超大型泥水盾构水中接收施工技术

邢慧堂

(中铁十四局集团 隧道工程分公司，济南 250002)

随着我国城市地下空间的开发利用，城市轨道交通工程建设和长、大、深越江越海隧道得到了快速发展。地下工程越来越依赖有利于环境保护的盾构施工技术。鉴于盾构接收施工风险较大，特别是对于大型泥水盾构，由于其掌子面的保压特性，在破洞门时必然造成内外压力失衡，易出现盾构与洞门圈间隙涌泥涌砂及地表沉降现象，因此，如何安全、顺利地完成盾构接收，是盾构法地下工程亟需解决的难题之一。

1 工程概况

南京长江隧道工程左汊盾构隧道采用双管单层的结构形式，隧道自浦口工作井始发，在梅子洲工作井进洞接收。盾构隧道采用φ14.93 m的泥水混合式盾构机，盾构管片环外径 14.5 m，内径 13.3 m，壁厚 0.6 m，环宽2.0 m，混凝土强度等级 C60，抗渗等级 S12。接收段共计150 m，含75环正线隧道管片及末环管片，末环管片外圈全周预埋钢板。

1.1 线路平纵断面

接收段盾构隧道线形较简单，纵断面处于4.5%的上坡段，左线隧道平面上里程LK6+531.85以小里程为半径2 500 m的右转曲线，LK6+531.85～LK6+622.025为直线段。与右线隧道间距呈减小趋势，接收端两线间距仅有7.49 m。

1.2 工程地质条件

1.2.1 地形地貌

南京长江隧道是连接主城区与江北浦口区的重要通道。隧道位于长江河床底部及长江冲淤积低漫滩。两岸低漫滩高程7.00 m左右，并分布少量水塘、沟渠;南岸长江外堤高程11.40 m。

1.2.2 地质特性

盾构穿越梅子洲长江大堤后，即进入接收段施工，盾构埋深由19.12 m逐渐减少至7.48 m。根据详勘报告隧道范围内无建筑物存在。盾构接收段土体根据沉积时代、成因、状态及其特征，划分为4个工程地质层:②-3粉质黏土层，④淤泥质粉质黏土、④-2粉土夹粉质黏土，⑦-1粉细砂，⑧粉细砂。

1.2.3 地下水文地质条件

场地地表水主要为长江水，本场地地下水位埋深较浅，区域降雨量大，土中的腐蚀介质基本溶入地下水中，且附近又无污染源。根据南京地区经验，参照水质条件，判定该地土对混凝土、混凝土中钢筋无腐蚀，对钢结构具弱腐蚀。

1.2.4 建筑物及管线

根据现场调查，江中盾构段接收段陆域主要构筑物为长江大堤，起防洪防汛作用。江中盾构段勘探时未发现地下管线通过，穿越线路未发现(人防)地下室。接收段穿越线路重点水利设施为南京长江大堤，为高级别堤防，堤防采用干砌块石防坡和浆砌块石护脚，堤顶为水泥砌块石挡水墙。

2 施工总策划及实施

2.1 接收总体施工顺序(见图1)

在梅子洲明挖段完成主体结构施工后，首先进行接收井端头土体加固和接收基座的施工;盾构机接收段施工的同时开展接收井端头冷冻加固、贯通测量、洞门前井点降水;在上述施工达到设计要求的条件下，盾构机步入加固土体，并同步开展洞门破除施工;洞门破除完成后，向工作井内接收基座上部堆填黏土，黏土堆填高度3～4 m，在确保接收措施全部到位后，向接收井内灌水;拔除冻结管，盾构机破碎冻土墙，在维持内外泥水平衡的前提下逐步步入接收竖井;在盾尾完全进洞门预埋钢环后，抽掉竖井内泥水，对盾构洞门周圈进行密封注浆加固，同时开展盾构机拆解工作。

图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浆结构。接收基座长宽与竖井尺寸相同，根据不同阶段施工要求，在竖井内采用两种断面形式(图2):在距离大里程端13.5 m范围内基座为全断面矩形结构，为保证接收阶段管片拼装有足够的反力支持，盾构底端向上2.3 m范围内全部由M7.5水泥砂浆砌筑;在距离小里程端4.5 m范围内基座为弧形结构，即盾构开挖轨迹线范围内基座采用黄砂塞填。结构纵向预留两道，横向一道沟槽，沟槽为盾构拆解切割预留操作空间，沟槽在接收阶段采用黄砂堆填。

2.3 三轴搅拌加固

洞门前方土体采用三轴搅拌桩进行加固。加固区采用φ 1 000 mm三轴搅拌桩满堂加固，全断面加固区全长共17 m，加固深度为盾构底部以下2.5 m，深度在25.5～26.0 m，加固宽度46.5 m。

2.4 冷冻加固

为了洞门破除及盾构施工安全，保证加固土体可靠地封水，需对洞门前土体进行冷冻加固施工。

2.4.1 冷冻加固设计

鉴于盾构接收对加固体强度及密封性要求很高，为增加泥水平衡盾构接收工作的可靠性，设计采用整体板块全深冻结方案:在加固土体和连续墙结合处，即在地下连续墙外围0.5～1.3 m布置二排冻结孔，并通过人工制冷工艺形成一个冻土壁，将三轴搅拌加固土体和地下连续墙胶结，以隔绝地下水，在冻土壁(封水)与地下连续墙(抗地压)的联合支护下进行洞门凿除。

2.4.2 冻结加固尺寸

根据盾构进洞处主要穿越地层情况判断，施工时易产生流砂等不良地质现象。该处土体已按设计采用三轴搅拌全部加固完成。鉴于本工程的覆土厚度较薄，本次冻结拟采用全深冻结方式，冻结深度从自然地坪向下26.5 m。

根据始发端的施工经验，参考始发端的冻土数据，确定冻结加固体尺寸:全深冻结深度为26.5 m(穿过洞口下沿3 m)，冻结壁与连续墙胶结宽度20 m(超过洞门直径范围外2.325 m)，冻结壁厚度取1.6 m，冷冻加固平面如图3。

2.4.3 盾构进洞的条件

盾构在进洞之前，必须具备如下条件方可进洞，见表1。

表1 冷冻加固指标

2.5 洞门端头井点降水

图2 接收基座断面(单位:mm)

为进一步保证盾构的顺利到达，防止洞门口发生流砂、管涌等灾害事故，设计采用井点降水，在盾构到达加固区之前将洞门口附近的地下水位降至盾构掘进面以下1 m。此次降水集中在洞门附近，考虑到保护加固体的整体性，在加固体中不布置降水井。降水井的布置原则是:尽量靠近洞门口，同时注意避让已有的建(构)筑物。

图3 接收井冷冻法加固平面示意

降水施工应避免在冷冻加固体积极冻结阶段开展，防止水流造成冷冻体无法交圈。在盾构完全脱离加固土体，洞门密封注浆加固完成后，方可停止降水运行。

2.6 贯通测量

在盾构推进至盾构到达施工范围时，应对盾构机的位置和盾构隧道的测量控制点进行准确的测量，明确实际隧道中心轴线与隧道设计中心轴线的关系，同时应对盾构接收井的洞门进行复核测量，确定盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划。在考虑盾构机的贯通姿态时须注意两点:一是盾构机贯通时的中心轴线与隧道设计轴线的偏差，二是接收洞门位置的偏差。综合这些因素在隧道设计中心轴线的基础上进行适当调整，纠偏要逐步完成。为保证接收的精度，安排在隧道贯通前150 m进行贯通测量，贯通测量工作包括地面控制网联测(平面和高程)及接收井洞门测定(平面与高程)等测量工作。

贯通测量后应及时确认测量成果正确或是采用新成果，保障贯通精度。根据《南京长江隧道工程盾构隧道施工质量检查与评定标准》规定，高程贯通测量精度<±25 mm，导线贯通测量误差<±20 mm。

经多次测量，得出左线洞门圆心坐标(表2)及盾构机外壳与洞门钢环间距见图4。

表2 左线洞门圆心坐标

图4 设计轴线上盾构机外壳与洞门钢环间距(单位:m)

根据测量结果，无需对轴线进行调整，即可保证盾构机顺利步入接收竖井。

在进行上述工作的同时，盾构接收阶段，应当加强隧道内的水准及导线控制测量。通过增加控制测量的频率及减小换站距离来减小测量误差带来的影响，最终确保盾构顺利、准确到达接收。

2.7 洞门破除

在冻结墙体满足设计强度、确保盾构机具备接收进洞的条件下，方可开展洞门区域连续墙破除工作。

为尽量减少洞门破除对洞圈范围内的土体影响，确保盾构机安全进洞，洞门连续墙分三次进行凿除。第一次破除外侧混凝土10 cm，剥除地下连续墙内层钢筋;第二次破除安排在冻结完成交圈后进行，破除混凝土50 cm，破除完成后将混凝土渣清理干净，在洞门上打探温孔(共计30个)，检测温度是否完成冻结;第三次破除分两阶段实施，一阶段在洞门前探测孔温度(≤－2℃)满足设计要求后，破除混凝土厚度30 cm，并将破除混凝土渣清理吊运出基坑;二阶段在2 d内完成地下连续墙剩余10 cm混凝土及外侧钢筋破除，并将混凝土渣清理完，保证盾构机进洞时连续墙破除及清理工作，且冻结掌子面裸露时间不超过2 d。

破除过程中对洞门范围墙体位移变化密切观测，一旦发现洞门圈内墙体或土体有较大变形或有渗漏水现象，立即停止洞门连续墙破除，对渗水部位进行注浆封堵，以防水土流失，影响冻土墙交圈;如未发现异常情况，可直接进入下一层破除。破除时不能一次完成，要分层剥离，第二次破除后洞门连续墙保留厚度不小于400 mm，并保留钢筋，以保护冻土墙。

洞门破除是个较大的风险点，为此要进行跟踪监控和量测，量测布点包括接收端头沉降观测点，洞门破除水平观测点和测斜观测点。

2.8 竖井内堆填黏土和灌水

为了盾构接收时地层稳固，降低大直径盾构与洞门圈间隙涌泥涌砂及地表沉降风险，设计在洞门混凝土破除完成后，向竖井内回填黏土，使盾构机在通过洞门圈后下部有土体支撑，回填黏土厚度为盾构底部以上4 m，回填黏土应进行压实。为了确保接收时内外压力平衡，回填黏土后向工作井内灌入清水，灌水深度为盾构顶部向下3 m。在盾构进入工作井向前推进过程中可以继续进行泥水循环及同步注浆，确保近洞门段管片环能够注浆密实，控制管片变形及沉降。

2.9 洞门注浆加固

在盾构机完全进入接收井后，抽出工作井内水，对洞门圈与管片之间间隙立模浇筑混凝土，将暴露土体完全隔离。然后通过预埋钢环上注浆孔对末环管片进行注浆加固。注浆的过程中要密切关注洞门的情况，一旦发现有漏浆的现象应立即停止注浆并进行封堵处理。确保洞口注浆密实，洞门圈封堵严密。通过二次注浆孔对靠近洞门的十环管片进行注浆填充。待注浆凝固后，根据设计要求施作洞门结构。

3 施工风险分析

3.1 端头冷冻法施工

本工程在旋喷加固土体和端头连续墙之间加设一道冷冻墙，使旋喷土体与冻结壁共同抵抗水土压力并可靠封水，增强端头加固土体的稳定性，确保洞门破除和盾构接收的安全。冷冻法施工进度滞后将直接导致洞门破除和盾构接收后延。而冷冻质量发生问题则可能带来端头土体失稳、涌水涌砂、地层塌陷等一系列恶劣后果，因此，冷冻法端头加固是本工程的重点之一。

3.2 洞门破除

在盾构接收之前，要先进行洞门区域的连续墙破除，并割除所有钢筋。洞门除第一层钢筋及保护层已完成破除外，剩余90 cm要在冷冻法达到设计要求后20 d内完成所有混凝土破除、钢筋割除和渣土清运工作。由于盾构到达和洞门破除时间的相互制约影响，使得破除时间紧，施工难度和风险较大。洞门破除又制约了盾构机接收基座延伸和回填黏土压实等工序。

3.3 盾构通过冷冻墙体

本工程端头采取1.6 m冷冻墙，盾构通过冷冻墙时易发生刀盘冻结事故，低温冷冻墙体与室温泥浆接触，还会带来泥浆性质变化和墙体失稳现象。施工中需确保冷冻墙土体不因热量散失造成失稳，冷冻管拔除时保留盾构掘进范围外的冷冻管，必要时可对土体进行补充冷冻。

3.4 接收段浅覆土轴线控制

在盾构接收段需要精确控制盾构姿态沿轴线掘进，但由于盾构处于4.5%的上坡上，且接收段处于浅覆土地层，上部覆土较薄，远小于1倍盾构直径，盾构隧道在接收段施工易产生以下问题:

1)由于竖向压力较小，盾构推进时易“上浮”。

2)由于覆土层薄，泥水易窜出地面“冒浆”，破坏泥水平衡。

3)由于盾构顶部覆土浅，给切口水压控制增加了难度。切口水压力波动大，会增加正面土体的扰动，导致正面土体的流失。

因此，浅覆土施工对盾构轴线控制和地面沉降控制有一定的难度，是本工程的重难点之一。

4 结束语

泥水盾构水中接收技术最大的优点是免去了复杂的洞门临时密封装置，保证了洞内外的压力平衡，为管片安装、同步注浆、渣土排放提供了有利条件，大大提高了盾构接收效率。由于采用了三轴搅拌加固、冷冻加固和强降水三重保险措施，避免了土体失稳、涌水涌砂、地层塌陷现象，接收段地表沉降控制在30 mm以内。南京长江隧道左、右线分别于2009年5月20日和8月22日贯通，盾构接收施工安全、迅速、质量上乘。本施工技术的成功运用，对同类型地质条件下泥水盾构的接收有极好的借鉴和推广意义。

［1］周文波.盾构法隧道施工技术及应用［M］.北京.中国建筑工业出版社，2004.

［2］上官子昌，李守巨，孙伟 等.盾构机开口率对密封舱土压力分布影响的数值模拟［J］.铁道建筑，2009(12):60-62.

［3］杨太华.越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技术［J］.现代隧道技术，2005(2):45-48.