全断面砂卵石地层暗挖洞内盾构接收技术

崔海涛 路清泉



全断面砂卵石地层暗挖洞内盾构接收技术

崔海涛 路清泉

摘 要：全断面砂卵石地层盾构接收常见为竖井接收，暗挖洞内接收较为少见，施工难度也较大。文章通过对暗挖洞内盾构接收风险的深入研究分析，提出了接收端注浆加固、初支锚喷面加固以及加强盾构施工参数控制等盾构接收施工技术措施，确保了盾构安全接收，为北京地区全断面砂卵石地层暗挖洞内盾构接收提供了一种切实可行的技术。

关键词：盾构隧道；砂卵石地层；洞内盾构接收

崔海涛：北京市轨道交通建设管理有限公司第三项目管理中心，副总经理，高级工程师，北京100069

1　工程概况

北京地铁14号线西铁营站—右安门外站区间采用盾构法施工，全长约705 m，其中区间左线与右安门外站西端头暗挖段对接，暗挖段为地下2层单跨结构，长32 m，宽7.95 m，复合式衬砌。区间左线盾构接收端平面布置如图1所示。

图1　西—右区间接收端布置平面图

2　暗挖洞内盾构接收风险分析

2.1工程地质及环境风险分析

区间左线接收端隧道范围基本为全断面卵石⑦层，隧道顶部分布有卵石、圆砾⑤层，局部夹杂细砂、粉土等，地层含水率较高，稳定性差。同时地层分布一层潜水，盾构接收时水位标高约19.143 m，位于隧道底（标高18.465 m）以上67.8 cm，富水砂卵石受扰动后极易失稳。

区间左线盾构接收端正上方为平房区，平房大多墙体已开裂属于危房，盾构接收端上方土层分布有φ150 mm上水管、φ1400 mm 雨水管、φ400 mm 污水管及居民生活污水支管等管线，盾构接收环境风险高，施工困难。

2.2全断面砂卵石地层洞门破除风险分析

本工程所处砂卵石地层具有含水量高、透水性强、稳定性差等特点，盾构到达过程中接收端上方土体已经受刀盘扰动，洞门破除过程中将再次受到扰动，自洞门破除开始至盾构机出洞并完成洞门封堵时段，刀盘掌子面及上方土体在地面荷载、隧道上覆土体和侧向水土压力的共同作用下，可能沿洞门破除间隙向外滑移，存在发生涌水、涌砂等事故的安全风险。

砂卵石地层端头土体的破坏模式不同于黏性土体，室内及室外试验的研究结果表明，该类型土体的破坏过程表现为偶然性、突发性、平面及直线型的特征，端头土体的破坏特征如图2所示（图中 P 为地面荷载，W 为隧道上方土体荷载，H 为隧道埋深，D 为隧道直径，β 为土体破坏角）。

图2　砂卵石地层端头土体破坏模式

2.3洞门围护结构差异及风险分析

暗挖洞内盾构接收洞门设置于二衬结构端墙上，洞门仍为钢环嵌入混凝土端墙结构，但洞门围护结为初支锚喷结构，其刚度和强度均小于明挖竖井围护桩（或地连墙）结构，盾构到达推进时容易造成初支结构破裂或端墙二衬结构开裂。

2.4暗挖洞内外接收环境差异及风险分析

暗挖洞内接收端空间尺寸较明挖竖井小，通风和照明条件差，若接收过程中发生险情对工作面人员造成伤害的概率高，施工作业安全风险大。暗挖段地面为平房区，且地下雨污水管线较多，地表沉降控制要求较高，盾构接收施工难度大风险高。

3　暗挖洞内盾构接收技术措施

3.1接收端土体注浆加固

根据全断面砂卵石地层特点，结合工程实际条件，针对端头土体注浆加固采取如下技术措施。

3.1.1确定端头加固技术参数

盾构接收时端头加固土体必须同时满足强度、稳定性、渗透性及盾构几何构造尺寸的要求，本工程根据设计要求和实际施工经验，接收端头土体加固技术参数设计如下。

（1）加固范围。12 m（宽）×12 m（高）×8 m（长），满足盾构机尺寸（φ6260 mm、长8.8 m）要求。

（2）加固后土体强度。土体加固强度均匀，无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。

（3）加固后土体抗渗指标。掌子面不能有明显渗水，渗透系数不大于1×10-7+cm/s。

3.1.2选择合理的注浆加固工艺

由于本工程接收端头地面为老旧平房区，无法实施地面加固，综合考虑后采用洞内水平深孔注浆（后退式注浆）工艺，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，并根据地层含水率变化及时调整双液浆配比，浆液凝结时间控制在30～60 s 之间，注浆结束以注浆量和注浆压力双指标控制，能较好地确保注浆加固的效果。注浆孔布置如图3、4所示。

图3　端头注浆加固孔位布置图（单位：mm）

3.1.3综合检验土体加固效果

端头土体加固效果需要满足强度要求，富水地层必须满足渗透性要求。但实践发现此处洞门范围砂卵石土体加固后无法顺利进行取芯，钻孔取芯过程中芯体即碎裂，取出芯体呈散碎卵石状，为检验本次端头加固是否满足盾构机接收要求，采取了如下方法进行验证。

（1）地质钻孔检验。洞门范围均匀选取8个点位进行钻孔检验，钻机钻进困难、卡钻严重，证明加固体强度良好；钻机钻进3～5 m，撤回钻杆，检查成孔情况，若成孔良好基本无塌孔，则加固体稳定性良好；选择4个孔内埋设注浆管，孔口封闭，进行注水试验，压力控制在0.2 MPa，其余孔口作为观察孔，持续观察30 min，观察孔无渗流或有轻微渗水无流砂情况则加固体满足渗透性要求。

（2）洞门掌子面开孔观察。在洞门掌子面中上部用水钻切割1个50 cm×50 cm 孔口，更加直观地检查加固土体状态，确保其强度、稳定性及透水性满足要求。

图4　端头注浆加固剖面示意图（单位：mm）

3.2 端头降水确保地下水位于钢环底以下

鉴于全断面砂卵石地层富水条件下极易失稳的特性，盾构接收前20天开始进行端头降水，确保盾构到达时地下水位位于钢环底以下，以切断地层最大水源补给，能有效降低接收风险。

降水方案：接收端头利用车站预留的1个底板未封闭废水坑和端头5口降水井实施降水，废水坑距离左线端头位置较近且涌水量大，投入2台200 m3/h 潜水泵，其余5口降水井各投入1台50 m3/h 潜水泵辅助降水。降水井平面布置如图5所示。

图5　端头降水井平面布置图（单位：mm）

3.3洞门初支结构增加型钢支撑

本次盾构接收端洞门掌子面为暗挖结构的初支结构，为避免盾构机到达推进时造成洞门范围初支结构破裂或端墙结构产生裂纹，在盾构机进入加固区前采用型钢对洞门初支结构进行顶撑加固，加固形式如图6所示，待盾构机刀盘抵达初支结构后，刀盘停止转动，通过螺旋输送机排土将上土仓压力降为零，然后再拆除型钢支撑。

型钢支撑参数：斜撑采用4道40BH 型钢，斜撑底端与底板钢筋焊接，夹角30°；掌子面面撑采用竖向2道双拼20BH 型钢，竖撑高度5 m，竖撑与掌子面内部型钢焊接，竖撑与斜撑采用焊接连接。

3.4盾构到达段掘进参数控制

为更好地控制地表沉降，盾构机进入加固区时先采用常土压掘进5 m，最后3 m 采用低土压掘进，禁止零土压掘进，并严格控制出土量，避免超排导致上方土体塌陷。具体掘进参数控制如下。

（1）上土压0.03～0.06 MPa，掘进速度10～30 mm/min，刀盘转速1转/min。

（2）出土量 V 控制标准，V实际=1.12V理论。

（3）渣土改良浆液控制。刀盘扭矩允许的情况下尽量减少土仓膨润土浆液的注入量，加大向螺旋输送机的膨润土浆液注入量，最后2 m 掘进停止向土仓添加改良浆液，适当降低土压改善刀盘扭矩。

（4）同步注浆控制。进入加固区后同步注浆浆液扩散系数变小，同步注浆以压力控制为主，注浆压力控制0.5 MPa，由于盾尾刷磨损严重，为防止浆液流入盾体，管片拼装过程中外侧缝隙加填硬质海绵。

3.5盾构到达及接收过程风险控制措施

（1）快速洞门破除。洞门破除期间，刀盘上方受扰动土体自刀盘与掌子面间隙间塌落的风险较大，为减小洞门破除风险，需优化施工方案，尽量缩短作业时间。本工程采取分层分块、自下向上粉碎性破除方案，同时配置最优的人员和设备，24 h 不间断三班倒作业，将洞门破除的时间缩短到48 h。

图6　洞门围护结构型钢支撑示意图（单位：mm）

（2）充分利用洞门止水装置。盾构到达前在洞门钢环外缘安装“橡胶帘布 + 折页板”洞门止水装置，并设置拉紧钢丝绳和手拉葫芦，洞门破除完成后，在钢环顶部预埋3根注浆管（最顶部为排气孔），盾构出洞过程中将止水装置拉紧，防止同步注浆浆液穿透盾尾密封后涌出，待盾尾即将脱离钢环时停止推进，通过同步注浆系统和顶部预埋的注浆管对洞门与管片间隙进行封堵，待封堵浆液强度满足要求后方可继续推进，并拆除止水装置。

3.6盾构接收过程其他安全措施

（1）盾构接收前对接收端上方平房区居民进行疏散安置，确保接收期间平房区内无居民居住；

（2）盾构接收过程加强地表及洞内监测和巡视，信息及时反馈；

（3）制定洞内外各风险应急预案，备足相应应急救援物资、设备，确保险情发生时能将损失和影响降低到最小。

4　结论及建议

（1）富水砂卵石地层受扰动极易失稳，破坏过程具有偶然性和突发性特点，盾构接收前必须做好端头注浆加固和加固效果检测，同时通过端头降水确保地下水位位于隧道底以下；

（2）接收端环境风险高，盾构接收段须常压、低压掘进，严格控制地层沉降，同时为避免洞门初支结构提前破裂须对洞门内初支结构进行顶撑加固；

（3）暗挖初支洞门破除空间小、风险大，破除前要制定快速可行的专项方案，并严格执行；

（4）盾构出洞过程要充分利用洞门止水装置做好同步注浆和洞门间隙封堵，防止洞门外侧受扰动土体塌落或涌出；

（5）制定各项应急预案，接收过程加强施工监测、巡视并及时进行信息反馈，做到信息化施工，提高风险应急处置能力；

（6）目前，北京全断面砂卵石地层暗挖洞内盾构接收的案例较少，相关技术措施实践也较少，还有很多具体研究工作需做，例如，结合盾构接收端的环境风险等开展相关研究。

参考文献

［1］ 潘秀明，雷崇红.+北京地铁砂卵石砾岩地层综合工程技术［M］. 北京：人们交通出版社，2012.

［2］ 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2004.

［3］ 鲍绥意. 盾构技术理论与实践［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

［4］ 陈馈，洪开荣，吴学松. 盾构施工技术［M］. 北京：人民交通出版社，2012.

［5］ 赵立峰. 土压平衡盾构到达钢套筒辅助施工接受技术［J］. 铁道设计标准，2013（8）.

责任编辑 朱开明

In-Tunnel Shield Receiving Technology for Excavation in Total Tunnel Section in Sandy Cobble Stratum

Cui Haitao, Lu Qingquan

Abstract:The common in-tunnel shield receiving operation for sandy cobble stratum in total tunnel section is receiving through shaft, and the in-tunnel receiving by excavation methods are relatively rare-seen, because the diffi culty in the working process is huge. The paper analyzes the in-depth study of the risks of in-tunnel shield receiving in the excavation, puts forward the measures including receiving side grouting reinforcement, preliminary support of reinforced surface shotcrete in order to strengthen shield work parameter control for the shield receiving technical measures, ensure the safe shield receiving, which provides a feasible technology for inside tunnel shield receiving for full section sandy pebble stratum excavation in the Beijing area.

Keywords:shield tunnel, sandy cobble stratum, intunnel shield receiving technology

中图分类号：U455.43

收稿日期2015-12-04