邢慧堂

(中鐵十四局集團(tuán) 隧道工程分公司，濟(jì)南 250002)

隨著我國城市地下空間的開發(fā)利用，城市軌道交通工程建設(shè)和長、大、深越江越海隧道得到了快速發(fā)展。地下工程越來越依賴有利于環(huán)境保護(hù)的盾構(gòu)施工技術(shù)。鑒于盾構(gòu)接收施工風(fēng)險(xiǎn)較大，特別是對于大型泥水盾構(gòu)，由于其掌子面的保壓特性，在破洞門時(shí)必然造成內(nèi)外壓力失衡，易出現(xiàn)盾構(gòu)與洞門圈間隙涌泥涌砂及地表沉降現(xiàn)象，因此，如何安全、順利地完成盾構(gòu)接收，是盾構(gòu)法地下工程亟需解決的難題之一。

1 工程概況

南京長江隧道工程左汊盾構(gòu)隧道采用雙管單層的結(jié)構(gòu)形式，隧道自浦口工作井始發(fā)，在梅子洲工作井進(jìn)洞接收。盾構(gòu)隧道采用φ14.93 m的泥水混合式盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)管片環(huán)外徑 14.5 m，內(nèi)徑 13.3 m，壁厚 0.6 m，環(huán)寬2.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí) C60，抗?jié)B等級(jí) S12。接收段共計(jì)150 m，含75環(huán)正線隧道管片及末環(huán)管片，末環(huán)管片外圈全周預(yù)埋鋼板。

1.1 線路平縱斷面

接收段盾構(gòu)隧道線形較簡單，縱斷面處于4.5%的上坡段，左線隧道平面上里程LK6+531.85以小里程為半徑2 500 m的右轉(zhuǎn)曲線，LK6+531.85～LK6+622.025為直線段。與右線隧道間距呈減小趨勢，接收端兩線間距僅有7.49 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

南京長江隧道是連接主城區(qū)與江北浦口區(qū)的重要通道。隧道位于長江河床底部及長江沖淤積低漫灘。兩岸低漫灘高程7.00 m左右，并分布少量水塘、溝渠;南岸長江外堤高程11.40 m。

1.2.2 地質(zhì)特性

盾構(gòu)穿越梅子洲長江大堤后，即進(jìn)入接收段施工，盾構(gòu)埋深由19.12 m逐漸減少至7.48 m。根據(jù)詳勘報(bào)告隧道范圍內(nèi)無建筑物存在。盾構(gòu)接收段土體根據(jù)沉積時(shí)代、成因、狀態(tài)及其特征，劃分為4個(gè)工程地質(zhì)層:②-3粉質(zhì)黏土層，④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④-2粉土夾粉質(zhì)黏土，⑦-1粉細(xì)砂，⑧粉細(xì)砂。

1.2.3 地下水文地質(zhì)條件

場地地表水主要為長江水，本場地地下水位埋深較淺，區(qū)域降雨量大，土中的腐蝕介質(zhì)基本溶入地下水中，且附近又無污染源。根據(jù)南京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，參照水質(zhì)條件，判定該地土對混凝土、混凝土中鋼筋無腐蝕，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕。

1.2.4 建筑物及管線

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，江中盾構(gòu)段接收段陸域主要構(gòu)筑物為長江大堤，起防洪防汛作用。江中盾構(gòu)段勘探時(shí)未發(fā)現(xiàn)地下管線通過，穿越線路未發(fā)現(xiàn)(人防)地下室。接收段穿越線路重點(diǎn)水利設(shè)施為南京長江大堤，為高級(jí)別堤防，堤防采用干砌塊石防坡和漿砌塊石護(hù)腳，堤頂為水泥砌塊石擋水墻。

2 施工總策劃及實(shí)施

2.1 接收總體施工順序(見圖1)

在梅子洲明挖段完成主體結(jié)構(gòu)施工后，首先進(jìn)行接收井端頭土體加固和接收基座的施工;盾構(gòu)機(jī)接收段施工的同時(shí)開展接收井端頭冷凍加固、貫通測量、洞門前井點(diǎn)降水;在上述施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求的條件下，盾構(gòu)機(jī)步入加固土體，并同步開展洞門破除施工;洞門破除完成后，向工作井內(nèi)接收基座上部堆填黏土，黏土堆填高度3～4 m，在確保接收措施全部到位后，向接收井內(nèi)灌水;拔除凍結(jié)管，盾構(gòu)機(jī)破碎凍土墻，在維持內(nèi)外泥水平衡的前提下逐步步入接收豎井;在盾尾完全進(jìn)洞門預(yù)埋鋼環(huán)后，抽掉豎井內(nèi)泥水，對盾構(gòu)洞門周圈進(jìn)行密封注漿加固，同時(shí)開展盾構(gòu)機(jī)拆解工作。

圖1 接收流程

2.2 接收基座施工

由于方案采取水中接收，接收基座采用水泥砂漿結(jié)構(gòu)。接收基座長寬與豎井尺寸相同，根據(jù)不同階段施工要求，在豎井內(nèi)采用兩種斷面形式(圖2):在距離大里程端13.5 m范圍內(nèi)基座為全斷面矩形結(jié)構(gòu)，為保證接收階段管片拼裝有足夠的反力支持，盾構(gòu)底端向上2.3 m范圍內(nèi)全部由M7.5水泥砂漿砌筑;在距離小里程端4.5 m范圍內(nèi)基座為弧形結(jié)構(gòu)，即盾構(gòu)開挖軌跡線范圍內(nèi)基座采用黃砂塞填。結(jié)構(gòu)縱向預(yù)留兩道，橫向一道溝槽，溝槽為盾構(gòu)拆解切割預(yù)留操作空間，溝槽在接收階段采用黃砂堆填。

2.3 三軸攪拌加固

洞門前方土體采用三軸攪拌樁進(jìn)行加固。加固區(qū)采用φ 1 000 mm三軸攪拌樁滿堂加固，全斷面加固區(qū)全長共17 m，加固深度為盾構(gòu)底部以下2.5 m，深度在25.5～26.0 m，加固寬度46.5 m。

2.4 冷凍加固

為了洞門破除及盾構(gòu)施工安全，保證加固土體可靠地封水，需對洞門前土體進(jìn)行冷凍加固施工。

2.4.1 冷凍加固設(shè)計(jì)

鑒于盾構(gòu)接收對加固體強(qiáng)度及密封性要求很高，為增加泥水平衡盾構(gòu)接收工作的可靠性，設(shè)計(jì)采用整體板塊全深凍結(jié)方案:在加固土體和連續(xù)墻結(jié)合處，即在地下連續(xù)墻外圍0.5～1.3 m布置二排凍結(jié)孔，并通過人工制冷工藝形成一個(gè)凍土壁，將三軸攪拌加固土體和地下連續(xù)墻膠結(jié)，以隔絕地下水，在凍土壁(封水)與地下連續(xù)墻(抗地壓)的聯(lián)合支護(hù)下進(jìn)行洞門鑿除。

2.4.2 凍結(jié)加固尺寸

根據(jù)盾構(gòu)進(jìn)洞處主要穿越地層情況判斷，施工時(shí)易產(chǎn)生流砂等不良地質(zhì)現(xiàn)象。該處土體已按設(shè)計(jì)采用三軸攪拌全部加固完成。鑒于本工程的覆土厚度較薄，本次凍結(jié)擬采用全深凍結(jié)方式，凍結(jié)深度從自然地坪向下26.5 m。

根據(jù)始發(fā)端的施工經(jīng)驗(yàn)，參考始發(fā)端的凍土數(shù)據(jù)，確定凍結(jié)加固體尺寸:全深凍結(jié)深度為26.5 m(穿過洞口下沿3 m)，凍結(jié)壁與連續(xù)墻膠結(jié)寬度20 m(超過洞門直徑范圍外2.325 m)，凍結(jié)壁厚度取1.6 m，冷凍加固平面如圖3。

2.4.3 盾構(gòu)進(jìn)洞的條件

盾構(gòu)在進(jìn)洞之前，必須具備如下條件方可進(jìn)洞，見表1。

表1 冷凍加固指標(biāo)

2.5 洞門端頭井點(diǎn)降水

圖2 接收基座斷面(單位:mm)

為進(jìn)一步保證盾構(gòu)的順利到達(dá)，防止洞門口發(fā)生流砂、管涌等災(zāi)害事故，設(shè)計(jì)采用井點(diǎn)降水，在盾構(gòu)到達(dá)加固區(qū)之前將洞門口附近的地下水位降至盾構(gòu)掘進(jìn)面以下1 m。此次降水集中在洞門附近，考慮到保護(hù)加固體的整體性，在加固體中不布置降水井。降水井的布置原則是:盡量靠近洞門口，同時(shí)注意避讓已有的建(構(gòu))筑物。

圖3 接收井冷凍法加固平面示意

降水施工應(yīng)避免在冷凍加固體積極凍結(jié)階段開展，防止水流造成冷凍體無法交圈。在盾構(gòu)完全脫離加固土體，洞門密封注漿加固完成后，方可停止降水運(yùn)行。

2.6 貫通測量

在盾構(gòu)推進(jìn)至盾構(gòu)到達(dá)施工范圍時(shí)，應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)的位置和盾構(gòu)隧道的測量控制點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，明確實(shí)際隧道中心軸線與隧道設(shè)計(jì)中心軸線的關(guān)系，同時(shí)應(yīng)對盾構(gòu)接收井的洞門進(jìn)行復(fù)核測量，確定盾構(gòu)機(jī)的貫通姿態(tài)及掘進(jìn)糾偏計(jì)劃。在考慮盾構(gòu)機(jī)的貫通姿態(tài)時(shí)須注意兩點(diǎn):一是盾構(gòu)機(jī)貫通時(shí)的中心軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差，二是接收洞門位置的偏差。綜合這些因素在隧道設(shè)計(jì)中心軸線的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，糾偏要逐步完成。為保證接收的精度，安排在隧道貫通前150 m進(jìn)行貫通測量，貫通測量工作包括地面控制網(wǎng)聯(lián)測(平面和高程)及接收井洞門測定(平面與高程)等測量工作。

貫通測量后應(yīng)及時(shí)確認(rèn)測量成果正確或是采用新成果，保障貫通精度。根據(jù)《南京長江隧道工程盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量檢查與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，高程貫通測量精度<±25 mm，導(dǎo)線貫通測量誤差<±20 mm。

經(jīng)多次測量，得出左線洞門圓心坐標(biāo)(表2)及盾構(gòu)機(jī)外殼與洞門鋼環(huán)間距見圖4。

表2 左線洞門圓心坐標(biāo)

圖4 設(shè)計(jì)軸線上盾構(gòu)機(jī)外殼與洞門鋼環(huán)間距(單位:m)

根據(jù)測量結(jié)果，無需對軸線進(jìn)行調(diào)整，即可保證盾構(gòu)機(jī)順利步入接收豎井。

在進(jìn)行上述工作的同時(shí)，盾構(gòu)接收階段，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)隧道內(nèi)的水準(zhǔn)及導(dǎo)線控制測量。通過增加控制測量的頻率及減小換站距離來減小測量誤差帶來的影響，最終確保盾構(gòu)順利、準(zhǔn)確到達(dá)接收。

2.7 洞門破除

在凍結(jié)墻體滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度、確保盾構(gòu)機(jī)具備接收進(jìn)洞的條件下，方可開展洞門區(qū)域連續(xù)墻破除工作。

為盡量減少洞門破除對洞圈范圍內(nèi)的土體影響，確保盾構(gòu)機(jī)安全進(jìn)洞，洞門連續(xù)墻分三次進(jìn)行鑿除。第一次破除外側(cè)混凝土10 cm，剝除地下連續(xù)墻內(nèi)層鋼筋;第二次破除安排在凍結(jié)完成交圈后進(jìn)行，破除混凝土50 cm，破除完成后將混凝土渣清理干凈，在洞門上打探溫孔(共計(jì)30個(gè))，檢測溫度是否完成凍結(jié);第三次破除分兩階段實(shí)施，一階段在洞門前探測孔溫度(≤－2℃)滿足設(shè)計(jì)要求后，破除混凝土厚度30 cm，并將破除混凝土渣清理吊運(yùn)出基坑;二階段在2 d內(nèi)完成地下連續(xù)墻剩余10 cm混凝土及外側(cè)鋼筋破除，并將混凝土渣清理完，保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí)連續(xù)墻破除及清理工作，且凍結(jié)掌子面裸露時(shí)間不超過2 d。

破除過程中對洞門范圍墻體位移變化密切觀測，一旦發(fā)現(xiàn)洞門圈內(nèi)墻體或土體有較大變形或有滲漏水現(xiàn)象，立即停止洞門連續(xù)墻破除，對滲水部位進(jìn)行注漿封堵，以防水土流失，影響凍土墻交圈;如未發(fā)現(xiàn)異常情況，可直接進(jìn)入下一層破除。破除時(shí)不能一次完成，要分層剝離，第二次破除后洞門連續(xù)墻保留厚度不小于400 mm，并保留鋼筋，以保護(hù)凍土墻。

洞門破除是個(gè)較大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為此要進(jìn)行跟蹤監(jiān)控和量測，量測布點(diǎn)包括接收端頭沉降觀測點(diǎn)，洞門破除水平觀測點(diǎn)和測斜觀測點(diǎn)。

2.8 豎井內(nèi)堆填黏土和灌水

為了盾構(gòu)接收時(shí)地層穩(wěn)固，降低大直徑盾構(gòu)與洞門圈間隙涌泥涌砂及地表沉降風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)在洞門混凝土破除完成后，向豎井內(nèi)回填黏土，使盾構(gòu)機(jī)在通過洞門圈后下部有土體支撐，回填黏土厚度為盾構(gòu)底部以上4 m，回填黏土應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)。為了確保接收時(shí)內(nèi)外壓力平衡，回填黏土后向工作井內(nèi)灌入清水，灌水深度為盾構(gòu)頂部向下3 m。在盾構(gòu)進(jìn)入工作井向前推進(jìn)過程中可以繼續(xù)進(jìn)行泥水循環(huán)及同步注漿，確保近洞門段管片環(huán)能夠注漿密實(shí)，控制管片變形及沉降。

2.9 洞門注漿加固

在盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入接收井后，抽出工作井內(nèi)水，對洞門圈與管片之間間隙立模澆筑混凝土，將暴露土體完全隔離。然后通過預(yù)埋鋼環(huán)上注漿孔對末環(huán)管片進(jìn)行注漿加固。注漿的過程中要密切關(guān)注洞門的情況，一旦發(fā)現(xiàn)有漏漿的現(xiàn)象應(yīng)立即停止注漿并進(jìn)行封堵處理。確保洞口注漿密實(shí)，洞門圈封堵嚴(yán)密。通過二次注漿孔對靠近洞門的十環(huán)管片進(jìn)行注漿填充。待注漿凝固后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求施作洞門結(jié)構(gòu)。

3 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 端頭冷凍法施工

本工程在旋噴加固土體和端頭連續(xù)墻之間加設(shè)一道冷凍墻，使旋噴土體與凍結(jié)壁共同抵抗水土壓力并可靠封水，增強(qiáng)端頭加固土體的穩(wěn)定性，確保洞門破除和盾構(gòu)接收的安全。冷凍法施工進(jìn)度滯后將直接導(dǎo)致洞門破除和盾構(gòu)接收后延。而冷凍質(zhì)量發(fā)生問題則可能帶來端頭土體失穩(wěn)、涌水涌砂、地層塌陷等一系列惡劣后果，因此，冷凍法端頭加固是本工程的重點(diǎn)之一。

3.2 洞門破除

在盾構(gòu)接收之前，要先進(jìn)行洞門區(qū)域的連續(xù)墻破除，并割除所有鋼筋。洞門除第一層鋼筋及保護(hù)層已完成破除外，剩余90 cm要在冷凍法達(dá)到設(shè)計(jì)要求后20 d內(nèi)完成所有混凝土破除、鋼筋割除和渣土清運(yùn)工作。由于盾構(gòu)到達(dá)和洞門破除時(shí)間的相互制約影響，使得破除時(shí)間緊，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。洞門破除又制約了盾構(gòu)機(jī)接收基座延伸和回填黏土壓實(shí)等工序。

3.3 盾構(gòu)通過冷凍墻體

本工程端頭采取1.6 m冷凍墻，盾構(gòu)通過冷凍墻時(shí)易發(fā)生刀盤凍結(jié)事故，低溫冷凍墻體與室溫泥漿接觸，還會(huì)帶來泥漿性質(zhì)變化和墻體失穩(wěn)現(xiàn)象。施工中需確保冷凍墻土體不因熱量散失造成失穩(wěn)，冷凍管拔除時(shí)保留盾構(gòu)掘進(jìn)范圍外的冷凍管，必要時(shí)可對土體進(jìn)行補(bǔ)充冷凍。

3.4 接收段淺覆土軸線控制

在盾構(gòu)接收段需要精確控制盾構(gòu)姿態(tài)沿軸線掘進(jìn)，但由于盾構(gòu)處于4.5%的上坡上，且接收段處于淺覆土地層，上部覆土較薄，遠(yuǎn)小于1倍盾構(gòu)直徑，盾構(gòu)隧道在接收段施工易產(chǎn)生以下問題:

1)由于豎向壓力較小，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)易“上浮”。

2)由于覆土層薄，泥水易竄出地面“冒漿”，破壞泥水平衡。

3)由于盾構(gòu)頂部覆土淺，給切口水壓控制增加了難度。切口水壓力波動(dòng)大，會(huì)增加正面土體的擾動(dòng)，導(dǎo)致正面土體的流失。

因此，淺覆土施工對盾構(gòu)軸線控制和地面沉降控制有一定的難度，是本工程的重難點(diǎn)之一。

4 結(jié)束語

泥水盾構(gòu)水中接收技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是免去了復(fù)雜的洞門臨時(shí)密封裝置，保證了洞內(nèi)外的壓力平衡，為管片安裝、同步注漿、渣土排放提供了有利條件，大大提高了盾構(gòu)接收效率。由于采用了三軸攪拌加固、冷凍加固和強(qiáng)降水三重保險(xiǎn)措施，避免了土體失穩(wěn)、涌水涌砂、地層塌陷現(xiàn)象，接收段地表沉降控制在30 mm以內(nèi)。南京長江隧道左、右線分別于2009年5月20日和8月22日貫通，盾構(gòu)接收施工安全、迅速、質(zhì)量上乘。本施工技術(shù)的成功運(yùn)用，對同類型地質(zhì)條件下泥水盾構(gòu)的接收有極好的借鑒和推廣意義。

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