泥水盾构水下接收技术研究

泥水盾构水下接收技术研究

张存博

中铁隧道股份有限公司郑州450000）

摘要：针对泥水盾构接收端头为富水性地层这一不良地质条件，为避免在泥水盾构接收期间出现接收井内、外压力失衡而造成盾构与洞门圈间隙处出现涌水涌砂及地表沉降，通过分析、研究水下盾构接收技术，选取在盾构接收端头采用高压旋喷桩+垂直冷冻双重加固、塑性混凝土回填、优化掘进参数等措施，有效保证了盾构接收期间接收井内、外压力平衡，盾构接收安全有序到达，为类似工程提供一定的技术参考和借鉴。

关键词：越江隧道；泥水盾构；冷冻加固；洞门破除；水下接收

0引言

随着我国铁路、公路、水利、城市轨道交通等事业的发展，泥水盾构以其良好的压力控制模式在水下交通隧道建设中取得了广泛应用。武汉市轨道交通2号线越江隧道属于地铁2号线控制性工程，位于"万里长江第一桥"（武汉长江大桥）和"万里长江第一隧"（武汉长江隧道）之间，是我国第一条穿越万里长江的地铁隧道，区间全长约3100米，开挖深度在长江平均水位线下78米处，为双线双洞隧道，盾构机在富水性地层接收难度及风险极大，国内外类似相关工程盾构接收施工时造成事故的教训不少，武汉市轨道交通2号线越江隧道的修建，也给予了我们更加严峻的挑战。

泥水盾构采用带水接收方式。工作井内设置接收台座，接收台座的尺寸确定需与盾构出洞工艺相匹配，如尺寸确定不合理，将造成盾构刀盘转不动或盾构出洞姿态不当等问题。在工作井壁设置密封装置，如密封装置安装精度不够或方案不合理，有可能在工作井抽水时，密封装置处发生漏水或流砂等现象。盾构到达加固区前，需凿除洞门，完成回灌水，如果端头加固措施不当，可能造成洞门坍塌等风险。

以往对泥水盾构水下接收技术已做了大量的研究工作：文献[6]论述了采用水下到达施工方法的关键施工技术，能有效解决在深覆土、高水压、复杂地层工况状态盾构到达（过站）时，端头无法进行常规降水或者无足够场地进行端头加固的情况下，在高埋深、复杂地质条件下，盾构机接收难题。文献[7]对深覆土泥水平衡盾构水中接收施工步骤进行了讲解。文献[8]讲述了超大直径泥水平衡盾构水下接收技术，工程施工难度大，需增加端头加固措施及洞门止水措施。文献[9]从浅埋地层大直径盾构始发、端头加固长度、泥水分离系统及其适应性改造等方面，对工程中所遇到的难题进行了研究和针对性分析。文献[10]根据盾构水下到达时易出现涌水、涌砂、上覆土体坍塌等事故，阐述了盾构施工的重大风险点，论述了泥水盾构水下到达的处理措施。

本文以武汉市轨道交通2号线越江隧道为背景，重点论述了端头冷冻加固及盾构水下接收等关键施工技术，有效的规避了盾构接收过程中高水压风险，并取得了良好的效果，可为类似工程提供一定的参考和借鉴。

1工程概况

武汉市轨道交通二号线越江隧道采用2台Φ6.49m全新的泥水平衡盾构施工，隧道结构为拼装式单层管片衬砌，管片外径6.2m，内径5.5m，环宽1.5m。越江隧道接收端头江汉路站位于江汉路、中山大道、交通路及花楼街围合的地块内。车站北侧紧邻江汉路商业步行街，人流密集，西侧紧邻中山大道，花楼街穿过车站东端，盾构接收位于江汉路车站南端头。端头区域东北侧为江汉路步行街，建筑物密集，楼高５～８层，距隧道35ｍ，东南侧紧邻4层建筑物，西南侧为交通路。

1.1工程地质

接收端头隧道覆土16.3m，隧道主要穿越（3-5）粉质粘土夹粉土、粉砂互层及（4-2a）粉质粘土夹细砂强透水层。

1.2水文地质

盾构接收井所处位置为典型的长江中游一级阶地，距长江仅240m，接收井地层承压水丰富，承压水主要赋存于粉质粘土夹粉土、粉砂（3-5）和粉细砂（4-2）层中，承压水与长江水系有密切的水力联系，盾构接收时期水头在地面下10m左右。

2盾构接收方案比选

2.1接收方案对比

前期对接收方案进行了对比，具体见表1。

表1方案措施对比表

2.2接收方案确定

本工程离长江较近，地层含水量丰富且承压水头较高，若采用加固体+降水接收必须大面积降水，势必会造成周边地表沉降，给周围建筑物造成极大的安全风险；同时受周边建筑和管线的影响，端头加固范围有限，降水井布设困难。采用水下接收工艺对端头进行小范围的地表加固及冷冻，能有效的保证洞门凿除期间的安全性以及基坑回填期间洞门圈的稳定性。故选择水下接收施工方案。

3接收方案研究

在盾构接收前，首先进行端头加固（根据端头施工条件进行水泥土加固，加固范围为隧道结构轮廓线上12m，下4m，两侧各3m，沿隧道方向6m），在水泥土加固完成后实施地面垂直冻结，冻结达到设计强度后凿除洞门，冻结加固主要为保证洞门凿除过程中的土体稳定和封水效果良好。

洞门凿除完成后，在盾构接收井或待穿越基坑内回填塑性混凝土至洞门上方2m，然后灌水至地下水位高度，以平衡盾构接收（穿越）井内外的水土压力，避免在盾构接收（穿越）过程中，洞门圈处由于注浆封闭不及时、不到位或盾构到达、穿越期间接收井内外压力不均而出现涌水、涌砂，导致接收（穿越）井或隧道出现塌陷等重大事故，以确保安全的完成盾构接收。盾构到达加固体并做好隧道内封闭注浆等措施后，解冻隧道范围内的加固体，拔除冷冻管，并对加固体内进行填充注浆，封堵冷冻孔，盾构机按正常掘进模式推进至接收井内，停机后采用同步注浆结合管片上开孔二次注浆的方式，封闭盾构掘进施工产生的施工空隙，对接收井进行抽排水，过程中实时监测接收井结构变化情况，确保接收井结构稳定，开挖塑性混凝土，吊出盾构机，完成接收施工。盾构水下接收效果示意图见图1。

图1盾构水下接收效果示意图

4端头旋喷加固及冷冻加固

接收井围护结构采用1m厚钢筋混凝土地下连续墙，高压旋喷加固范围为盾构隧道结构轮廓线上12m，下4m，两侧宽3m，沿隧道方向长6m。冻结加固采用二排冻结孔，梅花形布置。第一排孔距地下连续墙0.5m，第二排孔距第一排孔1.0m，孔间距1.0m。冻结孔孔深30.1m（至洞门以下6m），冻结孔数为57个。

在水下接收端旋喷加固完成后，洞门凿除前进行端头冻结施工，水下接收端头加固的主要目的是保证盾构穿越加固体过程中，端头土体的稳定性以及在盾构接收后洞门环梁施工前洞门圈的稳定性。端头加固采用三重管高压旋喷桩。破除洞门前冻结加固需满足的要求：冻土墙厚度≥1.8m，冻土的平均温度≤-10℃，盐水温度-28℃～-30℃，盐水去回路温度差≤2℃。端头加固范围见图2、图3。

图3端头加固断面示意图

5洞门破除

在洞门破除前，先检查旋喷加固及冷冻效果，达到设计要求后，再进行洞门破除。

5.1冷冻止水效果检查

采用水平探孔检查止水及加固效果，探孔完全贯穿地下连续墙，深度进入外部土体2.0m。然后采用高精度测温仪进行量测，当各探孔实测温度低于-2℃时开始洞门凿除。若不满足上述条件则继续冷冻，直至探孔实测温度与冷冻测温孔实测温度均满足要求、冻土墙与连续墙槽壁完全可靠胶结后，开始凿除洞门。探孔布置图见图4。

图4水平探孔置平面图

5.2洞门破除

洞门破除范围以满足盾构机刀盘通过为原则，根据冻结监测效果，冻结达到设计条件且探孔后，分段自下而上凿除洞门。凿除完成一段，迅速回填一段，避免凿除后的洞门暴露时间过长，影响冻结效果造成安全隐患，塑性混凝土回填前做好洞门内钢筋检查，确保盾构通过范围内，无残留多余钢筋。洞门范围钢筋检查见图5。

图5洞门范围钢筋检查

6接收井回填

洞门凿除完成后。采用塑性混凝土对基坑进行回填，回填高度以超过洞门顶２ｍ为标准。回填塑性混凝土达到一定强度后，接收井内回灌水至地下水位标高处。

回填混凝土的主要目的是封堵基坑外承压水及支撑盾构机正常掘进，并且强度不易太高。同时为保证盾构机可正常切削回填混凝土及在轻度变形下不产生裂隙导致漏气漏浆，塑性混凝土加入适量的膨润土，施工中采用C10塑性混凝土。其配合比见表2。

表2塑性混凝土配合比

7盾构接收施工参数研究

7.1工作面泥水压力的设定

根据端头地层地质情况及地下水位标高，采用水土合算的计算方式计算盾构掘进设置压力，压力设定不宜过高也不宜偏低（0.5～0.8bar）。压力设置过高，由于回填混凝土强度低、厚度小，宜发生冒顶。压力设置过低，则无法与端头水土压力保持平衡，造成端头水土涌进泥水仓内，甚至造成地表沉降。

7.2掘进姿态控制

盾构在通过加固体及塑性混凝土时不宜纠偏，做好贯通前测量工作，根据实测洞门数据，提前调整盾构机姿态，尽量使盾构机垂直于洞门中心进入接收井。

7.3掘进速度控制

进入加固体时，盾构掘进速度控制在15～20mm/min，若速度较高，易造成加固地层大块掉落，进而堵塞盾构出浆管路。在加固区和回填混凝土内掘进速度控制在10～15mm/min。

7.4同步注浆

在盾构接收施工过程中，必须严格控制同步注浆质量，浆液采用水泥砂浆，初凝时间5～7h，为确保管片顶部填充饱满，实际注浆量控制在管片背后理论间隙空间的1.6～2.2倍。

7.5二次注浆及后续施工

盾构机进入接收井后，在接收端旋喷桩加固区与非加固区、洞门圈范围的管片上开孔进行二次注浆，封堵加固区与非加固区、管片与车站结构之间的空隙，待二次注浆完全封堵空隙后，检查注浆效果，是否满足要求。

注浆效果检查，主要有以下两种，一是隧道内开孔检查注浆效果，打开注浆孔检查是否流水、流砂；二是对接收井内的回灌水进行抽水试验，确认水位无上升趋势。注浆效果检查满足要求后开始后续施工（进行抽排水、开挖回填塑形混凝土、盾构机拆机、洞门环梁施工等，过程中须适时监控洞门圈渗漏水情况，若发现渗漏水及时进行二次封堵注浆）。

8结论与建议

武汉市轨道交通2号线越江隧道施工措施的成功案例，将为以后的同等类型地质条件下，穿江越海隧道的泥水盾构接收技术施工提供参考依据。

（1）武汉市轨道交通2号线越江隧道采用了水下接收方案，保证了富水砂性地层中凿除洞门及盾构机接收过程中的安全，不用安装洞门临时防水装置，有效的保证了洞内外的水土压力平衡，制定了水下盾构接收风险处理措施。采用端头加固（旋喷桩）和垂直冷冻加固双保险措施，避免了土体失稳、涌水涌砂、地表塌陷等现象发生。

（2）接收端洞门之间须设置中隔墙或其他隔离措施，将左右线隧道隔离。

（3）回填物主要从保证盾构能连续掘进、后期便于快速清理方面选择。

（4）盾构机通过后必须对端头冻结区域进行融沉注浆加强，防止后期开挖过程中渗漏水导致端头土体扰动而加剧坍塌。

（5）端头影响范围内禁止堆载，防止增加外部水土压力。

（6）端头洞门口处回填注浆方式，建议采用单液浆反复压注（约2个月），然后开挖。

（7）开挖前应急物资准备（设备、物资、人员、应急降水）须到位，并安排专人负责及盯控；隧道内同时配备应急注浆人员值班。

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作者简介：

张存博，男，1979年生，2012年毕业于河南城建学院土木工程专业，本科，工程师，从事市政工程施工技术管理工作。