土压平衡盾构纯水下接收技术经济效益研究

摘要：以常州轨道交通2号线红五盾构区间为例，为保证盾构能够安全顺利接收，进行了土压平衡盾构纯水下接收技术实践研究。详细分析了端头井加固接收、钢套筒接收、纯水下接收3种施工技术原理，重点介绍了纯水下接收技术的技术原理、施工流程、控制措施及施工效果。通过对3种技术的工期及费用的对比分析，得出盾构纯水下接收技术经济效益显著，优于其他2种接收技术，值得推广应用。

关键词：土压平衡盾构；端头井加固；钢套筒；工期；费用

0" "引言

随着城市地铁的不断建设，地铁施工技术越来越成熟，逐步适用于各种各样的施工环境和条件[1]。在地铁区间施工中，常应用矿山法、明挖法、盾构法等技术，其中盾构法以其安全性、可靠性强被广泛应用[2]。在盾构施工中，除了下穿、侧穿特殊结构安全风险较大外，风险性最大的工序主要为盾构始发和接收过程[3]。常用的盾构接收技术有端头加固技术、钢套筒技术水下接收技术等[4]。

在地铁建设中，不断有施工企业和技术人员针对各类特殊环境盾构水下接收技术进行了研究。杨钊等[5]开发了孟加拉卡纳普里河底隧道盾构水下接收关键技术。杨国松等[6]进行了超大直径泥水盾构水下接收关键技术的研究。张中勇等[7]研究了冻结加固土压平衡盾构水下接收技术。安宏斌等[8]针对无端头加固条件，研究了土压平衡盾构水下接收施工技术；吴镇等[9]分析了富水卵石层土压平衡盾构水下接收技术。针对不同的盾构接收技术，不仅需要从其施工效果分析其适用性，还需进行经济效益分析，证明其经济可行、工期可靠。

1" "工程概况

常州轨道交通2号线TJ04标包含两站两区间，其中红梅公园站至五角场站区间右线长1453m，左线1426m。采用盾构法施工，盾构机类型为土压平衡盾构机，直径为6.46m。红五区间线路出红梅公园站后侧穿水门桥、在建月馨苑地下车库，下穿京杭运河及驳岸后进入五角场站。红梅公园站接收端头地质主要为黏质粉土夹粉砂、粉砂层，靠近京杭运河约10m，地质条件及环境条件极差，渗水量大，不具备端头加固的条件，且使用钢套筒或回填土接收，不能满足工期要求。

2" "盾构接收技术

2.1" "端头井加固接收技术

端头井加固主要采用三轴搅拌桩施工盾构端头井加固Ａ区、Ｂ区和止水帷幕，并结合双重管高压旋喷桩完成全部端头井地基建设。在止水帷幕与加固体的间隙设置管井，降低地下水水位，保证盾构进出洞施工的安全。盾构进出洞端头井加固布置图如图1所示。

端头井加固施工顺序如下：端头井围护结构施工→加固区和止水帷幕三轴搅拌桩施工→端头井开挖、结构和防水施工→双重管高压旋喷桩施工→降水井施工→降水→盾尾通过止水帷幕后环箍施工→盾构进出洞施工→后续注浆封洞门施工→降水井停止抽水，完成盾构进出洞施工。三轴搅拌桩施工工艺流程如图2所示。

2.2" nbsp;钢套筒接收技术

盾构接收前，需要安装好钢套筒接收装置，钢套筒与洞门钢环之间采用预制的橡胶圆筒柔性连接，钢套筒侧面示意图如图3所示。

洞门破除后，清空钢套筒内设备、材料、混凝土渣块后填充回填料。盾构接收时，采用慢速推进、刀盘低转速的施工模式，同时监测钢套筒的安全稳定性、柔性连接的密封防水性及地表沉降情况。当盾尾刷距离脱出最后一环管片还剩0.5m时停止推进，对脱出盾尾后的管片进行二次注浆加固，封堵洞门。最后，通过钢套筒泄水孔、观察孔观察加固情况，均无水流出即表示洞门封堵质量合格，可进行钢套筒拆除作业。该技术可在洞门与钢套筒之间产生一个缓冲区域，有效缓解盾构接收时产生的较大竖向力，抵消钢套筒出现竖向位移，避免洞门结构被拉坏等现象，提高了盾构接收的安全性。盾构钢套筒接收施工工艺流程图如图4所示。

2.3" "纯水下接收技术

2.3.1" "技术原理

在常州地铁2号线TJ04标红五区间没有端头加固条件下，采用富水砂层土压平衡盾构纯水下接收施工技术。在盾构机到达接收井之前，盾构接收井内安装好洞门密封翻板和帘布橡胶，并加固好盾构接收托架。利用水体流力学原理计算出接收竖井内注水高度，开始注水至指定标高。

2.3.2" "施工要点

严格控制盾构机掘进参数，确保接收井内的回填水与盾构掘进地层的水土之间达到力学相互平衡，防止地层中水土向竖井内流失，避免接收井地面塌方。盾构按照不同推进行程的设定参数进行掘进，待盾构机完全进入接收井内后拉紧帘布橡胶，在盾尾尾部20cm留在地连墙内时停机进行洞门注浆封堵。经检测洞门处封堵完毕后，清理完竖井内回填的水，将盾构推出洞门，盾构机接收完毕。纯水下接收盾构到达停机位置如图5所示。纯水下接收施工工艺流程如图6所示。

2.3.3" "控制措施

接收工作开始前，对区间地质、周边环境、地下水位等条件进行详细全面的选点勘探分析。盾构接收过程中，需监控接收井内水位实时变化，保证地下水位在安全高度。盾构掘进过程中，严格控制同步注浆及二次注浆质量。浆液按配比配制，注浆过程中控制注浆压力及注浆数量达到设计要求。

加强盾构机掘进控制，保持良好的盾构机姿态，使盾构轴线高于设计轴线20mm。掘进时，司机和值班工程师应根据实际掘进的情况，及时调整盾构机的掘进方向和速度，以适应地层、线路情况的变化。盾构掘进出洞过程中，全程监测地表沉降及地连墙变形情况。如发现异常，及时调整盾构掘进参数，注入化学浆等措施。

对盾尾刷检查和修复，密切关注盾尾漏浆情况，确保盾尾密封性。如盾尾漏浆严重，必要时可压注聚胺酯等防水材料。针对接收端洞口发生涌水涌砂及隧道内部发生渗漏水事故的可能性，要制定专项施工方案并制定相应预案。盾构接收掘进施工时，需要精准控制盾构机姿态，减少偏压导致盾构转向空隙。潜水作业由专业潜水人员进行。现场配备全套潜水设备，配备充足的氧气瓶、压缩空气等潜水材料。

2.3.4" "施工效果

常州地铁2号线TJ04标采用土压平衡盾构纯水下接收方法，成功进行了4次近河段富水粉砂层盾构机接收施工作业，最终盾构快速、安全地完成接收，提高了施工效率，缩短了工期，有效控制了地表沉降，降低了施工风险。通过采用该技术有效降低盾构接收过程中引起的地表沉降变形，达到了业主招标文件关于地表沉降≤10mm的要求。该技术先进、可操作性强，能有效降低施工风险，具有显著社会、环保和经济效益。

3" "盾构接收技术经济效益分析

通过对比钢套筒接收、端头加固接收和纯水下接收等3种接收技术的工期和费用，说明纯水下接收的经济性。

3.1" "钢套筒接收效益分析

若采用钢套筒接收技术，钢套筒安装需要采购钢套筒及反力架、安装钢套筒、填充钢套筒、拆除钢套筒。该项目需要接收2台盾构机，按购买一套钢套筒，安装、填充、拆除2次钢套筒进行计算。

3.1.1" "钢套筒及反力架费用

该项目需要钢套筒和反力架总质量约为250t，采购价格约为225万元。

3.1.2" "钢套筒安装费用

安装一个钢套筒需要工期10d，费用组成如下：150t起重机共20个台班、240个人工，费用为32万元。该项目需要安装钢套筒2次，钢套筒安装费用为64万元。

3.1.3" "填充钢套筒费用

使用低强度砂浆填充一次钢套筒需要工期1d，费用组成如下：725m3低强度砂浆、37m混凝土输送泵车1台班，费用为25万元。该项目需要填充2次钢套筒，填充钢套筒费用为50万元。

3.1.4" "拆除钢套筒费用

拆除一次钢套筒需要工期为10d，费用组成如下：150t起重机共20个台班、240个人工，费用为32万元。该项目需要拆除钢套筒2次，钢套筒拆除费用为64万元。

3.1.5" "施工工期

本项目顶板仅有一个吊装孔，安装填充完钢套筒（11d）后，第1台盾构机刀盘穿墙至盾体完全进入钢套筒需要5d，然后开始拆除钢套筒（10d）、盾构机平移拆机（30d），拆完第1台盾构机才能安装钢套筒接收第2台盾构机（16d）。根据以上状况计算可知，从2台盾构刀盘顶墙开始至完成接收需要工期预计为72d，总费用为403万元。

3.2" "端头加固接收效益分析

若采用端头加固结构技术，盾构接收井端头为高压旋喷端头加固方式。端头加固接收费用由高压旋喷加固费用、洞门钢环及密封系统费用、接收托架费用组成。

3.2.1" "高压旋喷加固费用

该项目盾构主机长度为11.45m，刀盘开挖直径为7.55m。如果使用高压旋喷桩端头加固方法，加固长度约为15m，宽度为24m，深度为14m，加固体体积约为5040m3，加固工期为60d，需要在盾构刀盘到达加固区前完成加固，费用约为605万元。

3.2.2" "洞门钢环及密封系统费用

1套洞门钢环及密封系统包括一套钢环、2个橡胶帘布、两套洞门翻板，采购价格约为20万元。安装1套钢环需要3t叉车8个台班、80个人工，费用为5万元。2套洞门钢环及密封系统安装完成工期为8d，费用为50万元。

3.2.3" "接收托架费用

需要采购2套接收托架，与水中接收使用的接收托架一致。接收托架质量约为33t，安装加固需要150t起重机1个台班、4个人工。安装2套接收托架工期为2d，可与洞门密封结构安装同时施工，费用为61万元。

根据以上计算，该项目若使用端头加固接收方式，需要费用为716万元。2台盾构机刀盘到达加固区前完成端头加固（工期60d），2台盾构机刀盘顶墙后，开始接收井内准备工作，完成准备工作后2台盾构先后出洞，每台盾构机出洞预计需要4d，2台盾构机完成接收工期为16d。

3.3" "纯水下接收效益分析

采用盾构机纯水下接收技术，接收费用由2套洞门钢环及密封采购安装费用、2个混凝土导台浇筑费用、2套接收托架采购安装费用、潜水作业费用、注水及抽水费用组成。

3.3.1" "洞门钢环及密封系统费用

需要采购及安装两套洞门钢环及密封系统。该系统与水中接收使用的洞门钢环及密封系统一致。2套洞门钢环及密封系统安装完成工期为8d，费用为50万元。

3.3.2" "混凝土导台浇筑费用

需要浇筑2个72m3混凝土导台，可与洞门钢环安装同步施工。

3.3.3" "接收托架费用

与端头加固接收一致。安装2套接收托架工期为2d，可与洞门密封结构安装同时施工，费用为61万元。

3.3.4" "潜水作业费用

2台盾构潜水作业需要潜水设备12个台班、75t起重机12个台班、潜水作业人员36个人工，费用为58万元。

3.3.5" "注水及抽水费用

本项目水下接收需要用水5350m3，注水及抽水使用100m3/h水泵，需要工期1d，费用为5万元。

根据以上计算可知，采用纯水下接收方式，该项目需要费用为174万元。2台盾构顶墙后，接收井内开始准备工作，然后注水接收第1台盾构（盾构机刀盘破墙到达停机位置工期3d），第1台盾构到达停机位置后接收第2台盾构，完成2台盾构接收需要工期为16d。

3.4" "效益对比分析

3.4.1" "施工工期对比

2台盾构纯水下接收施工，从接收井内准备工作开始到完成2台盾构接收工作共用时16d。如果使用钢套筒接收，从接收井内准备工作开始到完成2台盾构接收工作共用时72d。如果使用端头加固接收，需要加固时间约为60d，从接收井内准备工作开始到完成2台盾构接收工作共用时16d，共用时76d。通过对比分析可知，水下接收比钢套筒节省盾构接收工期56d，比端头加固接收节省端头加固时间60d，同时减少了加固对环境造成影响。

3.4.2" "施工费用对比

2台盾构纯水下接收施工，接收费用为174万元。如果使用钢套筒接收，接收费用为403万元。如果使用端头加固接收，接收费用为716万元。通过分析对比，使用纯水下接收比钢套筒接收节省229万元，比端头加固接收节省542万元，故纯水下接收经济效益明显。

4" "结束语

本文以常州轨道交通2号线红五盾构区间为例，为保证盾构能够安全顺利接收，进行了土压平衡盾构纯水下接收技术实践研究。通过对3种盾构接收技术进行对比分析可知，纯水下接收费用远远低于钢套筒接收和端头加固法接收，工期也最短，具有很好的经济性。该技术适用于现场无端头加固条件、不能使用钢套筒或者回填土盾构接收施工作业，可有效降低施工成本，提高施工效益，值得广泛推广。

参考文献

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