土压平衡盾构机穿越高水压条件下较深中间风井施工技术

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　　摘要：文章以杭州地铁1号线滨江站~富春路站区间为工程实例，阐述了为解决盾构穿越紧邻钱塘江高水压条件下的较深中间风井的难题、结合地铁1号线过江隧道的工程总体筹划实施了盾构始发和到达段进行地基处理后将洞门圈内的地下连续墙围护结构混凝土凿除、回填土后盾构机先后穿越、注浆后挖土封闭洞门圈间隙的施工工艺。工程实践表明，此工艺在工程直接费适当增加的情况下保证了工程安全，较好的解决了盾构进出洞的风险控制，节省了施工工期，为以后类似工况工程施工提供了直接经验。
　　关键词：高水压；粉砂；风井；回填水土；盾构穿越
　　
　　随着华东地区城市地铁建设的规模越来越大，盾构穿越中间风井的情况越来越多。由于地铁线路设计的要求，两座地铁车站之间的中间风井一般都较深。在较深的中间风井进行盾构到达和始发施工，需要克服高水压（往往是潜水和承压水的双重影响）和不利地质条件（粉砂层）的影响，采用常规工艺进行盾构到达和始发施工时，极易发生涌水、涌砂等险情，造成地面沉降、管线破坏、建构筑物受损等后果。本文所阐述的施工工法是结合工程具体情况，主要从安全风险控制、节约工期的角度出发采用了将洞门凿除后、回填土和水、盾构穿越后注浆封堵的施工工艺，实践证明达到了预期效果，在国内尚属首次使用。
　　一、工程概况
　　（一）工程简介
　　滨江站～富春路站区间为杭州地铁1号线工程穿越钱塘江全地下区间，里程范围为K5＋880.274～K8＋835.859，区间左线总长为2.946km，区间右线总长为2.956km。在里程K6＋750和K8＋351.9处设风井2座。区间隧道线路特征：平面最小曲线半径R＝400m，最大坡度－28.05％，隧道覆土9.4～28.1m。为满足钱塘江下300年一遇河床冲刷包络线下3.5m隧道埋深的需要，过江线路呈V字形设置，导致江两侧的风井都较深。区间隧道结构外径为6.2m，内径为5.5m；管片厚度为35cm，环宽1.2m，每环由6块管片错缝拼装而成。
　　拟穿越的江北风井平面外包尺寸为40.8m×15.6m，主体结构的围护结构采用1.0m厚、42m深的地下连续墙，内衬结构厚0.4～0.8m，开挖深度26.266m。
　　杭州地铁1号线穿越钱塘江隧道采用2台加泥式土压平衡盾构机施工，根据工程筹划，2台盾构机先后从江南岸的滨江站始发，需先后在江南风井和江北风井进出洞后，抵达富春路站盾构掘进完成。盾构掘进安排见图1。
　　
　　图1 盾构掘进安排示意图
　　（二）穿越江北风井段轴线特征
　　穿越江北风井段隧道平面轴线为缓和曲线，曲线的参数方程：沿曲线起点处切线方向：X=L-L5/33.0/R2/L02，沿曲线起点处法线方向：Y=0.00000303X3-0.000000639X2+0.00140X，式中L0=84.995，R=649.882。
　　纵向轴线为1.008%的正坡。
　　（三）周边环境
　　江北风井位于钱塘江北岸的之江路和婺江路交叉口，位于婺江路上，隧道轴线方向与婺江路平行、垂直于之江路。江北风井平面环境见图2。
　　江北风井周边施工影响范围内的构建筑物为6层住宅小区和杭州广电中心大厦。由于江北风井主体和附属结构位于婺江路正中，所以平行于婺江路的雨水、给水和电力管线采取了临时改排的方式处理，即在风井周边6m范围外侧绕排。
　　
　　图2 江北风井环境平面图
　　二、地质条件
　　（一）工程地质条件
　　盾构穿越江北风井过程中穿越的土层为砂质粉土和淤泥质粉质粘土层。盾构穿越江北风井的结构及地质情况横剖面见图3。
　　盾构进出洞受其影响的主要土层性质如下：
　　③6层 粉砂：灰、青灰色，中密，饱和，含有机质、云母屑。实测标贯锤击数17～34击，平均值25击。静力触探锥尖阻力qc=9.59～12.82MPa，平均值10.57MPa，侧壁阻力fs=89.7～120.7kPa，平均值107.3kPa。
　　③7层 砂质粉土：灰色，稍密，很湿。含有机质、云母碎屑，具水平层理，夹淤泥质粉质粘土，摇振反应中等，切面无光泽反应，干强度较低，韧性较低，江中夹有淤泥质粉质粘土。实测标贯击数2～15击，平均值5击。静力触探锥尖阻力qc=1.58～5.45MPa，平均值3.81MPa，侧壁阻力fs=43.8～75.2kPa，平均值46.0kPa，属中等压缩性土。
　　⑥1层 淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，鳞片状结构。无摇振反应，切面光滑，干强度中等，韧性中等，实测标贯击数2～5击，平均值3击。静力触探锥尖阻力qc=0.68～7.52MPa，平均值1.23MPa，侧壁阻力fs=10.8～23.1kPa，平均值16.2kPa，属高压缩性土。
　　
　　图3 江北风井横剖面地质图
　　（二）水文地质条件
　　1．潜水。场地浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于表层填土及③1～③8层粉土、粉砂中，由大气降水和地表水径流补给，地下水位受季节以及钱塘江地表水的影响较大。勘探期间测得钻孔静止水位高程为4.0m。
　　2．孔隙承压水。钱塘江北岸承压含水层主要分布于深部的⑿4层圆砾和⒁2层圆砾中，水量较丰富，隔水层为上部的淤泥质土和粘土层（⑥、⑨层）。承压含水层顶板高程为-26.00～-24.82m，隔水层顶板高程为-14.02～-15.12m；本次勘察在实测承压水位埋深在地表下7.70～8.24米，相应高程为0.08～-0.62米。承压水流速较小。
　　三、盾构进出洞方案比选及总体施工流程
　　（一）盾构进出洞方案比选
　　1．常规盾构始发和到达。
　　（1）常规盾构进洞方案。常规盾构进洞方案，主要思路为采用适合的洞门区域加固方式，保证洞门凿除的安全需要和盾构进洞过程中周边间隙封堵的有效性。一般来讲加固区域为超过盾构本体长度约2m左右，盾构推进和洞门圈凿除的进度相配合，洞门圈内的混凝土凿除、钢筋切割完毕后盾构推进至接收井的盾构基座上。由于洞门圈与管片之间的间隙比洞门圈与盾构壳体之间的间隙较大约为7~12cm，所以在较易发生涌水涌砂的地层中采取2次甚至3次、多次进洞，直至完成洞门圈与进洞环管片的弧形钢板焊接封堵。
　　常规盾构进洞加固较多的采用深层搅拌桩（两轴或三轴）、在搅拌桩和地下连续墙之间采用旋喷加固。有效的加固长度可使得盾构机刀盘靠上地下连续墙时，在脱出盾尾的管片周边进行注浆封堵仍在加固区内，保证了注浆封堵效果，避免地下水及流砂从盾构机壳体与管片外径之间的间隙纵向渗透到洞门圈渗漏。
　　在周边环境条件允许的情况下，可采取打设降水井点的辅助措施，在盾构进洞过程中开启，降低进洞段土体水头，如有条件将地下水位降低至隧道底部以下，则可有效防止涌水涌砂发生。但是降水会造成地面沉降，如周边有管线、建构筑物、道路等则要加强监测，必要时采取主动保护措施，防止其他事故发生。
　　在施工场地受到限制的情况下，也有采用垂直或水平冻结的方式进行洞门区域土体加固。在加固长度未超过盾构机长度的情况下盾构进洞，容易在盾壳和土体之间的间隙中产生涌水、涌砂现象，造成土体坍塌甚至隧道结构受损的后果。
　　（2）常规盾构出洞方案。常规盾构出洞方案主要思路为采用适合的洞门区域加固方式，保证洞门凿除的安全需要，同时在洞门圈周边预先安设防水装置使洞门圈和盾构壳体、管片之间的间隙得到密封，防止涌水、涌砂。一般情况下盾构出洞风险控制结束于盾尾推进到洞门圈内部、洞门圈与出洞环管片得到有效密封后。

　　在有条件的情况下，盾构出洞的加固长度范围为超出盾构机本体长度约2m，加固形式一般为搅拌桩结合旋喷桩。在盾构机刀盘尚位于加固区内时，将洞门圈与出洞环管片之间采用弧形钢板焊接密封，然后盾构推出加固区，完成盾构出洞。考虑到搅拌桩和旋喷桩加固的不均匀性，可采取打设降水井点的辅助措施，在盾构出洞过程中降低水头高度、甚至将水位降低到盾构机底部，即可有效的防治出洞过程中的涌水涌砂。
　　由于施工场地往往受到周边环境的影响，如临近处有重要的管线、建构筑物或城市道路等，也可采用垂直或水平冻结方式对出洞土体进行加固。如加固长度不能达到盾构机本体长度时，可采用袜套加止水箱体的防水装置进行洞口密封。
　　采用常规盾构进出洞的风险点主要有：根据总体筹划2台盾构机先后在江北风井进出洞，如果任何1台在盾构进出洞过程中发生涌水涌砂等风险均可能对另外一条隧道产生影响，须确保每个环节均受控且做好风险控制应急预案；盾构进洞过程中易发生涌水涌砂，须随时做好临时应急封堵措施；如隧道底部发生渗漏容易造成隧道结构受损，须做好隧道应急支撑和应急堵漏准备；因为进出洞段隧道平面方向位于缓和曲线段，采用常规盾构进洞后须对基座和盾构机整体进行转向，须做好基座固定、转向和盾构顶推准备及应急预案。
　　2．回填土穿越。针对本工程的特点，综合考虑盾构进出洞安全、工期、环境保护和经济性，提出了在采取加固措施对洞门凿除后回填土直接穿越的进出洞方式。
　　回填水土直接穿越方案，主要思路为采用合适的洞门区域加固方式，保证洞门凿除安全（洞门凿除后在洞门圈周边预埋环形冻结管作为开挖时洞门圈封堵的应急措施之一），洞门凿除前在井内浇筑混凝土和砂浆基座以保证盾构穿越过程中盾构高程足以保证顺利穿越，洞门凿除完成后进行风井内的水土回填，回灌水的高度以平衡风井外的潜水水位为准。2台盾构先后穿越后进行进出洞段的管片环箍注浆以封堵洞门圈和管片之间的间隙，待环箍注浆满足强度要求和探孔无水流出后进行风井内抽水和回填土开挖，开挖至隧道顶部时边开挖边用弧形钢板将洞门圈和进出洞环的背覆钢板之间焊接封堵。
　　由于加固的目的仅为满足洞门凿除的安全要求，因此加固体的长度可不必考虑与盾构机本体长度的关系。另外，由于盾构穿越（进出洞）期间是在风井内外的水土压力保持平衡的情况下进行，所以无需采取井点降水等其他辅助措施。
　　采用回填土穿越的风险点主要有：4个洞门同时凿除过程中易发生涌水涌砂及坍塌的风险，须采取合适的土体加固方式并保证其有效性；盾构穿越江北风井过程中的盾构姿态如掌握不好可造成盾构机卡在洞门圈上的情况，须采用精细化管理和控制措施保证盾构姿态按照设定的目标实施；洞门圈环箍注浆效果如果不佳则在开挖过程中易发生涌水涌砂，须采取多孔管片多点注浆等方式进行环箍注浆，并在注浆完成后打设探孔检验其密封性，另外须在开挖前做好在隧道内和开挖面进行应急封堵的物资及作业人员，根据制定的应急预案组织实施。
　　3．方案比较和优化。本工程在江北风井进出洞的特点较为独特和明显：江北风井平面结构尺寸较小但埋深较深，并受到潜水和承压水的双重影响，盾构进出洞位于粉砂层中易发生涌水涌砂，盾构在江北风井无检修计划即无需对盾构刀盘进行改制，盾构施工场地仍保留在江南风井无需转场。因此具备了盾构回填土直接穿越的条件。
　　在进行方案的比选时主要考虑的因素有：风险控制，工期，费用等。本方案主要目的为保证盾构进出洞安全，工程进度满足工程总体统筹安排需要，减小盾构进出洞过程中对周边环境的影响，选用的优化方案具有一定的经济性。
　　综合上述分析，采用盾构直接穿越方式可有效降低盾构进出洞风险；盾构穿越前的所有准备工作可提前进行，盾构穿越进出洞只需3~5天，而采用常规方式在风井进出洞至少需要30天、且一旦发生风险两台盾构则会互相影响，盾构穿越后环箍注浆施工完成后的开挖封堵工作可与盾构推进及盾构在富春路站的进洞同步进行，不占用总工期；由于江北风井的结构尺寸较小，有利于回填水土的施工组织且相对于常规进出洞的施工直接费用增加不多，相对于风险控制且工期有效缩短来讲完全可以接受。故选用盾构直接穿越的方式完成盾构进出洞。
　　（二）总体施工流程
　　盾构进出洞是一项工序繁多的综合性工程，工序流程的合理安排是盾构进出洞安全、顺利的有效保证。本工程的总体施工流程见图4。
　　 图4 回填土穿越总体施工流程
　　四、盾构穿越关键施工技术
　　在总体施工流程中述及的工序较多，对采用本工艺施工风险分析后对以下4个工序进行重点阐述，其他工序属于常规施工工艺，具体实施情况不予累述。
　　（一）盾构进出洞加固
　　由于本工程采用洞门凿除后在风井内回填土直接穿越的进出洞方式，因此选用垂直冻结作为洞门加固方式。主要优点有：可采用多台钻孔机械对4个洞门圈范围同步进行冻结孔钻孔施工，4个洞门圈同时进行冻结可有效控制同时达到洞门凿除的条件，洞门凿除和回填水土过程中仍可进行积极冻结（在水土回填到位后方进行冻结管的拔除）可保证施工过程的安全性。主要风险点有：冻结土体未融解的情况下盾构穿越加固体容易发生盾构机刀盘被冻住的情况、需采取其他辅助措施方可解困，盾构在冻结土体中推进姿态难以掌握。本工程考虑到这种风险的存在，故提前3个月就完成了回填水土和拔管的工作，在盾构穿越时的土体温度已经回升到0~-3°，有效规避了盾构刀盘被冻住和姿态难以掌握的风险。冻结平、剖面布置布置图见图5（4个洞门冻结管加固布置一致）。
　　
　　图5 冻结布置平、剖面图
　　在洞门凿除、水土回填到位后，进行冻结管的拔出施工。冻结管的拔出采用70°左右的热盐水进行循环后拔出，拔出后的冻结管孔洞采用水泥和粉煤灰混合浆液进行回填灌满。
　　（二）盾构掘进控制
　　1．管片里程计算和控制。在盾构推进距离江北风井约500环时即要进行管片里程的核算和控制，江北风井净长为12m（10环），为了便于背覆钢板和洞门圈的后期封堵，尽量使管片骑在内衬临井交界面60cm（40~80cm范围内），这样也可在井接头施工中安全可控并减少凿除管片的工作量。推进过程中可通过通贴楔子的方式调控管片里程。
　　在江北风井实际进出洞的实际排列情况见图6，基本达到了控制目标。
　　
　　图6 盾构穿越江北风井管片排列平面图
　　2．盾构姿态和管片姿态控制。盾构隧道以缓和曲线穿越中间风井，盾构本体直径为6340mm、长度为8700mm。为确保盾构机顺利通过在12m长度范围内2个预留直径为6700mm的洞门圈，推进前根据缓和曲线要素和实测的洞门圈坐标进行计算，设定每环的推进目标姿态（并非以平面和高程向零为姿态的控制目标），施工过程中按照设定的目标进行控制，控制要素情况见图7。
　　 图7 平曲线图及盾构姿态控制要素详图
　　实际穿越期间的盾构姿态和管片姿态均在受控范围，并符合国标要求。
　　3．盾构掘进参数控制。盾构掘进的主要参数有土压力设定、推进速度、刀盘扭矩、总推力、土体改良措施、同步注浆等。在盾构穿越江北风井过程中，先后穿越冻结加固区、回填土区、冻结加固区，频繁的土层转换需要精确控制盾构掘进参数。
　　盾构在冻结区推进期间须首先放慢推进速度至5~10mm/min，同时控制刀盘扭矩在3000Nm之内，并密切关注推进油箱和刀盘离合器温度，如温度升温过快须采取冰块降温、暂停推进同时保持刀盘转动等措施。为防止盾构机刀盘在冻结区被冻住，在管片拼装阶段须保持进行刀盘转动。

　　盾构在江北风井内回填土推进期间须根据回填土的深度和回水高度计算盾构机土压力，为避免盾构姿态突变可采取通过出土量反算土压力进行控制。
　　（三）洞门圈注浆
　　盾构穿越过江北风井后，即开始对进出洞范围内的管片进行环箍注浆，目的是将预留洞门圈和管片之间的间隙进行加固，防止在开挖、焊接弧形钢板过程中发生涌水、涌砂。为使注浆效果更加均匀，在盾构进洞前5环、盾构出洞后5环范围内采用多开孔管片（每环管片环向范围共预埋15个注浆孔），进出洞环采用背覆钢板管片，每环6个注浆孔。
　　1．注浆流程：以左线盾构进洞段环箍注浆为例，首先进行直接对准地下连续墙和内衬墙处管片的注浆，即1320环，然后按照1319、1318、1317、1316环的顺序进行，最后进行进洞环（1321环）的注浆。每环的注浆顺序是从隧道底部、左右交叉向隧道顶部聚拢。
　　2．注浆浆液：环箍注浆以双液浆为主，即以水玻璃和水泥以约30%的配比进行拌制，双液浆的初凝时间控制在20~30s为宜。
　　3．注浆量和注浆压力：环箍注浆以注浆量和注浆压力指标双控，根据地质条件和隧道埋深的不同而不同，一般情况下第一遍的注浆每孔约为1~2m3，注浆压力控制在注浆处水土压力的1.5倍左右为宜。
　　（四）开挖封堵
　　为使开挖后的洞门圈与管片间隙封堵有效，在盾构进出洞环（左线1321环、1331环，右线1323环、1333环）采用背覆钢板管片，钢板预埋的宽度为1.0m居中布置。拼装进出洞管片前将其预留注浆孔处的钢板割开，便于环箍注浆。
　　在环箍注浆强度达到设计要求后进行风井内抽水和开挖施工。首先将回灌的表层水抽出、利用预埋的疏干井抽水以降低土层中的含水量，便于机械和人工开挖。由于风井平面结构尺寸较小，只能采取小型的挖掘机和人工配合进行开挖作业。江北风井的开挖配备了50t履带吊1部，60挖机和35挖机各2部，1m3和3m3的土箱各2个。由于隧道两侧的间隙较小，挖机开挖到隧道顶部范围后，只能采用人工进行开挖、封堵。施工速度是这一工序的重点，尽可能快的完成封堵可有效降低风险。
　　为确保开挖过程安全，须在隧道内和开挖面准备好应急物资及专业人员，以便发生涌水涌砂时进行应急封堵。主要的应急物资为聚氨酯泵及配套材料，双液浆泵及配套材料，双快水泥，棉花胎，氧气乙炔、电焊机及焊条、抽排水泵及管路等。
　　五、结语
　　随着城市地下工程建设逐渐向深度发展，常规的施工工艺已经不能满足工程的安全要求，必须根据实际情况有所创新，在确保工程安全的前提下缩短工期、降低工程造价、保证环境安全是每一位工程建设者的追求目标。
　　另外，通过本工程的实际情况，在采用本文所述工艺进行盾构进出洞时，笔者建议从以下方面可进行进一步优化：（1）洞门凿除后可采取在洞门圈周边喷射混凝土的方式缩小洞门圈，即将洞门圈与管片之间的间隙缩小为盾壳和管片之间的间隙，利于后期的环箍注浆封堵；（2）预埋的环形冻结管可取消，开挖期间在隧道内和开挖面准备好应急封堵的聚氨酯、双液浆及棉花胎等常规应急物资即可满足施工要求；（3）在穿越过程中如果盾构姿态掌握不好容易发生盾构将预埋的洞门圈扯坏的情况，因此在采用本工艺进出洞时洞门圈的预埋筋布置需要加强。
　　此种方法也可以在盾构进洞时使用，需要配合的是接收车站施工时设置1座封堵墙缩小接收井区域，便于组织施工。
　　
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　　作者简介：王弘琦（1978.- ），男，内蒙古赤峰人，上海隧道工程股份有限公司工程师，研究方向：地下建筑工程。
　　
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