无内衬结构竖井盾构快速接收工艺研究

吕 波， 段高翔

(1. 中建交通建设集团有限公司, 北京 100142; 2. 中建市政工程有限公司, 北京 100161；3. 中国建筑一局(集团)有限公司, 北京 100161)

0 引言

盾构法具有施工速度快、安全性高、对环境影响小等优点，在地铁隧道施工中得到了广泛应用。在盾构法隧道施工中，盾构接收是需要面临的主要风险之一，发生的事故较多[1]。关于盾构接收竖井采用何种结构型式可以实现安全、快捷的接收，目前国内学者做了较多的研究。冯海洋[2]介绍了套筒咬合桩+内支撑结构体系的竖井围护结构；通过设置相应的内衬墙，辅以逆作法施工，确保了隧道竖井的施工安全。冯启[3]以北京市南水北调配套工程南干渠工程第13标段盾构施工为例，总结了竖井采用钻孔灌注桩+内衬墙的盾构接收施工工艺。文献[4-6]阐述了地下连续墙+混凝土撑或钢支撑+内衬混凝土组合的竖井围护结构；采用数值分析和现场监测，对开挖过程进行模拟，对其引起的周围地面沉降进行了对比和预测，从而了解竖井设计的合理性并控制沉降。温少轩[7]介绍了盾构竖井围护结构为地下连续墙的相关施工工艺。文献[8-9]重点阐述了地下连续墙+内衬混凝土组合的超深竖井叠合墙结构，建立了三维有限元模型，对工作井的叠合墙结构施工和运营进行了仿真模拟，研究了叠合结构的变形和受力特征。文献[10-11]介绍了锚喷混凝土+内衬墙的竖井施工工艺，并采用软件分析计算了施工竖井结构受力及变形情况。

经过前人的研究和实践，在盾构接收方面取得了重要的成果和经验，但是现有的竖井盾构接收技术，是基于具有内衬结构的竖井进行的，对无内衬结构竖井及其盾构接收技术却鲜有研究和实例。本文结合南宁地铁2号线土建4标石子塘站—建设路站区间在无内衬结构竖井中盾构接收的工程实例，介绍了无内衬结构竖井盾构快速接收技术。

1 工程概况

南宁地铁2号线石子塘站—建设路站区间位于银海大道正下方，右线接建设路站端小里程方向设有202 m暗挖法停车线大断面隧道，其余均为盾构法隧道。原设计要求石建区间右线盾构空推过暗挖段后，进入建设路站接收。暗挖段因受岩溶地质影响，不能按时提供盾构空推过隧施工条件。为保证盾构顺利接收，降低施工成本，提高施工效率，在右线盾构与暗挖隧道相接处增设1座临时盾构接收竖井，兼作暗挖施工竖井。临时竖井平面位置见图1。

图1 临时施工竖井平面位置

竖井平面尺寸为12 500 mm×15 500 mm，深度为24.7 m。竖井所处地层主要为黏土、粉质黏土、全风化泥岩、中风化角砾岩，基底基本位于中风化角砾岩层⑧J3。竖井所处土层相关参数见表1。

表1 竖井所处土层相关参数

场区内地下水主要为碳酸盐岩类裂隙岩溶水，含水岩组主要为角砾岩(角砾岩成分主要为灰岩，含少量砂岩)，夹少量灰岩等可溶岩。此含水层具有中等透水性，为弱—中等富水，渗透系数为4.60～4.83 m3/d，稳定水位埋深5.6 m，具承压性。

2 总体设计施工思路

为了避免发生盾构提前到达却不能接收，增设临时竖井。按常规技术必须待竖井内衬结构完成才能接收，由此造成竖井建设工期长、建设成本高，施工工序多等问题。通过设计、施工一种无内衬结构竖井实现盾构快速接收，加大、密排对应盾构进入接收竖井位置的围护桩，并在洞门位置用玻璃纤维筋代替钢筋，盾构可以直接切削桩体进入竖井，而不必人工凿桩[12-14]；同时，由于洞门处主要为全风化泥岩和中风化角砾岩，且对围护桩进行了加大密排，在竖井四周采取了降水措施，将地下水位降至基底以下1 m，并采取了特制的洞门密封装置，避免了盾构进洞时洞门土体失稳或涌水的风险，可不必施作接收端头土体加固。

竖井内支护采用水平环梁代替内支撑或预应力锚索。水平环梁增强了竖井围护结构的强度和刚度，可不必施作竖井内衬主体结构；同时，提供了竖井支护结构施工阶段大空间盾构吊装作业的条件，可以保证在竖井尺寸受限或内衬结构来不及施作的情况下，顺利进行盾构的接收吊出。

竖井临时封底标高可以根据盾构轨面标高和现有基座高度灵活调整，底板配筋与结构厚度可以相应从简，满足盾构接收基座安装需要即可。

洞门接收密封装置通过特制的后置钢环板与围护桩以植筋连接；同时，通过加大植筋深度，填充钢环板与围护桩之间的空隙，以减小盾构切削对洞门密封环板稳固性的影响，保证盾构洞门密封效果。在盾构切口环开始进入2倍洞径范围时，降低盾构各项掘进参数，减小盾构对竖井支护结构和洞门密封装置的影响，保证在竖井支护结构施工阶段安全顺利地完成盾构接收。

3 主要工艺方法

3.1 工艺流程

无内衬竖井及其盾构接收工艺流程见图2。

图2 无内衬竖井及其盾构接收工艺流程

Fig. 2 Flowchart of shield receiving method in shaft without lining

3.2 施工要点

3.2.1 竖井围护桩与降水井施工

1)围护桩施工测放桩位时，应充分考虑好施工误差、喷射混凝土层和外包防水层厚度，做适当外放，确保桩位不侵限。钻孔桩采用“隔2打1”的方法进行钻孔灌注桩施工，分为非接收端的A型桩与接收端的B型桩2种，A型桩为φ1 200 mm@1 500 mm疏排桩，B型桩为φ1 500 mm密排桩。在竖井基坑四角各布置1个降水井，用于疏干竖井开挖深度范围内地下水，并用于观测地下水位的变化。钻孔桩与降水井平面布置如图3所示。

2)盾构进入接收竖井位置的钻孔桩，采用加大直径的密排B型围护桩。洞门位置用玻璃纤维筋代替钢筋。玻璃纤维筋与普通钢筋应采用专用的U形卡扣连接，连接接头应错开50%，每根钢筋连接端的U形卡扣数量不得少于2个，且应确保有效连接。

图3 钻孔桩与降水井平面布置

3)对应水平环梁位置的围护桩，应预埋水平环梁的锚筋。预埋水平环梁的锚筋，每处3排，每排4根；锚固段长度不小于35d(d为锚筋直径)，并与围护桩钢筋笼点焊；预先在围护桩内弯折埋置，施工水平环梁时再拔直锚入。此外，为提高水平环梁的稳定性，每根桩对应水平环梁设置1根吊筋。吊筋与围护桩的夹角≤35°，桩内锚固长度同预埋水平环梁锚筋，水平环梁内锚固长度至环梁外侧梁底。围护桩水平环梁预埋锚筋与吊筋设置如图4所示。

图4 竖井围护桩水平环梁预埋锚筋与吊筋设置(单位： mm)

Fig. 4 Pre-embedded anchor bars and suspenders for horizontal ring beam of fender piles of shaft (unit: mm)

3.2.2 竖井开挖支护

1)竖井开挖前进行降水，保证竖井内水位在开挖作业面以下1 m。待盾构接收井使用结束并覆土后方可封堵降水井。

2)竖井土方开挖严格遵循“分层开挖、先井中后井周分块进行、严禁超挖、及时支护”的施工原则，施工过程中加强监控量测，确保基坑安全与稳定。在冠梁及第1道支撑达到设计强度的75%之后，方可进行基坑下一步开挖等施工工序。每层开挖深度不大于3 m，严禁在1个工况下一次开挖到底。

3)竖井内设2道水平环梁，截面尺寸分别为2 000 mm×1 200 mm和2 000 mm×1 500 mm。土方开挖至水平环梁底部标高以下5 cm后，平整基底面，浇筑5 cm厚垫层，然后将预埋在围护桩的锚筋拔直锚入水平环梁内，与水平环梁钢筋焊接牢固。在水平环梁达到设计强度的75%之后,方可进行基坑下一步开挖等施工工序。

3.2.3 竖井临时封底

1)竖井开挖至基坑底部必须及时施工临时封底混凝土板。临时封底标高可以根据盾构轨面标高和现有基座高度灵活调整，保证盾构顺利接收。

2)临时底板厚度为50 cm，横、纵向均采用上下2排C10@150钢筋，拉钩为A8@450×450钢筋。同时，临时底板结构内注意预埋接收基座固定钢板的预埋件。

3)临时封底混凝土板必须与围护桩紧密连接，不得有缝隙。

3.2.4 洞门密封装置安装

盾构接收洞门密封装置不是预埋在竖井内衬结构中，而是直接通过后置的钢环板与围护桩以植筋连接。并通过加大植筋深度，填充钢环板与围护桩之间的空隙，减小盾构切削对洞门密封环板稳固性的影响，保证了盾构洞门密封的效果。具体如下：

1)根据设计图纸提供的洞门坐标尺寸，标出洞门中心、隧道轮廓线，以及植筋孔位。

2)钢环板安装需根据现场实际桩位，在距桩中心线左右各650 mm范围内进行植筋，尽量均匀布置。植筋钢筋采用φ22 mm螺纹钢，预先弯成L型，锚入围护桩深度加深至1/2桩径，并保证外露部分的尺寸。植筋清孔应彻底。植筋胶应符合国家标准，使用前应进行现场试验和复检。胶称量应准确，搅拌应均匀，灌注应充实。植筋数量为120个，以洞门中心为准，每隔3°植入1根钢筋。洞门钢环板安装如图5所示。

3)钢环板由上、下半环(圆弧板)拼接而成。拼接半圆环时将2块圆弧板平铺在平整的地面上进行端头对接，测量半圆直径及平铺后钢板面的平整度，偏差控制在10 mm以内。

4)先将就位的下半环钢环板底端中心与对应植筋钢筋焊接，再进行上下半环端头对接，同时保证φ6 480 mm的内径，最后进行钢环板与植筋钢筋之间的焊接固定。

5)桩身与环板间空隙采用细石混凝土填充密实，保证不渗水、不漏浆。浇捣过程中，需临时封堵载丝螺孔避免浆水进入。

图5 洞门环板安装示意图(单位： mm)

6)橡胶止水帘布板安装。首先确认帘布橡胶板和螺栓孔处于完好状态，对帘布橡胶板、圆环板和扇形板上所开螺孔位置、尺寸进行复核，确保其与洞口钢环上预留螺孔位置一致，并用螺丝攻清理螺孔内螺纹并涂上黄油。通过设有M20螺孔的预埋洞门钢环板，用螺栓将帘布橡胶板、圆环板和扇形压板栓连在预埋钢环板上。洞门密封装置安装时，需注意橡胶帘布及扇形压板的安装方向，橡胶帘布端头的凸起方向与盾构掘进方向相同[15-16]。盾构进入预留洞门前在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油，以免盾构刀盘挂破帘布橡胶板，影响密封效果。

3.2.5 盾构接收基座安装

接收基座的中心轴线应与隧道设计轴线一致，同时还需要兼顾盾构进洞姿态。接收基座的轨面标高除适应线路情况外，适当降低10 mm，以便盾构顺利上基座。为保证盾构刀盘贯通后拼装管片有足够的反力，将接收基座以盾构进洞方向+2‰的坡度进行安装。要特别注意对接收基座的加固，尤其是纵向的加固，需与底板预埋件焊接牢固，保证盾构能顺利到达接收基座上。

3.2.6 盾构切削洞门进洞

1)分别在洞门上、中、下部各至少打设1个水平探孔。探孔深度应打穿围护结构，并进入土体50～100 cm。探孔完成24 h后，观测渗水量，渗水量需不超过设计要求。洞门密封止水装置安装完成后，外观质量及完整性需符合设计要求。若探孔或洞门密封装置渗水量超过设计要求，应加大竖井周边降水，必要时进行注浆止水加固处理，确保盾构接收端头土体稳定。

2)盾构到达前100 m复测洞门中心位置。隧道内使用陀螺仪复测盾构位置，校对盾构与洞门之间的偏差，确定下一步掘进的调整量。

3)在临时封底混凝土板达到设计强度75%及以上时，方可破桩进洞。

4)当盾构切口环开始进入距洞门2倍洞径范围时，调整掘进参数，逐步降低推力、掘进速度和开挖面压力；其次，同步注浆压力、注浆量、浆液配合比等均根据地质情况和地下水的情况进行调整。竖井进行盾构接收时，应实时监测各项盾构掘进参数，控制盾构的推力不大于8 000 kN，并应加强桩体变形和地表沉降监测。必要时，采取临时钢支撑或钢拱架对盾构接收端的围护桩进行加固，确保基坑的安全。对于φ6 280 mm土压平衡盾构，采用拼装内径5 400 mm、外径6 000 mm、宽度1 500 mm的标准环管片，盾构切口环开始进入距洞门2倍洞径范围时，具体施工参数为： ①总推力控制在8 000 kN以内；②速度控制在10～20 mm/min；③刀盘转速控制在1～1.3 r/min；④注浆量为5～6 m3/环，注浆压力为0.2 MPa左右；⑤严格控制出土量，每环出土量不大于58 m3；⑥盾构掘进时土舱压力不大于0.1 MPa[17]；⑦桩体变形累计值不大于30 mm，变化速率不大于3 mm/d，每4～6 h监测1次。

5)盾构切口环开始切削围护结构玻璃纤维筋时，缓慢掘进；切割玻璃纤维筋混凝土过程中，记录推力和刀盘转矩，如果发生参数突然大幅增大时，则必须停机查找原因；计算刀盘里程，在完全进入围护结构后，排清土舱，敞开掘进。

6)刀盘切割围护结构靠竖井内侧的玻璃纤维筋时，由于压力不平衡，玻璃纤维筋混凝土会以弯抗破坏为主。大量混凝土块倒向车站内侧，施工人员须注意安全。同时，要采取措施尽快清理混凝土块，减少盾构在洞门位置的停留时间。

7)当盾构推上接收基座，管片拼装至洞门位置时，迅速封闭洞门管片与开挖面之间的间隙，注双液浆加固。

3.2.7 盾构解体吊装

1)盾构到达接收井之后，将盾构主机与后配套完全断开，断开皮带输送机并放置好皮带，将盾构主机逐步移上接收基座。

2)按如下吊装顺序依次吊装各个部分： 刀盘、盾尾、螺旋输送机、管片拼装机、前体、中体。在整个拆装过程中，利用液压千斤顶适当移动盾构本体部分，避免竖井的空间限制。分块解体后，逐一用300 t吊车吊出接收井，再用150 t吊车配合将其翻转，平稳地放于地面(应验算地基承载力是否符合要求，必要时满铺钢板或进行地基加固)。

3.2.8 洞门处理

盾构接收完成后，拆除洞门密封装置，采用水泥砂浆封堵洞门处管片与竖井围护结构之间的空隙；然后，在管片端头植筋，按设计要求完成后续结构施工。

3.2.9 监控量测

在竖井开挖过程中，应对邻近地下管线和建筑物基础沉降、围护结构顶面水平位移、围护桩变形、支撑轴力等进行全方位监测。如发现异常应立即停止施工，连续监测并采取相应措施，确保施工安全。测斜管及水位管须避开盾构接收洞门范围。通过对竖井围护桩桩体水平位移的监测可见，从竖井第1道混凝土撑到第2道水平环梁施工完成，桩体变形较小，均不超过3 mm。随着第4层土方的开挖，变形逐渐增大；盾构进洞阶段，桩体水平位移达到最大值8.94 mm，发生在桩顶以下16.5 m处，即盾构接收洞门范围内(洞门位置对应桩长15.5～21.5 m)。竖井围护桩桩体变形曲线如图6所示。

图6 竖井围护桩桩体变形曲线

4 效益分析

根据石子塘站—建设路站区间盾构施工工筹以及施工进度，按照常规盾构竖井接收施工方法，盾构将在竖井内衬结构施工完成(具备盾构接收条件)前到达接收端，无法实现盾构到达—接收的流水作业。通过采用无内衬竖井结构及其盾构接收技术，实现了在竖井支护结构施工阶段进行盾构接收，避免了后续防水、接地、内衬结构等一系列施工作业对盾构接收的制约，盾构接收提前85 d完成。这不仅缩短了盾构施工工期，实现了节点工期内右线区间盾构的安全顺利接收，为石建区间双线贯通提供了保障；同时，减小了施工难度，提高了盾构施工工效，降低了工程能耗，减少了材料浪费，可节约工程成本165万元。

该技术从优化接收竖井支护结构入手，对盾构进入接收竖井位置处的竖井围护结构，采取加大直径的密排围护桩，将盾构隧道洞门位置围护桩钢筋替换成玻璃纤维筋，同时进行竖井四周降水等措施。这不仅使盾构可以直接切削桩体进入竖井，而不必人工凿桩，避免了洞门土体失稳或涌水的风险；而且可以不必施作接收端头土体加固，降低了施工成本，节省了施工时间，解决了盾构已到达接收井而接收井内衬结构不能按时完成就不得不进行盾构接收的难题，施工工艺简单。

5 结论与讨论

作为一种无内衬结构竖井及其盾构接收技术，该技术实现了在竖井支护结构施工阶段进行盾构接收，避免了后续防水、接地、内衬结构等一系列施工作业对盾构接收工期的制约，施工工艺简单，工期快、造价低，拓展了盾构竖井接收的设计施工方法。该技术适用于受“洞通”工期或施工组织制约，在竖井支护结构施工阶段不得不进行盾构提前接收，而盾构接收端头土体自稳能力较好、或经过处理自稳能力较好的情况，尤其对于临时设置的、不需要内衬结构的竖井进行盾构快速接收施工的综合效益好，可为同类工程设计或盾构临时接收施工提供借鉴，具有良好的推广应用前景。

由于不施作内衬结构，仅靠竖井围护结构承受盾构到达阶段的水平推力，其对竖井围护结构稳定性的影响规律还需要深入研究，以进一步改进无内衬结构盾构施工竖井设计，并为无内衬结构竖井盾构到达时掘进参数的确定提供理论依据和指导。此外，可开展无内衬结构竖井盾构始发技术的研究，拓展无内衬结构竖井的盾构施工范围。