富水粉细砂地层盾构全水中接收技术

叶新丰 ，张宁忠，吴精义，李振东 ，龚洁英，刘尚伟，李彦朋

（1. 北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2. 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068；3．北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；4. 北京市基础设施投资有限公司，北京 100055）

1 研究背景

随着国内地铁建设规模日益扩大，盾构法施工得到普遍应用，成为区间隧道施工最常用的一类施工方法。但随着轨道交通线网加密，隧道埋深进一步加大，盾构接收的难度加剧，尤其是在地下水丰富、且水流速较快地区，盾构接收往往遇到诸多困难[1]。为此许多学者针对盾构接收提出了各类接收方案，根据目前已有文献总结，盾构接收方案主要分为加固法、冻结法、钢套筒、水中接收4 种接收类型或其组合类型。文献[2-3]分别研究南京、苏州两地地铁区间，在高地下水水位、富水砂层条件下采用冻结法并取得良好效果；文献[4-5]分别以太原、郑州两地富水砂层地铁区间为例，研究采用钢套筒方案接收的可行性及安全性。相对冻结及钢套筒施工而言，采用端头加固作为盾构接收方式较为常见，文献[6]介绍了福州地铁在软弱富水砂层中采用注浆加固地层结合降水条件下的盾构接收，文献[7-8]分别介绍了武汉市轨道交通2 号线越江隧道及某盾构区间采用回填砂石及水的方式，当接收井内外水压平衡后进行接收，文献[9]介绍了在以色列特拉维夫轻轨项目中，采用全水下盾构接收的案例。文献[10]介绍常见端头加固形式有注浆法、深层搅拌法、高压旋喷法、素混凝土桩(墙)法等。文献[11]介绍了在天津地铁施工中采用水平冻结+垂直加固的案例，文献[12-14]介绍了在南京、武汉、哈尔滨地铁施工中采用冻结+垂直加固的案例，文献[15]介绍了在富水的粉砂夹粉土、粉质黏土中，采用盾构钢套筒+冻结法施工的案例，文献[16]介绍了在淤泥质粉质黏土中，采用冻结法+水中接收超大型泥水盾构的案例。具体案例、适应环境及工期造价比较见表1。

北京地铁19 号线支线清河站南侧盾构区间，原方案为端头加固施工，因地下水丰富，地下水流速快及补给充分，加固方案经试验检测效果未达到设计预期，因此考虑其他接收方案。考虑场地地下水流速过快不易形成冻结壁，且接收井场地狭小，安装钢套筒条件有限，因此放弃冻结及钢套筒接收方案，选择水下接收方案。文献[7-8]提及的接收方案主要为在接收区域加入砂土或加气砖，之后在顶部填充水(砂土、加气砖填充厚度高于盾构机顶部)，因此其接收主要为类土体接收，而本次接收方案为纯水中接收，这在国内研究文献中较为鲜见，笔者对采用接收井内盾构全水中接收关键技术进行研究。

表1 盾构接收典型案例 Table 1 Typical case of shield receiving

2 工程概况

2.1 工程背景

区间盾构接收井位于北京市八家郊野公园内，现状主要为绿地，场区内无管线。区间盾构接收井结构形式为3 层双跨框架结构，由中隔墙将接收井分为左右两个尺寸相同洞室。洞室结构净空尺寸长14.50 m、宽11.40 m、高19.26 m，左右线分别进行接收，为防止回灌水左右互通，接收时采用砌砖临时封堵防火门，并采用工字钢支顶，增强防水能力。区间盾构接收井位于永定河冲积扇平原，土层划分为人工堆积层、第四纪冲洪积层。接收位置盾构隧道穿越地层为粉质黏土、粉细砂、卵石圆砾层，地质剖面如图1 所示。接收区域地层自上而下描述参数如表2 所示。

图1 接收井地质剖面 Figure 1 Geological profile of the arriving shaft

表2 接收段地层参数 Table 2 Soil parameters in the shield-reception section

接收段赋存3 层地下水，地下水类型分别为潜水(2)、承压水(3)、承压水(4)。根据区域地质资料分析，观测深度范围以下的砂土层、粉土层、卵石层普遍呈饱和状态，均应视为含水层。隧道底部及接收井底板均进入承压水(4)。根据勘察报告显示场区附近承压水(3)的平均流速为7.70 m/d。地下水水位如表3、图1所示。

表3 地下水特征及埋深 Table 3 Groundwater characteristics and buried depth m

2.2 工程参数

盾构区间衬砌采用钢筋混凝土预制管片，管片外径6 400 mm，内径5 800 mm，厚度300 mm，管片长度1.2 m。盾构接收井采用明挖法施工，基坑采用钻孔灌注桩+止水帷幕+内支撑的围护结构形式。接收洞门端头围护桩采用玻璃纤维筋代替普通钢筋，玻璃纤维筋长度为9.4 m(盾构隧道直径6.4 m+上下各1.5 m)，玻璃纤维筋与普通钢筋主筋搭接长度为2.2 m，采用U型扣件连接。

盾构机采用2 台中铁装备土压平衡盾构机，盾构机主要参数如表4 所示。

表4 盾构机参数 Table 4 Parameters of the shield machine

3 全水中接收施工工序及技术要点

3.1 盾构全水中接收工序

盾构全水中接收工序流程及其主要工作如图2所示。

图2 盾构全水中接收施工工序 Figure 2 Construction process of an underwater reception of the shield machine

3.2 盾构接收各阶段风险及控制措施

3.2.1 接收准备阶段

盾构接收过程中的主要风险有：盾构推进方向与设计方向偏差超限、刀盘出洞时易发生涌水涌砂、盾构机出现栽头等。为了保证盾构能够安全顺利接收，接收前采取了以下技术措施，应对可能出现的风险：①为避免盾构推进方向超限，接收前对盾构姿态与洞门进行复测，校核位置关系，指导接收姿态控制参数，将盾构姿态偏差控制在±20 mm 以内；②应对可能发生的涌水涌砂，首先进行地面注浆加固，洞门采用小导管水平注浆，加固接收端土体，其次安装洞门橡胶帘布与扇形压板作为止水装置，最后洞门增加一道洞门钢刷，加强对水土流失的控制；③在洞门下方增设一个凸起，主动抬高盾构机头部，同时对接收基座进行定位安装；④在施工现场接收井四周增设24 口应急降水井，作为应急使用，特殊状况下开启，以降低接收井井外水头高度，减少突涌风险。

3.2.2 加固区掘进阶段

加固区掘进阶段主要风险：盾构推进速度过快、土仓压力过大造成接收洞门受压较大；加固区土体受施工影响不密实形成流水通道；盾构姿态偏差超限。

针对上述风险，盾构端头加固区掘进技术控制点为：①降低盾构推进速度，控制在20～15 mm/min，降低土仓压力，减小对洞门压力；②加强同步注浆，控制浆液凝结时间在3～10 h 之间，凝结后浆液的强度不小于2.0 MPa，注浆压力控制在0.4～0.5 MPa 之间，同时洞内多次注浆，既补充土体间隙，又能起到封环止水作用，同时控制地表沉降；③推进过程中控制盾构机姿态，避免出现较大偏差，姿态偏差控制在±20 mm 范围内。

在刀盘抵桩后，接收井内开始回灌水。回灌水量根据周边水位观测情况确定，回灌水位高于井外水位0.5～1.0 m。回灌水高度示意图如图3 所示。

图3 接收井内回灌水位 Figure 3 Schematic of reinjection water level in the receiving shaft

3.2.3 刀盘磨桩阶段

刀盘磨桩期间主要风险为：如果盾构推力过大或推进速度过快，可能造成围护桩过早折断，以及洞门出现大量水土流失。

磨桩过程中技术控制主要包括：控制盾构推进速度及推力，推进速度＜10 mm/min，推力＜600 t；待刀盘切削围护桩一半桩体后，通过盾构机中径向注浆孔对盾体范围进行聚氨酯注浆止水，隔绝盾体与土体之间前后水源。

3.2.4 刀盘出洞阶段

刀盘出洞阶段主要风险：①出洞时易在桩间或螺旋输送机出土口内部出现涌水涌砂；②磨桩后大块的围护桩碎块卡在刀盘与接收基座之间，导致无法继续推进；③盾构推进反力减小不足以压密管片防水密封。当刀盘通过围护桩后，刀盘前方提供给盾构机的反力骤减，接收段管片在失去后盾管片支撑后会松弛，导致管片环缝增大，影响防水效果，对隧道结构或周边环境产生不利影响。

为防止可能出现的洞内外涌水涌砂，采取的施工措施有：接收前对接收段地层进行注浆加固；在洞门钢环上安装一道洞门钢刷；合理控制接收井内回灌水位；采用关闭螺旋输送机出土口后磨桩推进，防止发生喷涌。

洞门注浆加固如图4 所示。

图4 洞门水平注浆加固 Figure 4 Schematic of horizontal grouting reinforcement of tunnel portal

为防止大块围护桩碎块卡在刀盘与接收基座托架之间，采取的施工措施有：接收基座满铺钢板，消除接收基座上的间隙，保证掉落围护桩碎块伴随刀盘向前移动；配备潜水员，处理可能影响推进的围护桩碎块。

接收基座钢板满铺示意图如图5 所示。

图5 接收基座钢板满铺 Figure 5 Schematic of fully covered steel plate of receiving base

为防止盾构推进反力减少，不足以压实管片防水密封，采取的应对措施为：在纵向螺栓紧固时，严格控制管片间隙在2 mm 之内，并在后续推进过程中复紧3～4 次，保证管片连接紧密；同时在接收段管片拼装完成后，对洞口前6～8 环用型钢联系拉紧，防水材料三元乙丙橡胶增设遇水膨胀止水条，并多次补浆，在加强盾构环间密封防水的同时，以达到洞门密封防水的双重效果。

3.2.5 盾体出洞阶段

盾体出洞阶段的风险点：一是无法顺利到达接收基座上；二是出现涌水涌砂；三是盾构机上浮。

为确保盾构机顺利推入接收基座，首先在接收前需对接收基座进行加固，其次为防止盾构机出洞时机头栽头，接收基座的轨面标高除适应于线路情况外，适当降低2 cm，以便盾构机顺利上基座。在洞门钢环底部增设一个凸起的顶升装置，主动造成盾构机在出洞时盾构机头上仰，避免刀盘顶在接收基座上。

新增凸起顶升装置与以色列特拉维夫红线轻轨项目的东标段接收洞门增加混凝土导台所起的作用相同。相较于混凝土导台，焊接施工更加便捷，且拆除简单。施工成本较小，经济上更为合理。具体安装如图6 所示。

图6 洞门增设凸起顶升装置 Figure 6 Schematic of raised jacking device added to the tunnel portal

为避免洞门出现涌水涌砂，当盾体通过洞门密封装置后，及时拉紧橡胶帘布，防止接收井外地下水沿盾壳流入接收井内。本次接收过程中出现的围护桩桩间喷锚网片卡在盾体与橡胶帘布之间，造成橡胶帘布封闭不严密导致漏水情况，经现场人工清除钢筋网片，同时针对漏水部位进行洞内注浆止水，最终顺利完成了接收。

为避免接收井内浮力增加而造成盾构机出现上浮，在盾构机出洞的同时进行接收井内水的抽排，降水同时观察洞门橡胶帘布密封严密情况，如有异常暂停推进，及时进行洞内注浆封堵，直至问题处理后继续进行推进。

3.2.6 盾尾出洞阶段

盾尾出洞阶段主要风险为洞门的涌水涌砂。采取的主要措施是：当盾体通过洞门密封装置完全进入接收井后，再次拉紧扇形压板，使橡胶帘布与盾构管片密贴，防止水流沿管片外径向接收井内流入，同时也防止同步注浆浆液外溢。盾构机出洞后，在洞内多次注浆，补充土体间隙，封环止水，同时控制地表沉降。

3.2.7 盾构接收后续工作

盾构井内回灌水，在盾构机出洞同时进行抽排，盾构机完全出洞后，完成回灌水抽排工作，随后逐步进行盾构机的拆解吊出，最后完成接收基座吊出及杂物清理，施作洞门环梁。在此过程中，洞门在承压水作用下仍存在渗漏风险，要加强关注，如有异常，进行注浆封堵。

4 盾构接收过程参数控制及变形监测

4.1 盾构机接收控制参数

在盾构接收过程中，为避免盾构土仓压力过大造成洞门发生破裂，盾构机进入加固区后逐步降低盾构土仓压力，根据现场实际施工参数控制分析，到达加固区前正常推进段控制在0.08～0.12 MPa，接近洞门6 环左右开始降低至0.05 MPa 左右，在刀盘开始磨桩时降为0.01～0.02 MPa(见图7)。

图7 盾构土仓压力 Figure 7 Earth pressure in the soil chamber of the shield

盾构接收过程中，推进速度同样不能过快，盾构实际施工过程中，正常推进段与加固区段控制在26.9～46.5 mm/min，刀盘磨桩期间控制在 3.9～5.1 mm/min，左右线均控制在施工设定值(10.0 mm/min)内(见图8)。

在接收过程中，盾构对接收井洞门产生影响的最直观表现为盾构推力，洞门推力反映了洞门受到的压力，根据施工方案刀盘磨桩期间总推力应小于6 000 kN。实际施工过程中，当接近接收井围护桩2 环位置，推力开始逐渐上升，最高升至20 000 kN(见图9)，磨桩期间总推力控制在9 000～14 000 kN，超过了施工设定值。

图8 盾构推进速度 Figure 8 Advance speed of shield tunneling

图9 盾构推进总推力 Figure 9 Total thrust of the shield

根据盾构设备尺寸及开挖直径大小计算，理论上同步注浆控制在每环5～5.5 m3，实际施工注浆方量为每环4.9～6.9 m3(见图10)。同时洞内进行了多次注浆，施作止水环，二次注浆采用水泥+水玻璃双液浆，凝结时间控制在60 s 左右。浆液材料选用42.5 号普通硅酸盐水泥和波美度35Be’的水玻璃，由管片注浆孔注入，控制压力为0.4～0.5 MPa 之间，注浆量0.2 m3/孔，达到封堵盾尾后方过水通道作用。

图10 盾构同步注浆量 Figure 10 Synchronous grouting volume of the shield tunnel

4.2 地表变形数据

选取洞门上方两个地表测点进行数据分析，根据现场监测结果，盾构在接收过程中，洞门部位上方地表最大沉降为5.59 mm(见图11)，地表未出现异常。

图11 接收洞门处地表沉降 Figure 11 Surface settlement at the tunnel portal

结合盾构施工进度与沉降数据分析，在盾构刀盘出洞后，洞门上方地表有少量沉降，沉降量为0.9～1.5 mm，盾尾出洞后出现明显沉降，沉降量为4.0～4.8 mm，盾构机出洞后，地表沉降逐渐收敛，趋于平稳，出洞期间未发生涌水涌砂情况，洞门未出现大范围的水土流失。

5 结论

该项目在地层存在粉细砂不良地层、地下水位位于隧道顶附近的条件下成功应用，接收过程未出现风险事件，最终完成双线接收。本次全水中接收各项施工控制方式可作为后续水中接收施工参考依据，形成如下结论：

1) 为应对盾构水下接收风险，除采取常规措施外，还采取了洞门上部地层水平注浆加固、关闭螺旋输送机出土口后磨桩、洞门下方增设凸起的顶升装置、接收基座钢板满铺等专项措施。

2) 通过观测地下水位确定接收井内回灌水位，灌水高度在实测水位高度以上0.5～1 m 位置，可有效避免接收端涌水涌砂，确保施工安全。

3) 在接近洞门时，严格控制盾构掘进参数，土仓压力从接收前15 环正常掘进状态，逐渐下降至抵桩前的0，同步注浆量提高至理论值的1.25 倍，推进速度控制在10 mm/min 以内，推力控制在20 000 kN 以内，洞内注浆形成多道止水环，控制地下水流动。

4) 接收部位地表最大沉降为5.59 mm，刀盘出洞沉降0.9～1.5 mm，盾尾出洞沉降4.0～4.8 mm，对桩后土体的影响，盾尾出洞要大于刀盘出洞。

建议类似工程接收井采用地下连续墙结构并在接收部位采用玻璃纤维筋，避免本案例中桩间喷砼碎片卡入盾壳与橡胶帘布之间，导致渗漏水，并且重点控制盾尾脱出时地层及管线变形，防止土体过量损失而产生破坏。