软土地层盾构机接收的施工技术研究

冯慧君 李颜娟

1 工程概况

天津地铁2号线第十合同段红星路站～靖江路站盾构区间位于天津市河东区卫国道大街北侧,区间起讫里程为：DK14+564.500～DK15+331.371,线路左线长776.902 m(长链10.031 m),线路右线长766.871 m(短链0.778 m),截止2007年11月27日,红靖区间右线施工已经掘进至483环,距离盾构接收井剩余150环,折合180 m。盾构正常的推进速度一般为12 m/d,考虑到接收前姿态和掘进参数调整的影响,也将在20 d左右到达靖江路站。因此,接收工作的各项准备工作迫在眉睫。隧道穿越区为粉土及粉质黏土层,粉砂土层,此土层含水量很大,曾出现涌水现象。

2 盾构接收的施工组织

2.1 总体施工方案

盾构机到达前的主要准备工作有以下几方面：1)靖江路站西端头加固、取芯、洞门探水;2)接收架安装;3)靖江路站西端头洞门破除;4)防水帘幕安装。

2.2 靖江路站西端头加固、取芯、洞门探水

1)施工准备。根据现场实际情况,需焊接搭设钻机平台,平台结构为双层工字钢结构;每层平台高度3.2 m,其他尺寸根据现场和钻机布置需要而定,要保证平台强度以便立钻打孔,确保施工安全。

2)钻孔布置。本次注浆共布26个孔。在洞门两侧和上方布置11个孔(1号～6号孔、11号～15号孔),间距 1.0 m,孔深 6 m;孔身为垂直于洞门布置。在洞门底板以上再布设3层共15个与水平面成不同夹角的孔(16号～26号孔),孔深2.39 m～10 m不等。钻孔布置图见图1。

3)孔口埋管及钻孔施工。压浆孔钻孔前,先在孔口位置预埋止水装置管,孔口埋管质量的好坏和钻孔的施工质量对注浆能否成功起着关键的作用。孔口管采用φ 89无缝钢管预埋,长0.9 m,钻孔机械采用电动空心钻,孔口连接法兰,便于安装止水阀,压浆钻孔时一旦有水涌出便于封水。压浆钻孔孔径为65 mm,钻孔时钻杆从预埋钢管中钻入,严格控制钻孔位置和角度达到设计要求。钻孔注浆施工顺序为：14→15→1→2→3→4→5→6→11→12→13→7→8→9→10→16→17→18→19→20→21→22→23→24→25→26。

4)加固范围及钻孔注浆原则。加固范围：洞前方上半部6 m,下半部10 m,洞门四周3 m范围。钻孔注浆原则：按设计钻孔顺序进行钻注,不能打孔太深,遇水即注,钻一个孔注一个孔,每孔按照要求反复钻注,每次钻注不得超过1 m,并且严格控制注浆压力,严格掌握注浆参数并及时调整。

5)注浆参数选择。a.选择双液注浆,水泥浆浓度：水灰比1∶1,即15袋水泥搅拌成1 m3浆液,用水 750 L;水玻璃浆浓度：30 Be～35 Be;C∶S=1∶1。实际注浆过程中根据进浆量变化及压力的变化可适当调浓或调稀一级,以确保施工质量,施工过程中做好施工记录。b.注浆压力：注浆终压设计值根据地面隆起情况取3 MPa～5 MPa,注浆时要严格控制注浆压力,防止地面隆起破坏地表结构。根据现场实际情况,可适当调整注浆压力。c.浆液扩散半径：R=3 m～5 m。d.注浆结束标准：按设计达到注浆压力,在注浆设计终压下,持续30 min,并且进浆量明显减少。1号～20号孔达到终压设计值即可;21号～26号孔达到终压设计值且多孔检查均不出水即可。e.封闭死角注浆：在检查探孔不出水后,在洞门底部紧贴地连墙按45°方向进行死角探水封闭注浆。

6)钻孔注浆设备和布置。a.钻孔注浆设备。钻机选用KQJ-100型电动潜孔钻和YT90潜孔钻各1台。注浆采用27GZ60/120型注浆泵2台(25 M Pa,注浆量 0.48 m3/min)。砂浆搅拌机2台(型号待定)。b.注浆站的布置。浆液搅拌罐布置于地表适当位置,搅拌好的浆液用管路输送到作业场所。注浆泵布置于洞口作业面附近,以便于操作及观察注浆压力作业面情况。

2.3 接收架加工安装

接收架安装时,必须按照图纸进行组拼,确保接收架各组成部分及接收架与车站结构的连接质量。接收架安装时应特别注意吊装安全工作,吊装时安排专人指挥,闲杂人员不准进入施工现场。

2.4 洞门破除

盾构机接收架安装完成后,待盾构机到达地连墙20 cm～30 cm时,沿端头墙分块线凿缝(深度约250 mm),直至露出内侧钢筋。再利用吊装孔用吊机将脱离的混凝土块随即拉出,同时把落在洞圈底部的混凝土碎块清理干净。

2.5 防水帘幕安装

防水帘幕压板安装时要保证与盾体间距均匀适当,根据测量的盾构机轴线与洞门轴线间偏差量,安装压板前可适当加长或缩短压板长度,以保证压板能将防水帘幕紧压到盾体上,帘幕压板与钢环焊接牢固(见图2)。

3 盾构机接收阶段掘进参数选择

3.1 接收前50环内的测量复核与姿态调整阶段

为确保盾构接收时的贯通精度,在接收前50环时进行一次复核测量。复测按照规范严格进行并报监理及总控测量单位复核,保证测量工作无误。在复测无误后,根据复测数据,对VMT进行校核并调整盾构机的姿态。盾构姿态轴线偏差控制到±15 mm以内。当盾构姿态偏差较大时,及时而又稳步的进行纠偏,纠偏应小量多次进行,以保证隧道的顺直度。为保证姿态调整和纠偏的质量,接收前50环～30环以内的掘进速度控制在20 mm/min～30 mm/min。

3.2 盾构机距离洞门结构混凝土30 m～3.5 m掘进阶段

此阶段的掘进速度和土仓压力与前阶段掘进一样,按常规控制,但此段施工应一定加强注意调整盾构机的姿态,使盾构机的掘进方向尽量与原设计轴线方向一致,并且要在出洞前的20 m处,使盾构机保持水平姿态前进或略微仰头姿态前进,保证出洞时正常接收,掘进时的轴线偏差控制在±10 mm范围内。

3.3 盾构机距离洞门结构混凝土3.5 m～2 m掘进阶段

盾构机进入加固区时,凿除洞门结构混凝土,并割断洞门结构墙钢筋混凝土外侧的钢筋,保留内侧钢筋和30 cm混凝土。当盾构机刀盘距离洞门结构钢筋混凝土2 m时,洞门剩余结构钢筋混凝土开槽分块凿吊装孔;为防止混凝土块倒塌,在盾构接收井内架设斜撑。掘进速度由原来正常段的20 mm/min～30 mm/min减至5 mm/min～10 mm/min,土仓压力由原来的0.15 MPa～0.25 MPa减至0.03 MPa～0.05 MPa。应在密切监控地表和洞口的情况下逐步减小压力,掘进总推力为600 t～800 t。

3.4 盾构机距离洞门2 m～20 cm掘进阶段

掘进过程中密切注视洞口情况,直至洞门混凝土松动或开裂,不可能再掘进为止。此阶段速度一般为1 mm/min～5 mm/min。当盾构机接近洞口30 cm～20 cm时,应停止推进,拆除井内斜撑。注浆完成后,立即开始切割混凝土分块槽内钢筋,由下到上逐块吊出洞门混凝土块,并清除碎片及泥土,在此之前做好洞门防水帘幕的安装及接收架的安装工作。

3.5 盾构机距离洞门20 cm到进入车站露出掘进阶段

盾构机继续前进并拼装管片,此阶段由于洞门结构已经完全破除,无土体压力,速度根据实际情况决定;刀盘完全露出土体后,停止转动。盾构机停顿片刻,此时立即清除坍塌下来的土体及密封舱内的泥土,对盾构中心进行测量,看是否满足贯通精度。

3.6 盾构机刀盘露出土体到盾构机盾体全部接收阶段

坍塌土体清理完毕(不影响盾构机前进为宜),为避免发生地下水沿开挖间隙涌入井内,盾构机立即加快推进速度;刀盘通过防水帘幕后立即拉紧防水帘幕压板上的两束钢丝绳,使防水帘幕紧压在盾构机前盾盾体外,然后盾构机匀速缓慢前进,以防防水帘幕受到破坏;在前盾穿过防水帘幕后依次对压板上两束钢丝绳复紧,中盾刚穿过防水帘幕后依次对压板上两束钢丝绳二次复紧。当封水管片安装完成,同步注浆结束浆液凝固后,盾构机按照正常掘进速度前进,盾体全部出洞门后,盾构机接收成功。

4 应急预案

1)打降水井。在盾构机进洞时,破洞门时可能会出现涌水、涌砂现象,对此采取轻型井点降水法,提前在洞门加固区打设降水井,降水井的深度在-16 m,隧道中心线设计高程为-10.718 m,降水井底部距隧底2 m。降水井分两排布置在距隧道外侧2.0 m的位置,间距为3.0 m,每排降水井为 2个,共计 4个。在盾构机进洞前打好降水井,并接好抽水泵和电源,随时准备降水。2)注浆。a.洞外。靖江路站西端头右线水平注浆结束后须进行左洞门加固,盾构机右线进洞前,所有注浆材料备足,左线加固停止,人员和设备现场待命,随时准备右线盾构机进洞出现意外时注浆。b.洞内。盾构机进入接收井前,洞内二次注浆处,备足注浆材料,人员设备待命,随时准备右线盾构机进洞出现意外时从中盾上的预注浆孔注浆。

5 结语

天津地铁2号线盾构区间红星路～靖江路站区间盾构机在靖江路站顺利完成接收工作,这标志着天津地铁2号线首个盾构区间的顺利贯通,为后续2号线盾构区间工程积累了丰富的经验,现在学术界越来越认识到盾构的接收和盾构的始发同等重要,都具有很高的风险性,必须引起高度的重视,在2008年全国多起盾构机的始发和接收过程中出现了事故,出现漏水塌方的,甚至盾构机被掩埋,教训是深刻的,这就需要我们在今后的施工过程中不断摸索、总结经验,避免类似的事故发生。

[1] 白 云,周 松.软土地下工程施工技术[M].上海：华东理工大学出版社,2000.

[2] 王吉华.土压平衡盾构始发掘进施工技术[J].山西建筑,2009,35(9)：335-336.