富水卵石层土压平衡盾构水下接收技术

吴 镇， 耿传政， 王 磊

(1. 中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院， 山东 济南 250022； 2. 中铁十四局集团隧道工程有限公司， 山东 济南 250002)

0 引言

盾构始发与接收是盾构法隧道施工过程中的关键点，特别是盾构接收，施工风险高，是事故发生频次较高的阶段。在国内城市轨道交通建设过程中常用的接收方法为接收井端头土体改良加固接收[1-4]，近几年钢套筒接收及水下接收等新型技术在部分城市轨道交通工程及超大型泥水盾构过江隧道中得到应用。朱世友等[5]基于相关工程材料和研究成果，提出加固方案库，通过程序构建一套自动推理方法，根据输入条件可提出合理的加固方案；赵亮等[6]、丁国胜[7]针对富水砂层中盾构接收提出了水平冻结+钢套筒辅助接收方法；邢慧堂[8]、葸振东等[9]、徐延召[10]介绍了超大型泥水盾构水中接收关键技术；贲志江等[11-12]对地铁过江隧道大型泥水盾构接收方式及水下接收技术进行了研究；肖衡等[13]对富水卵石层中土压平衡盾构钢套筒接收关键技术进行了介绍；段锋等[14]针对无水卵石层中盾构接收提出了素桩加固的方法；雷金山等[15]基于板块强度理论对砂卵石地层端头合理纵向加固长度进行了研究。经过前人研究和实践，在盾构接收方面取得了重要的成果和经验，但截至目前未见富水卵石层中土压平衡盾构水下接收的相关报道。本文结合济南轨道交通R1号线大杨站小里程端盾构水下接收的工程实例，介绍土压平衡盾构水下接收技术。

1 工程概况

济南轨道交通R1号线区间风井—大杨站区间线路沿党杨路向北到达大杨站。区间隧道采用盾构法施工，为标准单洞单线圆形断面，管片内径为5.8 m，外径为6.4 m，厚度为0.3 m，环宽为1.2 m。该段区间左右线分别采用1台土压平衡盾构施工，由区间风井始发，在大杨站接收。接收端头隧道线间距为17 m，地面标高为32.5 m，隧道底部标高为15.4 m，隧道覆土厚度为10.7 m。

大杨站位于经十西路与党杨路、齐鲁大道相交处，是R1线与规划M3线的换乘站。车站采用明挖法施工，接收端为地下3层结构，盾构在负2层进行接收，接收底部浇筑临时板，作为接收下沉井使用。车站主体结构顶板覆土为2.8～4.1 m，与M3线换乘节点处底板埋深约为26 m。

接收端头上方存在临时改迁的220 kV供电管沟、DN1000给水管、DN1000雨水管及综合电信管线若干，管线均于端头加固完成后迁改至现位置。车站端头南邻交通导改后的经十路，为济南市贯穿东西的主干道，交通量极大。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据详勘报告，大杨站接收端头场地揭露的地层自上而下分别为①1杂填土、①2素填土、⑦黄土、⑧粉质黏土、⑧3粉土、⑧1卵石、⑩4黏土、⑩粉质黏土。各层土的物理力学参数如表1所示。

大杨站南端头地处济西水源地，隧道拱顶覆土为10.95 m，区间左右线隧道洞身均处在⑧粉质黏土层中，隧道底部以下0.5 m为⑧1卵石层。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

2.2 水文地质条件

车站接收端头处勘察揭露地下水主要为潜水和承压水。潜水的含水层主要为⑧粉质黏土和⑩粉质黏土，承压水的含水层主要为⑧1卵石层。潜水的现状水位标高为25.82 m，位于地面下6.88 m。承压水的水头标高为27.08 m，水头埋深为5.62 m，水头高度为12.35 m。

3 原设计方案存在问题及解决措施

3.1 原设计方案

车站端头加固采用φ800 mm@600 mm高压旋喷桩+φ800 mm@600 mm外围单排素咬合桩止水帷幕+6口备用降水井。大杨站端头加固如图1所示。旋喷桩加固体长度为9 m，加固范围为隧道结构周圈3 m。外围套管咬合素桩插入⑩4黏土层约3.3 m，位于隧道结构以下6 m；咬合素桩与地下连续墙接口位置处采用φ800 mm@600 mm旋喷桩进行补强，旋喷桩长度与套管咬合素桩等长。加固体外侧和中部的降水井井底位于隧道结构底板下8 m，埋深为25.3 m。

3.2 现场存在的问题及原因分析

洞门破除前进行洞门水平取芯(鉴于大杨站基坑开挖及管线迁改的紧迫性，加固效果未及时取芯验证)，取芯钻孔呈梅花形布设，共11个。通过取芯发现，洞门下半断面钻孔中存在涌水现象，水量较大。现场探孔涌水情况如图2所示。

根据钻孔取芯揭露的地质情况并结合降水井成井过程中的地质记录，发现左右线隧道洞身及下方均存在厚度达9 m的⑧1卵石层，与地勘报告中揭露卵石层厚度2 m相差较大。端头加固体中外围素桩实际没有完全插入⑩4黏土层，未能完全隔断卵石层中地下水的水平补给。

3.3 解决措施

考虑到隧道洞身范围内及以下存在较厚的卵石地层，结合降水情况发现该地层渗透系数及水量均较大，洞门破除及盾构进洞接收期间存在洞门涌水风险，分析本工程地质条件及周边环境，采取如下措施。

(a) 平面图

(b) 剖面图图1 大杨站端头加固图(单位： mm)Fig. 1 End soil reinforcement of Dayang Station (unit: mm)

1)采用液氮垂直冻结，在洞门背后形成一道连续的冻结壁，封堵地下水，同时优化洞门破除工艺流程，降低洞门破除过程中的涌水风险。

2)在盾构接收井内浇筑临时挡水墙，采用水下接收，降低盾构接收期间的涌水风险。

3)做好施工监测及施工应急预案，动态调整盾构接收过程中的掘进参数。

4)在盾构接收过程中，控制同步注浆质量，并做好二次及多次补强注浆，封堵地下水。

5)盾构接收完成后，将常规的内置式洞门调整为外凸式洞门，避免内置式洞门位置处破除管片时的风险。

4 盾构水下接收技术

4.1 水下接收施工流程

在盾构接收前及接收过程中，应合理安排液氮垂直冻结、洞门凿除、挡水墙施作及注水、盾构掘进、冻结管拔除等各个工序，做好工序衔接，确保接收安全。盾构接收施工工艺流程如图3所示。

图3 盾构接收施工工艺流程图Fig. 3 Flowchart of shield receiving

4.2 挡水墙及临时板支撑

由于临时中板原设计仅考虑了盾构荷载及部分附加人行荷载，未考虑注水的影响，故临时板下浇筑混凝土支撑柱，提升临时板竖向载荷的承载能力。柱子纵向间距为3.7 m，设置3排，横向间距为3.5 m，每排设置4根。支撑柱尺寸为1 000 mm×700 mm，柱子内配4根钢管(直径48 mm、壁厚3.1 mm)，混凝土等级为C40。

图4 挡水墙及板下支撑柱布置图(单位： mm)

Fig. 4 Layout of water retaining wall and under-supporting column (unit: mm)

4.3 盾构接收基座

考虑到盾构水下接收，常用的钢制或混凝土接收台对盾构接收掘进的控制精度要求相对较高，故本次盾构接收基座采用M7.5水泥砂浆基座。基座在盾构井内为矩形结构，基座宽度与接收井同宽。基座厚度为1.6 m，盾构切削水泥砂浆的最大厚度为0.8 m。长度方向比接收井短1.2 m，是为了防止盾构在刚出洞门进入接收井时刀盘转动破坏帘布橡胶板，盾构在通过该1.2 m范围时，刀盘处于静止状态。盾构接收基座剖面如图5所示。

图5 盾构接收基座剖面图(单位： mm)Fig. 5 Profile of shield receiving base (unit: mm)

4.4 端头冻结加固

在原旋喷桩加固地层中利用垂直冻结孔液氮冻结进行加固地层，使地下连续墙外侧形成不透水的冻结壁，冻结壁起封水作用和承载作用，为盾构接收凿除洞门提供条件。

冻结孔数量及布置： 采用垂直冻结孔单排布置，间距为700 mm，每个端头布置冻结孔15个、测温孔2个。冻结管距离既有地下连续墙300 mm。

根据测温孔温度计算冻结壁平均温度为-17.3 ℃，实际冻结壁帷幕厚度达2.36 m。

冻结体圆板中心处所承受的侧向水土压力

(1)

冻结体强度按照弹性薄板理论进行检算。在侧向水土压力作用下冻结体圆板中心处最大弯拉应力

0.28 MPa<2.0 MPa。

(2)

在侧向水土压力作用下冻结体圆板支座处最大剪应力

(3)

式(2)—(3)中：D为洞口直径，m；t为冻结壁厚度，m；μ为冻结体泊松比。

通过计算可知，2.36 m冻结壁帷幕厚度可满足冻结体强度要求，能够保证洞门凿除的安全。

4.5 洞门凿除

大杨站接收端洞门处地下连续墙槽段长度为6 m，竖向主筋的混凝土保护层内外侧厚度均为70 mm，采用C35水下混凝土。配筋洞门处地下连续墙配筋及连接节点如图6所示。地下连续墙槽段间采用888 mm×500 mm×14 mm×12 mm工字型止水钢板连接，左、右线隧道洞口范围内工字钢连接节点分别为1处和2处。

图6 洞门处地下连续墙配筋及连接节点图(单位： mm)

Fig. 6 Reinforcement and connection nodes of underground diaphragm wall out of tunnel (unit: mm)

盾构接收前，对接收洞门范围内的地下连续墙结构进行人工分层凿除。为降低洞门破除对液氮冻结的影响，避免洞门发生涌水涌泥风险，洞门位置处地下连续墙分3次凿除，每次凿除的厚度分别为10、50、40 cm。为防止盾构进入冻结加固区后刀盘冻结，整个洞门破除过程中应保证刀盘与冻结加固区之间净距大于2 m。洞门破除完毕后，结合盾构掘进情况及时拔除冻结管。当冻结管拔除完毕，盾构刀盘到达冻结加固区外边缘时，开始向明洞内注水，明洞水位线应与外部降水稳定水位线齐平。

4.6 盾构掘进模式及掘进参数

为确保盾构整个接收过程的安全，根据刀盘切削外围套管咬合素桩、旋喷桩、冻结加固区、地下连续墙外边缘至砂浆基座范围、砂浆基座区等5个不同区域(Ⅰ—Ⅴ区)设定不同的掘进模式及掘进参数。盾构掘进参数及掘进模式分区控制如表2所示。Ⅰ—Ⅲ区盾构掘进过程中考虑到掌子面存在水土压力，采用与常规地段相同的全土压掘进模式；Ⅳ—Ⅴ区掌子面为全水压力，采用全土压掘进模式螺旋输送机不能形成“土塞”效应，会出现喷涌现象，故采用封闭掘进模式。盾构掘进参数均是通过经验公式进行推算，然后根据现场掘进反馈数据进行修正总结。盾构在不同区域掘进的示意图如图5所示。

表2盾构掘进参数及掘进模式分区控制表

Table 2 Shield tunneling parameters and tunneling mode corresponding to partition control

掘进区域土舱压力/MPa盾构推力/kN掘进速度/(mm/min)刀盘转速/(r/min)掘进模式 Ⅰ区(素桩加固区)≤0.01≤1×106101 全土压掘进模式 Ⅱ区(旋喷桩加固区)≤0.05≤8×10510～201 全土压掘进模式 Ⅲ区(冻结加固区)≤0.01≤3×105101 全土压掘进模式 Ⅳ区(地下连续墙外边缘至砂浆基座边缘范围区)≤0.01≤1×105100 封闭掘进模式,关闭螺旋输送机 Ⅴ区(砂浆基座区)≤0.01≤1×105100.5 封闭掘进模式,关闭螺旋输送机

4.7 同步注浆及补强注浆

盾构自进入加固区至接收完成整个过程中，应严格控制同步注浆质量，封堵管片与加固区、围护结构、主体接收之间的孔隙，避免涌水现象发生。同步注浆采用水泥砂浆，胶凝时间控制为3～6 h，注浆压力为0.3 MPa，固结体强度1 d不小于0.2 MPa，28 d不小于2.5 MPa，注浆量控制为构筑空隙的1.3～2.5倍。待盾构接收完成后，进行洞内二次补强注浆，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃体积比为1∶1，注浆压力一般为0.3～0.4 MPa，注浆范围为洞门内10环。若在后续施工过程中发现渗漏水现象，继续进行补强注浆，直至无渗水、漏水现象。

4.8 洞门外凸式环梁设计

靠近洞口处3环管片背后注浆凝固后，开始现浇洞门环梁，环梁混凝土型号为C40。考虑到洞门范围内分布有卵石层，且地下水具有承压性，同时受接收端头上方管线及城市主干道变形控制的影响，将左右线洞门后浇环梁做成外凸式。使得拆除或切割后最后一环管片端部距离内衬墙内皮为4 cm，然后通过向管片、内衬墙植筋方式保证两者之间的连接。外凸式环梁现场施工情况如图7所示。

图7 外凸式洞门实物图Fig. 7 Outer convex portal

4.9 现场接收效果

根据现场监测结果，盾构在接收过程中管线最大沉降为1.41 mm，地表、管线及道路均未出现异常，没有出现涌水、涌泥等现象，盾构顺利完成接收。现场盾构接收实物图如图8所示。

图8 现场盾构接收实物图Fig. 8 Shield receiving photo

5 结论与建议

1)富水卵石层中盾构接收可按照洞门破除和盾构接收2个阶段进行考虑。在巨厚富水卵石层中盾构接收，常规加固措施无法保证加固效果时，建议采用水下接收方式。

2)为确保破除地下连续墙后洞门的安全，采取地面垂直冻结对墙后土体进行加固，防止凿除过程中产生涌水、涌泥现象，并通过优化洞门凿除工序，视情况分层分块凿除，以降低洞门凿除的风险。

3)盾构接收阶段采取水下接收方案，使洞门内外侧水土压力得到平衡，防止突水、突泥现象的发生。同时刀盘从开始进入外围素桩至最后完成砂浆基座切削整个过程中，盾构采用不同的掘进模式，保证了土压平衡盾构水下接收的顺利实施，成功解决了富水卵石层中土压平衡盾构的接收难题。

4)外凸式洞门后浇环梁设计减小了洞门永久封堵的施工风险。当洞门处于复杂地质条件，采用内置式洞门位置处管片破除风险较大时，该种做法可推广应用。

5)由于本次临时改变为水下接收方案，总体的费用比较高，而且其中液氮冻结费用所占比例达70%。遇到类似情况接收，建议在洞口范围内采用玻璃纤维筋。针对长大钢筋笼，为防止吊装过程中产生过大变形，建议对钢筋笼刚度保护措施进行研究。另外，优化地下连续墙施工工艺，加大槽段长度，使得工字钢连接节点位于洞口范围以外，或者调整地下连续墙接头形式，可避免凿除洞门风险，不必进行端头冻结加固，直接进行水下接收。