盾构机采用水土平衡法通过中间风井的技术

黄威然 米晋生 竺维彬

(1.广州轨道交通建设监理有限公司 广州 510010;2.广州市地下铁道总公司 广州 510030)

随着过江过河长隧道盾构工程的增多，盾构机通过大埋深中间风井的机会也随之增加。由于盾构开挖直径大于管片直径的特点，砂层中盾构始发和到达有较大涌水涌砂的风险［1］。一般情况下盾构过中间风井［2－3］，采取先完成中间风井主体结构，凿除洞门处地下连续墙钢筋混凝土结构，而后盾构机过站的方式。相当于完成一次到达、平移、再始发的过程，造成涌水涌砂风险集中［4］，其风险点主要是中间风井内外水土压力相差悬殊，极其细小的缝隙都可能造成严重的涌水涌砂事故。

上海某过黄浦江公路隧道采用吊筑法施工工艺［5］，该工法施工技术要求极高，需要严格控制不同对象相互间的不利影响，即:盾构掘进对风井结构，降水对周边建构筑物，风管开挖对隧道结构。风管开挖还可能有涌水涌砂的风险。

水土平衡法通过中风井技术，即在中风井底板结构完成后，往井中回填水泥土等材料，盾构掘进通过风井。该技术的优势是:

1)节约投资。缩小了端头加固的规模，省略了盾构机在中间风井到达、过站和再始发的工序。

2)降低工程风险。由于井内外水土压力相当，可避免洞门间隙发生的涌水、涌砂事故。

1 与传统加固方案比较［6－7］

传统过风井的加固方案主要包括水泥土加固、冻结法加固、组合加固，笔者仅列举其中较为常用的两种方案与本文工法进行比较，以广州地铁3号线北延线人和—高增区间盾构工程为背景资料。该工程需要通过明挖中间风井一个，风井平面尺寸为 28.8 m×27.2 m，基底埋深约22 m。基坑周围地层有:＜3－1＞冲积-洪积粉细沙，地质补勘判别为中液化;＜3－2＞冲积-洪积中粗砂层。

方案1(传统工法):φ600搅拌桩+外包两排φ800三重管高压旋喷桩方案，桩间咬合150 mm。始发加固长度9 m，到达加固长度10 m(见图1)。

图1 方案1 旋喷桩+搅拌桩加固

方案2(传统工法):相对方案1，端头加固外包旋喷桩改为素混凝土连续墙(C20)，厚600 mm，连续墙底进入岩层1 m，顶面进入不透水层1 m，加固体与连续墙间隙仍然采用三重管旋喷桩封堵(见图2)。

图2 方案2 素砼连续墙+搅拌桩加固

方案3(水土平衡法):中间风井主体结构完成底板和中隔墙(盾构隧道通过的高度以上，中板不做)，回填塑性混凝土和水泥改性土，盾构掘进过中间风井。等整个区间掘进完成后，重新开挖回填的塑性混凝土，拆除中间风井管片，施工地下2层中板、中隔墙及楼梯间等剩余结构。中间风井进出洞加固为地下素混凝土墙，墙宽9.4 m，厚0.8 m，上部比基坑冠梁高，下部比盾构隧道底部深1 m，素砼墙与围护结构连续墙间用三管旋喷桩止水(见图3)。3种方案特点比较见表1。

考虑中间风井4个端头加固深度范围均为砂层，深度较大，即使采用方案1和方案2加固方案，加固体尺寸大于盾构机轮廓，仍然无法避免涌水涌砂风险，搅拌桩和旋喷桩的加固质量可能存在缺陷，即使加固体完好，盾构始发到达过程中，盾体外间隙也可能出现涌水涌沙。

为保证施工安全，采取方案3。

图3 方案3 塑性混凝土回填剖面

表1 3种方案特点比较［6］

2 平衡法过中间风井方案［5－6］

该技术的要点是回填材料和方案;盾构掘进通过中风井;施作中风井剩余主体结构。

2.1 回填材料

结合盾构工法的特点，回填材料应该具备以下特性:

1)具有一定的强度，可避免盾构掘进通过中风井时机体下沉。

2)强度不可太高。一方面避免盾构刀具不必要的磨损，另一方面方便最终的开挖作业。

3)具有一定的整体性。一方面可以作为土模，为盾构换刀临时开挖提供方便，也为中板等永久结构施工提供便利;另一方面有一定的防水性能，防止基坑外地下水在加固体中形成渗流通道。

4)回填土应具有一定的厚度，以平衡基坑外水土压力，可防止可能出现的涌水涌砂。

结合以上特点，采用了组合回填材料:塑性混凝土+水泥改性土+砂土。

塑性混凝土是用黏土和(或)膨润土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的一种柔性墙体材料，这种材料的特点是抗压强度不高，R28=0.5～2 MPa，弹性模量较低，E28=100～500 MPa。一般在水坝防渗墙施工中应用较多，有很好的和易性、稳定性、变形能力和抗渗性。水泥改性土是在普通砂性土中掺入水泥粉，潮湿处理后夯实，通过水泥的固结作用使砂土形成一个整体，具有一定的强度及较好的抗渗性能。砂土可以就地取材，开挖方便。

3种材料的回填范围可见图3。塑性混凝土回填在两端洞门区域沿线路轴线约3 m，主要目的是为了控制盾构始发到达穿过洞门时可能发生的涌水涌砂，小范围采用塑性混凝土可以控制造价，避免后期处理困难;水泥改性土防水性比塑性混凝土差，主要是土模作用，可方便临时开挖检查和更换刀具;砂土主要是压载的作用，减少基坑内外水头压力差。

2.2 回填与洞门破除

由于洞门的围护结构采用钢筋砼连续墙，需要在盾构机到达以前进行人工破除，所以回填与洞门破除同步进行，流程如下:

1)用水平探孔检测洞门围护结构与素砼连续墙密实性。

2)第1轮回填。施作中间风井主体结构底板、中隔墙至站台板高度，混凝土强度达到75%以上。首先进行水泥改性土的回填，将砂性土和水泥分开下放至基底，拌和均匀平铺在基底中间，碾压密实，然后用气夯人工夯实。按每层50～80 cm分层回填，每回填1～2层做一次压实度试验，要求回填体压实度达到90%，第1次回填至站台板高度。两端靠洞门位置预留3 m宽度不回填，待左右线洞门部分钢筋混凝土破除后回填塑性混凝土，塑性混凝土在基坑外拌制，泵送浇筑。

3)第1轮破洞门及塑性混凝土回填。左右线洞门同时采用从下至上分层凿除，每次1 m，每凿一层回填塑性混凝土一层，回填高度与开凿面平齐，待3 d强度后，再破上一层，尽量减少新旧连续墙夹缝暴露时间。依次向上分层进行，第1轮塑性混凝土回填至站台板以下。

4)地下2层主体结构中隔墙施工，待混凝土强度达到75%以上进行。

5)第2轮回填和洞门破除。依照第1轮同样步骤，完成剩余洞门破除和塑性混凝土回填施工，最后将剩余水泥改性土和塑性混凝土一次回填至设计回填面。

6)回填反压土。待塑性混凝土达到一定强度后，回填3 m厚反压土，分两次回填到位，用勾机压实。

2.3 盾构掘进通过中风井

盾构掘进通过中风井主要控制点为:精确掘进通过洞门;管片外缝隙封堵;中间风井内检修刀具。具体如下:

1)确保按照轴线穿越洞门，盾构机到达前150 m时，进行联系测量，控制好盾构机姿态。

2)保证刀具充分破碎加固体素砼。到达素砼加固体时，降低推力和刀盘转速。

3)封堵管片外缝隙。由于盾构刀盘开挖半径大于管片外径，地层中水砂会沿着该缝隙流入中间风井。所以，在0环脱出盾尾时，进行二次补充注浆，采用速凝的双液浆。如左线盾构进入盾构井后(见图4)，发现地下水从盾构井反压砂土层涌出，遂从0环二次补浆，约7 min后，浆液将漏水通道堵死。

4)检查更换刀具。盾构机完全进入盾构井后，利用回填材料土模的有利条件，放坡开挖出刀盘检查更换刀具(见图5)。

2.4 施作中风井剩余主体结构

剩余主体结构包括中隔墙、地下2层顶板、检修楼梯井和洞门。

1)中隔墙、地下2层顶板、检修楼梯井为常规钢筋砼工程，可以利用回填材料的土模辅助施作。

2)拆除0环时，有涌水涌砂的风险。采取的措施为:0环不拆除，切割一部分，中间风井的4个洞门全做成内突的洞门。

3)控制管片外与洞门间隙涌水涌砂的风险。采取的措施为:在洞门圈预埋钢板(A板)，在0环外圈也预埋钢板(B板)，清除洞门附近一层0.5 m的土层后，将A板和B板焊在一起。

图4 洞门0环二次补浆串浆

图5 换刀作业

3 结论和建议

广州地铁3号线北延线人和—高增区间工程采用该工法后，两台盾构机安全通过中间风井。随着盾构隧道的埋深加大，盾构通过中间风井的涌水涌砂风险也在同步增加。采用本文所述的水土平衡法过风井，可以有效控制该风险，该工法仍有以下方面需改进:

1)塑性砼的取舍。采用塑性砼是为了防止管片外间隙涌水涌砂，但由于盾构开挖直径大于管片直径的特点，涌水缝隙依然存在，故可以考虑用黏性土或水泥土代替塑性砼。

2)采用回灌水代替面层反压的砂土。中风井回灌水同样可以达到井内外水土平衡的目的，而且排水较方便，但改性水泥土应该保留至隧道顶上一定厚度，以利于注浆封堵洞门间隙。

3)围护结构采用玻璃纤维筋连续墙。盾构直接切割洞门，既可以节约端头加固的费用，也避免了人工破除洞门的风险。玻璃纤维筋应限定应用在配置滚刀为主的土压盾构。

4)后做中间风井底板。如果基底下地层为隔水层，结合玻璃纤维筋的应用，完成围护结构后暂不施作底板，待盾构掘进通过后，再开挖基坑和破除管片，施工风井主体结构。

［1］竺维彬，鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究［M］.广州:暨南大学出版社，2009.

［2］竺维彬，鞠世健.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究［M］.广州:暨南大学出版社，2007.

［3］竺维彬，鞠世健，复合地层中的盾构施工技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2006.

［4］竺维彬，廖鸿雁，黄威然.地铁工程重大地质风险控制模式研究［J］，都市快轨交通，2010，23(2):48－53.

［5］杨子松，彭芳乐，谭勇，等.软土地区隧道区间风井吊筑法施工工艺研究［J］.地下空间与工程学报，2011(1):103－109.

［6］张平.塑性混凝土及水泥改性土回填施工在盾构过中间风井中的应用研究［J］.铁道建筑技术，2011(s1):119－121.

［7］王晖，谭文.广州地铁三号线北延线盾构隧道工程施工技术研究［M］.北京:人民交通出版社，2012.