，在无法进行端头加固和采用钢套筒接收困难的情况下，计划采用只在竖井中填水进行盾构水下接收的方式。本古里安站接收井内部尺寸为22 m×23.15 m，地下连续墙为1.2 m厚B40钢筋混凝土，洞门范围内为B40玻璃纤维筋混凝土，盾构接收直接采用刀盘切割地下连续墙。地面标高为16.19 m，车站底板顶部标高为-9.05 m，与地面高差为25.24 m，隧道轴线标高为-4.815 m，在地表以下21 m。接收井剖面图如图2所示。

图1 接收端地表情况

1.1 工程地质

地下连续墙外从上到下的地层分别是细砂、黏土质砂、粉黏细砂、库卡。土层具体描述如表1所示。

表1 围岩情况描述

1.2 水文地质

接收井地质剖面图如图3所示。隧道将穿过库卡地层，库卡是一种少部分胶结的颗粒土，它可以细分为4类，强度最高的库卡层称为K-4，强度最低的层称为K-1。隧道顶部是砂层，渗透系数达到5×10-4m/s。设计的地下水位为+1 m，隧道拱顶距离地层水位线的距离为2.04 m。

图3 接收井地质剖面图

2 竖井接收准备工作

2.1 竖井质量要求

竖井围护结构为连续墙，连续墙盾构刀盘切割区域采用玻璃纤维筋替代钢筋，连续墙厚度、混凝土强度满足设计要求，垂直度满足规范要求；相邻两幅错台小于5 cm，满足安装后的洞门密封钢环与连续墙表面密贴，最大间隙不超过5 cm。

2.2 混凝土导台

当盾构突破地下连续墙后，刀盘会出现栽头的情况，如果无法精确控制姿态而直接安装托架，刀盘可能直接抵住托架，致使盾构无法上到托架；若将托架安装太低，刀盘可以上到托架，但因为栽头的出现，会导致盾体卡在连续墙内。因此，增加了混凝土导台，在导台到托架这段距离的推进过程中，可以对盾构的姿态进行必要的调整，确保盾构能够顺利上到托架。盾构刀盘破除连续墙后，盾体支撑于混凝土托架上。混凝土托架由2部分组成，下部为普通混凝土，上部为低强度混凝土，刀盘易于切削。混凝土托架高1.0 m、宽6.0 m、长6.04 m，距离连续墙1.5 m，便于安装接收钢环和帘布翻板的展开及拉紧。盾构通过混凝土导台后，由钢托架支撑盾体，其长度为11.3 m。导台截面如图4所示。

(a) 混凝土导台横截面图

(b) 混凝土导台剖面图

2.3 密封环

在接收端墙上安装橡胶密封环，由锚固在地下连续墙上的铁板、2道止水帘布和1圈钢丝绳组成，如图5所示。由于底板受到扰动，密封圈的结构为了适应较低的区域，减少了结构的宽度。底板在安装密封圈的位置有2.0 m×50 cm×10 cm的凹槽，用于密封圈的安装。盾构破墙之后，钢丝绳需要张紧，起到密封效果。密封环上有2个粗管道膨润土进料口，用软管连接到地面。一旦盾构被密封，膨润土将通过一根软管泵入，另一根软管可用于确保灌装或作为备用。

图5 密封环的安装示意图(单位： m)

2.4 应急准备工作

如出现险情，封闭该路段，撤离隧道内所有作业人员。准备2台100 m3/h的水泵备用，将其接入市政供水管网，以防竖井水位突然下降时补偿水位；竖井地表面，应急注浆机、聚氨酯数量若干；隧道内，应急注浆机2台，聚氨酯数量若干，棉被、砂袋若干，防止螺旋漏水时应急封堵。

3 水下接收条件分析

3.1 风险性分析

盾构刀盘直径为7 550 mm，前盾直径为7 510 mm，刀盘的宽度为800 mm。盾构刀盘还未突破地下连续墙时，地层中的水土只能通过开挖间隙到达刀盘前方以及土舱内，无法渗入竖井内。但是当刀盘突破地下连续墙的瞬间，竖井内的水便会通过刀盘开口涌入到土舱内，而地层中的水土也同时通过开挖间隙从切口环流入土舱，如图6所示。刀盘推出地下连续墙后，前盾底部将直接被填实，渗流通道就变为盾体上半部分与地下连续墙之间的空隙，空隙的最大宽度为4 cm。如果地层中的水土压力大于竖井内的水压力，地层中的水便会流向竖井中，并不断带走细砂，导致地层中的水土缺失，进而致使地表产生较大沉降。当刀盘推出地下连续墙后，潜水员便可以下潜将密封圈与前盾封好，并在地面将钢丝绳拉紧，使帘布橡胶板被压实在盾体上，阻塞开挖间隙，防止土中细砂继续流入井内。需要探讨的是，盾构刀盘突破地下连续墙的瞬间，竖井内的水位需要比地层中的水位高多少，才能防止地层中的水渗入竖井，并带走细砂。

图6 盾构刀盘突破地下连续墙

Fig. 6 Shield cutterhead breaks through underground diaphragm wall

在破墙瞬间，如果内外水土压失衡，墙外砂土向竖井内流动，会引起地面沉陷，甚至塌坑；盾构姿态控制不好时，会出现洞门密封环被盾构刀盘顶推切割脱落，威胁成型隧道的安全；螺旋输送机闸门密封不好会导致竖井内水通过螺旋输送机涌入隧道，存在隧道被水淹的风险。

3.2 可行性分析

对于盾构水下接收，若竖井水位过低，会导致隧道上部的土体沿盾构掘进面上边缘流向竖井。渗流及动水压力存在时，会发生水平渗流破坏。当竖井的水位过低时，首先盾构上边缘与隧道形成的缝隙之间的承压水会沿着隧道方向侧向流动，进而带动附近的土颗粒，随着土颗粒的移动，上部土体下沉，最后上部土体逐渐陷落，造成地表沉降甚至塌陷。首先要确定上部土体的临界水力梯度，当土体发生侧向渗流时，临界水力梯度

(1)

式中：C为常数，根据工程经验取C=42；d3为土中小于某粒径的颗粒重占总重的3%时的该粒径，取1 mm；φ为土的内摩擦角，取30°；n为孔隙度，取0.3；k为渗透系数，取5×10-4m/s。

经计算，发生管涌破坏时，临界水力坡降icr=0.18，则

ΔH/l≥icr=0.18

。

(2)

式中：l为盾构刚突破地下连续墙时的间隙长度，取1.2 m。

由式(2)可知，竖井水位的最小深度应不低于地层水位0.216(=1.2×0.18) m。为了确保地层中的砂不被渗流带入竖井中，向竖井中注入高出地层水位1 m的水量，如图7所示。需保持竖井内的水位高度，并时刻观测，为此准备了1台100 m3/h的水泵，随时准备向竖井中注水。

图7 竖井填水照片

3.3 专家论证分析

方案设计由德国BARBEN公司负责，方案设计完成后，报国内组织专家进行论证，形成专家意见，同意采用水下接收。同时，方案报德国隧道设计WBI公司，德国盾构制造商海瑞克公司提出指导意见，最终一致同意采用水下接收。最后方案提交WSP(业主咨询公司)和当地咨询公司(Spivak)审批同意后实施。在国内组织专家评审，并给出如下参考建议。

1)盾构刀盘切除地下连续墙后，潜水员只检查混凝土块掉落位置，不需拆除刀盘最外侧滚刀，尽快推出，避免渗流风险。

2)车站与隧道接口处永久管片10—15环，建议设置管片拉紧装置。

3)现场准备封堵应急材料、双液浆制备材料、聚氨酯等； 在密封环设置无缝钢管，用液氮冷冻作为应急封堵措施。

4)混凝土基座B20强度太高，建议采用砂浆或者标号更低的混凝土，刀盘切削混凝土基座时，控制好盾构姿态。

5)渗漏严重时，可弃置盾尾作为永久结构进行密封。

4 盾构接收施工控制

4.1 姿态控制

在隧道贯通前50 m，需要确保盾构姿态已调节至隧道设计中线。如果偏差较大，则需加大调向力度，给盾构纠偏提供足够空间，以保证刀盘顺利掘出洞门。在隧道贯通前20 m，带压开舱检查边缘滚刀的磨损情况。如果磨损过大，则应更换滚刀，防止滚刀无法超切地下连续墙而将盾构卡死在地下连续墙中。在隧道贯通前10 m，逐渐减小推力，保持盾构姿态不变。在刀盘距离地下连续墙最后5 m时，需要对掘进姿态再次测量，确保姿态在隧道轴线50 mm范围内。由于刀盘在突破过程中有扎头的趋势，盾构在破墙时要保持姿态上抬。

4.2 掘进推力控制

盾构掘进地下连续墙的过程中，若推力过大，则会造成地下连续墙变形过大，甚至损坏地下连续墙。该地下连续墙设计承受的载荷为9 000 kN，竖井中注入的水可以为地下连续墙提供额外约3 000 kN的力。在掘进地下连续墙的过程中，需要控制好推力，不能超过12 000 kN，而推力是被动的，可通过贯入度来控制，刀盘贯入度限制为3 mm/r，将地下连续墙混凝土磨成小颗粒，避免形成大块，导致周边混凝土破坏和密封环受损。实际接收过程中最后15环的推力如图8所示。正常掘进的推力为2 500～3 000 kN，随着盾构靠近地下连续墙，推力逐渐降低，在地下连续墙中掘进的推力为5 000 kN左右。

图8 最后15环盾构推力

4.3注浆控制

在掘进过程中，通过盾壁孔向盾体周边注入高黏度膨润土浆(流动度>90 s)，填充开挖空隙，防止砂土进入竖井，必要时，将膨润土换成丙烯酸酯凝胶进行注入。最后1环永久结构管片拼完之后，要额外拼2个负环，以便把盾构推出密封环。盾尾出连续墙的过程中，管片和墙之间的环形空隙采用同步注浆完全填充。为了确保注浆的充分，同步注浆完成24 h后，通过管片上预留的二次注浆孔对最后5环注水泥-水玻璃双液浆。浆液注入量如图9所示。同步注浆量为5～7 m3/环，二次注浆量为0.3～0.5 m3/环，在最后5环大量注入双液浆，形成止水环，防止涌水、涌砂。

图9 最后15环注浆量

双液浆配比A液与B液之比为1∶1(体积比)，初凝时间为23 s。浆液配比如表2所示。注浆完成12 h后，通过在管片上钻小孔，看是否有水流出来检查注浆的密封性。如果有水流出，继续进行注双液浆，确保在管片背后形成止水环。

表2 浆液配比

4.4 盾构出洞

螺旋输送机闸口密封至关重要。当刀盘掘进至地下连续墙剩余50 cm时，螺旋输送机进行反转，利用舱内渣土将螺旋输送机进行间接密封，最后关闭闸门。在螺旋输送机的泡沫和膨润土的注入口连接好注浆管路，一旦发生泄漏，立即注入聚氨酯等堵漏材料。为防止玻璃纤维筋损坏帘布橡胶板，需控制刀盘的贯入度和掘进速度。在刀盘破除混凝土墙，但未接触橡胶帘布之前，潜水员下潜检查，如果有伸进帘布的玻璃纤维筋，进行切除，及时清除堆积在帘布橡胶板上的混凝土碎块和切断的玻璃纤维筋。刀盘在前端与连续墙位置齐平后(需要潜水员下潜测量核实)，即停止转动刀盘；空推约1.5 m至混凝土导台边缘，刀盘接触混凝土导台时开始转动刀盘继续推进；刀盘厚度约70 cm，前盾盾体前端越过第2道帘布橡胶板10～20 cm，刀盘越过第2道橡胶帘布80～90 cm后拉紧密封，确保帘布橡胶板紧密压在盾体上。

当盾构进入竖井后，刀盘出现栽头，随着盾体的推进，刀盘开始切削导台上部的低强度混凝土，并且逐步调整盾构姿态以准确推上钢托架。每环掘进完成后，潜水员潜入检查掘进盾构位置，并观察是否有浆液通过密封环流到竖井里。由于浆液凝结时间为8 h，所以最后几环的掘进速度必须限制在每环至少4 h，确保浆液凝固。

最后1环拼完并完成注浆，在确认注浆效果达到要求后，竖井中的水可以泵出，但在抽水过程中，检查是否有地下水通过环形空隙流出。为了验证密封性，竖井内水位每降1～3 m，等待30 min，检查是否有水通过环向间隙流入竖井。如果有水流入，通过第1负环注入聚氨酯材料，并在隧道内对最后2环永久管片进行再次注双液浆。排水完成后，利用管片拼装机拆除第2道负环(底部管片除外)，盾构在托架上继续推进，连续安装底部管片，安装管片螺栓，盾构到达接收钢托架指定位置。当盾构完全推上托架后，将与托架一起滑到顶板开口下的拆卸位置，最终盾构成功在水下完成接收，如图10所示。

(a) 竖井抽水盾构露出

(b) 盾构与洞门管片分离

2号盾构为第1台接收的盾构，当盾构完全进入竖井后，根据全站仪自动化监测，其沉降最大值为8.8 mm，位于2号线隧道上方。1号盾构成功进入竖井后，地表沉降最大值只有5.5 mm，位于双线隧道中间位置。洞内管片无渗漏水，无明显错台及上浮，竖井内只有很少一部分细砂和地下连续墙残渣堆积在洞门前，表明开挖间隙填充良好，并无涌砂情况；地下连续墙的变形也小于5 mm。整个施工过程安全可控，地表无塌陷，竖井中未发现大量泥砂涌入，从破墙到接收只耗时6 d，不仅节约了工期，而且提高了经济效益。

5 结论与建议

该项目的成功之处在于确定了合适的水位高度、设置了合理的掘进参数、对开挖间隙进行了及时填充，防止了涌水涌砂的可能，另外还有潜水员的不间断观察以及各种得当的风险应对措施。该方法适用于由于场地限制，不具备端头加固条件但有独立的具备不透水的且满足盾构接收设施安置和盾构拆除的接收竖井；地层具有一定自稳能力，不能为富水淤泥质土。主要结论如下：

1)由于盾构姿态的偏差，无法直接采用钢托架接收，导台作为一个调整盾构姿态的过渡区域，可以确保盾构顺利进入托架，但导台的混凝土强度、几何尺寸可根据盾构尺寸及竖井尺寸进行适当调整，混凝土强度也可适当降低。

2)从刀盘破墙到盾尾进入帘布橡胶板的过程中，每掘进一环，潜水员至少下潜检查一次，尤其在破墙、刀盘进入第1道帘布橡胶板、刀盘进入第2道帘布橡胶板、刀盘后端通过第2道帘布橡胶板、刀盘接触混凝土导台以及刀盘接触钢托架等各个节点，都需要潜水员下潜检查盾构的位置和密封情况。这些节点的检查要引起足够的重视并严格执行，确保接收安全。

3)盾构在水下接收前，需要提前进行轴线测量工作，确保盾构没有较大的偏差。在突破地下连续墙之前需要对边缘滚刀进行检修，确保盾构刀盘开挖直径大于盾壳外径，防止盾构在突破地下连续墙时被卡住。

4)盾构掘进地下连续墙的推力不能超过12 000 kN，刀盘贯入度控制为3 mm/r。在最后几环注入大量双液浆，可形成止水环。在掘进过程中，通过盾壁孔向盾体周边注入高黏度膨润土浆(流动度>90 s)，填充开挖空隙，防止砂土进入竖井。

建议车站主体结构做完后接收，在主体结构内嵌入安装接收密封环，密封效果更好。竖井内用于调整盾构姿态的混凝土导台过渡段采用低标号混凝土，不要超过B20。对于水下接收螺旋输送机输送闸门的密封措施和应急密封措施，还需要进一步研究。