超深埋富水砂层土压平衡盾构水下接收技术研究

党成鹏

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司

1 引言

课题以广州地铁18号线横沥站-番禺广场站区间HP2中间风井～HP3盾构井区间为依托，该区间沿线地表水丰富，地下水主要由地表水下渗而成，一般与地表水具有直接的补给、排泄关系。HP3 接收井附近洞身穿越地层为中粗砂，上部为淤泥质粉细砂，透水性强，自稳性差，接收时端头有涌水涌沙风险，为确保盾构顺利作业，创新采用了土压平衡盾构水下接收施工工法，使2台8.8m土压盾构机安全快速地完成接收，综合效益显著。

2 工程概况

2.1 区间概况

广州地铁18号线横沥站-番禺广场站区间HP2中间风井～HP3 盾构井盾构区间：区间左线设计起讫里程YDK20+108.5~YDK22+614.645，左线长2503.346m，区间右线设计起讫里程YDK19+784.4~YDK22+606.561，右线长2819.278m，采用两台土压平衡盾构机施工。

2.2 地质水文情况

盾构接收端，隧道穿越地层为<3-2>中粗砂、<3-1>粉细砂、<3-4>卵石,隧道上覆地层从上往下依次为<1-2>素填土、<2-1B>淤泥质土、<2-2>淤泥质粉细砂、<2-1B>淤泥质土、<2-2>淤泥质粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-4>卵石土，,隧道下覆地层<4N-2>粉质黏土、<7-2>强风化砂质泥岩。，地下水按赋存方式分为第四系土层孔隙水（潜水），层状基岩裂隙水、块状基岩裂隙水、构造裂隙水（承压水）。

图1 HP2中间风井~HP3盾构井区间接收端地质纵断面图

3 盾构水下接收施工控制技术

3.1 接收端头加固、降水

接收井端头加固：按蓝图设计要求，采用800mm厚素混凝土连续墙外包，内部采用Φ850@600mm三轴搅拌桩加固，贴近盾构井连续墙一侧设一排Φ800@600mm三管旋喷桩咬合止水的综合加固措施，加固深度32.1m。

3.2 混凝土导台施作

接收基座结构采用M30钢筋混凝土施工。接收基座的中心轴线应与隧道设计轴线一致，同时还需要兼顾盾构机出洞姿态。接收基座的轨面标高除适应于线路情况外，适当降低30mm，以便盾构机顺利上托架。接收基座分两列，基座距延长钢环0.5m。基座轨面中心相距4.4m。基座长16.8m。

3.3 延伸钢环安装

在地面上将延伸钢环拼接完成，盾尾刷焊接完成，安装时先用吊车将延伸钢环吊至井下与洞门齐平再用手拉葫芦将其拉至与洞门钢环贴住，延伸钢环与洞门钢环对齐贴紧后先将其一圈点焊固定住再整圈满焊。

延伸钢环由4个四分之一圆拼接而成，为了便于施工可在拼接前在延长钢环上焊接盾尾刷和钢板束，每块盾尾刷及钢板束应搭接紧密。盾尾刷焊接距延长钢环内侧边线8cm、钢板束焊接距延长钢环外侧边线2cm。焊接时焊缝应饱满、不得漏焊、不得存在砂眼等。

为保证延伸钢环两道密封的密封效果，我们参照盾构机始发前手涂盾尾油脂的方式给钢环上两道密封也填涂盾尾油脂。

3.4 洞门填砂灌水

为了确保出洞安全性，针对出洞填灌水提出了两种方案设想。一种设想是填沙高度至少要将洞门完全埋住甚至要比洞门高1m~2m，理由是水和沙子的密度不一样，基坑灌水至地下水位高度不能保证盾构机磨穿地连墙到盾体被延伸钢环盾尾刷包裹这个过程中洞门处沙子不会大量垮塌；另一种设想为只要保持地下水相对静止，那么洞门处土体就会保持稳定，为了减少前期填砂量以及后期抽水后的清理量，只需要填砂至洞门中心高度即可。

为了验证这两种方案的可行性及优化空间，我们做了如下实验：

实验材料：直径100mm透明钢丝软管、100mm蝶阀、钢卷尺、记号笔、未经清洗的盾构渣土、回填所用沙子

实验步骤：

（1）取2根2.5m长透明钢丝软管中间用蝶阀连接，将钢丝软管两头挂在高处使得蝶阀处为最低点，蝶阀处于关闭状态

（2）在左侧钢丝软管离地85cm、200cm 处用记号笔画线标记，右侧钢丝软管离地15cm、22cm、30cm、200cm处画线标记

（3）往左侧钢丝软管灌入未清洗的渣样至85cm处然后灌水至200cm，再往右侧钢丝软管灌入回填所用沙子至15cm 处然后也灌水至200cm处，最终使得2边液位一样高

（4）打开最低点蝶阀观察两边固体的流动情况。实验结果：打来蝶阀后左侧砂子高度未见明显变化，静置1小时后还是未见变化。实验结论:地层渗水率较低且流动性不强，所以接收井填砂高度只需要填到洞门中心高度即可以减小后期清理量。

根据实验得出的结论，选择填沙至洞门中心高度自延伸钢环外边按照30度放坡，为防止两道盾尾刷之间被沙子进入从而影响密封效果，在填砂之前需要用海绵将两道盾尾刷之间的空隙用海绵填充最后盖好。

上述措施完成后开始填沙，填沙完成后开始灌水至地下水位高度，填沙灌水过程如下。

图2 基坑填沙灌水过程

3.5 盾构机到达前测量

盾构机水下接收过程我们是看不见盾构机与洞门的相对位置的，因此必须对洞内所有的测量控制点进行一次整体的、系统的控制测量复测，对所有控制点的坐标进行精密、准确的平差计算。纠偏要逐步完成，每一环纠偏量不能过大。盾构机到达前100m地段即加强盾构姿态和隧道线形测量，及时纠正偏差确保盾构顺利地从到达口进入。并根据实测的车站洞门位置进行必要的调整隧道贯通时的盾构机刀盘位置。隧道贯通时其刀盘平面偏差允许值：平面≤±20mm、高程≤±50mm。同时将接收过程中各个关键位置对应的导向系统里程做成表格。

3.6 盾构接收

为了防止刀具长距离砂层掘进磨损量过大，导致刀盘开挖直径小于盾体直径从而引发盾体被地连墙卡住这一问题，因此在盾构机到达地连墙前带压开仓检查边缘滚刀磨损情况，刀具检查主要针对保径刀，如果保径刀磨损过大则必须更换。

刀具检查完成后开始磨地连墙，磨墙过程控制掘进速度在20mm~40mm 左右，当地连墙只剩30cm 时进一步降低掘进速度至15mm 左右，在这段掘进过程中螺旋机可持续出土，当螺旋机出土口一旦出现渣土明显变稀的情况立刻停螺旋机并关闭上下闸门。为了防止出现螺旋机闸门密封磨损关不死出现漏水的情况，需提前在隧道里准备好聚氨酯注入设备以及材料。掘进至刀盘到达洞门预埋钢环小里程位置时停止刀盘转动直接往前推进拼装。

根据导向系统里程和盾体尺寸计算出盾尾与延伸钢环搭接50cm时停止推进开始封堵洞门。为了减少对洞门的扰动，双线接收过程中先让一台机到达停机位置开始封堵后再进行另一台机的掘进接收工作。

3.7 洞门封堵

右线拼最后一环管片为1760 环，当环管片伸出延伸钢环1m，每环管片宽度1.6m，出洞最后20 环管片都是增设注浆孔管片，通过计算可知1759环管片注浆孔位置对应洞门地连墙位置，1758环管片注浆孔对应地连墙后方加固体三轴旋喷桩位置。

首先从1759 环6 点位开孔注双液浆，注浆压力变大后就更换注浆孔，实际注浆过程中我们要求注浆由下往上，左右交替，而且必须保证除了封顶块之外所有注浆孔都必须开孔注浆，按照此方式把1759 环注完后紧接着在1758 环按照同样的方式进行注浆，由于1759环注浆孔还在连续墙范围内，所以开孔深度有所限制，而1758环注浆孔已经出了地连墙范围，开孔的时候可以打深孔。

在洞门位置进行二次注浆的同时在加固体外侧混凝土素墙位置管片开孔用台车同步注浆管进行补注水泥砂浆以封堵加固体后方来水。

为了减少砂浆凝固时间，在拌制过程中每方浆液另外加入了1 包普通硅酸盐水泥，砂浆取样初凝时间为10 小时。双液浆经过现场实验调整初凝时间为50s。注浆完成后，为了检验注浆效果，我们对注浆质量进行了检查，确保无渗漏水即达到洞门封堵要求。

3.8 基坑排水

洞门注浆质量检查合格后开始基坑抽排水，第一次抽水将接收井水抽去一半，然后观察水位变化若干小时，确定井外无水土流进接收井，也没有引起井内液面高度变化再继续抽水，如果水位上涨明显则需要再次进行洞门封堵。

水位抽至洞门高度时要密切关注两边洞门钢环有无渗漏水情况，取保洞门无渗漏后可将基坑内水抽完，抽完水后即可开始泥沙清理工作，泥沙清理完成后将盾构机往前推进至盾尾与延伸钢环完全分离，分离过程也必须关注洞门情况，一旦出现渗水情况立即进行二次注浆或者注聚氨酯。

抽排水过程中通过观察发现停止抽水后液位无明显上升，水抽完后洞门一圈未出现渗漏情况，说明此次洞门封堵效果良好，最后将盾尾与延伸钢环脱离之后洞门依然未出现渗漏，此次水下接收成功完成。

4 结语

深覆土富水砂层盾构接收施工具有施工风险高、控制难度大、社会影响大等显著特点，结合广州地铁18号线横沥站-番禺广场站区间HP2 中间风井~HP3 盾构井区间水下接收的成功案例，说明这个难题是可以克服的，风险也是可控的，主要从以下几个方面进行管控：（1）全面理解深覆土富水砂层盾构接收施工工程本身的特点、难点、重点；（2）结合工程特点，合理进行方案对比优选；（3）积极借助自动化监测预警、信息化视频监控等有效手段确保信息实时传达；（4）层层落实管理责任，从基础作业人员抓起，确保技术方案执行有力；（5）充分估计困难和风险，充分考虑应急预案，做到有备无患。