崔海濤 路清泉

?

全斷面砂卵石地層暗挖洞內(nèi)盾構(gòu)接收技術(shù)

崔海濤 路清泉

摘 要：全斷面砂卵石地層盾構(gòu)接收常見為豎井接收，暗挖洞內(nèi)接收較為少見，施工難度也較大。文章通過對(duì)暗挖洞內(nèi)盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)的深入研究分析，提出了接收端注漿加固、初支錨噴面加固以及加強(qiáng)盾構(gòu)施工參數(shù)控制等盾構(gòu)接收施工技術(shù)措施，確保了盾構(gòu)安全接收，為北京地區(qū)全斷面砂卵石地層暗挖洞內(nèi)盾構(gòu)接收提供了一種切實(shí)可行的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；砂卵石地層；洞內(nèi)盾構(gòu)接收

崔海濤：北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司第三項(xiàng)目管理中心，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，北京100069

1　工程概況

北京地鐵14號(hào)線西鐵營(yíng)站—右安門外站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，全長(zhǎng)約705 m，其中區(qū)間左線與右安門外站西端頭暗挖段對(duì)接，暗挖段為地下2層單跨結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)32 m，寬7.95 m，復(fù)合式襯砌。區(qū)間左線盾構(gòu)接收端平面布置如圖1所示。

圖1　西—右區(qū)間接收端布置平面圖

2　暗挖洞內(nèi)盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1工程地質(zhì)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

區(qū)間左線接收端隧道范圍基本為全斷面卵石⑦層，隧道頂部分布有卵石、圓礫⑤層，局部夾雜細(xì)砂、粉土等，地層含水率較高，穩(wěn)定性差。同時(shí)地層分布一層潛水，盾構(gòu)接收時(shí)水位標(biāo)高約19.143 m，位于隧道底（標(biāo)高18.465 m）以上67.8 cm，富水砂卵石受擾動(dòng)后極易失穩(wěn)。

區(qū)間左線盾構(gòu)接收端正上方為平房區(qū)，平房大多墻體已開裂屬于危房，盾構(gòu)接收端上方土層分布有φ150 mm上水管、φ1400 mm 雨水管、φ400 mm 污水管及居民生活污水支管等管線，盾構(gòu)接收環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高，施工困難。

2.2全斷面砂卵石地層洞門破除風(fēng)險(xiǎn)分析

本工程所處砂卵石地層具有含水量高、透水性強(qiáng)、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，盾構(gòu)到達(dá)過程中接收端上方土體已經(jīng)受刀盤擾動(dòng)，洞門破除過程中將再次受到擾動(dòng)，自洞門破除開始至盾構(gòu)機(jī)出洞并完成洞門封堵時(shí)段，刀盤掌子面及上方土體在地面荷載、隧道上覆土體和側(cè)向水土壓力的共同作用下，可能沿洞門破除間隙向外滑移，存在發(fā)生涌水、涌砂等事故的安全風(fēng)險(xiǎn)。

砂卵石地層端頭土體的破壞模式不同于黏性土體，室內(nèi)及室外試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，該類型土體的破壞過程表現(xiàn)為偶然性、突發(fā)性、平面及直線型的特征，端頭土體的破壞特征如圖2所示（圖中 P 為地面荷載，W 為隧道上方土體荷載，H 為隧道埋深，D 為隧道直徑，β 為土體破壞角）。

圖2　砂卵石地層端頭土體破壞模式

2.3洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)差異及風(fēng)險(xiǎn)分析

暗挖洞內(nèi)盾構(gòu)接收洞門設(shè)置于二襯結(jié)構(gòu)端墻上，洞門仍為鋼環(huán)嵌入混凝土端墻結(jié)構(gòu)，但洞門圍護(hù)結(jié)為初支錨噴結(jié)構(gòu)，其剛度和強(qiáng)度均小于明挖豎井圍護(hù)樁（或地連墻）結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)到達(dá)推進(jìn)時(shí)容易造成初支結(jié)構(gòu)破裂或端墻二襯結(jié)構(gòu)開裂。

2.4暗挖洞內(nèi)外接收環(huán)境差異及風(fēng)險(xiǎn)分析

暗挖洞內(nèi)接收端空間尺寸較明挖豎井小，通風(fēng)和照明條件差，若接收過程中發(fā)生險(xiǎn)情對(duì)工作面人員造成傷害的概率高，施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大。暗挖段地面為平房區(qū)，且地下雨污水管線較多，地表沉降控制要求較高，盾構(gòu)接收施工難度大風(fēng)險(xiǎn)高。

3　暗挖洞內(nèi)盾構(gòu)接收技術(shù)措施

3.1接收端土體注漿加固

根據(jù)全斷面砂卵石地層特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際條件，針對(duì)端頭土體注漿加固采取如下技術(shù)措施。

3.1.1確定端頭加固技術(shù)參數(shù)

盾構(gòu)接收時(shí)端頭加固土體必須同時(shí)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性、滲透性及盾構(gòu)幾何構(gòu)造尺寸的要求，本工程根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，接收端頭土體加固技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

（1）加固范圍。12 m（寬）×12 m（高）×8 m（長(zhǎng)），滿足盾構(gòu)機(jī)尺寸（φ6260 mm、長(zhǎng)8.8 m）要求。

（2）加固后土體強(qiáng)度。土體加固強(qiáng)度均勻，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。

（3）加固后土體抗?jié)B指標(biāo)。掌子面不能有明顯滲水，滲透系數(shù)不大于1×10-7+cm/s。

3.1.2選擇合理的注漿加固工藝

由于本工程接收端頭地面為老舊平房區(qū)，無法實(shí)施地面加固，綜合考慮后采用洞內(nèi)水平深孔注漿（后退式注漿）工藝，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，并根據(jù)地層含水率變化及時(shí)調(diào)整雙液漿配比，漿液凝結(jié)時(shí)間控制在30～60 s 之間，注漿結(jié)束以注漿量和注漿壓力雙指標(biāo)控制，能較好地確保注漿加固的效果。注漿孔布置如圖3、4所示。

圖3　端頭注漿加固孔位布置圖（單位：mm）

3.1.3綜合檢驗(yàn)土體加固效果

端頭土體加固效果需要滿足強(qiáng)度要求，富水地層必須滿足滲透性要求。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)此處洞門范圍砂卵石土體加固后無法順利進(jìn)行取芯，鉆孔取芯過程中芯體即碎裂，取出芯體呈散碎卵石狀，為檢驗(yàn)本次端頭加固是否滿足盾構(gòu)機(jī)接收要求，采取了如下方法進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）地質(zhì)鉆孔檢驗(yàn)。洞門范圍均勻選取8個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔檢驗(yàn)，鉆機(jī)鉆進(jìn)困難、卡鉆嚴(yán)重，證明加固體強(qiáng)度良好；鉆機(jī)鉆進(jìn)3～5 m，撤回鉆桿，檢查成孔情況，若成孔良好基本無塌孔，則加固體穩(wěn)定性良好；選擇4個(gè)孔內(nèi)埋設(shè)注漿管，孔口封閉，進(jìn)行注水試驗(yàn)，壓力控制在0.2 MPa，其余孔口作為觀察孔，持續(xù)觀察30 min，觀察孔無滲流或有輕微滲水無流砂情況則加固體滿足滲透性要求。

（2）洞門掌子面開孔觀察。在洞門掌子面中上部用水鉆切割1個(gè)50 cm×50 cm 孔口，更加直觀地檢查加固土體狀態(tài)，確保其強(qiáng)度、穩(wěn)定性及透水性滿足要求。

圖4　端頭注漿加固剖面示意圖（單位：mm）

3.2 端頭降水確保地下水位于鋼環(huán)底以下

鑒于全斷面砂卵石地層富水條件下極易失穩(wěn)的特性，盾構(gòu)接收前20天開始進(jìn)行端頭降水，確保盾構(gòu)到達(dá)時(shí)地下水位位于鋼環(huán)底以下，以切斷地層最大水源補(bǔ)給，能有效降低接收風(fēng)險(xiǎn)。

降水方案：接收端頭利用車站預(yù)留的1個(gè)底板未封閉廢水坑和端頭5口降水井實(shí)施降水，廢水坑距離左線端頭位置較近且涌水量大，投入2臺(tái)200 m3/h 潛水泵，其余5口降水井各投入1臺(tái)50 m3/h 潛水泵輔助降水。降水井平面布置如圖5所示。

圖5　端頭降水井平面布置圖（單位：mm）

3.3洞門初支結(jié)構(gòu)增加型鋼支撐

本次盾構(gòu)接收端洞門掌子面為暗挖結(jié)構(gòu)的初支結(jié)構(gòu)，為避免盾構(gòu)機(jī)到達(dá)推進(jìn)時(shí)造成洞門范圍初支結(jié)構(gòu)破裂或端墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固區(qū)前采用型鋼對(duì)洞門初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂撐加固，加固形式如圖6所示，待盾構(gòu)機(jī)刀盤抵達(dá)初支結(jié)構(gòu)后，刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，通過螺旋輸送機(jī)排土將上土倉壓力降為零，然后再拆除型鋼支撐。

型鋼支撐參數(shù)：斜撐采用4道40BH 型鋼，斜撐底端與底板鋼筋焊接，夾角30°；掌子面面撐采用豎向2道雙拼20BH 型鋼，豎撐高度5 m，豎撐與掌子面內(nèi)部型鋼焊接，豎撐與斜撐采用焊接連接。

3.4盾構(gòu)到達(dá)段掘進(jìn)參數(shù)控制

為更好地控制地表沉降，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固區(qū)時(shí)先采用常土壓掘進(jìn)5 m，最后3 m 采用低土壓掘進(jìn)，禁止零土壓掘進(jìn)，并嚴(yán)格控制出土量，避免超排導(dǎo)致上方土體塌陷。具體掘進(jìn)參數(shù)控制如下。

（1）上土壓0.03～0.06 MPa，掘進(jìn)速度10～30 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1轉(zhuǎn)/min。

（2）出土量 V 控制標(biāo)準(zhǔn)，V實(shí)際=1.12V理論。

（3）渣土改良漿液控制。刀盤扭矩允許的情況下盡量減少土倉膨潤(rùn)土漿液的注入量，加大向螺旋輸送機(jī)的膨潤(rùn)土漿液注入量，最后2 m 掘進(jìn)停止向土倉添加改良漿液，適當(dāng)降低土壓改善刀盤扭矩。

（4）同步注漿控制。進(jìn)入加固區(qū)后同步注漿漿液擴(kuò)散系數(shù)變小，同步注漿以壓力控制為主，注漿壓力控制0.5 MPa，由于盾尾刷磨損嚴(yán)重，為防止?jié){液流入盾體，管片拼裝過程中外側(cè)縫隙加填硬質(zhì)海綿。

3.5盾構(gòu)到達(dá)及接收過程風(fēng)險(xiǎn)控制措施

（1）快速洞門破除。洞門破除期間，刀盤上方受擾動(dòng)土體自刀盤與掌子面間隙間塌落的風(fēng)險(xiǎn)較大，為減小洞門破除風(fēng)險(xiǎn)，需優(yōu)化施工方案，盡量縮短作業(yè)時(shí)間。本工程采取分層分塊、自下向上粉碎性破除方案，同時(shí)配置最優(yōu)的人員和設(shè)備，24 h 不間斷三班倒作業(yè)，將洞門破除的時(shí)間縮短到48 h。

圖6　洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)型鋼支撐示意圖（單位：mm）

（2）充分利用洞門止水裝置。盾構(gòu)到達(dá)前在洞門鋼環(huán)外緣安裝“橡膠簾布 + 折頁板”洞門止水裝置，并設(shè)置拉緊鋼絲繩和手拉葫蘆，洞門破除完成后，在鋼環(huán)頂部預(yù)埋3根注漿管（最頂部為排氣孔），盾構(gòu)出洞過程中將止水裝置拉緊，防止同步注漿漿液穿透盾尾密封后涌出，待盾尾即將脫離鋼環(huán)時(shí)停止推進(jìn)，通過同步注漿系統(tǒng)和頂部預(yù)埋的注漿管對(duì)洞門與管片間隙進(jìn)行封堵，待封堵漿液強(qiáng)度滿足要求后方可繼續(xù)推進(jìn)，并拆除止水裝置。

3.6盾構(gòu)接收過程其他安全措施

（1）盾構(gòu)接收前對(duì)接收端上方平房區(qū)居民進(jìn)行疏散安置，確保接收期間平房區(qū)內(nèi)無居民居?。?/p>

（2）盾構(gòu)接收過程加強(qiáng)地表及洞內(nèi)監(jiān)測(cè)和巡視，信息及時(shí)反饋；

（3）制定洞內(nèi)外各風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，備足相應(yīng)應(yīng)急救援物資、設(shè)備，確保險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)能將損失和影響降低到最小。

4　結(jié)論及建議

（1）富水砂卵石地層受擾動(dòng)極易失穩(wěn)，破壞過程具有偶然性和突發(fā)性特點(diǎn)，盾構(gòu)接收前必須做好端頭注漿加固和加固效果檢測(cè)，同時(shí)通過端頭降水確保地下水位位于隧道底以下；

（2）接收端環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高，盾構(gòu)接收段須常壓、低壓掘進(jìn)，嚴(yán)格控制地層沉降，同時(shí)為避免洞門初支結(jié)構(gòu)提前破裂須對(duì)洞門內(nèi)初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂撐加固；

（3）暗挖初支洞門破除空間小、風(fēng)險(xiǎn)大，破除前要制定快速可行的專項(xiàng)方案，并嚴(yán)格執(zhí)行；

（4）盾構(gòu)出洞過程要充分利用洞門止水裝置做好同步注漿和洞門間隙封堵，防止洞門外側(cè)受擾動(dòng)土體塌落或涌出；

（5）制定各項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，接收過程加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)、巡視并及時(shí)進(jìn)行信息反饋，做到信息化施工，提高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處置能力；

（6）目前，北京全斷面砂卵石地層暗挖洞內(nèi)盾構(gòu)接收的案例較少，相關(guān)技術(shù)措施實(shí)踐也較少，還有很多具體研究工作需做，例如，結(jié)合盾構(gòu)接收端的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等開展相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)

［1］ 潘秀明，雷崇紅.+北京地鐵砂卵石礫巖地層綜合工程技術(shù)［M］. 北京：人們交通出版社，2012.

［2］ 周文波. 盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 鮑綏意. 盾構(gòu)技術(shù)理論與實(shí)踐［M］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］ 陳饋，洪開榮，吳學(xué)松. 盾構(gòu)施工技術(shù)［M］. 北京：人民交通出版社，2012.

［5］ 趙立峰. 土壓平衡盾構(gòu)到達(dá)鋼套筒輔助施工接受技術(shù)［J］. 鐵道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，2013（8）.

責(zé)任編輯 朱開明

In-Tunnel Shield Receiving Technology for Excavation in Total Tunnel Section in Sandy Cobble Stratum

Cui Haitao, Lu Qingquan

Abstract:The common in-tunnel shield receiving operation for sandy cobble stratum in total tunnel section is receiving through shaft, and the in-tunnel receiving by excavation methods are relatively rare-seen, because the diffi culty in the working process is huge. The paper analyzes the in-depth study of the risks of in-tunnel shield receiving in the excavation, puts forward the measures including receiving side grouting reinforcement, preliminary support of reinforced surface shotcrete in order to strengthen shield work parameter control for the shield receiving technical measures, ensure the safe shield receiving, which provides a feasible technology for inside tunnel shield receiving for full section sandy pebble stratum excavation in the Beijing area.

Keywords:shield tunnel, sandy cobble stratum, intunnel shield receiving technology

中圖分類號(hào)：U455.43

收稿日期2015-12-04