地鐵盾構(gòu)鋼套筒接收施工技術(shù)方案研究
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李 文1，袁天海2，郭 譜2
（1．武漢市車都軌道交通有限公司，湖北 武漢 430056；2．華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）
[摘要]地鐵工程盾構(gòu)接收過(guò)程是難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)，由于城市地鐵盾構(gòu)隧道施工地質(zhì)條件及周邊環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)到達(dá)接收過(guò)程中易發(fā)生漏水、涌砂等風(fēng)險(xiǎn)，為確保盾構(gòu)出洞安全，故選取適當(dāng)?shù)亩軜?gòu)接收方法便顯得尤為重要。以某地鐵區(qū)間隧道的實(shí)際施工情況為背景，針對(duì)高承壓水地區(qū)易發(fā)生涌水、涌砂等風(fēng)險(xiǎn)，從工期情況和施工風(fēng)險(xiǎn)兩方面分析盾構(gòu)接收方案，最后采用素墻+鋼套筒+輔助降水接收方案。該方案解決了由于前期高壓旋噴加固過(guò)程中地下連續(xù)墻成槽時(shí)可能進(jìn)尺慢、地下連續(xù)墻和主體維護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在縫隙等施工難題，結(jié)果表明該方案有效地避免盾構(gòu)到達(dá)接收過(guò)程中漏水、涌砂等風(fēng)險(xiǎn)，確保出洞安全。
[關(guān)鍵詞]地鐵；盾構(gòu)；輔助接收；端頭加固；鋼套筒；施工技術(shù)
[中圖分類號(hào)]U455. 43 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)11-0076-04
0 引言
在地鐵工程盾構(gòu)法區(qū)間隧道施工中，始發(fā)和接收過(guò)程是整個(gè)工程中的關(guān)鍵工序，也是難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)，尤其是盾構(gòu)接收過(guò)程尤為明顯。當(dāng)?shù)竭_(dá)端頭地層條件較差時(shí)，對(duì)于盾構(gòu)到達(dá)的安全措施，傳統(tǒng)工藝主要采用端頭加固處理，還有水中到達(dá)法、深井到達(dá)法、凍結(jié)法等。由于以上工法均要求對(duì)洞門端頭進(jìn)行各種施工，而且加固質(zhì)量難以保證，仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，某地鐵區(qū)間盾構(gòu)法隧道施工遇到的特殊工程地質(zhì)條件，采用鋼套筒輔助工藝接收方案比選解決了施工難題，確保了盾構(gòu)到達(dá)安全，不僅豐富了傳統(tǒng)到達(dá)施工工藝的內(nèi)容，更提高了盾構(gòu)到達(dá)風(fēng)險(xiǎn)控制的安全性，有效將盾構(gòu)到達(dá)風(fēng)險(xiǎn)降至可控范圍。
1 工程概況
1.1 地理位置及周邊環(huán)境
某地鐵區(qū)間位于某地解放大道與建設(shè)大道交叉路口以南的建一路下。接收端車站南側(cè)距離江漢二橋約450m，距離漢江650m。東北側(cè)為現(xiàn)有1號(hào)線高架橋，距離接收井28m，樁長(zhǎng)42m，高架樁為摩擦樁，樁端位于粉細(xì)砂層中。西側(cè)緊鄰二環(huán)線高架橋，高架橋一部分橋面侵占左線洞口，車站距離高架橋最近處4. 7m，二環(huán)線高架橋基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，嵌巖，橋樁進(jìn)入中風(fēng)化泥巖4. 1m。
1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況
場(chǎng)地地層自上而下主要由7個(gè)單元層組成，即(1-2)素填土，(3-1-1)粉質(zhì)黏土，(3-1-3)黏土，(3-1-5)粉質(zhì)黏土，(3-3)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，(3-5)粉砂夾粉質(zhì)黏土、粉土，( 4-2-1)細(xì)砂。接收井端處盾構(gòu)隧道主要穿越地層為(3-5)粉砂夾粉質(zhì)黏土、粉土及(4-2-1)細(xì)砂。
根據(jù)地下水賦存介質(zhì)（含水層巖性）、分布范圍、水理性質(zhì)及水力特征，場(chǎng)區(qū)第四系松散層孔隙水主要為上層滯水、承壓水。
2鋼套筒接收方案比選
在盾構(gòu)到達(dá)進(jìn)站時(shí)，端頭加固不具備或未完全具備施工作業(yè)條件時(shí)，為了有效地規(guī)避盾構(gòu)進(jìn)站到達(dá)存在的安全隱患，對(duì)鋼套筒接收方案進(jìn)行比選。
2.1 接收端加固設(shè)計(jì)
按照現(xiàn)場(chǎng)條件，采用ф800mm@ 500mm三重管高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理，加固長(zhǎng)度10m，加固橫向范圍為隧道上側(cè)4m，下側(cè)及左、右兩側(cè)各3m。
2.2接收端加固現(xiàn)狀
1)左線接收時(shí)，周邊管線破裂出現(xiàn)涌水、涌砂，水土流失量達(dá)300多m3；且右線隧道掘進(jìn)方向左側(cè)，距隧道邊線1. 8m、圍護(hù)結(jié)構(gòu)5m出現(xiàn)塌方，原加固體加固效果已無(wú)法保證。洞體周邊土體自穩(wěn)性已不確定，右線洞門加固體水土流失，造成右線出洞涌水、涌砂風(fēng)險(xiǎn)加大。
2)施工單位將接收端洞門由設(shè)計(jì)的6 620mm做成6 820mm，導(dǎo)致洞門與盾體間間隙變大，增大出洞風(fēng)險(xiǎn)。
3)經(jīng)取芯3層車站高承壓水粉細(xì)砂地層中旋噴加固效果不理想，且目前降水情況尚達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
2.3方案1：素墻+鋼套筒+輔助降水接收
2.3.1 素墻
為確保洞門破除施工時(shí)的安全，采用在原圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)20cm位置施工一處寬800mm的地下素墻，施工范圍：洞門兩側(cè)各2m，隧道下3m，頂至地面，采用C15水下混凝土。素墻與原地下連續(xù)墻兩側(cè)接縫位置采用高壓旋噴樁進(jìn)行封堵。
2.3.2輔助降水
保留素墻外部降水井降水，起到減少素墻外側(cè)向水土壓力作用，以及減少素墻和圍護(hù)墻接縫底部涌水風(fēng)險(xiǎn)。
2.3.3鋼套筒接收
為確保盾構(gòu)出洞至封堵洞門時(shí)間內(nèi)洞門的安全，盾構(gòu)接收采用鋼套簡(jiǎn)的暗接收工法。
2.3.4鋼套筒設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）
1)筒體
考慮維爾特046盾構(gòu)盾體10. 45m長(zhǎng)（含中心刀），設(shè)計(jì)鋼套筒筒體部分長(zhǎng)10m，直徑（內(nèi)徑）6 800mm，鋼套筒主體包含門蓋、傳力架1、傳力架2、傳力架3、傳力架4、連接簡(jiǎn)體、底部框架等。
筒體分4段，每段又分為上、下2塊，簡(jiǎn)體材料用30mm厚Q235A鋼板，每段筒體的外周焊接縱、環(huán)向筋板形成網(wǎng)狀以保證筒體剛度，筋板厚20mm，高150mm，間隔約550mm×600mm。
每段簡(jiǎn)體的端頭和上、下兩段圓弧接合面均焊接連接法蘭，法蘭用40mm厚Q235A鋼板，上、下兩段連接處以及兩段筒體之間均采用M30×110 8.8級(jí)螺栓連接，中間加3mm厚橡膠墊，以保證密封效果。
2)底部托架
在筒體底部框架分4塊制作。底部框架承力板用20mm厚Q235A鋼板。托架與下部簡(jiǎn)體焊接連成一體，焊接時(shí)托架板先與簡(jiǎn)體焊接，再焊接橫向筋板，焊接底板和工字鋼。托架組裝完后，工字鋼底邊與車站底板預(yù)埋件焊接，托架須用型鋼與車站側(cè)墻頂緊，鋼套筒上部采用槽鋼與中板梁頂緊。
3)端蓋板
后端蓋為弧面蓋板，材料用30mm厚Q235A鋼板，平面環(huán)板加焊4道厚30mm、高500mm鋼板，井字形焊接在后端蓋上。后蓋邊緣法蘭與鋼套筒端頭法蘭采用M30 x130 8.8級(jí)螺栓連接。
4)反力架
盾構(gòu)接收反力架緊靠在端頭井環(huán)框梁和底橫梁上。反力架用600 mm×400 mm方鋼做斜撐，與車站底板頂緊，反力架上部頂在中板上。反力架定好位置后，先用400t千斤頂頂平面蓋和反力架，消除洞門到后蓋板的安裝間隙后，反力架上、下均布4120與后端蓋平面板頂緊，承力工字鋼管兩端用楔形塊墊實(shí)并焊接。
5)連接簡(jiǎn)體
在原洞門環(huán)板預(yù)埋板的基礎(chǔ)上，鋼套筒與洞門環(huán)板之間設(shè)1塊過(guò)渡連接板（厚20mm），過(guò)渡連接板的長(zhǎng)度可以根據(jù)盾構(gòu)接收井的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，本區(qū)間考慮維爾特盾體長(zhǎng)度，擬采用1000mm長(zhǎng)連接簡(jiǎn)體。
洞門環(huán)板與連接簡(jiǎn)體板采用燒焊連接，鋼套筒的法蘭端與連接簡(jiǎn)體采用M36×65 8.8級(jí)螺栓連接。連接筒體與傳力架連接側(cè)內(nèi)徑6 800mm，法蘭外徑7 140mm;與洞門鋼環(huán)連接側(cè)內(nèi)徑6 800mm不變，法蘭外徑設(shè)計(jì)7 020mm。
在連接簡(jiǎn)體2，4，8，10點(diǎn)（鐘表點(diǎn)位）位置有4個(gè)觀測(cè)孔（帶球閥），用來(lái)檢查洞門密封質(zhì)量。
6)進(jìn)料口
鋼套筒上預(yù)留下料口，下料口位于傳力架3上。
7)泄料閘及排漿孔
在后端蓋平面板設(shè)置1個(gè)泄料閘門、1個(gè)帶球閥排漿管。洞門鑿除的渣土和盾構(gòu)接收完成后最后殘留的回填料都需要從泄料閘運(yùn)出。
2.3.5 鋼套筒接收盾構(gòu)的步驟流程
盾構(gòu)停機(jī)在素墻處，鋼套筒連接完畢后鑿除洞門，外層鋼筋網(wǎng)片可提前鑿除→洞門鑿除完成→施工低強(qiáng)度等級(jí)混凝土回填套筒底部與A環(huán)板內(nèi)→套筒內(nèi)回填盾構(gòu)泥砂，并檢驗(yàn)密封性。
盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，施作雙液漿環(huán)箍→隨著盾構(gòu)推進(jìn)向前施作環(huán)箍，進(jìn)入盾體后進(jìn)入套筒掘進(jìn)階段。
1)支撐安裝
鋼套筒與洞門環(huán)板焊接完成并檢查確認(rèn)后，即安裝簡(jiǎn)體上部支撐。鋼套筒每邊共設(shè)置4道橫向支撐，頂在中板梁上。
2)密封性檢查
鋼套筒分多塊組成，各組成塊之間均須加墊橡膠墊，對(duì)橡膠墊必須嚴(yán)格控制質(zhì)量，防止損壞或有漏洞，避免出現(xiàn)漏漿泄壓。連接螺栓是保證各部分連接緊密的重要構(gòu)件，使用前應(yīng)確保連接螺栓質(zhì)量和數(shù)量，保證各部分連接的強(qiáng)度。
3)砂漿基座
維爾特盾構(gòu)與鋼套筒之間存在260cm縫隙，為防止盾體栽頭，碰觸鋼套筒，在鋼套筒底部600范圍內(nèi)澆筑25cm厚C20砂漿基座。
4)填料
向鋼套筒內(nèi)填料，主要是填泥砂混合物，必要時(shí)對(duì)土體進(jìn)行改良，增強(qiáng)土體的流動(dòng)性。
鋼套筒接收盾構(gòu)施工流程為：鋼套筒制作→安裝鋼套筒→破除洞門→鋼套筒填料、加壓并封閉檢測(cè)→盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入鋼套筒。
2. 4 方案2：洞門置換分層回填+鋼套筒+降水 接收
1)增加降水井，保證水位降至隧道底以下1m設(shè)計(jì)要求。
2)首先安裝鋼套筒下半部分（包括門蓋、傳力架1~4和連接筒體），并定位加固好。
3)鋼套筒內(nèi)澆筑砂漿基座（下部600mm范圍、厚0. 25m）。
4)分層在鋼套筒內(nèi)回填土，每層厚度為1~2m，每層填筑步驟為：①填至距洞門約1m位置（破除洞門人員占位），停止填筑；②從下至上破除洞門1～2m高度；③破除完成后在破除位置回灌水泥砂漿止水墻。
5)下部鋼套筒內(nèi)部填筑完成后，安裝加固上部
鋼套筒，并將上部下料口和觀察口打開(kāi)（下料口下
料，觀察口用于人員緊急疏散）。
6)分層鑿除上部地下連續(xù)墻及在上部鋼套筒內(nèi)回填土，分層及填筑方法同下部鋼套筒分層及填筑方法。
7)由于場(chǎng)地限制，降水井需增補(bǔ)在隧道范圍內(nèi)，盾構(gòu)停機(jī)需在降水井外。
8)鋼套筒回填完成后，盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)并進(jìn)入套筒內(nèi)接收。
3施工效果分析
3.1工期情況
推速<5 mm/min，推力<8 000kN，視實(shí)際推力大小，盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)掘進(jìn)過(guò)程中，要確保與外界聯(lián)系，密切觀察鋼套筒頂部情況，一旦發(fā)現(xiàn)變形量超量或有滲漏，必須立即停止掘進(jìn)，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。
1)方案1素墻及導(dǎo)墻施工6d;成槽機(jī)退場(chǎng)后吊裝鋼套筒并安裝固定，同時(shí)素墻等強(qiáng)，接縫施工旋噴樁6d;盾構(gòu)掘進(jìn)至素墻外停機(jī)，鑿除地下連續(xù)墻、回填鋼套筒6d;共計(jì)18d后盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒內(nèi)接收。
2)方案2增加降水井2d，吊裝鋼套筒下半圓并固定2d，鑿除洞門下半圓并回灌砂漿、回填套筒半圓4d，封閉套筒上半圓并固定2d，鑿除洞門上半圓并回灌砂漿、回填套筒上半圓3d，盾構(gòu)從停機(jī)位置掘進(jìn)至鋼套筒內(nèi)1d接收。共計(jì)14d。
3.2施工風(fēng)險(xiǎn)
1)方案l①地下連續(xù)墻成槽由于前期高壓旋噴加固過(guò)，成槽時(shí)可能進(jìn)尺慢，需配足抓斗斗齒，必要時(shí)配備旋挖設(shè)備；②由于打井場(chǎng)地限制，水位尚無(wú)法降至洞門以下，地下連續(xù)墻和主體維護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在縫隙，會(huì)導(dǎo)致底部涌水，對(duì)該層縫隙進(jìn)行水平注漿封堵。
2)方案2①底部鑿除洞門后，外部加固體若效果不好，會(huì)導(dǎo)致土體從鑿開(kāi)洞口處坍塌，雖回灌砂漿并回填土起反壓作用，但若外部加固體直立性差，回填土無(wú)法抵抗外部22m土壓力；②從底部開(kāi)洞到頂部回填，共計(jì)8d，增加洞門暴露臨空時(shí)間，增加風(fēng)險(xiǎn)。
3.3施工效果
方案1和方案2在工期基本相同的情況下，方案2施工風(fēng)險(xiǎn)比方案1要大，最終選擇方案1施工：素墻+鋼套筒+輔助降水接收方案。該方案的成功應(yīng)用解決了鋼套筒接收技術(shù)在土壓平衡式盾構(gòu)上使用的問(wèn)題，有效避免了出洞過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)，具有較大的提升空間和推廣應(yīng)用前景。同時(shí)，某區(qū)間盾構(gòu)隧道順利接收，保證了某地地鐵2015年12月28日正式運(yùn)營(yíng)。
4結(jié)語(yǔ)
1)接收端處盾構(gòu)隧道主要穿越地層條件為(3-5)粉砂夾粉質(zhì)黏土、粉土及(4-2-1)細(xì)砂，降水井的降水效果需滿足設(shè)計(jì)要求，且減少素墻外側(cè)向水土壓力，并能降低素墻和圍護(hù)墻接縫底部的涌水風(fēng)險(xiǎn)。
2)在對(duì)軟基進(jìn)行素墻加固時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件并結(jié)合實(shí)際情況，調(diào)節(jié)并優(yōu)化混凝土配合比；隧道洞內(nèi)加固和洞外素墻加固相結(jié)合的加固方式對(duì)隧道涌水、涌砂具有很好的防范治理作用；經(jīng)水平探孔檢查，確認(rèn)無(wú)滲漏后破除洞門，同時(shí)通過(guò)水平探孔檢查加固的效果和質(zhì)量。
3)施工安全風(fēng)險(xiǎn)受多方面影響，應(yīng)該從施工的管理措施、技術(shù)措施等方面進(jìn)行綜合控制來(lái)有效降低風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)處于高承壓水的隧道施工時(shí)，不僅要嚴(yán)格做到按照合理的施工方案進(jìn)行施工，還應(yīng)根據(jù)可能遇到的隱患風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)備好相應(yīng)的應(yīng)急措施與物資。
