超大型泥水盾構水中接收施工技術

邢慧堂

(中鐵十四局集團 隧道工程分公司，濟南 250002)

隨著我國城市地下空間的開發利用，城市軌道交通工程建設和長、大、深越江越海隧道得到了快速發展。地下工程越來越依賴有利于環境保護的盾構施工技術。鑒于盾構接收施工風險較大，特別是對于大型泥水盾構，由于其掌子面的保壓特性，在破洞門時必然造成內外壓力失衡，易出現盾構與洞門圈間隙涌泥涌砂及地表沉降現象，因此，如何安全、順利地完成盾構接收，是盾構法地下工程亟需解決的難題之一。

1 工程概況

南京長江隧道工程左汊盾構隧道采用雙管單層的結構形式，隧道自浦口工作井始發，在梅子洲工作井進洞接收。盾構隧道采用φ14.93 m的泥水混合式盾構機，盾構管片環外徑 14.5 m，內徑 13.3 m，壁厚 0.6 m，環寬2.0 m，混凝土強度等級 C60，抗滲等級 S12。接收段共計150 m，含75環正線隧道管片及末環管片，末環管片外圈全周預埋鋼板。

1.1 線路平縱斷面

接收段盾構隧道線形較簡單，縱斷面處于4.5%的上坡段，左線隧道平面上里程LK6+531.85以小里程為半徑2 500 m的右轉曲線，LK6+531.85～LK6+622.025為直線段。與右線隧道間距呈減小趨勢，接收端兩線間距僅有7.49 m。

1.2 工程地質條件

1.2.1 地形地貌

南京長江隧道是連接主城區與江北浦口區的重要通道。隧道位于長江河床底部及長江沖淤積低漫灘。兩岸低漫灘高程7.00 m左右，并分布少量水塘、溝渠;南岸長江外堤高程11.40 m。

1.2.2 地質特性

盾構穿越梅子洲長江大堤后，即進入接收段施工，盾構埋深由19.12 m逐漸減少至7.48 m。根據詳勘報告隧道范圍內無建筑物存在。盾構接收段土體根據沉積時代、成因、狀態及其特征，劃分為4個工程地質層:②-3粉質黏土層，④淤泥質粉質黏土、④-2粉土夾粉質黏土，⑦-1粉細砂，⑧粉細砂。

1.2.3 地下水文地質條件

場地地表水主要為長江水，本場地地下水位埋深較淺，區域降雨量大，土中的腐蝕介質基本溶入地下水中，且附近又無污染源。根據南京地區經驗，參照水質條件，判定該地土對混凝土、混凝土中鋼筋無腐蝕，對鋼結構具弱腐蝕。

1.2.4 建筑物及管線

根據現場調查，江中盾構段接收段陸域主要構筑物為長江大堤，起防洪防汛作用。江中盾構段勘探時未發現地下管線通過，穿越線路未發現(人防)地下室。接收段穿越線路重點水利設施為南京長江大堤，為高級別堤防，堤防采用干砌塊石防坡和漿砌塊石護腳，堤頂為水泥砌塊石擋水墻。

2 施工總策劃及實施

2.1 接收總體施工順序(見圖1)

在梅子洲明挖段完成主體結構施工后，首先進行接收井端頭土體加固和接收基座的施工;盾構機接收段施工的同時開展接收井端頭冷凍加固、貫通測量、洞門前井點降水;在上述施工達到設計要求的條件下，盾構機步入加固土體，并同步開展洞門破除施工;洞門破除完成后，向工作井內接收基座上部堆填黏土，黏土堆填高度3～4 m，在確保接收措施全部到位后，向接收井內灌水;拔除凍結管，盾構機破碎凍土墻，在維持內外泥水平衡的前提下逐步步入接收豎井;在盾尾完全進洞門預埋鋼環后，抽掉豎井內泥水，對盾構洞門周圈進行密封注漿加固，同時開展盾構機拆解工作。

圖1 接收流程

2.2 接收基座施工

由于方案采取水中接收，接收基座采用水泥砂漿結構。接收基座長寬與豎井尺寸相同，根據不同階段施工要求，在豎井內采用兩種斷面形式(圖2):在距離大里程端13.5 m范圍內基座為全斷面矩形結構，為保證接收階段管片拼裝有足夠的反力支持，盾構底端向上2.3 m范圍內全部由M7.5水泥砂漿砌筑;在距離小里程端4.5 m范圍內基座為弧形結構，即盾構開挖軌跡線范圍內基座采用黃砂塞填。結構縱向預留兩道，橫向一道溝槽，溝槽為盾構拆解切割預留操作空間，溝槽在接收階段采用黃砂堆填。

2.3 三軸攪拌加固

洞門前方土體采用三軸攪拌樁進行加固。加固區采用φ 1 000 mm三軸攪拌樁滿堂加固，全斷面加固區全長共17 m，加固深度為盾構底部以下2.5 m，深度在25.5～26.0 m，加固寬度46.5 m。

2.4 冷凍加固

為了洞門破除及盾構施工安全，保證加固土體可靠地封水，需對洞門前土體進行冷凍加固施工。

2.4.1 冷凍加固設計

鑒于盾構接收對加固體強度及密封性要求很高，為增加泥水平衡盾構接收工作的可靠性，設計采用整體板塊全深凍結方案:在加固土體和連續墻結合處，即在地下連續墻外圍0.5～1.3 m布置二排凍結孔，并通過人工制冷工藝形成一個凍土壁，將三軸攪拌加固土體和地下連續墻膠結，以隔絕地下水，在凍土壁(封水)與地下連續墻(抗地壓)的聯合支護下進行洞門鑿除。

2.4.2 凍結加固尺寸

根據盾構進洞處主要穿越地層情況判斷，施工時易產生流砂等不良地質現象。該處土體已按設計采用三軸攪拌全部加固完成。鑒于本工程的覆土厚度較薄，本次凍結擬采用全深凍結方式，凍結深度從自然地坪向下26.5 m。

根據始發端的施工經驗，參考始發端的凍土數據，確定凍結加固體尺寸:全深凍結深度為26.5 m(穿過洞口下沿3 m)，凍結壁與連續墻膠結寬度20 m(超過洞門直徑范圍外2.325 m)，凍結壁厚度取1.6 m，冷凍加固平面如圖3。

2.4.3 盾構進洞的條件

盾構在進洞之前，必須具備如下條件方可進洞，見表1。

表1 冷凍加固指標

2.5 洞門端頭井點降水

圖2 接收基座斷面(單位:mm)

為進一步保證盾構的順利到達，防止洞門口發生流砂、管涌等災害事故，設計采用井點降水，在盾構到達加固區之前將洞門口附近的地下水位降至盾構掘進面以下1 m。此次降水集中在洞門附近，考慮到保護加固體的整體性，在加固體中不布置降水井。降水井的布置原則是:盡量靠近洞門口，同時注意避讓已有的建(構)筑物。

圖3 接收井冷凍法加固平面示意

降水施工應避免在冷凍加固體積極凍結階段開展，防止水流造成冷凍體無法交圈。在盾構完全脫離加固土體，洞門密封注漿加固完成后，方可停止降水運行。

2.6 貫通測量

在盾構推進至盾構到達施工范圍時，應對盾構機的位置和盾構隧道的測量控制點進行準確的測量，明確實際隧道中心軸線與隧道設計中心軸線的關系，同時應對盾構接收井的洞門進行復核測量，確定盾構機的貫通姿態及掘進糾偏計劃。在考慮盾構機的貫通姿態時須注意兩點:一是盾構機貫通時的中心軸線與隧道設計軸線的偏差，二是接收洞門位置的偏差。綜合這些因素在隧道設計中心軸線的基礎上進行適當調整，糾偏要逐步完成。為保證接收的精度，安排在隧道貫通前150 m進行貫通測量，貫通測量工作包括地面控制網聯測(平面和高程)及接收井洞門測定(平面與高程)等測量工作。

貫通測量后應及時確認測量成果正確或是采用新成果，保障貫通精度。根據《南京長江隧道工程盾構隧道施工質量檢查與評定標準》規定，高程貫通測量精度<±25 mm，導線貫通測量誤差<±20 mm。

經多次測量，得出左線洞門圓心坐標(表2)及盾構機外殼與洞門鋼環間距見圖4。

表2 左線洞門圓心坐標

圖4 設計軸線上盾構機外殼與洞門鋼環間距(單位:m)

根據測量結果，無需對軸線進行調整，即可保證盾構機順利步入接收豎井。

在進行上述工作的同時，盾構接收階段，應當加強隧道內的水準及導線控制測量。通過增加控制測量的頻率及減小換站距離來減小測量誤差帶來的影響，最終確保盾構順利、準確到達接收。

2.7 洞門破除

在凍結墻體滿足設計強度、確保盾構機具備接收進洞的條件下，方可開展洞門區域連續墻破除工作。

為盡量減少洞門破除對洞圈范圍內的土體影響，確保盾構機安全進洞，洞門連續墻分三次進行鑿除。第一次破除外側混凝土10 cm，剝除地下連續墻內層鋼筋;第二次破除安排在凍結完成交圈后進行，破除混凝土50 cm，破除完成后將混凝土渣清理干凈，在洞門上打探溫孔(共計30個)，檢測溫度是否完成凍結;第三次破除分兩階段實施，一階段在洞門前探測孔溫度(≤－2℃)滿足設計要求后，破除混凝土厚度30 cm，并將破除混凝土渣清理吊運出基坑;二階段在2 d內完成地下連續墻剩余10 cm混凝土及外側鋼筋破除，并將混凝土渣清理完，保證盾構機進洞時連續墻破除及清理工作，且凍結掌子面裸露時間不超過2 d。

破除過程中對洞門范圍墻體位移變化密切觀測，一旦發現洞門圈內墻體或土體有較大變形或有滲漏水現象，立即停止洞門連續墻破除，對滲水部位進行注漿封堵，以防水土流失，影響凍土墻交圈;如未發現異常情況，可直接進入下一層破除。破除時不能一次完成，要分層剝離，第二次破除后洞門連續墻保留厚度不小于400 mm，并保留鋼筋，以保護凍土墻。

洞門破除是個較大的風險點，為此要進行跟蹤監控和量測，量測布點包括接收端頭沉降觀測點，洞門破除水平觀測點和測斜觀測點。

2.8 豎井內堆填黏土和灌水

為了盾構接收時地層穩固，降低大直徑盾構與洞門圈間隙涌泥涌砂及地表沉降風險，設計在洞門混凝土破除完成后，向豎井內回填黏土，使盾構機在通過洞門圈后下部有土體支撐，回填黏土厚度為盾構底部以上4 m，回填黏土應進行壓實。為了確保接收時內外壓力平衡，回填黏土后向工作井內灌入清水，灌水深度為盾構頂部向下3 m。在盾構進入工作井向前推進過程中可以繼續進行泥水循環及同步注漿，確保近洞門段管片環能夠注漿密實，控制管片變形及沉降。

2.9 洞門注漿加固

在盾構機完全進入接收井后，抽出工作井內水，對洞門圈與管片之間間隙立模澆筑混凝土，將暴露土體完全隔離。然后通過預埋鋼環上注漿孔對末環管片進行注漿加固。注漿的過程中要密切關注洞門的情況，一旦發現有漏漿的現象應立即停止注漿并進行封堵處理。確保洞口注漿密實，洞門圈封堵嚴密。通過二次注漿孔對靠近洞門的十環管片進行注漿填充。待注漿凝固后，根據設計要求施作洞門結構。

3 施工風險分析

3.1 端頭冷凍法施工

本工程在旋噴加固土體和端頭連續墻之間加設一道冷凍墻，使旋噴土體與凍結壁共同抵抗水土壓力并可靠封水，增強端頭加固土體的穩定性，確保洞門破除和盾構接收的安全。冷凍法施工進度滯后將直接導致洞門破除和盾構接收后延。而冷凍質量發生問題則可能帶來端頭土體失穩、涌水涌砂、地層塌陷等一系列惡劣后果，因此，冷凍法端頭加固是本工程的重點之一。

3.2 洞門破除

在盾構接收之前，要先進行洞門區域的連續墻破除，并割除所有鋼筋。洞門除第一層鋼筋及保護層已完成破除外，剩余90 cm要在冷凍法達到設計要求后20 d內完成所有混凝土破除、鋼筋割除和渣土清運工作。由于盾構到達和洞門破除時間的相互制約影響，使得破除時間緊，施工難度和風險較大。洞門破除又制約了盾構機接收基座延伸和回填黏土壓實等工序。

3.3 盾構通過冷凍墻體

本工程端頭采取1.6 m冷凍墻，盾構通過冷凍墻時易發生刀盤凍結事故，低溫冷凍墻體與室溫泥漿接觸，還會帶來泥漿性質變化和墻體失穩現象。施工中需確保冷凍墻土體不因熱量散失造成失穩，冷凍管拔除時保留盾構掘進范圍外的冷凍管，必要時可對土體進行補充冷凍。

3.4 接收段淺覆土軸線控制

在盾構接收段需要精確控制盾構姿態沿軸線掘進，但由于盾構處于4.5%的上坡上，且接收段處于淺覆土地層，上部覆土較薄，遠小于1倍盾構直徑，盾構隧道在接收段施工易產生以下問題:

1)由于豎向壓力較小，盾構推進時易“上浮”。

2)由于覆土層薄，泥水易竄出地面“冒漿”，破壞泥水平衡。

3)由于盾構頂部覆土淺，給切口水壓控制增加了難度。切口水壓力波動大，會增加正面土體的擾動，導致正面土體的流失。

因此，淺覆土施工對盾構軸線控制和地面沉降控制有一定的難度，是本工程的重難點之一。

4 結束語

泥水盾構水中接收技術最大的優點是免去了復雜的洞門臨時密封裝置，保證了洞內外的壓力平衡，為管片安裝、同步注漿、渣土排放提供了有利條件，大大提高了盾構接收效率。由于采用了三軸攪拌加固、冷凍加固和強降水三重保險措施，避免了土體失穩、涌水涌砂、地層塌陷現象，接收段地表沉降控制在30 mm以內。南京長江隧道左、右線分別于2009年5月20日和8月22日貫通，盾構接收施工安全、迅速、質量上乘。本施工技術的成功運用，對同類型地質條件下泥水盾構的接收有極好的借鑒和推廣意義。

［1］周文波.盾構法隧道施工技術及應用［M］.北京.中國建筑工業出版社，2004.

［2］上官子昌，李守巨，孫偉 等.盾構機開口率對密封艙土壓力分布影響的數值模擬［J］.鐵道建筑，2009(12):60-62.

［3］楊太華.越江隧道工程大型泥水盾構進出洞施工關鍵技術［J］.現代隧道技術，2005(2):45-48.