圆形井盾构接收施工技术

圆形井盾构接收施工技术

吴飞

中铁一局集团有限公司第二工程有限公司 河北唐山 063000

摘要：盾构施工工法以其高效、对环境影响较小、适应范围较广的优点被广泛的应用于地铁及地下管廊施工中。为适应工程环境、使用需求，盾构机接收井的结构形式也呈现出多样化的态势，本文以沈阳盛京~滂江220KV电力隧道工程为例，主要阐述了地层富水条件中盾构机于圆形井接收的施工工法。

关键词：盾构施工；圆形井接收

1引言

随着经济的发展，城市常驻人口不断增加，城市交通发展迅猛，各区域对地铁及市政管廊的需求逐渐增大，盾构施工工法得以在地铁及地下管廊工程领域大放异彩。

在综合管廊和电力管廊领域，为适应越来越复杂的施工工程环境与工程设计需求，降低工程对环境的影响，部分工程提供给盾构施工的井位呈现了小型化、多样化的趋势，加大了盾构施工的难度与风险，对盾构施工的安全性和技术可行性提出了更高的要求，因此，进行盾构圆形井接收风险的探究，研讨施工过程采用何种施工方法，对提升盾构施工的安全稳定性是有研究价值的。

本文以沈阳盛京~滂江220KV电缆线路工程三、四区间于4号井（圆形盾构井）实现盾构机接收为工程背景，进行如何实现安全、平稳实现盾构机圆形井接收的研究。研究结论可以为今后类似工程的施工提供技术指导和理论支撑。

2工程概况

沈阳盛京~滂江220KV电缆线路工程2标，位于辽宁省沈阳市大东区，隧道结构形式为单圆断面式，管片外径6m，内径5.4m，环宽1.2m。4号盾构井为圆形结构井，钢环范围内含5根桩。本标段在4号盾构井进行了2次盾构机圆形井接收。

圆形接收井西北侧为新开河，周边地下水受新开河补给，地下水流向自东向西南流向，水力坡度为2‰～3.0‰，地下水充沛，补给迅速，地下水位约为6~7m，施工期间降水难度较大。接收井场地狭小，周边建构物较多，南侧和东侧分别毗邻旧有砖混结构楼房和高压输送电塔。

3盾构圆形井接收重难点分析

3.1 传统洞门钢环无法与圆形井结构匹配

圆形井的侧墙结构及围护桩均为圆形排列，常规形状洞门钢环无法保证嵌入深度和安装质量，为保证洞门钢环嵌入侧墙深度，需要专门设计与侧墙结构相匹配的异型钢环。传统洞门钢环与异性洞门钢环结构分别如下，见图1。

图1  普通洞门钢环（左）和圆形井异型钢环（右）

3.2原设计端头加固方式存在注浆盲区

设计中本区间接收端头加固方式为水平加固，加固长度为9m,横向加固至隧道边缘两侧各3m，竖向加固至隧道边缘上下各3m ，详见图3.1。由于端头加固范围较大，为隧道轮廓外3m范围内，而水平加固方式只能采用摇臂钻机在洞门掌子面上进行注浆，注浆的同时还需要避开围护桩结构，因此加固范围有限，无法将整个接收端头完全覆盖，会出现注浆盲区，如图2中阴影部分所示。

图2  水平加固注浆盲区示意图

此外4号井周边地下水受新开河地下径流补给，地下水位相对较高，补水量充沛，地下水流速较大，洞门注浆浆液易跟随地下水流失，端头加固效果得不到保证。因此，控制地下水水位，降低流速并消除端头加固注浆盲区，保证端头加固的效果是施工的重点。

3.3破除围护桩结构时存在大面积无保护裸土

常规矩形井盾构机的接收工作流程是：盾构机抵桩——全面凿除围护桩——盾构机接收上托架。由于围护桩排列平直，盾构机抵桩后刀盘面板与围护桩间全面接触，全部凿除围护桩后刀盘面板基本暴露，掌子面无裸土，盾构机可以直接推进至托架进行接收。

4号井为圆形井结构，桩径为1000mm，如果按照常规方式先将围护桩全部凿除，再进行盾构机的接收工作，将造成大面积、长时间的裸土暴露（见图3.2 A-A至B-B区间），有可能出现涌水涌沙造成地面塌陷，为盾构机接收造成极大的施工风险。因此，探寻合理的围护桩凿除工法，探讨盾构机如何配合洞门凿除进行掘进，最终确保盾构机于圆形井的顺利接收是施工的重点。

图3号井接收端洞门凿除

4工艺流程及操作要点

4.1工艺流程

圆形井盾构机接收主要分为以下几个步骤：建立异型钢环模型—加工安装钢环—进行洞门加固—控制地下水位—安装接收托架—安装洞门密封—分部凿除洞门—盾构机渐次顶进—盾构机上托架—洞门注浆封堵。本文对其中的异型钢环、洞门加固、分部凿除洞门与盾构机渐次顶进等重点工序进行深入剖析。

4.2异型钢环

异型钢环的加工与安装主要包含以下几道工序：3D模型建立—钢环安装模拟—钢环加工数据数字化展开—进行钢环加工制作—安装洞门钢环。

1建立模型

根据设计文件对钢环的要求，使用Creo建模软件建立异型钢环模型，可以直观看到钢环的结构形式，详见图4。

洞门钢环模型建立完成之后，按照圆形竖井二衬及围护桩结构建立竖井结构模型，将钢环模型与圆形结构井进行安装拟合，通过两者的拟合效果确定钢环建模的效果，拟合结果良好，则可以对钢环模型进行展开以得到加工数据，拟合效果不良的话则需要继续调整钢环模型直至精确为止，见图5。

 图4  异型钢环主视图（左）、俯视图（中）、侧视图（右）

图5  异型钢环与圆形井拟合模拟图

异型钢环的翼缘为复杂的弧线形状，尺寸与精度加工困难，所以对钢环的翼缘进行了展平分解，将钢环的复杂弧形区域分解下来并进行展开，采用多段线拟合方法得到加工图纸，详见图6。

图6  采用多段线拟合方式控制钢环加工尺寸

洞门钢环安装的质量控制要点包含以下几个方面：

1）钢环在安装过程中，内部要焊接支撑架以保证钢环的整圆度。

2）钢环上预留的螺栓孔要做封闭处理，防止侧墙在浇筑过程中商砼将螺栓孔封堵。

3）钢环的安装需要进行全程测量监控，保证钢环的中心与隧道设计轴线重合，平面度、垂直度满足设计要求。

4.3端头加固

1端头加固方式

水平加固方式受制于现场施工条件，只能在洞门掌子面使用摇臂钻机对加固区进行注浆。掌子面面积狭小，需要不断的调整设备的位置与注浆杆的角度才能加固整个端头范围。竖井围护桩结构通常为直径800~1000mm的钻孔灌注桩，钢筋混凝土结构，排列密集，摇臂钻机钻杆无法穿透围护桩，只能在桩间进行钻孔注浆，所以存在注浆死角，会出现注浆盲区，如图7中阴影部分所示。

加固区地下水含量及流速也会对端头加固的质量造成不良影响，不仅会造成端头加固注浆浆液流失，浆液消耗变大，还会造成土体加固不均匀，影响加固效果。

图7  水平加固注浆盲区示意图

2消除加固盲区，保证加固效果

以“先止水，后加固”为原则进行端头加固工作，首先采取降水措施降低地下水位，然后使用化学浆液施作止水帷幕阻挡地下径流，最后再通过水平加固和地面垂直加固的方式消除加固盲区。

1）启动现场降水

为保证端头加固的效果，需要对端头加固周边区域进行降水。将接收井周边的降水井开启，进行持续降水，尽可能的降低接收端头周边的地下水位。

2）施作止水帷幕

如果降水效果不佳可以使用化学浆液施作止水帷幕的方式进行止水。此外，考虑到接收井周边通常存在多个降水井，如果直接使用水泥浆进行加固，有可能会使得浆液流入降水井内，不仅会造成大量的浆液损失，还会将降水井封堵，影响施工工期并造成额外的损失。

水玻璃和磷酸双液浆材料具有良好的亲水性，浆液渗透能力强，固结速度快，能与水快速反应，并逆水而上沿来水通道渗透扩散，与周围的土、砂等固结，可以迅速的封闭地层中的来水通道。该浆液凝固后强度较低，不会对周边的降水井造成影响。选用水玻璃、磷酸双液浆在加固区域周边施作止水帷幕，可有效阻止地下水的侧向径流并约束浆液扩散与降低材料消耗。

水玻璃和磷酸双液浆使用双重管摇臂钻机从地面垂直注入。磷酸稀释溶液与水玻璃体积比为1：1。其中：磷酸稀释溶液为水稀释磷酸，比例为17L磷酸兑210L水；水玻璃溶液为水稀释水玻璃，比例为1L水玻璃兑3L水。化学浆液加固范围为端头加固区域周侧，浆液扩散半径为500mm，孔间距600mm，注浆深度为洞门钢环以下1m。详细加固范围见图8。

图8 圆形井端头加固区域止水帷幕

3）消除注浆盲区。

水平注浆加固与垂直注浆加固相结合，消除注浆盲区

水平注浆孔布置在端头墙围护桩桩间区域，竖向布置，竖向间距0.3～0.5m，注浆孔倾斜角根据现场实际孔位调整，上下及两侧注浆孔深度根据角度调，斜角死角位置加大注浆压力，保证加固范围涵盖除盲区外的所有区域。

垂直注浆加固消除注浆盲区。地面垂直注浆孔位选取在洞门两侧的外的注浆盲区投影处，孔深要求达到洞门钢环直径以下1m，浆液扩散半径为500mm，孔间距为600mm，保证地面垂直注浆加固范围能够将相互覆盖，地面共需布设20~24个垂直注浆孔。具体垂直注浆孔布置图见图9。

图9 垂直加固孔位布置图

端头加固完成后，进行钻芯取样进行无侧限抗压强度实验，要求样芯连续性好、浆液均匀性好、无侧限抗压强度≥0.8Mpa，如果实验强度不合格，需要重新对加固薄弱区进行注浆加固。

4.4盾构接收

圆形井围护桩呈圆形排列，如果将围护桩全部凿除，再进行盾构机出洞，将造成大面积、长时间的裸土暴露（见图10 A-A至C-C区间裸土），有可能出现涌水涌沙情况造成地面塌陷，为盾构机接收造成极大的施工风险。

图10  圆形井盾构机抵桩示意图

为降低施工风险需要将洞门凿除与盾构机顶进进行调整优化。使得盾构机跟随洞门凿除进度向前顶进，减少裸土暴露时间，确保安全接收。

在洞门凿除过程中要严密监控洞门位置的桩间裸土，如发现桩间裸土有松动、崩落、涌水等情况应当立即对裸土进行挂网喷锚，防止掌子面出现坍塌、地面沉降等情况。

洞门凿除及盾构机出洞整体施工步骤为：

凿除喷锚层及桩间土—凿除1、5#桩的外侧结构—整体凿除2、3、4#桩—盾构机向前顶进—凿除1、5号桩剩余结构—盾构机向前推进上托架

1）凿除桩间土及1、5号围护桩外侧结构

盾构机抵桩时，刀盘刀尖首先抵到3号桩，围护桩排列直径16.8m为例计算，此时刀盘面板距离掌子面还有1.64m，见图10。为降低围护桩二次凿除时裸土暴露时间，首次凿除将洞门的喷锚保护层、桩间土及1、5#围护桩背土面的钢筋保护层及钢筋全部凿除，留下迎土侧围护桩支撑掌子面。凿除区详见图11。

图11  喷锚层、桩间土及1、5桩凿除断面图

2）凿除2、3、4#围护桩结构

首次凿除完成之后立即进行2、3、4#围护桩的凿除工作，要求全部凿除围护桩结构，钢环内部无多余钢筋后，并且露出抵在3号围护桩上的刀盘面板。具体凿除范围详见图12。

图12  2、3、4#围护桩凿除断面图

3）盾构机向前顶进

中间的3根围护桩凿除完毕后，盾构机刀盘面板与两侧（1、5#）围护桩之间存在大量的无保护裸土，此时盾构机与围护桩之间的位置关系详见图13，此时盾构机刀盘距离两侧围护桩较远，为降低施工风险，应当在检查钢环内部无多余钢筋后立即推进。

图13  盾构机推进与围护桩位置关系图

盾构机向前推进约0.66m，使刀盘面板与1、5#桩接触。盾构机向前顶进过程中，派遣测量组人员对洞门地面区域、盾构井侧墙结构、剩余围护桩结构进行全程监测，如遇到突发情况应当立即停止推进采取应急措施。

在顶进过程中应对盾构姿态、掘进参数和管片拼装三个方面严加控制。

盾构姿态：严格按照设计轴线和测量监控数据控制盾构机姿态，保证水平、垂直偏差在±50mm以内，并保证盾构机出洞时比始发托架略高10~20mm。

掘进参数：严格控制相关参数，缓慢转动刀盘，以小推力向前缓慢顶进，土仓进行适当出土。刀盘转速控制在0.4~0.6r/min,推力控制在600~800t。

管片拼装：进行正确管片选型，在保证隧道轴线的情况下同时调整盾构机姿态。管片拼装要求，环缝控制在±5mm，纵缝控制在±4mm，完成之后按照三次复紧原则对螺栓进行复紧。

盾构机掘进完成后与围护桩结构位置关系见图14。

图14 盾构机推进与围护桩位置关系图

4）继续凿除1、5#桩，并向前顶进

盾构机向前顶进抵达1、5#桩之后，继续凿除两围护桩的剩余结构，采取自上而下方式进行围护桩的破除，见围护桩凿除断面图15。破除完毕检查钢环内部净空无多余钢筋后立即进行盾构机的顶进接收工作，此时不再旋转刀盘，顶进过程中继续保持同步注浆，盾构机脱离橡胶帘布时，应当立即将洞门止水装置上的钢丝绳拉紧，保证橡胶帘布能够紧密包裹管片。

图15 盾构机推进与围护桩位置关系图

结束语

本次沈阳~滂江220KV电缆线路工程三、四区间盾构机于圆形井接收，综合考虑了地面工程环境、区间地质水文情况和原设计加固方式等几方面因素，对整体施工工序进行了全面的优化处理。使用3D建模软件，模拟钢环与车站主体结构，制作异型钢环，保证了洞门密封装置的密闭性；通过化学浆液施作止水帷幕，既保证了降水井的平稳运行又有效阻挡了地下径流，保证了注浆加固的效果；通过地面垂直注浆，消除了水平注浆加固产生的注浆盲区；采取分步进行洞门凿除，喷锚支护和渐次顶进的方式，降低了裸土的暴露时间，安全实现了盾构机的接收。

本次盾构机于圆形井接收的成功经验对后续施工及相似工程项目具有指导性意义，填补了国内关于盾构机圆形井接收的工法的空白之处。

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