富水粉砂层地质条件下地铁三层换乘站土压平衡盾构接收施工技术

2020-07-29李培拴上海地铁咨询监理科技有限公司上海200032

建设监理 2020年5期

李培拴，刘坤（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海 200032）

0 引言

目前我国城市轨道交通建设正处在史无前例的高潮中，地下有效可利用空间不断减少，以现有施工技术向复杂的地质和环境作出挑战，开辟更为广阔的地下施工空间正成为全国地下工程的发展趋势。盾构机作为城市轨道交通建设的主要设备，其施工的安全性、标准性和高效性在地铁隧道施工中具有不可替代的地位。其中，盾构接收是盾构施工过程中最主要的关键风险节点之一，也是施工的重点和难点。本文以郑州市地铁 4 号线安顺路站—长兴路站区间地铁项目的盾构接收施工为例，阐述并总结了在富水粉砂层地质条件下三层换乘站盾构接收施工技术，为后续类似地质条件下盾构接收施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

郑州市地铁 4 号线安顺路站—长兴路站区间自安顺路站东端头始发，沿三全路路中向东敷设，至长兴路站西端头接收。三全路为城市主干道，交通车流量较大，且区间线路上方密布市政管线，两侧主要为住宅楼，距离区间隧道较近。区间起点里程为右（左）DK0+533.900，终点里程为右（左）DK1+074.419。左线长 542.953 m（含长链 2.434 m），右线长 540.519 m。左、右线各设置 1 处平曲线，曲线半径为 1 000 m。线路纵坡设计为单向坡，坡向长兴路，左线坡度为 21.370‰，右线坡度为 21.481‰。盾构隧道为单洞、单线圆形断面，线间距 14 m～17 m，管片外径 6.2 m、内径 5.5 m、厚 35 cm、环宽 1.5 m。接收端隧道顶部覆土厚度约为 17.69 m，区间盾构主要穿越地层为 ②41粉砂（Q4al）、②41A黏质粉土、②51细砂。

1.2 区间接收端地质

区域地质资料及初步勘察成果显示，盾构接收区域属于地貌单元，为黄河冲洪积平原。盾构接收端地层自上而下依次由人工填土、第四系全新统冲洪积层、第四系上更新冲洪积层、第四系中更新统冲洪积层构成。后期通过对周边居民走访，获知长兴路站早期为贾鲁河支流河床，地质和水文条件复杂，盾构机接收主要穿越地层为粉砂和黏质粉土。

1.3 区间接收端水文

根据《郑州市轨道交通 4 号线工程安顺路站至长兴路站区间岩土工程勘察报告》（详细）及《郑州市轨道交通 4 号线工程勘察 01 标段长兴路站岩土工程勘察报告（详细勘察）》得知，区间接收端地下水位埋深 10.5 m～11.5 m。多次量测接收端头降水井水位，得知其水位位于地面以下 15.8 m～16.2 m（标高 77.6 m ～ 78.0 m），水位高度位于盾构隧道拱顶上方 1.47 m～1.87 m 位置。根据岩土工程勘察报告，分析地下水在地层中的分布情况，结果显示，接收端地层为粉砂、粉质黏土和细砂，其地下水为两层不同性质的水源。

2 盾构接收周边风险源及施工风险分析

2.1 盾构接收周边风险源

安长区间盾构接收端范围内主要几项风险源有：南北走向污水管 1 条（DN800），东西走向、南北走向雨水管各 1 条（DN1 000），高层建筑物，如表 1 所示。

表 1 安长区间盾构接收端风险源

2.2 施工风险分析

在富水粉砂层盾构接收施工中，盾构接收端头加固方案选择、加固效果的检测、端头降水井分布和降水效果最为关键，将直接影响盾构接收施工安全[1]。根据国内具有类似地层条件的盾构接收施工经验，结合本工程实际地质情况及场地条件进行施工风险分析，总结出本工程盾构接收施工风险主要表现在以下几个方面。

（1）富水粉砂层地质中，因土质松散，盾构接收姿态不易控制，盾构机出洞姿态与门洞位置不能准确对应，易发生盾构机出洞姿态偏离过大，继而盾构刀盘会剐蹭洞圈密封橡胶带，致使洞门密封止水装置失效，发生涌水、涌砂事故[2]。因此，在盾构机进入加固区前必须将其出洞姿态与洞门位置进行精准对应。

（2）盾构接收端地下水位埋深 10.5 m～11.5 m，本次接收井端头降水前水位位于地面以下 15.8 m～ 16.2 m（标高 78 m～77.6 m），水位高度位于盾构拱顶 1.47 m～1.87 m 位置，水位相对较高。由于接收端地层为粉砂和粉质黏土，其地下水为两层不同性质的水源，接收井端头地下水降水效果必须满足盾构接收要求，否则盾构接收过程中将存在涌水、涌砂的风险，并进一步造成地表塌陷和周边建（构）筑物沉降。

（3）由于接收端地下水位高度位于盾构拱顶上方 1.47 m～1.87 m 位置，其接收端隧道底部埋深为地下 23.94 m，若采取传统的地层加固工艺，则很难达到盾构安全接收的效果。一旦端头加固范围、深度和质量达不到设计规范要求，盾构接收施工便极易发生涌水、涌砂事故。

（4）由于区间盾构接收端周边环境复杂，存在较多城市管线，如盾构机接收区域范围内的污水管（DN800）下穿隧道、雨水管（DN1 000）和给水管（DN300）与隧道较为邻近，而且接收端 25 m 范围内存在高层住宅楼，盾构掘进施工会破坏周边土体平衡，地层重新固结这一过程必然导致地层应力和变形的重新分布，甚至有可能出现较大地表沉降，继而增加周边建（构）筑物损坏的风险[3]。

（5）长兴路站为三层换乘站，隧道底部埋深为地下 23.94 m，线路纵坡设计为单向坡，坡向长兴路，左线坡度为 21.370‰，右线坡度为 21.481‰。盾构机尾盾完全进入加固区后，若未采取有效措施阻挡地层水流，导致地层水顺势进入加固区，则在洞门地下连续墙破除施工时将极大可能发生涌水、涌砂安全事故。

（6）盾构机进入加固区后，有效填充管片与土层间的空隙形成封闭，以达到阻挡后方来水的效果，同时不造成箍死盾体，无疑是至关重要的。由于加固区的土层整体性和强度较好，浆液向外扩散系数降低，直向流动性增加，如果不能确切判定浆液类型、注浆压力、浆液配比、注浆位置、注浆效果等，那么在填充管片与土层间空隙的过程中将面临箍死盾体的风险。

3 盾构接收施工前准备措施

3.1 盾构接收端头加固

当盾构刀盘到达接收洞门围护结构时，为了确保盾构接收端土体具有良好的自稳性和密实性，避免在洞门破除期间接收洞口出现地下水及砂土涌出情况，必须提前对接收端头土层进行加固[4]。

3.1.1 前期接收端头地层加固情况

接收端加固范围为盾构隧道拱顶以上 3 m 至拱底以下 3 m，平面范围为盾构隧道结构轮廓线左右各 3 m，纵向加固长度为 8 m（7.4 m 三轴+0.6 m 花管加固）。地层加固分为两部分实施，具体如下。

（1）三轴搅拌桩加固。本工程盾构接收端头采用 Φ850@600 三轴搅拌桩进行区域加固，加固长度纵向 7.4 m，加固范围为隧道底部以下 3 m 至隧道顶部以上 3 m，实桩范围水泥参量不小于 20%，隧道顶以上 3 m 至原地面高度孔桩范围水泥参量不小于 8%。

（2）深孔花管注浆加固。待三轴搅拌桩施工完成后，采用深孔花管对三轴搅拌桩加固区域与地下连续墙之间夹层进行加固。注浆加固前在三轴搅拌桩加固区域与地连墙之间设置一个 0.6 m× 29.2 m 的长方形地面注浆区域，用注浆钻机成孔后采用退式注浆实施加固。注浆区域共布设注浆孔 98 个，孔间距为 0.3 m～0.6 m，注浆深度 26.87 m，满足设计要求。

（3）加固效果验证。为了验证以上工法对端头土体的加固效果，采取了地面垂直取芯和洞门水平探孔的方法进行检测：①从地面进行垂直取芯，发现隧道底部以上芯样完整连续，自立密封性良好，经检测，符合设计 28 d 无侧限抗压强度 ≥0.8 MPa，渗透系数≤1.0×10-6cm/s，隧道底以下 3 m 位置芯样松散、无强度；②从洞门底以上 1.0 m 处打设深度为 2 m 的水平探孔 4 个进行观察，经验证，探孔打开后孔内有泥砂涌出。由此可见，三轴搅拌桩和花管注浆后仍存在空隙，有涌砂现象，必须作进一步加固。

3.1.2 接收端头地层二次加固情况

由于接收端为三层站，隧道埋深较深，超过了三轴搅拌桩和深层花管注浆的有效加固深度，同时三轴搅拌桩和花管注浆存在空隙，造成加固后的土体未能有效密封。为弥补前期三轴搅拌桩和深层花管注浆的加固缺陷，进一步保证接收端土体加固质量，确保盾构安全出洞，经过专家论证，最终对接收端头土体加固方案作以下调整。

（1）洞门水平注浆加固。为弥补三轴搅拌桩和深层花管注浆的加固空隙，在洞门轮廓外周进行水平注浆封闭加固。水平注浆孔共打设 40 个，相邻孔间距为 0.52 m，呈圆形均布，以洞门预埋钢环圆心为中心，直径 6.6 m，孔深 2.5 m。具体注浆参数如下：①浆液类型为双液浆，水泥浆液与水玻璃溶合液比例为 1∶1；②正式注浆前实施试注浆，其注浆压力选定为 2.5 bar～3.0 bar。当注浆压力逐渐上升，注入浆液量逐渐减少，注浆压力达到设定压力，即视为孔内注浆完成；③浆液的注入采用 Φ25 PVC 花管引孔注浆，注浆孔与洞门的角度以 15°～20° 为宜，通过浆液扩散至洞门内侧加固区下方和前方空隙，达到阻水目的；④注浆所用 PVC 花管外侧提前加工丝口，若发生涌水，则立即采用配套堵头进行封堵。

（2）素桩加固。为提高洞门破除的安全性，在距车站围护结构地下连续墙 1 500 mm 处打设一排 Φ1 000@1 000 混凝土素桩，共 20 根；素桩之间密贴，素桩采用旋挖钻机成孔、水下 C25 混凝土灌注。混凝土素桩施工具体工序如下。

①泥浆准备。泥浆采用膨润土配制，泥浆比重控制在 1.15～1.20 之间，泥浆黏度控制在 18 s～22 s 之间，根据施工过程适时调整性能指标，以满足成孔稳定性要求。

②钻进成孔。钻孔桩采取跳打方式进行施工，在相邻桩混凝土浇筑达到 6 h 以后，方可成孔施工中间桩，以防对邻桩造成损坏。

③水下混凝土灌注。灌注桩身混凝土必须连续施工，且按混凝土的初凝时间控制每根桩的浇注时间，灌注桩混凝土浇注充盈系数应≥1.1，且≤1.3；混凝土水灰比宜在 0.5～0.55 之间，混凝土坍落度宜为 18 cm～22 cm。

（3）RJP（Rodin Jet Pile）工法桩加固。RJP 工法桩被业内称为超高压旋喷桩，相比于三轴搅拌桩，具有超高压喷射流体的功能，可以将土层组织结构破坏，被其破坏的土体与浆液混合搅拌，凝固后便在地层中形成固结体。RJP 工法桩在其工作时进行 2 次切削破坏土体：第一次是上段的超高压水和空气的复合喷射流体先切削破坏土体，在第一次切削土层的基础上再次由下部的超高压固化浆液对土体进行二次切削破坏，增加了切削深度，加大了固结体直径。综合工法特点，RJP 工法桩更适合于接收端的地层加固，更能保证土体加固效果。具体施工如下。

①为增强止水效果，在接收端头素桩与地下连续墙之间和素桩外侧共施作二排 Φ2 000@1 500 的 RJP 工法桩，对洞门形成一道止水帷幕。RJP 工法桩实桩长度为 12.2 m，钻孔深约 27.44 m，施作宽度为隧道轮廓线外各加 3 m。桩体水泥参量不小于 20%，现场水泥和水配比为 0.8∶1，注浆压力为 40 MPa。

②为了验证 RJP 工法桩对接收端地层的加固效果，在 RJP 工法桩正式施作前，先在现场制作两根试桩，试桩施工完成 7 d 后从桩间咬合部分钻芯取样，并对芯样的抗压强度及渗透系数进行检测。经检测，其无侧限抗压强度≥0.8 MPa，渗透系数≤1.0×10-6cm/s，地层加固效果良好，各项参数可以指导施工。

3.2 区间接收端降水施工

盾构到达接收端头加固区范围前应对加固区域进行降水施工。本区间接收端地下水位相对较高。由于接收端地层为粉砂和粉质黏土，其地下水为两层不同性质的水源，降水井最终设计情况如下。

（1）前期降水井打设 11 孔，深为 36 m、泥孔径为 550 mm，采用直径为 273 mm、壁厚 3 mm 的钢管，底部设置 1 m 长的沉淀管和 22 m 长的滤管。滤管为同规格的桥式滤水管，外包单层 80 目锦纶滤网，滤料回填至地面以下 10 m，其上回填钻渣或场地土至地面。

（2）后期为了观测加固区外端水位情况，再次在加固区外端增加观测降水井 3 孔，深 40 m，其降水井施工工艺与前期相同。接收端降水井共 14 孔，其中部分降水井兼做观测井。

（3）接收端降水井正式投入使用后，现场设置专人对降水井和观测井水位进行监测，每天水位监测频率不少于 4 次，并详细记录每次水位的量测数据，以便及时掌握动水位和静水位的变化，并对地下水位情况进行分析。

（4）在降水井正式投入降水施工一个月后，其地下水位均已降至 30 m 以下，动态水位均位于隧道底部下方 60 cm。为进一步验证地层加固及降水施工效果，在洞门掌子面范围内打设水平探孔 9 个，呈米字形布置，孔径为 60 mm，长 5.0 m。探孔打设前预埋套筒，打设完成后及时在套筒内装置球阀，以防探孔出现涌水、涌砂情况。探孔打设完成后，经观察，孔内无水、砂流出，加固体芯样具有良好的连续性、均匀性、自立性和密封性。

3.3 盾构机定位及接收洞门位置复核测量

（1）在盾构隧道贯通之前的 100 m 和 50 m 处，分别进行两次盾构姿态人工复核测量，准确测量盾构机的位置，明确成型隧道中心轴线与隧道设计中心轴线的关系。同时，按照 GB 50446—2018 《盾构隧道施工与验收规范》的相关要求，对接收洞门位置进行复核测量，继而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应注意以下两点：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，以隧道设计中心轴线为基准进行适当调整，以保证调整后的盾构姿态与洞门一致。

（2）盾构机到达接收井前，利用井下控制点对盾构姿态进行人工复测，及时将人工复测的数据与自动导向系统记录的数据进行比较。当差值较大时，用全站仪对激光站和后视棱镜点坐标进行检查，修改自动测量系统中的设置参数，以确保掘进过程中盾构姿态正确。

（3）由于本区间盾构接收段为下坡，为保证盾构顺利到达接收架，基于盾构接收姿态、洞门轴线、托架位置和地层因素，在盾构接收前 20 m 将盾构姿态抬高 10 mm，以防盾构接收时出现叩头现象。

4 盾构接收施工控制措施

由于盾构刀盘开挖直径比盾体直径大，加之富水粉砂层中土层的稳定性极差，土体与盾体间空隙易产生扩充，在较高的地下水位承压作用下，粉砂和水极易从管片背部注浆薄弱处流出，形成流水通道，引发涌水、涌砂事故，进而导致地面坍塌[5]。因此，在盾构接收施工阶段，深入分析风险因素、优化施工工艺、加强各项技术保障措施是至关重要的。

4.1 加固区内盾构掘进参数选定

本区间接收端加固区长度为 8 m，包含一排 Φ1 000@ 1 000 C25 混凝土素桩和两排 RJP 工法桩。由于土体加固强度较高，在盾构到达接收段的掘进过程中除了应达到纠偏目的以外，还应注意盾构进入加固区后的掘进参数控制。由于盾构机在加固区内刀盘扭矩较大，推进速度偏低，对地层的扰动影响极为明显，因此要根据到达段的地质情况合理确定掘进参数，总体要求是：低速度、小推力、合理的土仓压力、及时饱满的同步注浆量、匀速连续推进等，旨在避免因不当的盾构推进操作而发生地表塌陷和地面管线破裂等事故。接收段具体推进参数和控制要求如下。

（1）盾构机推力控制在 10 000 kN～12 000 kN 之间，刀盘扭矩≤3 000 kN·m，刀盘转速≤1 rpm，同步注浆量在 6 m3～8 m3之间。

（2）在盾构机尾盾进入加固区前两环位置时，浆液改为双液浆形成封闭止水环，可提前将后方来水堵在加固区外。

（3）在盾构机刀盘到达素桩后，应密切关注刀盘扭矩、盾构总推力等掘进参数的变化，避免素桩受刀盘过度挤压而造成桩体整体破坏，影响洞门破除；素桩完全磨除完成后，要尽量清空土仓中的渣土，以减小渣土对洞门的挤压，保证凿除洞门混凝土施工的安全。

4.2 隧道止水环位置选择和施作

由于本区间盾构出洞为下坡段，为达到封闭后方来水的目的，从盾构出洞前 30 环采取连续、错开注浆孔位的方式开始施作封闭止水环。根据盾构到达的位置不同，可将止水环施作分为 3 个阶段，每个阶段所采取的注浆方式、注浆类型、注浆参数等都取决于盾构到达位置和现场实际情况。

（1）第一阶段封闭环施作：330 环～351 环，即刀盘推进至加固区前一环位置，本阶段封闭环施作利用每环管片上的 6 个注浆孔注入双液浆。由于封闭环管片背部在推进过程中已完成同步注浆，在实施封闭环注浆时要严格把控注浆压力，以防因注浆压力过大而造成管片变形。根据地层和同步注浆量分析，本次封闭环注浆压力以控制在 1.0 MPa 内为宜。

（2）第二阶段封闭环施作：352 环～354 环（刀盘掘进至素桩位置）和盾体，此时停止掘进，对洞门进行再次打设探孔，验证是否有水涌出。为防止盾构机被浆液抱死，该阶段首先采用化学浆液注浆形成封闭止水环，化学浆液配比是 1∶1∶1∶1（草酸原液∶水∶水玻璃∶水），即草酸溶液∶水玻璃溶液＝1∶1。盾构井继续掘进时，该化学浆液会被同步注浆浆液破坏，再进行二次填充。

（3）第三阶段封闭环施作：直至盾构机出洞，全部采用双液浆施作封闭止水环。

4.3 洞门止水帘布和弧形止水钢板安装

4.3.1 洞门止水帘布安装

盾构机到达接收洞门前，必须按照设计要求将洞门止水帘布安装在洞门预埋钢环外侧，并通过钢环预留的螺栓孔将其固定。洞门止水帘布由帘布橡胶圈、折页式压板、扇形板、垫片和预制螺栓组成。当盾体通过洞门密封装置后，通过紧固钢丝绳，压紧扇形压板，抑制洞门帘布向洞外翻转，紧紧贴合盾体外壁，防止流水沿管片外径流出，同时也防止同步注浆浆液外流，从而起到密封作用。

4.3.2 弧形止水钢板安装

由于洞门钢环直径为 6 700 mm，盾体直径为 6 460 mm，盾构机到达洞门钢环位置时，二者之间单侧会存在 120 mm 的空隙，若盾构机到达此位置后发生涌水、涌砂，处置起来将异常困难。为降低从盾体和洞门钢环间空隙处发生涌水、涌砂的风险，经过多种方法的对比分析，最终确定采用在洞门预埋钢环内弧面焊接弧形止水钢板的方案。具体实施如下。

（1）弧形止水钢板采用宽 200 mm、厚 6 mm 的花纹钢板，钢板支架高 80 mm、宽 50 mm。

（2）在洞门预埋钢环距离洞门掌子面 100 mm 位置焊接第一道弧形钢板；在洞门预埋钢环距离洞门掌子面间距 250 mm 位置设置第二道弧形钢板，并在每块钢板后采用 10 mm 厚的三角钢板进行焊接加固。

（3）为了降低环向止水钢板环的刚性，在每块弧形钢环内弧面从上向下切割深度为 150 mm 的缝隙，以免盾体与其接触过程中发生整块钢板脱落的情况。

（4）两道弧形钢板焊接完成后，在中部填塞棉絮，若有水涌出，可有效阻挡泥砂。

4.4 洞门破除

为保证盾构出洞安全，在刀盘到达素桩位置后停止掘进，洞门开始破除前，沿素桩外边线（前盾两侧及顶部对应地面位置）事先打设 3 个注浆孔，分别位于盾体轮廓外 30 cm 位置和前盾正上方。盾体轮廓外两个注浆孔打设至隧道底以下 3 m，前盾正上方注浆孔打设至盾壳顶。盾构机在出洞时一旦发生涌水、涌砂，可立即通过事先打设完成的注浆孔，快速进行地面注浆止水。洞门破除分为两个阶段：第一阶段是盾构机刀盘掘进至素桩位置，主要破除洞门围护结构地下连续墙外部的混凝土和钢筋；第二阶段是盾构机刀盘掘进至地下连续墙，主要破除地下连续墙内侧的钢筋和混凝土。

洞门凿除前，可采取以下方法判断是否有水进入土仓内：对掌子面进行水平探孔，探杆直接打至盾构机土仓内，以有效观测土仓内是否存在地下水，探孔必须及时得到封闭；空仓观测土仓内压力变化，若土仓内压力值较大，则判断土仓内有水流进入，若确定土仓内有水进入，则必须将水位降至隧道底部以下，方可进行洞门破除。

4.5 管片拉紧装置

为了确保盾构机在出洞时最后十环管片的整体性，必须采取以下有效措施。

（1）管片螺栓复紧。由于盾构机进入加固区后推力较小，洞门附近的管片环与环之间连接不够紧密，因此要做好后 10 环管片螺栓的二次紧固和复拧紧工作，即管片拼装后对螺栓进行第一次复紧，管片脱出盾尾后实施第二次管片螺栓复紧。

（2）管片整体拉紧装置。首先在最后 10 环的每环管片 3 号、6 号、10 号、13 号和 16 号油缸点位安装特制钢板，并用管片螺栓压紧；然后在盾构机完全出洞前，即最后一环管片拼装完成后，采用 10 号槽钢分别与每环管片上预先安装的钢板依次焊接，形成一体。通过槽钢将最后 10 环管片连成整体，可防止管片松弛，并提升密封防水效果。