富水砂層土壓平衡盾構純水下接收施工技術研究

摘要：為確保盾構在無端頭加固等施工條件下安全接收，依托沈陽地鐵二號線南延線土建2標工程，對富水砂層土壓平衡盾構采用純水下接收技術進行研究。對盾構接收前準備工作和水下接收過程關鍵技術的進行闡述，并從現(xiàn)場、工期、經濟、節(jié)能環(huán)保四方面對盾構接收效果分析。研究結果表明：采用純水下接收方式，盾構安全順利接收，且施工工藝簡單，環(huán)保經濟，節(jié)省工期；該技術能有效降低盾構接收過程中引起的地表沉降變形，達到了業(yè)主關于地表沉降≤10mm的要求。

關鍵詞：富水砂層；土壓平衡盾構；鋼托架；洞門密封環(huán)

0" "引言

在富水砂層中，盾構機在接收階段經常會出現(xiàn)涌砂、涌水、以及地面塌陷等事故，危及地下管線及附近建（構）筑物[1-2]。盾構機接收常采用的方法有端頭加固、鋼套筒接收、接收井內回填土接收等方法[3]。針對富水砂層土壓平衡盾構在無端頭加固條件，在不可能采取鋼套筒或接收井內回填土等接收方法情況下，可探索采用水下接收施工技術進行施工。

近年來，針對盾構水下接收技術不少學者進行了研究。楊釗等[4]針對孟加拉卡納普里河底隧道盾構水下接收關鍵技術展開研究。安宏斌等[5]研究了無端頭加固條件下土壓平衡盾構水下接收施工技術。葸振東等[6]研究了超大直徑泥水平衡盾構水下接收加固及保障措施。韓林等[7]分析了富水地層盾構水下接收端頭加固及地表沉降控制技術。為確保盾構在無端頭加固等施工條件下安全接收，本文依托沈陽地鐵二號線南延線土建2標工程，對富水砂層土壓平衡盾構采用純水下接收技術進行研究。

1" "工程概況

沈陽地鐵二號線南延線土建2標全市區(qū)間盾構工程，從全運三路站始發(fā)至市民廣場站接收，在區(qū)間右線設置一處區(qū)間明挖段。明挖段為地下單層矩形框架結構，結構總長92.8m，寬約8.6～17m。盾構機平推過站，盾構施工場地位于沈陽市渾南區(qū)市政府周圍。區(qū)間采用兩臺土壓平衡盾構機施工，盾構開挖直徑6.44m，管片外徑6.2m，內徑5.50m，混凝土強度C50/P10。

盾構隧道穿越粉質黏土、細砂、中粗砂，富含地下水。區(qū)間明挖段接收段地下水位絕對標高為+1.00m，盾構隧道位于地下水位以下，拱頂埋深為15.30m，處于富水砂層。工程周圍環(huán)境復雜、高樓林立、地下管線眾多，市政府要求施工中保護地下水資源，且保證地表沉降小于10mm，施工難度較高。地層水位高于盾構埋深，周邊道路交通繁忙，建筑物較多，沒有端頭加固條件，且不宜采用降水措施。明挖段接收井頂板上只有一個吊裝口，尺寸為10m×5m。

2" "水下接收技術應用總體思路

根據(jù)地層的水文地質情況和施工條件，盾構區(qū)間隧道選用土壓平衡盾構機施工。在盾構機到達明挖段接收井之前，在盾構接收井內安裝洞門密封翻板和簾布橡膠，同時安裝并加固盾構接收托架。利用水體流力學原理計算出接收豎井內注水高度，并注水至指定標高。

嚴格控制盾構機掘進參數(shù)破除圍護樁，確保接收井內回填水與盾構掘進地層的水土之間達到力學平衡狀態(tài)，防止地層中水土向豎井內流失，避免接收井地面塌方。盾構按照不同推進行程的設定參數(shù)進行掘進，待盾構機完全進入接收井內后拉緊簾布橡膠。盾尾尾部20cm留在圍護樁內停機進行洞門注漿封堵，經檢測洞門處封堵完畢后，清理完豎井內回填的水，將盾構推出洞門，盾構機接收完畢。

3" "接收前準備工作

3.1" "施作洞門密封環(huán)

在圍護樁洞門范圍內安裝洞門密封環(huán)，每個洞門安裝一套，同步注漿保證洞門密封效果，等刀盤穿過圍護樁后拉緊鋼絲繩。鋼環(huán)上預留8個注入孔，使用橡膠管接到第二道鋼支撐位置，給每個注入管編號標注位置。當盾構機穿過鋼環(huán)時，如果砂土流入接收井內，可通過注入孔注入聚氨酯等緊急密封漿液進行封堵。

盾構接收端墻安裝固定密封鋼環(huán)，利用鋼絲繩系好鋼環(huán)的翻板固定在相交叉位置。在張緊鋼絲繩一端安裝連接一個3t手拉葫蘆和一個1t拉緊葫蘆。盾構穿墻前鋼絲繩處于放松狀態(tài)，水中接收時潛水員視翻板具體狀態(tài)進行松緊調整，使簾布和翻板始終密貼盾體。

3.2" "施作鋼托架

混凝土導臺前方放置鋼托架，用于接收盾體及后期盾構拆機。為確保盾體在托架上方空推移動時托架不動，托架前方用工字鋼支撐在圍護樁上，后部用工字鋼支撐在混凝土導臺上。鋼托架接收軸線需低于設計軸線5cm。

3.3" "施作混凝土導臺

盾構機穿過圍護樁后，盾構機將被混凝土導臺支撐。導臺能夠調整盾構出洞軸線偏差，同時也為盾構機出洞時提供適當反力作用。導臺包括兩個混凝土塊，上部將被盾構刀盤切割，下部為盾體支撐。導臺尺寸為6.04m×6m×1m，上部50cm采用C20混凝土，下部50cm使用C30混凝土。刀盤破完圍護樁后停止轉動。需要刀盤完全空推出簾布翻板范圍，再轉動切割混凝土導臺，故需在簾布翻板和混凝土導臺之間預留空推空間。

3.4" "接收井內注水

前面接收準備工作完成后，向接收井內注水。盾構穿墻時停止接收井內降水。此時洞門處地下水位標高為+1.0m，接收井內注水標高為+1.5m，比井外水位高0.5m，可以平衡盾構機破墻進入接收井時井外水土壓力。

注水前在圍護樁上標注注水標高，每50cm標記一次，標注范圍為-1.0～+3.0m。檢查盾構進入接收井后水位上升及下降情況。經過理論計算可知，如果沒有水流失或者外部水進入接收井，整個盾構機進入水下后，水位將上升1m。接收井內水深為9.5m，需要注入約9350m3水，采用降水系統(tǒng)進行注水。接收井內注水水位如圖1所示。

4" "水下盾構接收

4.1" "盾構掘進出洞

4.1.1" "盾構到達接收井

盾構到達圍護樁前50m，測量確定盾構機的實際位置，確保盾構按設計軸線掘進。盾構離墻5m時再次測量盾構機位置，將軸線誤差控制在±50mm。盾構到達圍護樁前20m時，接收井停止降水前進行帶壓進倉檢查刀具，確保周邊開挖刀能夠滿足開挖直徑要求。

4.1.2" "刀盤接觸圍護樁

圍護樁直徑為0.8m，接收井設計圍護樁可受盾構載荷為9000kN。盾構開始接觸圍護樁后，將上土壓由6MPa逐步降低，圍護樁最后50cm掘進時上土壓為2MPa，控制盾構貫入度使推力小于9000kN。盾構機掘進完50cm圍護樁后，關閉盾構螺旋輸送機排閘門不再出渣。

密封螺旋輸送機，若不能完全密封，提前更換密封系統(tǒng)。若水從螺旋輸送機漏入，向螺旋輸送機注入聚氨酯進行封堵。刀盤接觸圍護樁及穿墻過程中，對圍護樁變形及地表沉降情況進行實時監(jiān)測。

4.1.3" "刀盤穿過圍護樁

掘進最后70cm時，關閉螺旋輸送機不出土，將刀盤貫入度控制在3mm/r。掘進速度嚴格控制在5mm/min，緩慢磨削圍護樁，確?；炷帘磺兴槎皇潜煌屏眩乐勾髩K混凝土損壞洞門密封裝置。盾構穿墻過程中，可通過盾體膨潤土注入口向盾體周圍注入膨潤土，適當降低盾構出洞推力。同時這也能及時填充開挖輪廓與盾體之間的間隙，保證洞門密封性。刀盤穿過圍護樁后，開挖倉里面將會充滿水，土壓力由接收井內水壓形成。

4.1.4" "盾構在混凝土導臺上掘進

刀盤破除圍護樁后停止轉動，空推穿過橡膠簾布。潛水員再次進入水中拉緊洞門鋼環(huán)翻板上鋼絲繩，使橡膠簾布完全包裹盾體。檢查刀盤離翻板簾布及混凝土托架的距離，以確定刀盤開始轉動的位置，待刀盤體完全離開橡膠簾布翻板即可開始轉動刀盤。隨著盾構刀盤離開橡膠簾布翻板，刀盤切削混凝土導臺上部素混凝土，盾體落在混凝土導臺上，慢慢到達鋼托架。盾構掘進過程中，同步注漿壓力由每環(huán)20MPa逐步減少至5MPa。

4.1.5" "盾構到達停機位置

盾構在刀盤上鋼托架前停止轉動，進行空推。管片拼裝過程中推力始終保持在2500kN。為保證洞門密封狀態(tài)，空推期間潛水員下水檢查盾尾位置，在盾尾末端距圍護樁20cm處停機。

4.2" "洞門密封及抽水

4.2.1" "二次注漿密封洞門

注漿完成后，盾構停機等待24h使砂漿達到足夠強度。使用1：1水泥水玻璃雙液漿，向最后3環(huán)管片所有注漿孔進行二次注漿，確保注漿位置穿過砂漿層。

4.2.2" "檢查洞門密封效果

完成二次注漿后，使用電鉆在圍護樁范圍管片上鉆φ10mm孔，深度為38cm，伸出管片外3cm，位置為上下左右4個部位。檢查是否有滲漏水，如果有滲漏水，應繼續(xù)通過管片注漿孔對最后5環(huán)管片進行二次注漿，重新鉆測水孔檢查滲漏水情況。如此反復，直至側水孔無滲漏水，以確保洞門密封效果后方可進入下一工序。

4.2.3" "抽水

檢查洞門密封效果，如果沒有滲漏水，開始抽水降低水位。為了確保及時發(fā)現(xiàn)是否有滲漏，抽水將逐步進行，每30min降低1～3m水位。如果發(fā)現(xiàn)滲漏，從洞門環(huán)管片注入聚氨酯，最后兩環(huán)隧道管片進行二次注漿。接收井水抽完后，及時清理盾構井。

4.3" "盾構推出洞門

盾構接收順序為：完成注水后接收盾構，將盾尾尾部20cm留在圍護樁內，停機開始二次注漿封堵第一條隧道洞門。抽水降水位至標高+1.5m，其后接收第二臺盾構，二次注漿封堵第二條隧道洞門。經檢測洞門密封效果良好后，抽水降水位，將盾構推出接收洞門，完成盾構水下接收。采用方木支撐管片與混凝土臺之間空隙，使用底部管片在鋼托架上將盾體空推向前移動，直至盾構順利推出洞門。

5" "施工效果分析

沈陽地鐵二號線南延線土建2標全市區(qū)間盾構隧道的施工建設中，通過對工程實際情況具體分析，采用土壓平衡盾構純水下接收方法，最終使盾構快速、安全地完成接收。應用該技術不僅提高了施工效率，縮短了工期，而且有效控制了地表沉降，達到了業(yè)主招標文件關于地表沉降≤10mm的要求，降低了施工風險。

5.1" "工期分析

對比分析鋼套筒接收、端頭加固接收和純水下接收3種盾構接收工藝所需工期。從接收井內準備工作開始到完成盾構接收工作，若采用純水下接收施工需耗時16d，采用鋼套筒接收需要72d，采用端頭加固接收需要16d，加上加固60d，共需要76d。綜合對比可知，通過水下接收對比鋼套筒節(jié)省盾構接收工期56d，對比端頭加固接收節(jié)省了60d，工期占用最短。

5.2" "經濟效益分析

對比分析鋼套筒接收、端頭加固接收和純水下接收3種盾構接收工藝所需費用。盾構純水下接收施工，接收費用為174萬元。若使用鋼套筒接收，接收費用為403萬元。若使用端頭加固接收，接收費用為716萬元。使用純水下接收，對比鋼套筒接收節(jié)省229萬元，對比端頭加固接收節(jié)省542萬元。因此純水下接收經濟效益明顯。

5.3" "節(jié)能環(huán)保效益

采用純水下接收，避免了端頭加固對地下水的污染，減少降水工作對于地下水資源的浪費，環(huán)保效果明顯。采用純水下接收避免了水土流失，有效降低了洞口涌水涌砂、地表隆起與沉降變形等帶來的施工風險，確保了盾構施工的效率和安全。該技術優(yōu)化了施工方案和接收順序，通過往接收井注一次水，先后完成盾構接收，避免了資源浪費。

6" "結束語

采用純水下接收方式盾構安全順利接收，解決了地下水的不利影響，有效降低了盾構接收過程中引起的地表沉降變形，施工工效大大提高。當土壓平衡盾構接收地層中含有黏土、粘質砂土、細砂、粉質細砂等復雜地質，且地下水含量豐富、易滲透時，采用純水下接收技術施工效率高，勞動強度低，環(huán)保效果加強，避免了環(huán)境污染，社會效益顯著，為今后工程施工提供了新的思路。

參考文獻

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