穿黄隧道超大直径盾构接收关键技术研究.pdf

以研究高水压条件下超大直径盾构接收关键技术为目的，结合济南济泺路穿黄隧道项目，介绍了盾构接收技术的分类，探讨了超大直径盾构接收的工程风险，提出基于搅拌桩+MJS桩+塑性混凝土墙端头加固的盾构干接收技术，重点分析了超大直径盾构接收的端头加固、洞门破除、掘进控制、洞门封堵等关键工艺。实践证明，端头加固、气囊辅助封堵、洞门密封钢板、同步注浆及二次注浆、径向克泥效注浆加固等关键技术适用于超大直径盾构接收，对洞门封堵具有较好的效果，可有效降低盾构接收风险。结合监测数据论证了接收技术的适用性和安全性，以期为超大直径盾构接收提供借鉴。关键词：超大直径；盾构接收；高水压；端头加固；黄河隧道中图分类号：TU99文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.065盾构施工因机械化程度高、对环境影响小、施工快速以及安全可靠等特点被广泛应用于地下隧道建设，其重点和难点是盾构的始发和接收，约70%的事故与此相关1，因此开展盾构接收技术的研究具有较为现实的意义。传统水泥系加固接收技术研究较为全面，应用也最广泛2-3，水平和竖向冷冻加固技术是富水地质条件下解决盾构接收难题的可靠选择4-6。钢套筒接收和混凝土箱体接收技术是应对复杂工程环境实现盾构顺利接收的有效技术手段，胡奇帆等7对富水软弱地层条件下混凝土箱体盾构接收的技术要点进行了总结；刘孟波等8以上海17号线地铁为例研究了盾构在泡沫混凝土箱体内接收的掘进参数控制和变形规律等。盾构水下接收也逐渐成为大直径盾构接收的选择，葸振东等9以南京过江隧道为例研究盾构水下接收加固及保障措施；安宏斌等10以以色列特拉维夫红线轻轨项目为背景提出了无端头加固条件下盾构水下接收的施工要点。此外，通过降水可以实现无水环境下的盾构干接收，姚印彬11以常德沅江大直径泥水盾构隧道为例总结了其技术要点。以上研究多局限于常规盾构，难以满足当前国内越来越多的超大直径盾构应用要求，因其盾构接收施工难度更大，控制要求更高，不能简单套用常规盾构接收技术。基于此，笔者以济南市济泺路穿黄隧道为背景，对高水压条件下超大直径盾构接收关键技术进行研究分析，以期为类似工程提供借鉴。1工程概况1.1项目背景济南济泺路穿黄隧道是济南市的重要跨河通道，被称作万里黄河第一隧。线路全长4.76 km，盾构段约2.51 km。隧道采用双管双层公轨合建方案，盾构刀盘外径15.74 m，管片外径15.2 m，厚650 mm，环宽2 m。在国内已竣工盾构隧道中，与武汉长江公铁隧道并列内地第一大盾构隧道。盾构隧道覆土11.242.3 m，承受的最大水压约0.65 MPa，属于高水压条件的盾构接收。1.2水文地质盾构接收场地为黄河I级阶地，常水位埋深1.41.5 m，抗浮水位取至地表。盾构主要在粉质黏土中穿越，局部夹钙质结核层、砂层，属于典型的黄河阶地地层。1.3风险分析1.3.1穿越端头加固区因超大直径和高水压，盾构在穿越加固区时，掘进过快、开挖面泥水压力过大，易对接收井洞门产生极大的压力，导致洞门破裂，且会破坏加固质量，导致加固区渗流路径产生，发生涌水涌浆情况。1.3.2盾构破除洞门在盾构接收时，需对16.2 m直径洞门区域的1.2 m厚地连墙进行破除，易因破除工序和质量把控不利造成洞门掌子面不稳，引起坍塌。1.3.3盾构进洞盾构机在工作井内掘进过程中，未凝结的同步注浆浆液容易流失，进而导致盾构周边因同步注浆不饱满而产生空隙，水土会通过洞圈空隙涌入到工作井，造成倒灌、地表塌陷。1.3.4盾构脱尾盾尾脱出过程中，若洞门封堵不及时，可能导致地下水涌入盾构机内部，造成隧道倒灌。2接收技术分类与选择2.1分类当前盾构接收技术主要分为以下几类：端头加固接收、钢套筒接收、混凝土箱体接收、水下接收。2.1.1端头加固接收端头加固分为水泥系加固和冷冻加固两种。水泥系加固即借助水泥及添加料，通过搅拌、旋喷或注浆等手段来提高土体强度和降低透水性，实现加固目的。冷冻加固则是向土体中打设注浆管，通过注入低温冷盐水循环流动，将土体温度降到0以下变成坚硬冻土，达成加固范围高强止水的效果。2.1.2钢套筒接收通过在接收井内组装一个比盾构机大的钢套筒，并注入砂土水泥浆之类的填充料，营造一个土压平衡的盾构接收密闭环境，实现盾构在套筒内顺利接收。2.1.3混凝土箱体接收在接收井建造一个混凝土箱体，内注泡沫混凝土、砂浆之类填充料，盾构机破洞后在箱体内接收，相较于钢套筒接收，其工序简单、造价较低，对周边影响较小，可避免因端头加固缺陷导致涌水涌砂倒灌接收井的发生。2.1.4水下接收在密闭接收井内灌水至一定高度，以提供盾构端头平衡力，盾构破洞后在接收井内全水环境下接收，可有效规避地下水渗流和倒灌风险。适用于富水砂层、地下水流速快、端头加固质量差的工程项目。2.2选择初期考虑高水压条件洞门处易发生渗漏水、接收风险过大等因素，决定采用三轴搅拌桩加固+冷冻加固+全水下接收的盾构接收方案。实施阶段，盾构掘进过程因钙质结核导致刀盘更换，造成掘进工期延误，故考虑采用干法接收，即降水至刀盘下1 m，确保在无水环境下接收，同时辅以搅拌桩+塑性混凝土墙+127人 民 黄 河2023年S1（下转第130页）MJS桩端头加固措施。3关键技术分析项目盾构接收关键技术主要包含端头加固、掘进控制、洞门破除以及洞门封堵等措施。3.1端头加固接收端头采用MJS+搅拌桩+塑性混凝土墙加固措施。3.1.1搅拌桩加固盾构端头加固采用MJS桩+850600 mm搅拌桩加固措施。纵向20 m，横向和竖向盾构外5 m，顶部距离地面12 m，横向加固长度为25.2 m，加固深度37.8 m，距隧道下缘最小深度为5 m。3.1.2塑性混凝土墙封闭利用塑性混凝土低强度、高抗渗的特点，在加固区边缘施作一圈厚800 mm、深42.83 m的C15塑性混凝土地下连续墙，采用锁口管接头，保证了加固区内的相对封闭，防止加固区旋喷桩的浆液流失，大幅降低盾构切削素墙的刀具磨耗，提高盾构接收施工的安全性。3.1.3MJS桩加固在塑性混凝土墙和接收井地连墙接口处打设3根1 500900的MJS接缝止水桩，在搅拌桩和接收井地连墙之间施作一排1 500900的MJS桩，桩均为全断面360旋喷打设，以进一步加强薄弱区止水效果，避免渗漏路径的存在。3.2掘进控制盾构掘进主要分为到达段、加固区段和洞内掘进三阶段。到达段掘进时，保持速度平稳，做好姿态调整，控制进浆泥水比例，确保掌子面稳定。加固区段掘进，控制低速度、小推力、合理的切口压力和及时饱满的回填注浆，并及时径向注入克泥效，做好最后10环的螺栓复紧。洞内掘进，保持同步注浆均匀充盈，油缸伸缩顶推加力应缓慢进行，确保管片环与环之间密封良好。3.3洞门破除3.3.1破除时机待盾构机刀盘抵达地连墙后再进行墙体破除，破除前先在墙体前进行探孔检查，确保无涌砂突水现象、地层稳定且MJS桩强度达到设计要求后，方可进行洞门破除施工。3.3.2破除工艺洞门破除时，洞门分为2个区域，上部5 m采用人工破除，下部11.2 m采用人工（风镐）和机械（挖掘机破碎锤）配合的方式进行破除，洞门从顶至底部均一次性破除完成且清理至盾构刀盘。3.4洞门封堵3.4.1同步注浆及二次注浆当盾构机推进最后10环时，应加强盾构同步注浆施工，浆液初凝时间不超6 h，以获得早期强度，保证良好的注浆效果，1 d和28 d固结体强度分别不低于0.2 MPa和1.0 MPa。接收完成后对后100环进行二次补强注浆，浆液以21的水泥浆和水玻璃为主。3.4.2径向克泥效注浆加固盾构机推进最后12环时，通过盾体外侧径向注浆管向地层中注入克泥效，及时填充盾体外地层间隙，减小对地层的扰动。现场采用双液浆施工，其中A液为400 kg克泥效+850 kg清水配制的克泥效浆液，B液为10 1的水玻璃浆液，每环注入量为4 m3左右。3.4.3气囊辅助封堵鉴于超大直径盾构接收洞门密封止水困难，考虑采用气囊辅助封堵，通过动态控制气囊与盾构机密贴面积和压力，提高洞门的密闭性能，洞门密封钢环设计为轴向长度930 mm、径向宽315 mm、厚15 mm的圆环焊接钢板结构，钢环内侧面直径16.2 m，由封板、加劲板、圆环板、气囊密封、气囊保护1.5 mm厚弹簧板等组成。当刀盘切口位置和外置洞门齐平时，气囊充气，打开气囊。上部气囊压力大于腰部注浆压力0.2 MPa，下部气囊大于底部注浆压力0.2 MPa。当盾尾到达洞门环时气囊排气，降低对盾尾的包裹力。3.4.4洞门密封钢板预先在洞门环管片背面满敷1.5 cm钢板，待盾构机完全进入接收井，管片背后缝隙填满后，开始由上向下焊接安装密封钢板，将末环管片外弧面预埋钢板与洞门钢环连接一体，防止洞门出现渗漏水。密封钢板由Q345环形钢板分块切割而成，外环直径16.5 m，内环直径15.2 m，厚度1 cm。3.4.5管片连接加强当盾构机推进最后12环时，同步焊接后管片纵向和环向预埋钢板，尺寸为15 cm15 cm1.5 cm（长宽厚），采用加工成型的T字型钢板进行管片连接，以加固管片的环缝和纵缝。4监测与分析4.1数据监测接收过程中对地表进行变形监测，分别选取距离加固区边缘1倍距离、0.5倍距离、加固区边缘、加固区中间和地连墙边缘作为监测点位。西线盾构2019年9月8日从北岸始发，因穿越过程中刀盘更换，进度滞后，于2021年1月6日到达加固区1倍边缘，于2021年1月10日到达加固区边缘，2021年1月26日破洞进入接收井，2021年1月29日盾构脱尾进入接收井，地表变形如图1所示。东线盾构2019年11月29日从北岸始发，于2020年10月8日到达加固区1倍边缘，于2020年10月12日到达加固区边缘，2020年10月29日破洞进入接收井，2020年11月2号盾构脱尾进入接收井，地表变形如图2所示。4.2数据分析（1）接收过程，地面发生了隆起和沉降，东线先接收时变形均在-3010 mm之内，后接收的西线，地表整体呈隆起状态，加固区之外的地表变形超过限值要求，这与掘进过程中注浆压力过大和掘进速度过快有关。（2）加固区地表变形明显小于非加固区，且变化幅度较小，表明端头加固对控制地表变形效果显著。盾构在穿越加固区图1西线盾构接收范围地表变形图2东线盾构接收范围地表变形 128人 民 黄 河2023年S1围岩变形情况，总结分析已开挖段开挖方法、程序及支护方案下围岩稳定性和支护效果，进一步划分围岩类别，研究调整围岩支护参数（如加密锚杆间距、适当加长部分锚杆长度等），加强支护3，保证施工支洞后续开挖支护施工安全；后续开挖施工中，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测、速反馈、控变形”的开挖支护设计要求，细化“防塌方、防突水突泥”等应急方案；锚杆工艺做到先注浆后插杆，注砂浆，不成孔时可用小导管取代，为增加与围岩的握裹力，可以在锚杆表面焊铁碎片等简便措施；施工支洞断层带采用初期支护工字钢支撑为开口结构，为保证钢支撑安全，建议强化钢支撑锁脚支护强度，可采用注浆小导管或锚筋束等方式；建议加强施工现场参建各方协作配合，加强超前地质预报、短距离地质预报，确定设计和施工方案后加强现场施工组织；施工过程中加强施工期监测4，根据监测数据及时调整支护方案；结合变形监测结果，建议对二次钢筋混凝土衬砌加固处理方案进一步细化，以中间变形量为基础研究衬砌断面，局部拆除边墙最大变形断面的钢拱架，尽量扩大施工支洞衬砌的净断面尺寸，以减小对引水系统钢管运输的影响；根据大变形洞段的地质条件，建议增加围岩变形、渗透压力、支护结构应力等永久监测项目，同时加强监测资料的整理整编和分析。（2）新开挖支护参数。依据专家组咨询意见，结合与该施工支洞围岩地质情况相近的其他施工支洞洞挖支护的成功经验，经参建各方多次沟通协调，调整支护参数：工字钢I20a间距由原设计1.0 m调整为0.50、0.75 m交替进行，并设置25 mm连接钢筋；锁脚锚杆由原设计长L=4.5 m调整为锁脚小导管（每榀拱架左右两侧各4根，L=4.5 m），注浆要求同超前小导管；系统锚杆由原设计22 mm、长3 m、入岩2.9 m、间排距1.5 m调整为25 mm、长4.5 m、入岩4.2 m、间排距1 m，菱形布置；增加超前小导管（每环33根，L=4 m、排距2.5 m）；循环进尺控制在1.25 m内，56 mm排水孔孔深3 m、间排距3 m，菱形布置，插入L=1m、50 mmPVC排水管；回填灌浆孔间排距3 m，菱形布置，预埋52 mm的塑料管深入围岩10 cm；喷C25混凝土20 cm，8 mm钢筋网，孔距20 cm20 cm；采用60 cm厚C25钢筋混凝土衬砌。4开挖支护技术应用效果结合现场实际条件，调整开挖支护参数后5，每天开挖循环进尺1.25 m，经过每10 m的监测断面持续监测，洞室围岩收敛变形量每天保持在0.5 mm内，说明调整后的开挖支护参数是适合类偏差围岩的。梳理总结前期出现的问题，原设计开挖支护存在偏弱的情况，尤其忽略了复杂地质条件下对系统锚杆的作用，经过对前期开挖支护情况的摸索总结，越是地质条件比较差的围岩，系统锚杆起到的作用越大，越要重视砂浆锚杆的作用。经过参建各方和专家多次沟通协调，最终确定的开挖支护参数是适合类偏差围岩的，对国内存在类似较差围岩情况尤其是处在断层破碎带的围岩开挖支护可以提供一定借鉴和参考。参考文献：1 漆祖芳，孔建，饶志文，等.乌东德水电站复杂地质条件下大型导流隧洞群开挖支护设计 J.水利水电快报，2022，43（12）：41-482 肖厚云，杜安朋.复杂地质大型地下洞室开挖与支护技术 J.四川建筑，2021，41（2）：177-179.3 王盼.复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价 J.江西水利科技，2019，45（4）：260-268.4 潘福营，李璟延.复杂地质条件下隧洞开挖支护施工技术 J.水电与抽水蓄能，2015，1（4）：42-44.5 徐懿.复杂地质条件下水工长隧洞开挖支护方案优化 J.山西建筑，2015，41（17）：162-163.【责任编辑吕艳梅】（上接第128页）以后，地表变形逐渐收敛，并趋于稳定。（3）实践过程中盾构顺利接收，证明依靠端头加固并辅以降水作业的干接收技术可确保高水压条件下超大直径盾构的顺利接收。5总结与讨论（1）气囊辅助封堵技术通过动态控制气囊与盾构机密贴面积和压力，提高洞门的密闭性能，避免地下水和水泥浆液渗漏到接收井中，有助于地层稳定，适用于超大盾构的洞门封堵止水。（2）采用洞门密封钢板技术，无须拆除洞门防水装置和外伸管片，提高了洞门密封效果且保证了洞门井接头的施工安全，为高风险条件下盾构洞门接收施工提供了新的技术方案。（3）盾构同步注浆、二次注浆以及径向克泥效注浆的联合使用，有助于增强背衬注浆层防水性和密实度，可有效填充管片环形间隙和盾体外地层间隙，减少地层扰动。（4）盾构采用搅拌桩+MJS桩+塑性混凝土墙端头加固的干接收技术，施工便捷可靠，可有效节省工期和节约造价，为超大直径盾构接收提供了新的思路和案例。通过采用端头加固并辅以高效的洞门封堵技术，顺利完成超大直径盾构在高水压条件下黄河阶地的盾构接收，但如何建立其接收技术的选择和控制标准，使其适用于不同工程环境条件，以满足当前大规模超大直径盾构应用的技术需求，仍有待进一步总结和研究。参考文献：1 王文灿.冻结法和水平注浆在天津地铁盾构接收中的组合应用J.现代隧道技术，2013，50（13）：183-190.2 李忠海，李义堂，李天果，等.盾构端头井水平注浆加固施工技术J.建筑结构，2010，40（增刊1）：366-368.3 吴亮，颜治国.水平袖阀管注浆加固方案及效果分析 J.科技创新导报，2009，6（35）：79.4 岳红波，梁聪，刘媛莹，等.杯形水平冻结法端头加固联合钢套筒盾构接收技术研究 J.施工技术，2020，49（4）：19-21.5 马俊，杨平，刘增光，等.浅埋富含水砂层盾构下穿敏感性建筑水平冻结+短钢箱接收技术 J.防灾减灾工程学报，2020，40（2）：260-267，308.6 徐向勇.地铁盾构接收端冻结加固施工技术 J.建筑技术开发，2021，48（17）：30-32.7 胡奇凡，袁庆利，田巧焕.富水软弱地层盾构明洞接收技术应用分析 J.城市建设理论研究，2015，5（20）：10852-10854.8 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