葉新豐 ，張寧忠，吳精義，李振東 ，龔潔英，劉尚偉，李彥朋

（1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2. 城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；3．北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；4. 北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100055）

1 研究背景

隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，盾構(gòu)法施工得到普遍應(yīng)用，成為區(qū)間隧道施工最常用的一類施工方法。但隨著軌道交通線網(wǎng)加密，隧道埋深進(jìn)一步加大，盾構(gòu)接收的難度加劇，尤其是在地下水豐富、且水流速較快地區(qū)，盾構(gòu)接收往往遇到諸多困難[1]。為此許多學(xué)者針對盾構(gòu)接收提出了各類接收方案，根據(jù)目前已有文獻(xiàn)總結(jié)，盾構(gòu)接收方案主要分為加固法、凍結(jié)法、鋼套筒、水中接收4 種接收類型或其組合類型。文獻(xiàn)[2-3]分別研究南京、蘇州兩地地鐵區(qū)間，在高地下水水位、富水砂層條件下采用凍結(jié)法并取得良好效果；文獻(xiàn)[4-5]分別以太原、鄭州兩地富水砂層地鐵區(qū)間為例，研究采用鋼套筒方案接收的可行性及安全性。相對凍結(jié)及鋼套筒施工而言，采用端頭加固作為盾構(gòu)接收方式較為常見，文獻(xiàn)[6]介紹了福州地鐵在軟弱富水砂層中采用注漿加固地層結(jié)合降水條件下的盾構(gòu)接收，文獻(xiàn)[7-8]分別介紹了武漢市軌道交通2 號線越江隧道及某盾構(gòu)區(qū)間采用回填砂石及水的方式，當(dāng)接收井內(nèi)外水壓平衡后進(jìn)行接收，文獻(xiàn)[9]介紹了在以色列特拉維夫輕軌項(xiàng)目中，采用全水下盾構(gòu)接收的案例。文獻(xiàn)[10]介紹常見端頭加固形式有注漿法、深層攪拌法、高壓旋噴法、素混凝土樁(墻)法等。文獻(xiàn)[11]介紹了在天津地鐵施工中采用水平凍結(jié)+垂直加固的案例，文獻(xiàn)[12-14]介紹了在南京、武漢、哈爾濱地鐵施工中采用凍結(jié)+垂直加固的案例，文獻(xiàn)[15]介紹了在富水的粉砂夾粉土、粉質(zhì)黏土中，采用盾構(gòu)鋼套筒+凍結(jié)法施工的案例，文獻(xiàn)[16]介紹了在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，采用凍結(jié)法+水中接收超大型泥水盾構(gòu)的案例。具體案例、適應(yīng)環(huán)境及工期造價比較見表1。

北京地鐵19 號線支線清河站南側(cè)盾構(gòu)區(qū)間，原方案為端頭加固施工，因地下水豐富，地下水流速快及補(bǔ)給充分，加固方案經(jīng)試驗(yàn)檢測效果未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，因此考慮其他接收方案。考慮場地地下水流速過快不易形成凍結(jié)壁，且接收井場地狹小，安裝鋼套筒條件有限，因此放棄凍結(jié)及鋼套筒接收方案，選擇水下接收方案。文獻(xiàn)[7-8]提及的接收方案主要為在接收區(qū)域加入砂土或加氣磚，之后在頂部填充水(砂土、加氣磚填充厚度高于盾構(gòu)機(jī)頂部)，因此其接收主要為類土體接收，而本次接收方案為純水中接收，這在國內(nèi)研究文獻(xiàn)中較為鮮見，筆者對采用接收井內(nèi)盾構(gòu)全水中接收關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

表1 盾構(gòu)接收典型案例 Table 1 Typical case of shield receiving

2 工程概況

2.1 工程背景

區(qū)間盾構(gòu)接收井位于北京市八家郊野公園內(nèi)，現(xiàn)狀主要為綠地，場區(qū)內(nèi)無管線。區(qū)間盾構(gòu)接收井結(jié)構(gòu)形式為3 層雙跨框架結(jié)構(gòu)，由中隔墻將接收井分為左右兩個尺寸相同洞室。洞室結(jié)構(gòu)凈空尺寸長14.50 m、寬11.40 m、高19.26 m，左右線分別進(jìn)行接收，為防止回灌水左右互通，接收時采用砌磚臨時封堵防火門，并采用工字鋼支頂，增強(qiáng)防水能力。區(qū)間盾構(gòu)接收井位于永定河沖積扇平原，土層劃分為人工堆積層、第四紀(jì)沖洪積層。接收位置盾構(gòu)隧道穿越地層為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵石圓礫層，地質(zhì)剖面如圖1 所示。接收區(qū)域地層自上而下描述參數(shù)如表2 所示。

圖1 接收井地質(zhì)剖面 Figure 1 Geological profile of the arriving shaft

表2 接收段地層參數(shù) Table 2 Soil parameters in the shield-reception section

接收段賦存3 層地下水，地下水類型分別為潛水(2)、承壓水(3)、承壓水(4)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析，觀測深度范圍以下的砂土層、粉土層、卵石層普遍呈飽和狀態(tài)，均應(yīng)視為含水層。隧道底部及接收井底板均進(jìn)入承壓水(4)。根據(jù)勘察報告顯示場區(qū)附近承壓水(3)的平均流速為7.70 m/d。地下水水位如表3、圖1所示。

表3 地下水特征及埋深 Table 3 Groundwater characteristics and buried depth m

2.2 工程參數(shù)

盾構(gòu)區(qū)間襯砌采用鋼筋混凝土預(yù)制管片，管片外徑6 400 mm，內(nèi)徑5 800 mm，厚度300 mm，管片長度1.2 m。盾構(gòu)接收井采用明挖法施工，基坑采用鉆孔灌注樁+止水帷幕+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。接收洞門端頭圍護(hù)樁采用玻璃纖維筋代替普通鋼筋，玻璃纖維筋長度為9.4 m(盾構(gòu)隧道直徑6.4 m+上下各1.5 m)，玻璃纖維筋與普通鋼筋主筋搭接長度為2.2 m，采用U型扣件連接。

盾構(gòu)機(jī)采用2 臺中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)如表4 所示。

表4 盾構(gòu)機(jī)參數(shù) Table 4 Parameters of the shield machine

3 全水中接收施工工序及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 盾構(gòu)全水中接收工序

盾構(gòu)全水中接收工序流程及其主要工作如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)全水中接收施工工序 Figure 2 Construction process of an underwater reception of the shield machine

3.2 盾構(gòu)接收各階段風(fēng)險及控制措施

3.2.1 接收準(zhǔn)備階段

盾構(gòu)接收過程中的主要風(fēng)險有：盾構(gòu)推進(jìn)方向與設(shè)計(jì)方向偏差超限、刀盤出洞時易發(fā)生涌水涌砂、盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)栽頭等。為了保證盾構(gòu)能夠安全順利接收，接收前采取了以下技術(shù)措施，應(yīng)對可能出現(xiàn)的風(fēng)險：①為避免盾構(gòu)推進(jìn)方向超限，接收前對盾構(gòu)姿態(tài)與洞門進(jìn)行復(fù)測，校核位置關(guān)系，指導(dǎo)接收姿態(tài)控制參數(shù)，將盾構(gòu)姿態(tài)偏差控制在±20 mm 以內(nèi)；②應(yīng)對可能發(fā)生的涌水涌砂，首先進(jìn)行地面注漿加固，洞門采用小導(dǎo)管水平注漿，加固接收端土體，其次安裝洞門橡膠簾布與扇形壓板作為止水裝置，最后洞門增加一道洞門鋼刷，加強(qiáng)對水土流失的控制；③在洞門下方增設(shè)一個凸起，主動抬高盾構(gòu)機(jī)頭部，同時對接收基座進(jìn)行定位安裝；④在施工現(xiàn)場接收井四周增設(shè)24 口應(yīng)急降水井，作為應(yīng)急使用，特殊狀況下開啟，以降低接收井井外水頭高度，減少突涌風(fēng)險。

3.2.2 加固區(qū)掘進(jìn)階段

加固區(qū)掘進(jìn)階段主要風(fēng)險：盾構(gòu)推進(jìn)速度過快、土倉壓力過大造成接收洞門受壓較大；加固區(qū)土體受施工影響不密實(shí)形成流水通道；盾構(gòu)姿態(tài)偏差超限。

針對上述風(fēng)險，盾構(gòu)端頭加固區(qū)掘進(jìn)技術(shù)控制點(diǎn)為：①降低盾構(gòu)推進(jìn)速度，控制在20～15 mm/min，降低土倉壓力，減小對洞門壓力；②加強(qiáng)同步注漿，控制漿液凝結(jié)時間在3～10 h 之間，凝結(jié)后漿液的強(qiáng)度不小于2.0 MPa，注漿壓力控制在0.4～0.5 MPa 之間，同時洞內(nèi)多次注漿，既補(bǔ)充土體間隙，又能起到封環(huán)止水作用，同時控制地表沉降；③推進(jìn)過程中控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，避免出現(xiàn)較大偏差，姿態(tài)偏差控制在±20 mm 范圍內(nèi)。

在刀盤抵樁后，接收井內(nèi)開始回灌水。回灌水量根據(jù)周邊水位觀測情況確定，回灌水位高于井外水位0.5～1.0 m。回灌水高度示意圖如圖3 所示。

圖3 接收井內(nèi)回灌水位 Figure 3 Schematic of reinjection water level in the receiving shaft

3.2.3 刀盤磨樁階段

刀盤磨樁期間主要風(fēng)險為：如果盾構(gòu)推力過大或推進(jìn)速度過快，可能造成圍護(hù)樁過早折斷，以及洞門出現(xiàn)大量水土流失。

磨樁過程中技術(shù)控制主要包括：控制盾構(gòu)推進(jìn)速度及推力，推進(jìn)速度＜10 mm/min，推力＜600 t；待刀盤切削圍護(hù)樁一半樁體后，通過盾構(gòu)機(jī)中徑向注漿孔對盾體范圍進(jìn)行聚氨酯注漿止水，隔絕盾體與土體之間前后水源。

3.2.4 刀盤出洞階段

刀盤出洞階段主要風(fēng)險：①出洞時易在樁間或螺旋輸送機(jī)出土口內(nèi)部出現(xiàn)涌水涌砂；②磨樁后大塊的圍護(hù)樁碎塊卡在刀盤與接收基座之間，導(dǎo)致無法繼續(xù)推進(jìn)；③盾構(gòu)推進(jìn)反力減小不足以壓密管片防水密封。當(dāng)?shù)侗P通過圍護(hù)樁后，刀盤前方提供給盾構(gòu)機(jī)的反力驟減，接收段管片在失去后盾管片支撐后會松弛，導(dǎo)致管片環(huán)縫增大，影響防水效果，對隧道結(jié)構(gòu)或周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

為防止可能出現(xiàn)的洞內(nèi)外涌水涌砂，采取的施工措施有：接收前對接收段地層進(jìn)行注漿加固；在洞門鋼環(huán)上安裝一道洞門鋼刷；合理控制接收井內(nèi)回灌水位；采用關(guān)閉螺旋輸送機(jī)出土口后磨樁推進(jìn)，防止發(fā)生噴涌。

洞門注漿加固如圖4 所示。

圖4 洞門水平注漿加固 Figure 4 Schematic of horizontal grouting reinforcement of tunnel portal

為防止大塊圍護(hù)樁碎塊卡在刀盤與接收基座托架之間，采取的施工措施有：接收基座滿鋪鋼板，消除接收基座上的間隙，保證掉落圍護(hù)樁碎塊伴隨刀盤向前移動；配備潛水員，處理可能影響推進(jìn)的圍護(hù)樁碎塊。

接收基座鋼板滿鋪示意圖如圖5 所示。

圖5 接收基座鋼板滿鋪 Figure 5 Schematic of fully covered steel plate of receiving base

為防止盾構(gòu)推進(jìn)反力減少，不足以壓實(shí)管片防水密封，采取的應(yīng)對措施為：在縱向螺栓緊固時，嚴(yán)格控制管片間隙在2 mm 之內(nèi)，并在后續(xù)推進(jìn)過程中復(fù)緊3～4 次，保證管片連接緊密；同時在接收段管片拼裝完成后，對洞口前6～8 環(huán)用型鋼聯(lián)系拉緊，防水材料三元乙丙橡膠增設(shè)遇水膨脹止水條，并多次補(bǔ)漿，在加強(qiáng)盾構(gòu)環(huán)間密封防水的同時，以達(dá)到洞門密封防水的雙重效果。

3.2.5 盾體出洞階段

盾體出洞階段的風(fēng)險點(diǎn)：一是無法順利到達(dá)接收基座上；二是出現(xiàn)涌水涌砂；三是盾構(gòu)機(jī)上浮。

為確保盾構(gòu)機(jī)順利推入接收基座，首先在接收前需對接收基座進(jìn)行加固，其次為防止盾構(gòu)機(jī)出洞時機(jī)頭栽頭，接收基座的軌面標(biāo)高除適應(yīng)于線路情況外，適當(dāng)降低2 cm，以便盾構(gòu)機(jī)順利上基座。在洞門鋼環(huán)底部增設(shè)一個凸起的頂升裝置，主動造成盾構(gòu)機(jī)在出洞時盾構(gòu)機(jī)頭上仰，避免刀盤頂在接收基座上。

新增凸起頂升裝置與以色列特拉維夫紅線輕軌項(xiàng)目的東標(biāo)段接收洞門增加混凝土導(dǎo)臺所起的作用相同。相較于混凝土導(dǎo)臺，焊接施工更加便捷，且拆除簡單。施工成本較小，經(jīng)濟(jì)上更為合理。具體安裝如圖6 所示。

圖6 洞門增設(shè)凸起頂升裝置 Figure 6 Schematic of raised jacking device added to the tunnel portal

為避免洞門出現(xiàn)涌水涌砂，當(dāng)盾體通過洞門密封裝置后，及時拉緊橡膠簾布，防止接收井外地下水沿盾殼流入接收井內(nèi)。本次接收過程中出現(xiàn)的圍護(hù)樁樁間噴錨網(wǎng)片卡在盾體與橡膠簾布之間，造成橡膠簾布封閉不嚴(yán)密導(dǎo)致漏水情況，經(jīng)現(xiàn)場人工清除鋼筋網(wǎng)片，同時針對漏水部位進(jìn)行洞內(nèi)注漿止水，最終順利完成了接收。

為避免接收井內(nèi)浮力增加而造成盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)上浮，在盾構(gòu)機(jī)出洞的同時進(jìn)行接收井內(nèi)水的抽排，降水同時觀察洞門橡膠簾布密封嚴(yán)密情況，如有異常暫停推進(jìn)，及時進(jìn)行洞內(nèi)注漿封堵，直至問題處理后繼續(xù)進(jìn)行推進(jìn)。

3.2.6 盾尾出洞階段

盾尾出洞階段主要風(fēng)險為洞門的涌水涌砂。采取的主要措施是：當(dāng)盾體通過洞門密封裝置完全進(jìn)入接收井后，再次拉緊扇形壓板，使橡膠簾布與盾構(gòu)管片密貼，防止水流沿管片外徑向接收井內(nèi)流入，同時也防止同步注漿漿液外溢。盾構(gòu)機(jī)出洞后，在洞內(nèi)多次注漿，補(bǔ)充土體間隙，封環(huán)止水，同時控制地表沉降。

3.2.7 盾構(gòu)接收后續(xù)工作

盾構(gòu)井內(nèi)回灌水，在盾構(gòu)機(jī)出洞同時進(jìn)行抽排，盾構(gòu)機(jī)完全出洞后，完成回灌水抽排工作，隨后逐步進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的拆解吊出，最后完成接收基座吊出及雜物清理，施作洞門環(huán)梁。在此過程中，洞門在承壓水作用下仍存在滲漏風(fēng)險，要加強(qiáng)關(guān)注，如有異常，進(jìn)行注漿封堵。

4 盾構(gòu)接收過程參數(shù)控制及變形監(jiān)測

4.1 盾構(gòu)機(jī)接收控制參數(shù)

在盾構(gòu)接收過程中，為避免盾構(gòu)土倉壓力過大造成洞門發(fā)生破裂，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固區(qū)后逐步降低盾構(gòu)土倉壓力，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工參數(shù)控制分析，到達(dá)加固區(qū)前正常推進(jìn)段控制在0.08～0.12 MPa，接近洞門6 環(huán)左右開始降低至0.05 MPa 左右，在刀盤開始磨樁時降為0.01～0.02 MPa(見圖7)。

圖7 盾構(gòu)土倉壓力 Figure 7 Earth pressure in the soil chamber of the shield

盾構(gòu)接收過程中，推進(jìn)速度同樣不能過快，盾構(gòu)實(shí)際施工過程中，正常推進(jìn)段與加固區(qū)段控制在26.9～46.5 mm/min，刀盤磨樁期間控制在 3.9～5.1 mm/min，左右線均控制在施工設(shè)定值(10.0 mm/min)內(nèi)(見圖8)。

在接收過程中，盾構(gòu)對接收井洞門產(chǎn)生影響的最直觀表現(xiàn)為盾構(gòu)推力，洞門推力反映了洞門受到的壓力，根據(jù)施工方案刀盤磨樁期間總推力應(yīng)小于6 000 kN。實(shí)際施工過程中，當(dāng)接近接收井圍護(hù)樁2 環(huán)位置，推力開始逐漸上升，最高升至20 000 kN(見圖9)，磨樁期間總推力控制在9 000～14 000 kN，超過了施工設(shè)定值。

圖8 盾構(gòu)推進(jìn)速度 Figure 8 Advance speed of shield tunneling

圖9 盾構(gòu)推進(jìn)總推力 Figure 9 Total thrust of the shield

根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備尺寸及開挖直徑大小計(jì)算，理論上同步注漿控制在每環(huán)5～5.5 m3，實(shí)際施工注漿方量為每環(huán)4.9～6.9 m3(見圖10)。同時洞內(nèi)進(jìn)行了多次注漿，施作止水環(huán)，二次注漿采用水泥+水玻璃雙液漿，凝結(jié)時間控制在60 s 左右。漿液材料選用42.5 號普通硅酸鹽水泥和波美度35Be’的水玻璃，由管片注漿孔注入，控制壓力為0.4～0.5 MPa 之間，注漿量0.2 m3/孔，達(dá)到封堵盾尾后方過水通道作用。

圖10 盾構(gòu)同步注漿量 Figure 10 Synchronous grouting volume of the shield tunnel

4.2 地表變形數(shù)據(jù)

選取洞門上方兩個地表測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，盾構(gòu)在接收過程中，洞門部位上方地表最大沉降為5.59 mm(見圖11)，地表未出現(xiàn)異常。

圖11 接收洞門處地表沉降 Figure 11 Surface settlement at the tunnel portal

結(jié)合盾構(gòu)施工進(jìn)度與沉降數(shù)據(jù)分析，在盾構(gòu)刀盤出洞后，洞門上方地表有少量沉降，沉降量為0.9～1.5 mm，盾尾出洞后出現(xiàn)明顯沉降，沉降量為4.0～4.8 mm，盾構(gòu)機(jī)出洞后，地表沉降逐漸收斂，趨于平穩(wěn)，出洞期間未發(fā)生涌水涌砂情況，洞門未出現(xiàn)大范圍的水土流失。

5 結(jié)論

該項(xiàng)目在地層存在粉細(xì)砂不良地層、地下水位位于隧道頂附近的條件下成功應(yīng)用，接收過程未出現(xiàn)風(fēng)險事件，最終完成雙線接收。本次全水中接收各項(xiàng)施工控制方式可作為后續(xù)水中接收施工參考依據(jù)，形成如下結(jié)論：

1) 為應(yīng)對盾構(gòu)水下接收風(fēng)險，除采取常規(guī)措施外，還采取了洞門上部地層水平注漿加固、關(guān)閉螺旋輸送機(jī)出土口后磨樁、洞門下方增設(shè)凸起的頂升裝置、接收基座鋼板滿鋪等專項(xiàng)措施。

2) 通過觀測地下水位確定接收井內(nèi)回灌水位，灌水高度在實(shí)測水位高度以上0.5～1 m 位置，可有效避免接收端涌水涌砂，確保施工安全。

3) 在接近洞門時，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，土倉壓力從接收前15 環(huán)正常掘進(jìn)狀態(tài)，逐漸下降至抵樁前的0，同步注漿量提高至理論值的1.25 倍，推進(jìn)速度控制在10 mm/min 以內(nèi)，推力控制在20 000 kN 以內(nèi)，洞內(nèi)注漿形成多道止水環(huán)，控制地下水流動。

4) 接收部位地表最大沉降為5.59 mm，刀盤出洞沉降0.9～1.5 mm，盾尾出洞沉降4.0～4.8 mm，對樁后土體的影響，盾尾出洞要大于刀盤出洞。

建議類似工程接收井采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)并在接收部位采用玻璃纖維筋，避免本案例中樁間噴砼碎片卡入盾殼與橡膠簾布之間，導(dǎo)致滲漏水，并且重點(diǎn)控制盾尾脫出時地層及管線變形，防止土體過量損失而產(chǎn)生破壞。