軟弱富水砂層地質條件下土壓平衡盾構接收施工技術

溫良濤

(中交三公局工程總承包分公司,北京 100123)

0 引言

隨著我國基礎設施建設快速發展，盾構法施工以其安全性和高效性在城市地鐵隧道施工中得到了廣泛的應用。盾構接收是盾構施工過程中最主要的風險點之一，尤其是在軟弱富水砂層地質中盾構施工、安全接收、對周邊建筑物的保護、地面沉降的控制是施工中的難點[1-15]。本文以福州地鐵2號線桔園洲站—洪灣站區間盾構接收施工為背景[16]，探討在軟弱富水砂層地質條件下盾構接收施工技術，為類似地質條件下施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福州市地鐵2號線桔園洲站—洪灣站區間在桔園洲站始發，沿金祥路由西向東洪灣站接收。區間隧道兩側主要為商鋪、居民小區，北側為橫江渡河，與本區間平行向東。區間設計起終點里程為Y(Z)DK20+853.339～Y(Z)DK21+284.215，區間右線長430.882 m、區間左線長430.076 m(左線長鏈0.193 m)。線路出桔園洲站后左右線分別以2‰上坡，之后以3.997‰、4‰上坡，最后以4.22‰下坡接入洪灣站，線間距14 m，隧道埋深9.2～9.6 m。區間采用盾構法施工。

區間隧道襯砌采用通用的楔形環錯縫拼裝(雙面楔形環)，管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，環寬1.2 m，管片厚度為350 mm。管片為鋼筋混凝土預制構件，混凝土強度為C50，抗滲等級為P10，鋼筋采用HPB300、HRB400熱軋鋼筋。

管片環縫與縱縫采用雙頭M30鍍鋅彎螺栓連接，機械性能等級為6.8級，每環管片縱縫共12根螺栓， 每個環縫16根螺栓。

1.2 工程地質

根據地質詳勘報告，區間隧道通過及影響范圍內地層由上至下分別為雜填土、粉質粘土、淤泥質土、粗中砂(稍密)、粗中砂(中密)、淤泥質土，局部為粉細砂〈2-5-1〉，粗中砂層厚約14 m。

粗中砂為飽和性砂土，松軟，富含承壓水，易產生涌水、涌砂，極易坍塌變形；粉土、粉質粘土為殘坡積層，硬塑，性質較好。

1.3 水文概況

場地地下水主要為潛水(二)和基巖裂隙水(四)。潛水水位埋深1.00～4.10 m，水位標高3.85～6.93 m，主要分布于淤泥夾砂層、粉細砂層和粗中砂層中；基巖裂隙水賦存于強風化花崗巖(砂土狀)層、強風化花崗巖(碎塊狀)層, 場地本層水埋深較大，對本工程影響較小。

區間隧道施工為全斷面富水粗中砂層，地下水水位高，地層滲透系數大，施工中極易產生涌水、涌砂及開挖面失穩。

2 盾構接收施工風險分析

根據國內類似地層盾構接收施工經驗，結合本工程現場實際地質情況及場地條件進行施工風險分析。在富水砂層盾構接收施工中，盾構接收端頭加固方案選擇及加固效果的檢測至為關鍵，將直接影響盾構接收施工安全。

本工程盾構接收施工風險主要有以下幾個方面：

(1)在富水砂層地質中，盾構接收時姿態控制不好易發生“磕頭”等事故，造成盾構刀盤周邊損傷洞圈密封橡膠帶，致使洞門密封止水裝置失效發生涌水、涌砂事故。

(2)本工程盾構施工為全斷面粗中砂層，地下水位高。若端頭加固范圍及加固深度未達到設計要求，加固質量不滿足設計規范要求，盾構接收施工極易發生涌水、涌砂事故。

(3)富水砂層流動性大，一旦發生涌水、涌砂風險，將造成地面塌陷，危及周邊建筑物安全[13]。

(4)盾構接收端頭位于市政主干道金祥路，地下管線多而雜，其允許變形較小且具有較大的不確定性，盾構接收施工中，地下管線的安全保護是主要風險之一。

(5)盾構接收時，需提前鑿除預留洞口處圍護結構地連墻，而后由盾構刀盤切削洞口加固土體進入洞圈密封裝置，此過程中洞口土體及加固土體暴露時間較長，且受前期工作井施工方法及其施工擾動影響，容易因加固土體或洞圈密封裝置的缺陷而發生洞口水土流失或坍方。

3 盾構接收前施工準備措施

3.1 盾構接收端頭加固

盾構接收時須提前破除盾構井圍護結構——地下連續墻，為確保盾構接收時暴露出來的盾構掌子面穩定，保證盾構接收端土體有良好的自穩性和密實性，使接收洞口土體在洞門破除時不坍塌，以免造成地下水及砂土涌入工作井，需提前對接收端頭土層進行加固。

原接收端頭加固初步設計為：(1)U形素墻深度為20.8 m，墻底在透水層粗中砂層中，未能有效隔斷止水帷幕內外地下水聯系；(2)原端頭加固止水帷幕內設置2口?273 mm降水井；(3)原素墻止水帷幕內三軸攪拌樁地層加固地面以下6.6 m為弱加固區域，水泥摻量為7%；盾構隧道外邊線各3 m為強加固區，水泥摻量為15%，現場施工操作時難以區分強弱加固區。

根據施工地質實際情況，洪灣站接收端頭加固設計方案調整如下：

(1)在車站端頭采用800 mm厚素砼地下連續墻形成封閉止水帷幕，素砼地連墻深度約29 m，素墻墻底進入不透水層淤泥質土層中2 m，有效阻隔止水帷幕內外地下水的聯系，使止水帷幕內降水井降水施工達到預定效果。每相鄰地連墻幅段接縫處設置3根?800@600三重管旋噴樁止水，深度與地連墻深度相同。

(2)素墻止水帷幕內采用?850@600三軸攪拌樁對盾構施工范圍地層進行加固，加固深度為地面至盾構隧道底下3 m，加固長度約9 m，取消地面以下6.6 m弱加固區域。攪拌樁加固區水泥摻量15%；水灰比均為1.0。施工中，應保持攪拌樁機底盤的水平和導向架的豎直，攪拌樁垂直度偏差≯L/200(L為樁長)，樁定位偏差≯50 mm。攪拌樁鉆進攪拌速度0.8 m/min，提升攪拌速度1.2 m/min。為保證樁端成樁質量，攪拌樁鉆頭下到設計深度后，應坐底噴漿≮30 s并重復攪拌噴漿。

(3)車站主體結構地連墻與素砼墻圍閉內側設置一排?800@600三重管旋噴樁密貼主體結構地連墻止水。水灰比0.8～1.0，施工控制參數如下：空氣壓力0.7 MPa，漿液壓力3 MPa，水壓25 MPa，提升速度10 cm/min，旋轉速度10 r/min，漿液流量100 L/min。施工過程中出現不返漿、返漿量少時可以采用適當卸壓、放慢鉆桿提速等措施保證返漿暢通，減少對周邊環境擠壓影響。

端頭加固平面布置如圖1、圖2所示。

圖1洪灣站接收端頭加固平面圖
Fig.1Layout of shield receiving end reinforcement at Hongwan Station

圖2 洪灣站接收端頭加固剖面圖Fig.2 Sectional elevation of shield receiving end reinforcement at Hongwan Station

在現有施工工藝中，三軸攪拌樁和三重管旋噴樁是富水砂層地質端頭加固較為成熟的工藝。但其加固質量很大程度上取決于施工過程中的參數控制(如水泥摻量、噴漿壓力、提升速度等)，其加固的最終效果與盾構接收施工風險緊密相關。

接收端頭地基加固完成后，檢測加固后土體28 d無側限抗壓強度≮0.8 MPa。

3.2 盾構接收端頭降水施工

盾構接收端頭加固區域前需對止水帷幕加固區域進行降水施工。本區間地層主要為粗中砂層，地下水位高，基坑降水使盾構接收端頭止水帷幕內地下水水位降至隧底以下，使盾構接收在無水狀態下作業，保證盾構接收的安全。本盾構接收端頭止水帷幕加固區域內共設置4口降水井，降水井深約25 m，井管為?273 mm、壁厚3 mm的鋼管。降水穩定后水位應在隧底標高以下2 m，降水即滿足設計施工要求。

接收端頭止水帷幕區域內降水施工完成后，在洞門開挖輪廓線范圍內打檢查孔，檢查地基加固及降水施工效果，檢查孔全斷面布置且不少于9個，米字形布置，檢查孔直徑63 mm，長度3 m。根據端頭加固施工圖設計檢查方法及標準[12]：(1)平均出水量<0.2 L/min或任一孔出水量<0.5 L/min；(2)壓水檢查，在0.8 MPa壓力下，吸水量<2 L/min；(3)加固土體抗壓強度≮0.8 MPa；(4)滲透系數<10-7cm/s。

3.3 聯系測量及洞門復測

聯系測量是將地面平面坐標系統和高程系統傳遞到井下，使盾構區間上下能采用同一坐標系統進行測量工作。為保證盾構接收準確進洞，本區間盾構接收共進行了4次聯系測量，4次測量相互間差值未超過規定限差，確保了盾構姿態等測量數據的正確性。

根據聯系測量結果，對接收端頭洞門中心坐標進行復測，確定盾構機的貫通姿態及掘進糾偏計劃[11]。在調整盾構接收貫通姿態時應注意兩點：一是盾構接收貫通時的中心軸線與隧道設計軸線的偏差；二是接收洞門中心坐標的偏差。綜合這些因素在隧道設計中心軸線的基礎上進行盾構姿態調整。為保證盾構順利接收上接收架，一般考慮盾構接收貫通前20 m可逐漸將盾構姿態抬高15～30 mm。

4 盾構接收施工控制措施

富水砂層中盾構接收施工極容易發生涌水、涌砂事故，主要風險為盾構開挖直徑比盾構機直徑大，在盾構機外圍形成一環縫，且富水砂層中土層的穩定性很差，使得高水頭細砂和水從此環縫涌入盾構井中，引發涌水、涌砂事故，進而導致地面坍塌，故須采取施工技術措施防止涌水、涌砂事故發生。

4.1 加固區內盾構掘進參數

盾構進入接收端頭加固區后，由于加固區土體強度較高，盾構掘進時扭矩較大，為控制推進軸線，盾構總推力控制在12000 kN以內，降低掘進速度，控制在10 mm/min以內，刀盤轉速降低到0.8 r/min，盾構機在接近洞門前10環范圍內掘進時對每一環同步注漿量需達到每一環理論注漿量的90%以上，并對接收端頭加固區端位置的前后各二環進行二次注漿。

在盾構機抵近圍護結構時需密切關注刀盤扭矩、盾構總推力等掘進參數的變化，避免刀盤前方土體過度擠壓[17]。

4.2 盾尾止水環箍注漿施工

現階段施工工藝中，盾尾注漿封閉止水環一般采取“聚氨酯+雙液漿”，注漿順序為先在靠近盾尾的最后一環或兩環管片上開孔注入聚氨酯，然后再在盾尾第三至五環管片開孔注雙液漿，這樣既能保證止水效果持久，又能避免雙液漿流到盾體外殼快速固結以及導致盾體被固結不能前進的次生事故。

本工程中當盾尾抵近接收端頭加固區與非加固區接縫處時，暫停盾構掘進，通過管片吊裝孔在346～350環進行整環壓注“聚氨酯+雙液漿”，將襯砌管片與開挖面之間的間隙填充密實，在盾尾后方形成止水環箍，保證接收端頭止水的封閉性。

4.3 止水簾布安裝(參見圖3)

盾構機進洞前，采用簾布橡膠板+折頁壓板+螺栓按施工工序安裝在洞門鋼環上進行洞門密封。為保證盾構密封止水效果，采用鋼絲繩穿過折頁壓板卡環，并用倒鏈將鋼絲繩拉緊，使簾布橡膠板與折頁壓板緊壓在盾構機上。為使簾布橡膠板不被盾構刀盤損壞，在簾布橡膠板外側及盾構機刀盤外邊刀上涂抹黃油，以避免簾布橡膠板損壞。

當盾構刀盤進入車站接收洞口時盾構與洞門之間的縫隙可能發生涌水、涌砂現象，需立即收緊鋼絲繩壓緊洞門密封。

圖3 止水簾布橡膠安裝大樣圖Fig.3 Detail drawing of water-sealing fabric rubber installation

4.4 洞門破除

為保證施工安全，應在盾構機刀頭頂到連續墻后再安排洞門破除，且應在洞門破除之前安裝止水簾布，而托架安裝應在第一次洞門破除之后。只有這樣，方可在刀頭頂到連續墻后，空倉觀察土倉內是否有水位上升現象，若有，應采取降水等有效技術措施降低地下水水位，確保洞門破除時無涌水、涌沙現象。

盾構機接收前要先通過水平探孔檢查端頭加固土體的穩定性和滲水情況，防止盾構接收時土體(洞門)塌方。洞門地連墻采用二次破除法，破除洞門結構砼原則上先破除外層鋼筋混凝土，保留里排鋼筋和約10 cm厚的砼層。第一次破除應在盾構機進入到接收端頭加固區后割除外側鋼筋，鑿除600 mm厚地連墻混凝土，安裝止水簾布。為防止洞門完全破除后土體失穩危及車站及隧道安全，第二次破除洞門應在盾構機刀頭頂到圍護結構后開始割除里排鋼筋，鑿除剩余10 cm砼并清理混凝土渣和雜物。

4.5 接收基座施工

盾構接收基座采用鋼筋混凝土澆筑導臺(見圖4、圖5)，導臺斜面預埋300 mm×200 mm×20 mm鋼板，鋼板間距0.5 m，鋼板上焊接43號鋼軌作為盾構滑行導軌。導臺由左右兩個混凝土梁組成，導臺梁長11.2 m，梁寬0.9 m，梁間距2.9 m。導臺梁內植兩排?25@500鋼筋，防止導臺梁受盾構側壓力發生側移破壞。導臺梁澆筑完成后及時對預埋鋼板標高進行復測，以檢測導臺標高誤差是否在允許值范圍內，保證盾構能順利上導軌。

4.6 管片拉緊緊固

圖4 接收導臺示意圖Fig.4 Schematic diagram of receiving guide platform

圖5 接收導臺大樣圖Fig.5 Detail drawing of receiving guide platform

因洞門圍護結構破除后，刀盤前方土壓力消失，為防止管片之間缺乏足夠的千斤頂推力致使管片不能緊密連接，為保證盾構進洞前管片的穩定，在接收前最后10環管片采用槽鋼與管片縱向螺栓拉緊連接，確保洞門附近管片的整體穩定性。

4.7 洞門密封

盾構脫出洞門環后，立即通過管片注漿孔對管片壁后進行二次注漿，將管片與加固土體間隙填充密實。同時盾構機完全進洞后，采用加工好的弧形鋼板將管片與洞門鋼環直接焊接封堵，并在弧形鋼板上預留6個鉆孔進行雙液注漿。注漿遵循先下部、后上部施工順序，使注漿漿液將土體間隙填充密實，保證加固土體與管片形成一個封閉的防水體系。

5 結語

富水砂層中進行盾構接收施工風險系數大，尤其在盾構施工場地周邊建筑物密集，地面為城市主干道等復雜環境條件下，施工技術難度更高，應對各風險因素有針對性的設計、施工方案來保證盾構機安全接收。本文針對桔園洲站—洪灣站區間富水砂層地質條件下盾構接收施工技術進行分析探討，總結出以下幾點經驗：

(1)應根據盾構端頭現場地質水文條件及周邊場地環境選擇合理的接收端頭加固方案，同時適當加長端頭加固長度，以降低涌水、涌砂的風險，從技術方案上確保盾構接收的安全。

(2)通過端頭地連墻加固與加固區內降水井降水相結合，把加固區水位降至盾構機底面以下2 m，確保盾構接收在無水狀態下作業。

(3)盾構進入端頭加固區后，逐步降低土壓設定值，同時放慢掘進速度，加強盾構姿態測量及接收端頭地層變形監測等，超出限值時應采取有效措施進行修正后方能繼續掘進。

(4)盾構進入加固區后，加強對同步注漿施工控制，使加固土體與管片間隙填充密實，控制接收端頭周圍地層沉降。同時在加固區與非加固區接縫處5環管片進行二次注漿壓注雙液漿形成一道止水環箍，徹底將地下水阻止在加固區外，保證盾構接收的安全。