高富水复杂地层中泥水平衡盾构机穿越风井施工关键技术

2019-06-26刘滨

铁道建筑技术 2019年2期

刘滨

（中铁十四局集团隧道工程有限公司山东济南 050061）

1 引言

随着空间地下工程技术的发展，目前泥水盾构被广泛地应用于市政项目工程中［1-4］。以往盾构推进过程中，过井方式主要采用“接收、始发”的工法实施，该过井工法具有工序多、周期长、风险大、难度高等特点。现有盾构中间风井位于湘江临岸两侧，该施工地层地质条件复杂，地层渗水系数高，且掘进过程中使用泥水盾构施工，对接收、始发的密封性要求更高，借鉴以往的工程经验针对该工程采用砂浆回填方式穿越中间风井。目前关于盾构中间风井施工，国内学者主要展开以下研究：陈应举［5］通过合理排管，控制掘进参数，解决了土压平衡盾构机在长距离、曲线段下，盾构机沿曲线轨迹直接掘进穿越区间风井技术难题；张平［6］将塑性混凝土及水泥改性土应用于某工程盾构风井回填施工，并得到施工地层下混合材料最佳配比；常鑫［7］针对沈阳富水卵石层地层，采用一井多用降水先施工风井负三层底板及侧墙等方法解决盾构在高水压地层中穿越中间风井的施工难题；孔德法［8］通过运用砂浆回填法成功解决了短距离盾构曲线穿越中间风井的施工难题；崔怀春［9］通过调整盾构掘进参数，保证盾构顺利穿越中间风井玻璃纤维筋围护桩地段；彭长胜［10］提出了超深中间风井围护、止水降水方案、盾构穿越中间风井等关键技术，解决超深风井的高风险问题；姜春阳［11］结合工程从混凝土接收托、架浇筑安装、盾构姿态控制、管片拼装等方面详细介绍了盾构机过小净空中间风井的控制要点；徐锦飞［12］从地基加固、风井轴线优化、基座安装、负环拼装等角度介绍了大直径泥水盾构穿越中间风井的技术措施。现以长沙市轨道交通3号线越江隧道工程为例，介绍了在该富水复杂地层下采用砂浆回填法直接穿越中间风井施工技术的参数设置以及相关控制措施。

2 工程概况

长沙市轨道交通3号线一期工程SG-05标段，包含一站一区间，即灵官渡站和阜埠河站～灵官渡站区间。标段起自阜埠河站，区间线路出阜埠河站后向东北方向前穿行在天马路下，然后横跨潇湘中路、湘江西汊、橘子洲和湘江东汊，横穿湘江中路，最后沿着劳动西路往东约300m，而后接入灵官渡站。施工线路段总长为2.65 km，本区间共设3个联络通道，2个区间风井，分别为东岸风井、西岸风井。施工区间采用盾构法，区间风井采用明挖法施工，施工走线示意见图1。

图1 阜～灵区间线路走向示意

2.1 工程地质

（1）西岸风井段地质

根据地质报告并结合实际开挖情况，得到了阜～灵区间西岸风井地层自上而下依次为：杂填土层、素填土层、淤泥质土层、冲积粉质黏土层、冲积粉土层、冲积中砂层、冲积圆砾层、冲积卵石层、全风化泥质粉砂岩、强风化砂岩、强风化砂质泥岩、强风化泥灰岩、中风化砂岩、中风化砂质泥岩，其中风化砂岩含量高达70%以上。

（2）盾构穿越地层情况

西岸风井地下水位标高约31.2 m，位于粉质黏土层，隧道拱顶以上地层及隧道范围全断面主要为强风化砂岩、中风化砂岩。其中强风化砂岩分布在湘江西河汊及以西，岩体质量为Ⅳ级，层顶标高为-31.90～32.62 m，层顶埋深为0.50～54.70 m，揭露层厚度为0.40～34.40 m，平均揭露厚度为3.90 m，平均标贯击数为65.5击。中风化砂岩主要分布在湘江西河汊及以西，岩体质量等级为Ⅳ级，层顶标高为-27.85～29.99 m，层顶埋深为1.80～52.90 m，揭露层厚度为0.49～36.24 m，平均揭露厚度为3.69 m。

2.2 水文地质

阜～灵区间西岸风井勘察所揭露的地下水水位埋藏深浅不一，根据勘察得到本场地地下水位标高为31.20 m。地下水位的变化与地下水的赋存，补给及排泄关系密切，并受季节变化影响，年变化幅度2～5 m，根据场地地形条件，勘察的水位以及长沙市年水位变化幅度综合考虑抗浮水位，本工点抗浮水位标高为37.8 m。

3 工程重难点分析

3.1 地表情况复杂

风井周围环境复杂，北侧临近商业楼房，南侧临近天马路，总拆迁面积6 824 m2，拆迁量大，协调难度大。且风井周边管线密布（燃气、自来水、通讯电缆、高压电缆等），盾构接收、始发存在洞门坍塌、洞门涌水、地面沉降塌陷等风险，因此可能造成隧道被淹，地面道路塌陷等工程事故，故对盾构进出洞施工要求高。

3.2 高水压富水地层

现有施工段地下水主要为松散层孔隙水、层状基岩裂隙水，测得潜水位初见水位埋深约2.5～6.8 m，水位标高为29.47～32.95 m，抗浮水位标高35.3 m。风井洞门处于高水压富水地层中，虽然已经进行了端头加固，但受制于地层条件和加固方式的影响，加固土体难以达到理想效果，且土层遇水后，强度降低，容易崩塌涌水。

3.3 地层分布复杂

盾构隧道分别穿越了砂岩、泥质灰岩、细砂岩、中风化灰岩等地层，其中强风化砂岩地层占比为35%，中风化砂岩地层占比为25%，细砂岩地层占比为9%，泥质灰岩地层占比为1%，中风化灰岩地层占比为2%。由此可以看出现有地层分布软硬不均，且地层中断裂带间隙较多，在实际施工过程中容易引发地表沉降，盾构掘进过程中易造成盾构机刀盘扭矩过大，刀具消耗严重。

3.4 施工质量高

现有施工中，盾构进出洞时刀盘平面偏差允许值：平面≤±20 mm、高程15 mm，需要防止盾构轴线与洞门轴线偏离过大，以至盾构机卡在洞门处，进而导致盾构机无法沿轴线方向进出洞。同时需要严格控制风井内砂浆回填质量及厚度，尤其是盾构机底部砂浆回填的质量，必须保证回填密实，且与洞门形成良好衔接。

4 富水复杂地层盾构机过风井的施工技术措施

4.1 富水复杂地层盾构穿越风井施工方案

如图2所示，盾构风井主体结构由底板、负五层侧墙、中四板、负四层、中三板组成。为减少回填砂浆用量，部分回填材料利用设计C20细石混凝土替代，其余采用M7.5砂浆回填，总计回填的厚度为9.2m、回填方量2 860m3，其中混凝土回填厚度1.2 m、回填方量220 m3，砂浆回填厚度为8 m、回填方量2 640 m3。砂浆回填前在主体结构顶面及立面粘贴6 mm厚PE泡沫板，既避免主体结构受到破坏，保护了主体结构，又便于砂浆的破除清理。

图2 盾构穿越风井主体结构

针对上述中间风井段结构，砂浆回填过程中采取的应对措施有：

（1）盾构施工区间分为2段，即端头加固区、风井砂浆回填区，为有效控制西岸风井沉降，端头加固区切口压力控制在2.5～3.0 bar，风井砂浆回填区控制0.8～1.0 bar（由于回填砂浆形成的掌子面自立性较好，且无裂隙水，因此，可以采取低压模式推进，有助于提高环流系统泥浆携渣能力）。

（2）根据前期盾构掘进情况，端头加固区段掘进因沉降控制要求不宜过快，盾构的推进速度宜保持15～20 mm／min，刀盘转速1.2～1.5 r／min，推力宜为15 000～20 000 kN；风井砂浆回填区掘进，掘进速度应降低至10～15 mm／min，同时提高转速，转速宜控制在1.5～1.8 r／min，扭矩为12 000～15 000 kN；当推进速度小于3 mm／min时，且扭矩达到了额定扭矩的80%～90%，推力达到30 000 kN时应考虑刀盘及刀具磨损，必要时停机查换刀具。

（3）为保证盾构掘进防洪堤砂层以及加固体风井过程中，既能保证掘进掌子面稳定，同时满足携渣、出渣要求，盾构端头加固区泥浆比重控制在1.05～1.15 g／cm3，黏度控制在 22～28 s；风井砂浆回填区泥浆比重控制在1.15～1.20 g／cm3，黏度控制在28～35 s。

（4）为充分充填地层空隙，避免地表沉陷等有害影响，通过实践确定了合理的注浆压力为0.2～0.3 MPa，过端头加固段注浆量按照1.3～1.5倍的充填系数，注浆量为5.3～6.2 m3，风井段考虑到回填混凝土密实性好，按照1.1倍的充填系数，注浆量为4.5 m3。

4.2 测量和姿态控制

为防止盾构施工过程中出现刀盘卡死以及“磕头”等现象，需要实时对盾构掘进工况下盾构姿态进行测量和控制，具体措施如下：

（1）手动测量盾构机姿态

现有盾构机出洞时盾构机的姿态偏差控制指标为：水平方向偏差≤±20 mm，竖直方向偏差控制在15 mm。为满足该需求，需分段对盾构机姿态展开测试。距离开挖风井150～200 m处，对洞门处所有测点进行复核测量；分别在距离洞门100 m和50 m处对激光导向系统进行复核测量；距离贯通前50 m处，根据实测竖井位置对盾构机姿态进行进一步调整。

（2）施工洞门二次测量

盾构机到达洞门前需提前对盾构机与洞门间的相对位置进行测量，其中测量的项目涵盖了两者中心点位偏差以及洞门的全圆半径等参数，根据相应的参数对洞门位置进行相应的调整。

（3）盾构机姿态的调整策略

根据上述测量结果，制定对应的盾构机姿态调整方案，结合工程实践将盾构机调整至预定位置。盾构机在贯通洞门施工过程中需要考虑盾构机推进速度慢，盾体出现下沉等因素，因此一般会在贯通末端处将盾构机抬高一定的距离（现有工程中为15 mm），同时增加位置测量频率，以此有效地控制盾构机姿态。

4.3 回填砂浆及管片拆除

待左右线盾构机顺利通过井后，在风井地连墙与隧道衔接处管片实施止水环箍，对外部水道封堵，然后进行风井内回填砂浆及管片拆除。针对回填砂浆采用人工结合炮机方式进行破除，即挖机破除至距侧墙20 cm距离时，人工使用风镐和铁锹破除清理剩余砂浆，严禁直接使用炮机破除靠近侧墙处回填砂浆，操作示意如图3所示。

图3 砂浆破除示意

砂浆回填完成后，当盾构机推进一段距离后需要对风井段填埋管片进行拆除，结合现有工程提出当盾构距离始发掘进处100 m时，且管片注浆强度达到已有的设计强度，此时管片提供的摩阻力已大于盾构机额定最大推力，便可清理剩余砂浆和管片。现有工程在盾构机掘进至67环（100.5 m）开始进行拆除工作。综合考虑风井内管片安装特点及回填砂浆挖除方式，管片拆除和回填砂浆同时交错进行，首先人工结合炮机清除管片腰部以上回填砂浆，然后拆除风井内左右线管片，最后破除清理剩余回填砂浆，操作示意如图4所示。