富水条件下盾构穿越泡沫砼回填风井施工技术

徐正齐

（中国中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230023）

1 工程概况

1.1 工程线路

杭州地铁6 号线一期土建工程SG6-6 标包括之江海洋公园站～振浦路站区间、振浦路站、振浦路站～中医药大学站区间，共计1 站2 区间。其中之振区间(之江海洋公园站～振浦路站区间)隧道全长2745m，穿越钱塘江，设江南、江北2 座风井,采用2 台海瑞克土压平衡盾构机施工，均由振浦路站小里程端始发，过程中依次穿越江北风井、钱塘江和江南风井，然后再一直掘进至之江海洋公园站大里程端接收吊出。工程线路详见图1。

图1 本标段工程线路图

1.2 风井结构

江北风井主体结构尺寸27.1m×21.8m，基坑开挖深度达29.1m，为地下三层单柱双跨钢筋混凝土框架结构。风井采用地连墙与内衬墙叠合结构，地连墙既作为风井基坑围护结构，又作为风井主体结构一部分。地连墙厚度1.2m，内衬墙厚度0.8m，预埋洞门钢环直径6.7m。

1.3 地质条件

江北风井区域自上而下地层：①1 杂填土、②32 砂质粉土、②4 粘质粉土、③3 砂质粉土夹粉砂、③6 粉砂、⑥2 淤泥质粉质粘土夹粉土、⑧2 含砂粉质粘土、⑿1 粉砂、⑿2 中砂、⒁4 圆砾、(22)3 中风化钙质石英粉砂岩、(23)3 中风化砂砾岩。盾构掘进主要涉及③6 粉砂层和⑥2 淤泥质粉质粘土夹粉土层，其中隧道底部为⑥2 淤泥质粉质粘土夹粉土层。地层详见图2。

图2 地层分布图

1.4 水文条件

江北风井区域地下水类型为潜水和承压水。浅部潜水主要赋存于上部①填土层、②粉土、粉砂及③粉土、砂土中，潜水含水层底板大致以⑥层淤泥质土为界，厚度13.5～23.3m。深部承压水主要分布于⑿、⒁砂砾石层中,其上⑥、⑧和⑨层粘性土是相对隔水层，构成承压水含水层顶板,其下基岩(22)钙质石英粉砂岩、(23)砂砾岩为承压含水层底界,厚度4.1～20.0m。

1.5 周边条件

江北风井位于钱塘江东北岸滨文路端头，距钱塘江堤最近110m。西侧为绿地，东侧30m处是新生村311 号房屋（2000 年建造，四层砖混结构，条形基础，埋深0.5m）。风井周边无地下管线。

2 盾构穿越风井前相关技术措施

由于江北风井紧邻钱塘江，区域存在富水(高水位潜水及高水头承压水)和不良地质(粉砂及淤泥质土)双重风险不利条件。为确保盾构掘进安全，对风井两侧端头采用了RJP 加固、素混凝土止水帷幕及降水技术，并对风井采取泡沫混凝土回填等措施。

2.1 风井端头加固

江北风井端头处区间隧道顶部覆土深度约19m，隧道断面处于③6粉砂、⑥2 淤泥质粉质粘土夹粉土层中。原设计端头处地基加固采用1m 厚素混凝土地连墙+7m 范围双重管普通高压旋喷桩。根据现场水文及工程地质条件和加固深度情况，为保证加固质量和盾构接收、始发安全，变更将原设计加固技术方案优化为：1m厚C20 素混凝土地连墙+7m 范围三重管RJP 超高压旋喷桩。

江北风井一侧端头的素混凝土地连墙注水帷幕总长46.2m，共计18 幅，止水帷幕素混凝土地连墙深度至区间隧道底部以下不小于10m，墙底位于⑧2 含砂粉质粘土层中。在进行江北风井主体围护结构钢筋混凝土地连墙施工同时，完成相应端头的素混凝土地连墙止水帷幕。端头7m 范围内的土体加固采用三重管RJP 超高压旋喷桩，桩径及间距Ф2200@1700，桩长27～28m 之间，加固深度至区间隧道底部以下不小于3m，桩底位于⑥2 淤泥质粉质粘土夹粉土层中。风井基坑围护结构钢筋混凝土地连墙与端头素混凝土地连墙止水帷幕的接缝处，采用1 根直径Ф2200 三重管RJP 超高压旋喷桩封堵，桩长31.0m。优化后的端头加固及降水布置详见图3。

风井端头加固三重管RJP 超高压旋喷桩采用P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥，设计水泥掺量不小于35%，水灰比0.7～1.0。根据设计要求和试桩等情况，实际选取采用水灰比1.0，水泥掺量35%。主要技术工艺参数及机械设备见表1。

表1 三重管RJP 超高压旋喷桩工艺参数及机械设备表

2.2 风井端头降水

2.2.1 降水井布置

在端头井加固土体外侧和素地连墙止水帷幕封闭范围内，共设置6 口降水井和2 口观测井，降水井深度均为28.5m。降水井平面布置详见图3。

图3 优化后的端头加固及降水布置平面图

2.2.2 管井材质构造

降水井材质采用Ф315mmPVC 波纹管，滤水管外包裹60目滤网,填料采用优质中粗砂回填，顶部2m 回填粘土土。观测井采用Ф110mmPVC管制作。

2.2.3 降水技术要求

抽水稳定后，出水含砂量不超过1/20000 (体积比)。为安全起见，洞门凿除之前，须提前开始抽水，使素混凝土连续墙止水帷幕范围的地下水位降至区间隧道底部以下。洞门破除过程中，应做好观测井水位观测，检查降水效果，确保洞门破除施工安全。

2.3 风井洞门凿除

2.3.1 加固效果检查

根据设计和规范要求, 对风井洞门端头处加固土体需要检查其强度及抗渗性能。加固土体强度指标通过钻芯取样测定其抗压强度；抗渗性能指标采用探孔取样确定其抗渗性能。在洞门上、下、左、右及中心部位共设置9 个探孔，每个孔深＞2m。在加固土体钻芯检测和洞门探孔取样检查良好情况下，方可进行洞门凿除。加固土体现场实际钻芯完整性较好，抗压强度满足设计要求。钻芯详见图4。

图4 加固效果钻芯照片

2.3.2 洞门破除施工

首先在洞门前搭设脚手架作业平台；其次对围护结构外侧混凝土进行破除，割除外侧钢筋；再次对内侧混凝土进行破除，保留内侧钢筋，待渣土清理完毕后才能进行内侧钢筋割除；最后清理好现场，开展泡沫砼回填各项准备工作。洞门凿除须连续，加强现场观测巡查，并尽量缩短作业时间。

2.4 风井泡沫混凝土回填

2.4.1 泡沫砼指标及配合比

综合考虑盾构机承载及掘进切削要求，泡沫砼设计抗压强度指标7d≥1.5Mpa、28d≥2.0Mpa。通过试验，泡沫混凝土配合比选定为水泥:水：泡沫剂=1:0.57:0.09。初凝时间5～6 小时。湿密度1000～1050kg/m3，普通硅酸盐水泥P.O42.5 水泥用量650kg/m3。

2.4.2 泡沫混凝土回填技术工艺

风井内回填泡沫砼之前，应完成左右线洞圈复测，以确保后续盾构机顺利通过。此外还应在风井盾构接收及始发段各布置6 环增设注浆孔的管片(每环12 个注浆孔)，以便于以后注浆及封堵洞门。

为确保泡沫砼回填浇筑连续、密实和均匀，采用分层施工工艺方法。江北风井泡沫砼回填顶面为风井洞门以上3m 高度，回填总量25.5*20.2*10.4=5357m3。泡沫砼采用现场制作，配备两台泵送配套机械设备，24 小时连续作业，分两班倒进行施工。按每台泵送泡沫砼方量80m3/h，通过软管直接由预留孔回填浇筑。

风井泡沫砼回填浇筑共计分为13 层，每层分层厚度约0.8m，浇筑速度1 层/3h，每层浇筑间隔时间5h。泡沫砼回填过程中，要确保供应连续不间断。

泡沫砼回填技术工艺步骤：第一步风井左、右线进洞及出洞条件验收合格；第二步同时凿除4 个洞门第一层0.9m厚砼，拆除脚手架并将砼渣清除；第三步开始回填第1 层泡沫砼到洞圈底部位置。第四步从洞圈底部往上凿除洞门剩余的0.3m 厚砼，凿除高度为1.6m，同时将1.6m 高度范围内洞门外层钢筋全部割除完成；第五步回填完成洞圈底部位置往上1.6m 高度范围内泡沫砼，分成两次回填, 每次0.8m（即第2、3 层回填泡沫砼）；第六步继续往上凿除洞门第二层砼，凿除高度范围洞圈底部以上1.6m～3.35m至洞门中心线位置，同时割除该范围内钢筋；第七步完成洞圈底部往上1.6m～3.35m 至洞门中心线位置范围内回填泡沫砼，分两次回填完成（即第4、5 层回填泡沫砼）；第八步继续凿除洞门中心线往上第二层砼，凿除范围为洞门中心线至洞门顶部高度3.35m,同时割除该范围内钢筋，此时洞门范围内砼已全部凿除完成；第九步完成洞门中心线至洞门顶部高度3.35m 范围内回填泡沫砼，一共分四次回填施工，相当于（即第6～9 层回填泡沫砼）；第十步继续往上回填泡沫砼，回填高度为盾构管片外径顶部以上3m高度（相当于洞门钢环往上2.75m，因为洞门钢环半径3.35m，管片半径3.10m），此高度范围回填泡沫砼分四次施工，相当于（第10～13 层回填泡沫砼）。第十一步完成泡沫砼回填收尾工作，做好盾构机穿过风井准备。风井内泡沫砼回填横断面详见图5。

图5 江北风井泡沫混凝土回填横断面图

2.5 盾构姿态复测

由于回填泡沫砼7d 强度≥1.5Mpa，可承载盾构机自重，因此本次盾构穿越时不需要布置基座。盾构在穿越江北风井前，须对4 个洞门位置进行复核测量，复核盾构所处方位、确认盾构姿态、评估盾构进入江北风井时姿态、拟定盾构接收段施工轴线、推进坡度控制值等，确保盾构在此阶段施工中始终按预定方案实施，以良好姿态穿越风井。

3 盾构穿越风井施工

本工程采用盾构过站江北风井施工工艺。在江北风井底板和负三层侧墙施工完成后，进行盾构穿越风井。待盾构通过风井结束后，再进行风井剩余负二层和负一层主体结构施工。

3.1 总体施工分区：盾构穿越江北风井主要分为盾构进洞、风井回填泡沫砼内盾构掘进和盾构出洞三个施工阶段。本项目左线盾构先行穿越江北风井, 随后右线盾构穿越,两者前后相距约50 环，以避免左右线掘进相互干扰和影响。根据施工顺序，将盾构穿越江北风井施工分为7 个区域(依次为一区至七区)。详见图6。

图6 盾构穿越江北风井总体筹划分区图

3.2 穿越江北风井技术

以左线盾构穿越江北风井为例，施工过程依次为：左线盾构掘进一区素混凝土墙止水帷幕(1m)；左线盾构掘进二区土层(5m)；江北风井左、右线洞门破除同时施工；风井泡沫砼回填施工及养护；左线盾构掘进三区RJP 加固区(7m）；左线盾构穿越四区风井回填泡沫砼(19.2m)；左线盾构过钱塘江之前全面检查；左线盾构穿越四区风井回填泡沫砼(10m)；左线盾构掘进五区RJP 加固区(7m)；左线盾构掘进六区土层(5m)；左线盾构掘进七区素混凝土墙止水帷幕(1m)。左线盾构穿越江北风井的总体施工时间控制在35 天以内。

3.2.1 接近江北风井

当盾构机切口距离江北风井地连墙外侧24 环距离时，此时盾构机与地连墙距离为一倍盾构底埋深。本阶段土压力设定区域为中心土压控制，设定值为0.35MPa， 推进速度调整至2cm/min，控制推进总推力≤17000KN。同步注浆量保持正常6m3/环，同步注浆压力控制在0.4～0.5MPa。土压力及同步注浆量设定，可具体根据出土量及地表监测数据适当调整。

3.2.2 进洞

盾构到达加固体前，防止推力过大而对加固体产生较大扰动，推力、土仓压力设置需严格控制，可根据现场情况将土仓压力减小到较小值。在盾构机碰壁以前，须注意盾构掘进参数选择，防止纠偏过急，通过正确的管片拼装点位选取，保证盾构机碰壁时良好姿态。在即将碰壁时，提前一环将速度减小到10mm/min，推力＜12000kN；至碰壁前50cm 距离时，速度减小到5mm/min，推力＜10000kN，刀盘转速＜1.5rad/min。

3.2.3 穿越风井回填的泡沫混凝土

当盾构刀盘中心刀靠上泡沫混凝土后，逐步减小土压力。推进时应密切注意盾构机姿态，使盾构机能顺利进入洞门。本阶段盾构控制推进速度在1cm/min 左右，以控制总推力为主，控制推力≤10000KN，刀盘转速1r/min。同步浆液注浆量保持3.4m3/环，并在压注过程中密切观察注浆压力变化。盾构盾尾进入泡沫混凝土内5 环时，在洞门封堵效果检查满足要求后，盾构机暂停掘进，对盾构机穿越钱塘江前进行刀具和盾尾刷等器件全面检查，对于不能继续使用的器件给予更换。盾构穿越江北风井详见图7。

图7 盾构机直接穿越江北风井纵断面图

3.2.4 出洞

3.2.4.1 盾构刀盘在加固体中推进：由于本阶段掘进正面土体土质较硬，为控制推进轴线和保护盾构刀盘，须耐心磨削，使加固区土体得到充分切削，为控制好刀盘油压和转速，推进速度应放慢，尽量做到平稳施工，减少对周围土体扰动。推进速度在1cm/min 以内为宜，出土量为38.6m3/环，刀盘转速采用1r/min，控制盾构机推力≤14000kN，刀盘扭矩控制≤4200kN·m。土压控制为中心土压控制，土压力值设定为0.12MPa～0.15MPa 左右。土压力值主要根据盾构机推力、扭矩以及出土量等参数进行调整。

3.2.4.2 刀盘出加固体推进：盾构刀盘出加固区后，土压力设定为0.35MPa。刀盘刚刚出加固区时，盾尾仍在加固区内，推进速度控制在1cm/min，同步浆液注浆量保持在3.4m3/环。待盾尾完全离开加固区，推进速度提升至3cm/min，同步注浆量恢复6m3/环。

4 监控量测

根据设计及规范相关要求，盾构穿越风井主要监测内容有：一是盾构轴线顶部地表沉降监测，沿盾构轴线每隔5 环布设一点。二是盾构横向剖面地表沉降监测，盾构进洞、出洞段50 环范围内沿盾构轴线每隔5 环布设一组，每组各11 点，盾构进洞、出洞段50～100 环范围内沿盾构轴线每隔10 环布设一组，每组各11 点，盾构其余段每隔20 环布设一组，每组各11 点。此外，盾构穿越风井过程中，对风井基坑支撑轴力、端头地下水位及临近房屋沉降等也进行了监测。通过监测，各项数据均未超过相应预警或报警值，盾构穿越风井过程中，施工安全总体受控。

5 穿越风井后相关措施

盾构穿越风井后，通过对地连墙及内衬墙范围内的管片注浆孔加装球阀基础上,采用冲击钻进行封水效果探测，确认无渗漏后，方可进行下一步泡沫砼凿除和洞门封堵。封堵结束后，还对整个洞门进行了补注压浆。

6 结论

城市地铁建设过程中，需设置风井来满足长距离区间隧道通风需要。对于盾构穿越良好地质条件下的区间风井，通常采用“接收到站、平移过站、再始发”的施工技术工艺。针对本工程对复杂高风险地质条件下的于盾构穿越区间风井施工，采用“回填风井、盾构穿越”的施工技术工艺，既降低了盾构多次常规接收和始发的安全风险，同时还可以有效加快工程进度、缩短施工工期。本项目实例可为其他类似工程施工提供有益借鉴和参考。