富水砂层土压平衡盾构纯水下接收施工技术研究

摘要：为确保盾构在无端头加固等施工条件下安全接收，依托沈阳地铁二号线南延线土建2标工程，对富水砂层土压平衡盾构采用纯水下接收技术进行研究。对盾构接收前准备工作和水下接收过程关键技术的进行阐述，并从现场、工期、经济、节能环保四方面对盾构接收效果分析。研究结果表明：采用纯水下接收方式，盾构安全顺利接收，且施工工艺简单，环保经济，节省工期；该技术能有效降低盾构接收过程中引起的地表沉降变形，达到了业主关于地表沉降≤10mm的要求。

关键词：富水砂层；土压平衡盾构；钢托架；洞门密封环

0" "引言

在富水砂层中，盾构机在接收阶段经常会出现涌砂、涌水、以及地面塌陷等事故，危及地下管线及附近建（构）筑物[1-2]。盾构机接收常采用的方法有端头加固、钢套筒接收、接收井内回填土接收等方法[3]。针对富水砂层土压平衡盾构在无端头加固条件，在不可能采取钢套筒或接收井内回填土等接收方法情况下，可探索采用水下接收施工技术进行施工。

近年来，针对盾构水下接收技术不少学者进行了研究。杨钊等[4]针对孟加拉卡纳普里河底隧道盾构水下接收关键技术展开研究。安宏斌等[5]研究了无端头加固条件下土压平衡盾构水下接收施工技术。葸振东等[6]研究了超大直径泥水平衡盾构水下接收加固及保障措施。韩林等[7]分析了富水地层盾构水下接收端头加固及地表沉降控制技术。为确保盾构在无端头加固等施工条件下安全接收，本文依托沈阳地铁二号线南延线土建2标工程，对富水砂层土压平衡盾构采用纯水下接收技术进行研究。

1" "工程概况

沈阳地铁二号线南延线土建2标全市区间盾构工程，从全运三路站始发至市民广场站接收，在区间右线设置一处区间明挖段。明挖段为地下单层矩形框架结构，结构总长92.8m，宽约8.6～17m。盾构机平推过站，盾构施工场地位于沈阳市浑南区市政府周围。区间采用两台土压平衡盾构机施工，盾构开挖直径6.44m，管片外径6.2m，内径5.50m，混凝土强度C50/P10。

盾构隧道穿越粉质黏土、细砂、中粗砂，富含地下水。区间明挖段接收段地下水位绝对标高为+1.00m，盾构隧道位于地下水位以下，拱顶埋深为15.30m，处于富水砂层。工程周围环境复杂、高楼林立、地下管线众多，市政府要求施工中保护地下水资源，且保证地表沉降小于10mm，施工难度较高。地层水位高于盾构埋深，周边道路交通繁忙，建筑物较多，没有端头加固条件，且不宜采用降水措施。明挖段接收井顶板上只有一个吊装口，尺寸为10m×5m。

2" "水下接收技术应用总体思路

根据地层的水文地质情况和施工条件，盾构区间隧道选用土压平衡盾构机施工。在盾构机到达明挖段接收井之前，在盾构接收井内安装洞门密封翻板和帘布橡胶，同时安装并加固盾构接收托架。利用水体流力学原理计算出接收竖井内注水高度，并注水至指定标高。

严格控制盾构机掘进参数破除围护桩，确保接收井内回填水与盾构掘进地层的水土之间达到力学平衡状态，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。盾尾尾部20cm留在围护桩内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。

3" "接收前准备工作

3.1" "施作洞门密封环

在围护桩洞门范围内安装洞门密封环，每个洞门安装一套，同步注浆保证洞门密封效果，等刀盘穿过围护桩后拉紧钢丝绳。钢环上预留8个注入孔，使用橡胶管接到第二道钢支撑位置，给每个注入管编号标注位置。当盾构机穿过钢环时，如果砂土流入接收井内，可通过注入孔注入聚氨酯等紧急密封浆液进行封堵。

盾构接收端墙安装固定密封钢环，利用钢丝绳系好钢环的翻板固定在相交叉位置。在张紧钢丝绳一端安装连接一个3t手拉葫芦和一个1t拉紧葫芦。盾构穿墙前钢丝绳处于放松状态，水中接收时潜水员视翻板具体状态进行松紧调整，使帘布和翻板始终密贴盾体。

3.2" "施作钢托架

混凝土导台前方放置钢托架，用于接收盾体及后期盾构拆机。为确保盾体在托架上方空推移动时托架不动，托架前方用工字钢支撑在围护桩上，后部用工字钢支撑在混凝土导台上。钢托架接收轴线需低于设计轴线5cm。

3.3" "施作混凝土导台

盾构机穿过围护桩后，盾构机将被混凝土导台支撑。导台能够调整盾构出洞轴线偏差，同时也为盾构机出洞时提供适当反力作用。导台包括两个混凝土块，上部将被盾构刀盘切割，下部为盾体支撑。导台尺寸为6.04m×6m×1m，上部50cm采用C20混凝土，下部50cm使用C30混凝土。刀盘破完围护桩后停止转动。需要刀盘完全空推出帘布翻板范围，再转动切割混凝土导台，故需在帘布翻板和混凝土导台之间预留空推空间。

3.4" "接收井内注水

前面接收准备工作完成后，向接收井内注水。盾构穿墙时停止接收井内降水。此时洞门处地下水位标高为+1.0m，接收井内注水标高为+1.5m，比井外水位高0.5m，可以平衡盾构机破墙进入接收井时井外水土压力。

注水前在围护桩上标注注水标高，每50cm标记一次，标注范围为-1.0～+3.0m。检查盾构进入接收井后水位上升及下降情况。经过理论计算可知，如果没有水流失或者外部水进入接收井，整个盾构机进入水下后，水位将上升1m。接收井内水深为9.5m，需要注入约9350m3水，采用降水系统进行注水。接收井内注水水位如图1所示。

4" "水下盾构接收

4.1" "盾构掘进出洞

4.1.1" "盾构到达接收井

盾构到达围护桩前50m，测量确定盾构机的实际位置，确保盾构按设计轴线掘进。盾构离墙5m时再次测量盾构机位置，将轴线误差控制在±50mm。盾构到达围护桩前20m时，接收井停止降水前进行带压进仓检查刀具，确保周边开挖刀能够满足开挖直径要求。

4.1.2" "刀盘接触围护桩

围护桩直径为0.8m，接收井设计围护桩可受盾构载荷为9000kN。盾构开始接触围护桩后，将上土压由6MPa逐步降低，围护桩最后50cm掘进时上土压为2MPa，控制盾构贯入度使推力小于9000kN。盾构机掘进完50cm围护桩后，关闭盾构螺旋输送机排闸门不再出渣。

密封螺旋输送机，若不能完全密封，提前更换密封系统。若水从螺旋输送机漏入，向螺旋输送机注入聚氨酯进行封堵。刀盘接触围护桩及穿墙过程中，对围护桩变形及地表沉降情况进行实时监测。

4.1.3" "刀盘穿过围护桩

掘进最后70cm时，关闭螺旋输送机不出土，将刀盘贯入度控制在3mm/r。掘进速度严格控制在5mm/min，缓慢磨削围护桩，确保混凝土被切碎而不是被推裂，防止大块混凝土损坏洞门密封装置。盾构穿墙过程中，可通过盾体膨润土注入口向盾体周围注入膨润土，适当降低盾构出洞推力。同时这也能及时填充开挖轮廓与盾体之间的间隙，保证洞门密封性。刀盘穿过围护桩后，开挖仓里面将会充满水，土压力由接收井内水压形成。

4.1.4" "盾构在混凝土导台上掘进

刀盘破除围护桩后停止转动，空推穿过橡胶帘布。潜水员再次进入水中拉紧洞门钢环翻板上钢丝绳，使橡胶帘布完全包裹盾体。检查刀盘离翻板帘布及混凝土托架的距离，以确定刀盘开始转动的位置，待刀盘体完全离开橡胶帘布翻板即可开始转动刀盘。随着盾构刀盘离开橡胶帘布翻板，刀盘切削混凝土导台上部素混凝土，盾体落在混凝土导台上，慢慢到达钢托架。盾构掘进过程中，同步注浆压力由每环20MPa逐步减少至5MPa。

4.1.5" "盾构到达停机位置

盾构在刀盘上钢托架前停止转动，进行空推。管片拼装过程中推力始终保持在2500kN。为保证洞门密封状态，空推期间潜水员下水检查盾尾位置，在盾尾末端距围护桩20cm处停机。

4.2" "洞门密封及抽水

4.2.1" "二次注浆密封洞门

注浆完成后，盾构停机等待24h使砂浆达到足够强度。使用1：1水泥水玻璃双液浆，向最后3环管片所有注浆孔进行二次注浆，确保注浆位置穿过砂浆层。

4.2.2" "检查洞门密封效果

完成二次注浆后，使用电钻在围护桩范围管片上钻φ10mm孔，深度为38cm，伸出管片外3cm，位置为上下左右4个部位。检查是否有渗漏水，如果有渗漏水，应继续通过管片注浆孔对最后5环管片进行二次注浆，重新钻测水孔检查渗漏水情况。如此反复，直至侧水孔无渗漏水，以确保洞门密封效果后方可进入下一工序。

4.2.3" "抽水

检查洞门密封效果，如果没有渗漏水，开始抽水降低水位。为了确保及时发现是否有渗漏，抽水将逐步进行，每30min降低1～3m水位。如果发现渗漏，从洞门环管片注入聚氨酯，最后两环隧道管片进行二次注浆。接收井水抽完后，及时清理盾构井。

4.3" "盾构推出洞门

盾构接收顺序为：完成注水后接收盾构，将盾尾尾部20cm留在围护桩内，停机开始二次注浆封堵第一条隧道洞门。抽水降水位至标高+1.5m，其后接收第二台盾构，二次注浆封堵第二条隧道洞门。经检测洞门密封效果良好后，抽水降水位，将盾构推出接收洞门，完成盾构水下接收。采用方木支撑管片与混凝土台之间空隙，使用底部管片在钢托架上将盾体空推向前移动，直至盾构顺利推出洞门。

5" "施工效果分析

沈阳地铁二号线南延线土建2标全市区间盾构隧道的施工建设中，通过对工程实际情况具体分析，采用土压平衡盾构纯水下接收方法，最终使盾构快速、安全地完成接收。应用该技术不仅提高了施工效率，缩短了工期，而且有效控制了地表沉降，达到了业主招标文件关于地表沉降≤10mm的要求，降低了施工风险。

5.1" "工期分析

对比分析钢套筒接收、端头加固接收和纯水下接收3种盾构接收工艺所需工期。从接收井内准备工作开始到完成盾构接收工作，若采用纯水下接收施工需耗时16d，采用钢套筒接收需要72d，采用端头加固接收需要16d，加上加固60d，共需要76d。综合对比可知，通过水下接收对比钢套筒节省盾构接收工期56d，对比端头加固接收节省了60d，工期占用最短。

5.2" "经济效益分析

对比分析钢套筒接收、端头加固接收和纯水下接收3种盾构接收工艺所需费用。盾构纯水下接收施工，接收费用为174万元。若使用钢套筒接收，接收费用为403万元。若使用端头加固接收，接收费用为716万元。使用纯水下接收，对比钢套筒接收节省229万元，对比端头加固接收节省542万元。因此纯水下接收经济效益明显。

5.3" "节能环保效益

采用纯水下接收，避免了端头加固对地下水的污染，减少降水工作对于地下水资源的浪费，环保效果明显。采用纯水下接收避免了水土流失，有效降低了洞口涌水涌砂、地表隆起与沉降变形等带来的施工风险，确保了盾构施工的效率和安全。该技术优化了施工方案和接收顺序，通过往接收井注一次水，先后完成盾构接收，避免了资源浪费。

6" "结束语

采用纯水下接收方式盾构安全顺利接收，解决了地下水的不利影响，有效降低了盾构接收过程中引起的地表沉降变形，施工工效大大提高。当土压平衡盾构接收地层中含有黏土、粘质砂土、细砂、粉质细砂等复杂地质，且地下水含量丰富、易渗透时，采用纯水下接收技术施工效率高，劳动强度低，环保效果加强，避免了环境污染，社会效益显著，为今后工程施工提供了新的思路。

参考文献

[1]" 荆永波.富水粉细砂地层土压盾构安全接收技术[J].国防交通工程与技术，2023，21（2）：45-48.

[2]" 史佩军.地铁隧道盾构法施工安全风险管理研究[J].工程技术研究，2019，4（16）：158-159.

[3]" 倪晗，侯伟超，姜凯，等.复杂条件下富水地层盾构接收方法研究[J].建筑技术，2023，54（15）：1898-1902.

[4]" 杨钊，许超，宋相帅.孟加拉卡纳普里河底隧道盾构水下接收关键技术研究[J].现代隧道技术，2022，59（S1）：911-917.

[5]" 安宏斌，怀平生，白晓岭，等.无端头加固条件下土压平衡盾构水下接收施工技术[J].隧道建设（中英文），2019，39（10）：1697-1703.

[6]" 葸振东，丁传海.超大直径泥水平衡盾构水下接收加固及保障措施研究[J].施工技术，2016，45（S1）：527-529.

[7]""""" 韩林，胡晓阳，路林海.富水地层盾构水下接收端头加固及地表沉降控制技术分析[J].公路，2019，64（11）：270-275.