富水砂層超深圓形盾構(gòu)接收井施工關(guān)鍵技術(shù)

董云濤，董 闊，牛秀寶，黃 君，金鈺寅

(1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東 深圳 518083；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及工程技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，跨河越江隧道工程不斷增多。盾構(gòu)法施工憑借其施工速度快、對隧道周邊環(huán)境影響小、安全性較高的特點(diǎn)成為水下隧道施工的常用方法[1]。

盾構(gòu)法施工水下隧道可分為進(jìn)洞始發(fā)、區(qū)間掘進(jìn)、出洞接收3個(gè)階段，盾構(gòu)進(jìn)洞始發(fā)、出洞接收是盾構(gòu)法施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2-4]。不良地質(zhì)或全斷面富水砂層中大直徑泥水平衡盾構(gòu)的出洞接收是施工的一大難點(diǎn)[5]。該施工階段，坍塌、涌砂和噴水等事故頻發(fā)[6]，需采用合理的施工工藝保障施工安全。

對于富水砂層中盾構(gòu)的接收，不同地區(qū)結(jié)合自身施工條件和具體地質(zhì)條件，提出適宜的接收井施工技術(shù)以保證其安全接收。長春地鐵1號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)采用地面三重管旋噴樁加固止水工藝對在富水砂層中的盾構(gòu)接收井進(jìn)行土體加固[7]；武漢長江隧道接收井采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土地下連續(xù)墻和深井降水的方式進(jìn)行加固[8]；廣州地鐵某區(qū)間盾構(gòu)使用密閉接收裝置進(jìn)行接收井施工[9]；天津地鐵3號(hào)線某區(qū)間使用水平凍結(jié)法[10]和接收箱接收工藝[3]實(shí)現(xiàn)安全接收；濟(jì)南地鐵R1線使用垂直凍結(jié)加固、外凸式洞門設(shè)計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)水下接收[6]；南京長江隧道工程在接收井施工中使用冷凍加固、三軸攪拌加固等方法[11]，并對江心洲接收井降水進(jìn)行深入研究[12]。

目前，國內(nèi)外已有關(guān)于不良地質(zhì)情況下盾構(gòu)接收井施工技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)控制和事故處理的案例[13-16]，但在富水砂層超深圓形盾構(gòu)接收井施工技術(shù)尚未成熟，也未形成一套完整、成熟的施工工藝[17]。

本文基于華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項(xiàng)目(一期)下穿黃河隧道工程，對接收井主體結(jié)構(gòu)防水、主體結(jié)構(gòu)逆作法施工、地下水治理和防突涌等內(nèi)容進(jìn)行研究，總結(jié)富水砂層超深圓形盾構(gòu)接收井施工經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)，為今后類似工程提供一定參考。

1 工程概況

華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項(xiàng)目(一期)下穿黃河段盾構(gòu)接收井施工工程位于永寧縣與靈武市交界處。河?xùn)|接收井工程項(xiàng)目位于河?xùn)|側(cè)黃河河道濱河大道約150m，接收井外邊緣與黃河大堤坡腳處水平距離約80m，如圖1所示。

圖1 工程所處地理位置

河?xùn)|接收井直徑為23.60m，周長為69.42m，成槽深度為73.00m。地下連續(xù)墻深70.30m、寬1.50m，共16幅，采用液壓抓斗協(xié)助雙輪成槽機(jī)分2期槽段進(jìn)行施工。

工程場區(qū)位于黃河河床及兩側(cè)一、二級(jí)階地，主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)沖湖積、沖洪積細(xì)砂、粉土組成。接收井地層全斷面以粉細(xì)砂地層為主，各地層參數(shù)如表1所示。

表1 接收井所在地層相關(guān)參數(shù)

2 富水砂層超深圓形地下連續(xù)墻施工技術(shù)

河?xùn)|接收井地下連續(xù)墻分2期槽段進(jìn)行施工，Ⅰ，Ⅱ期槽各8個(gè)，Ⅰ期槽長6.418m，分三銑成槽；Ⅱ期槽長2.80m，一銑成槽；Ⅰ，Ⅱ期槽搭接，搭接長度為53cm(軸線位置)，如圖2所示。

圖2 Ⅰ，Ⅱ期槽段劃分示意

2.1 地下連續(xù)墻施作

Ⅰ期槽上部使用SG60液壓抓斗成槽機(jī)施作，對于液壓抓斗成槽機(jī)無法保證垂直度的部分，即Ⅱ期槽采取銑槽機(jī)一銑成槽。先進(jìn)行Ⅰ期槽段的制作，再使用銑接法在2個(gè)已灌注混凝土的Ⅰ期槽段中間施作Ⅱ期槽，成槽流程如圖3所示。

圖3 Ⅰ，Ⅱ期槽段成槽示意

此工藝的基本原理為：在2個(gè)施作完畢的先行幅中施作嵌幅，先行幅的一邊由銑槽機(jī)切割出粗糙面，提供止水接頭，從而在兩幅間形成止水接縫；地下連續(xù)墻接頭由銑槽機(jī)切割成齒狀，形成較長的防水路線，使地下連續(xù)墻具有較好的防水性能，同時(shí)具有較高的垂直精度。

槽孔驗(yàn)收合格后，用泵吸法清孔換漿。

由于成槽時(shí)反復(fù)使用的泥漿密度和黏度增大，傳統(tǒng)的掃孔→刷壁→清孔換漿順序會(huì)導(dǎo)致接頭處仍存在泥皮，因此采用清孔→刷壁→掃孔工藝，以確保地下連續(xù)墻防水性能。

2.2 泥漿配合比設(shè)計(jì)

由于地下連續(xù)墻較深且各工序施工時(shí)間長，易產(chǎn)生沉渣增厚和槽段失穩(wěn)等問題，因此需對泥漿的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對泥漿性能進(jìn)行檢驗(yàn)以保證施工安全。

從護(hù)壁及攜渣能力角度出發(fā)，選用新型復(fù)合鈉基膨潤土(優(yōu)鉆100)泥漿，以滿足砂層中超深地下連續(xù)墻護(hù)壁要求。泥漿配合比為：膨潤土150kg/m3，純堿5kg/m3，自來水1 000kg/m3。泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 泥漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)

3 接收井主體結(jié)構(gòu)防水技術(shù)

河?xùn)|接收井位于④細(xì)砂層中，主體結(jié)構(gòu)為1.5m厚、73m長地下連續(xù)墻，墻底穿越④細(xì)砂層和⑤1粉質(zhì)黏土層。

3.1 結(jié)構(gòu)防水

接收井主體結(jié)構(gòu)采用抗?jié)B等級(jí)≥P8的高性能防水混凝土，使混凝土結(jié)構(gòu)浸水一定深度而不發(fā)生滲漏。通過加入U(xiǎn)EA膨脹劑等材料，減少混凝土收縮，增強(qiáng)其抗裂性能，并采取相關(guān)措施，盡量減少混凝土在固化過程中出現(xiàn)0.2mm及以上的微裂縫，以保證結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能。

主體結(jié)構(gòu)通過防水卷材和防水墊層等使整個(gè)框架形成封閉的防水體系：①在頂板上涂抹2.5mm厚雙組分聚氨酯防水涂料，并鋪紙?zhí)ビ蜌指綦x層和耐根系穿刺層，最后設(shè)置70mm厚C20細(xì)石混凝土保護(hù)層；②側(cè)墻水泥砂漿找平層及底板澆筑200mm厚C20混凝土墊層，鋪設(shè)瀝青基聚酯胎防水卷材；③頂板、側(cè)墻及底板變形縫處設(shè)置中埋式止水帶。

結(jié)構(gòu)自防水混凝土施工時(shí)，使用插入式振搗器保證混凝土的勻質(zhì)性和密實(shí)度，分段澆筑以減少混凝土的一次澆筑量，從而控制混凝土的溫度應(yīng)力和收縮量，提高混凝土自身抗裂能力。

為保證頂、底板四周與鉆孔樁相接部位的防水性能，將頂、底板瀝青基聚酯胎預(yù)鋪防水卷材向上連續(xù)鋪設(shè)至側(cè)墻上1.0m，以間距200～300mm的水泥釘固定，并用扁銅收口壓條；側(cè)面加鋪兩端抹密封膠的瀝青基聚酯胎防水卷材，并在拐角部位增設(shè)防水加強(qiáng)層。

3.2 施工縫防水

采用預(yù)埋鍍鋅鋼板止水帶和埋設(shè)可重復(fù)注漿的注漿管等方法進(jìn)行施工縫防水，施工過程中在結(jié)合面上鋪涂30～50mm厚1∶1水泥漿；對于不宜施工鋼板止水帶的部位采用緩膨型遇水膨脹止水膠進(jìn)行處理。

4 接收井主體結(jié)構(gòu)逆作法施工技術(shù)

河?xùn)|接收井主體結(jié)構(gòu)采用逆作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)和逆作法開挖工藝結(jié)合的方式。邊開挖基坑邊施工接收井主體，使基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和永久性結(jié)構(gòu)共同作用形成良好的共同受力體，從上至下滑模施工至基坑底部，順作底板及剩余側(cè)墻。

接收井主體結(jié)構(gòu)施作流程如圖4所示。

圖4 逆作法施作流程

冠梁施工時(shí)將基坑開挖至冠梁底標(biāo)高，鑿除連續(xù)墻，綁扎鋼筋施作冠梁，鋼筋綁扎時(shí)，預(yù)留下步內(nèi)襯鋼筋接頭，如圖5所示。

圖5 冠梁施工示意

內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工時(shí)需待混凝土強(qiáng)度符合要求后，繼續(xù)土方開挖至第1道腰梁位置，鑿除腰梁部位地下連續(xù)墻預(yù)留凹槽。采用嵌固方式將腰梁與地下連續(xù)墻咬合，再施作腰梁及第1步內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工示意

循環(huán)開挖，施作腰梁及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，當(dāng)施工至洞門處時(shí)，開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并進(jìn)行地基驗(yàn)槽；地基驗(yàn)槽合格后，先施作底板；底板施作完成后進(jìn)行最后一步內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工。

5 基坑防突涌及地下水治理技術(shù)

地下水是基坑工程施工過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)源，基坑降水設(shè)計(jì)及施工對工程總體安全、質(zhì)量和工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有極大影響。富水飽和砂層中基坑工程由于含水層厚度大、地層滲透性好、地下水位高，降水難度較大[18]。

5.1 降水井概況

根據(jù)施工場地地質(zhì)勘察報(bào)告，場地內(nèi)地層基本為砂土，各層滲透系數(shù)為4.81×10-3～9.66×10-3cm/s，屬強(qiáng)透水層，降水半徑為103.94～329.05m。類比分析地層情況，場區(qū)滲透系數(shù)取9.66×10-3cm/s，降水半徑取329.05m。

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[19]計(jì)算接收井基坑涌水量為1 308m3/d，設(shè)置4口降水井，井深55m。考慮封底加固效果，在基坑外設(shè)2口觀測井，通過坑內(nèi)降水試驗(yàn)檢驗(yàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果。若止水效果不達(dá)標(biāo)，以坑外降水為主，必要時(shí)觀測井可兼作降水井；若達(dá)標(biāo)，則以坑內(nèi)降水為主。

5.2 降水井施工工藝

降水方案及實(shí)施流程為：降水方案設(shè)計(jì)→根據(jù)試驗(yàn)降水井統(tǒng)計(jì)地下水位和涌水量→修訂降水方案→施工降水井→降水管道安裝→降水→水位觀測。降水井施工過程如下。

1)埋設(shè)護(hù)筒 護(hù)筒上部應(yīng)高出地面0.10～0.30m，根據(jù)實(shí)際孔深確定護(hù)筒長度，確保滿足降水施工要求。

2)安裝鉆機(jī) 需保證機(jī)臺(tái)水平，同時(shí)大鉤、轉(zhuǎn)盤與孔的中心在一條直線上。

3)成井施工 選用扭矩較大的GPS-20C型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行鉆井施工；成井過程中控制鉆機(jī)底盤水平度和鉆架垂直度，并在鉆頭上部配置導(dǎo)正器，防止井孔偏斜，同時(shí)減壓鉆進(jìn)，根據(jù)地層嚴(yán)格控制進(jìn)尺速度。

4)清孔換漿 通過泥漿槽將泥漿從泥漿池送至鉆孔，為保證回流速度，槽底需設(shè)置一定坡度，且槽寬宜≥50cm。

5)下井管 檢查過濾器縫隙是否滿足設(shè)計(jì)要求，確保沉降管底部嚴(yán)格封堵；檢查井管焊接形式和焊接質(zhì)量；確認(rèn)合格后開始下井管，并在濾水管兩端設(shè)扶正器保證居中。

6)埋填濾料 在井管內(nèi)下鉆至離孔底0.4m左右處，并在井管上口設(shè)置密封。后從鉆桿內(nèi)泵送泥漿并逐步調(diào)漿，使孔內(nèi)泥漿通過井管與孔壁間的環(huán)狀間隙向外返漿，當(dāng)孔內(nèi)泥漿相對密度調(diào)至1.05后，適當(dāng)減小泵量并填入濾料，在填料過程中不斷測量濾料高度直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7)洗井 使用活塞和空壓機(jī)洗井，先用活塞洗井至洗通濾料，之后提出活塞并用空壓機(jī)洗井，直至水清；洗井過程中，活塞一般需從下向上拉，對于出水量很少的井應(yīng)邊向井內(nèi)注水邊拉活塞。

降水井施工中成孔施工的井管和濾料回填質(zhì)量控制要求如表3所示。

表3 特殊過程質(zhì)量控制要求

6 結(jié)語

以華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項(xiàng)目(一期)下穿黃河隧道河?xùn)|超深圓形盾構(gòu)接收井工程為依托，針對該段地表水系發(fā)達(dá)、飽和砂層含水豐富、黃河水補(bǔ)充充分的難題，論述了富水砂層中超深圓形盾構(gòu)接收井施工關(guān)鍵技術(shù)。

1)針對接收井主體結(jié)構(gòu)防水，從接收井結(jié)構(gòu)防水和施工縫防水兩方面入手，采用加入U(xiǎn)EA膨脹劑的高性能防水混凝土施作主體結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)防水卷材，形成封閉的防水體系，確保接收井主體結(jié)構(gòu)的防水性能。

2)針對富水飽和砂性地層中超深圓形盾構(gòu)接收井圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)逆作法施作難題，采用銑接法工藝提高超深地下連續(xù)墻成槽垂直精度，并形成可靠的止水接頭，同時(shí)采用新型復(fù)合鈉基膨潤土泥漿解決超深地下連續(xù)墻施工過程中可能產(chǎn)生的沉渣增厚和槽段失穩(wěn)等問題。

3)針對富水飽和砂性地層超深圓形基坑突涌及地下水控制難題，在計(jì)算基坑涌水量的基礎(chǔ)上，確定降水井?dāng)?shù)量及深度，結(jié)合降水井現(xiàn)場施工工藝，提出降水運(yùn)行管理及應(yīng)急保障措施。