富水砂层运营车站航站楼下盾构接收施工技术探讨

时间：2024-07-28

刘咀宁，刘吉东

（中铁隧道局集团有限公司杭州 310030）

0 引言

随着经济的发展以及城市化进程的推进，轨道交通也迎来快速发展期，地铁区间隧道施工技术也日新月异，也有明挖法、矿山法、盾构法等各种施工方法。盾构法作为一种安全快捷的隧道施工方法应用广泛，而盾构接收过程中碰到的条件和边界也多种多样。国内不少学者对盾构接收也开展了相关研究，如刘华、何源［1］、肖衡、胡蓉［2］、陈树茂、方一航［3］、胡浩睿、赵立锋［4］、王宝佳、黄国涛［5］等人对采用钢套筒盾构接收施工技术进行了研究，徐锦斌、王锋［6］、谢军、张凯［7］、梁寒山［8］、王文灿［9］、刁鹏程、杨平［10］等人对化学注浆、冷冻等方法在盾构接收中的应用进行了研究，吴镇、耿传政、王磊［11］研究了富水卵石层水下盾构接收技术。上述研究盾构接收边界条件相对简单，少有富水砂层、运营地铁站且上覆机场航站楼等复杂环境、敏感地区盾构接收技术的研究报道，相关可借鉴的经验很少。本文依托杭州地铁机场快线某区间在萧山机场站盾构接收工程，研究富水砂层运营车站航站楼下盾构接收施工的关键技术，通过控制性降水+WSS 水平不强加固+短套筒+盾尾弃置综合性控制技术，有效解决了机场航站楼下复杂敏感环境盾构接收难题。

1 工程概述

7号风井～萧山机场站盾构区间单线长3 027.818 m，采用2 台盾构机分别由7 号风井始发，到达已运营萧山机场站进行接收。盾构接收端位于萧山机场站西端头，萧山机场T4 航站楼正下方，盾构接收加固原设计采用“三轴搅拌桩+高压旋喷桩形式”，2019 年底地铁1 号线施工期间，已完成三轴搅拌桩加固。由于地面T4 航站楼建设施工，盾构接收边界条件发生变化，加固体与围护结构间旋喷桩未实施。盾构接收前T4航站楼主体已施工完成，萧山机场站顶板、T4 航站楼±0板已封闭，无地面加固及接收井盾构吊出条件。如图1 所示。萧山机场站为地下两层结构，区间左右线均在车站西端负二层接收，盾构井结构长12.5 m（沿线路），右线宽10.8 m，左线宽12.2 m，负二层净高9.3 m。洞门顶距中板1.3 m，洞门底距底板0.51 m。盾构井中板预留孔长11.4 m，宽8.5 m。区间临近已运营地铁7 号线，车站内与7 号线采用30 cm 厚混凝土墙体隔离，左线距7号线水平净距6.4 m，如图2所示。

图1 接收端平面示意图Fig.1 Schematic Plan of Receiving End

图2 盾构井主体横剖面Fig.2 Cross Section of Shield Shaft （mm）

T4 航站楼底板基础厚度0.4～1.0 m，设有桩基础承台及承重梁，覆盖整个接收加固区域。地上一层楼板距地面最小净高3 m，旋喷桩加固区域与T4 航站楼内部结构及底板承重梁重叠，无实施条件，如图3所示。

图3 接收端加固区地面现状Fig.3 Ground Status of Receiving End Reinforcement Area

接收端隧道顶部埋深11.2 m，洞门底埋深18.4 m，接收端所处地层主要为富水粉砂地层，上部为③3砂质粉土夹粉砂、③5粉砂地层，下部为③7砂质粉土夹淤泥质粉质粘土地层。隧道底部以下为③8粉砂，如图4所示。端头地层力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer

图4 萧山机场站接收端地质断面Fig.4 Geological Section of Xiaoshan Airport Station Receiving Terminal

2 富水砂层运营车站航站楼下盾构接收风险分析

富水砂层运营车站航站楼下盾构接收施工风险除常规风险外，因接收端位于航站楼下，无常规接收条件、渗漏抢险条件非常差，则重大风险为接收端渗漏突涌、运营站变形、航站楼沉降，甚至突涌可能引起的盾构机被埋、航站楼坍塌等。富水砂层运营车站航站楼下盾构接收风险分析如表2所示。

表2 航站楼下盾构接收风险及事故特性分析Tab.2 Analysis of Risk and Accident Characteristics of Shield Machine under the Terminal

3 接收方案研究确定

考虑上盖航站楼影响接收、邻近运营地铁7 号线和接收端地质，主要进行WSS 水平注浆+冷冻法接收方案、WSS水平注浆+短套筒+盾尾留置接收方案、WSS水平注浆+长套筒接收方案进行比选，如表3所示。

⑴方案1：WSS水平注浆+冷冻法接收方案，采用WSS水平注浆+冷冻法对加固体进行“杯型”补强加固，“杯壁”采用冻结壁进行土体加固，形成长度15.4 m、有效厚度冻结壁1.8 m 的“杯壁”以确保盾构接收安全；WSS 水平注浆加固长度为5 m，水平冻结加固长度为15.4 m。

⑵方案2：WSS水平注浆+短套筒+盾尾留置接收方案，采用WSS 水平注浆对原加固体进行补强，加固长度15 m；为确保接收本质安全在接收端设置7.5 m钢套筒进行接收，盾构机进入钢套筒后对壳体和盾尾注浆加固封堵洞门，并将隧道范围部分盾尾切割留置隧道内。

⑶方案3：WSS水平注浆+长套筒接收方案，采用WSS 水平注浆对原加固体进行补强，加固长度15 m；为确保接收安全采用长度12 m 长套筒接收。但因接收端地面为航站楼、预留负二层洞内吊装孔仅11 m，长套筒接收无法实施。

4 富水砂层运营车站航站楼下盾构接收施工技术

4.1 端头控制性降水技术

⑴降水井布置：通过现场调查并结合T4 航站楼设计图纸，在考虑避开相邻基坑、T4航站楼承台、结构梁及7号线安全距离后，接收端降水井布设约9口（加固区外5口，加固区内4口），如图5所示。

图5 接收端降水井布设位置Fig.5 Layout and Location of Water Lowering Well at the Receiving End （mm）

⑵控制性降水：为避免端头降水过度引起航站楼及运营7号线沉降变形，端头降水采用控制性降水，盾构机到达接收端前50 环开始降水，井数量开启50%，盾构机进入加固体后开启全部降水井降水，盾构机安全接收并封洞门后停止降水。

⑶降水运行期间，现场实行24 h 值班制，值班人员认真做好水位变化等相关记录。降水运行过程中对停抽的井应及时测量水位，频率为1～2次/d，水位出现的异常时应及时反馈分析。

⑷降水运行阶段必须保证电源供电，如遇电网停电，须提前2 h 通知，以便及时启动备用电源，确保降水效果。

⑸盾构到达前端头地下水位降至隧道中心线以下。

4.2 WSS水平注浆加固技术

4.2.1 WSS水平注浆加固方式

采用“杯形”加固方式，对原加固体进行补强。“杯壁”补强范围为：隧道顶部、底部4.0 m 范围，左右线外侧3.5 m范围，内侧3.0m范围，“杯壁”加固与隧道断面搭接1 m，沿着线路纵向加固长度15 m。“杯底”补强范围为：掌子面前端5 m范围满堂加固。如图6所示。

图6 WSS水平加固平面Fig.6 WSS Horizontal Reinforcement Plan （mm）

4.2.2 WSS水平注浆加固试验取芯

在实施WSS水平注浆加固前，对区间接收端进行4 根WSS 水平加固注浆试验及取芯验证，加固试验注浆孔深度15m，取芯1 根，深度15 m。以验证WSS 水平注浆参数对地层的适应性和注浆效果。

4.2.3 WSS水平注浆加固

WSS 水平注浆孔间距600 mm，呈梅花形布设；浆液采用水泥与水玻璃双液浆。

严格控制注浆压力，注浆终止压力≤0.8 MPa，同时密切关注注浆量，每步注浆量≤0.05 m³，注浆10 min后间隔约5 min，待上个循环浆液凝固后再继续注浆。

严格控制回抽幅度，每步不大于20 cm，每步回抽间隔时间约为1 min，匀速回抽，注意注浆参数变化。WSS注浆施工参数如表4所示。

表4 WSS施工参数Tab.4 WSS Construction Parameter

4.3 短套筒接收施工技术

考虑接收端位于③3、③5富水粉砂地层，上覆萧山机场T4航站楼且临近运营7号线，为确保安全采用短钢套筒接收。

接收钢套筒筒体长7.5 m，内径7.45 m，外径7.75 m。套筒内浇筑砂浆基座（60°范围填15 cm 厚），上部填砂。盾构接收时，盾构机刀盘、中前盾进入套筒内，盾尾推进至洞门位置，并在管片后方跟进施做止水环箍。然后通过壳体径向注浆孔、套筒预埋孔，对洞门与盾构壳体缝隙进行注浆封堵。确保洞门密封效果后，进行套筒拆除及下步刀盘拆解施工，如图7所示。

图7 套筒接收纵剖面示意图Fig.7 Schematic Diagram of Sleeve Receiving Longitudinal Section

4.3.1 短套筒设计

筒体部分长7 500 mm，内径7 450 mm，外径7 750 mm，分四段（加每段长），每段又分为上、下两块，筒体材料用20 mm 厚的Q235A 钢板，每段筒体的外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体刚度，筋板厚30 mm，高130 mm，间隔约585 mm×585 mm；每段筒体的端头和上、下两段圆弧接合面均焊接连接法兰，法兰用40 mm厚的Q235A 钢，上、下两段连接处以及两段筒体之间均采用M30×90 8.8 级螺栓连接，中间加3 mm 厚橡胶垫，以保证密封效果。

4.3.2 洞门凿除

钢套筒在安装之前，先凿除洞门厚度的一半，然后安装钢套筒下部、上部结构，安装完成后凿除地连墙剩余部分。

洞门凿除前加固体的强度、渗透性、自立性等技术指标应满足设计要求，洞门水平探孔无涌水、漏沙现象，端头地下水位降至要求标高。

4.3.3 洞门封堵及密封

⑴注浆封堵

在盾体进洞，盾尾通过洞口过程中，每环均补充双液注浆，在盾尾通过新增连续墙后，要在盾尾部位的管片注双液浆。时刻检查钢套筒是否有漏浆、形变等情况，如有漏浆或者形变过大等情况发生，可以采取调低气压，减小推速等措施。

盾构机完全进入钢套筒后，第一时间注双液浆，封堵盾尾与洞门结构位置，注浆量按埋论注浆量的150%～200%，确保封住洞门结构位置。双液浆配比如表5所示。

表5 双液浆配比Tab.5 Double Slurry Proportioning

待双液浆注浆凝固后，通过管片背面探孔确认注浆效果，如未出现漏砂、漏水情况，则说明注浆达到了封堵要求。

⑵洞门密封

洞门密封是盾构接收的一个重要环节，影响整个盾构接收的成败以及安全。为确保安全，在弃置盾尾外侧焊接弧形钢板连接盾尾与洞门钢圈进行密封，在弃置盾尾内侧焊接弧形钢板连接盾尾与特殊环管片预埋钢板进行密封。

外侧密封时要分段拆除钢套筒可拆卸环，及时焊接弧形钢板。焊接弧形钢板，应注意焊缝饱满，无漏焊，虚焊。整个弧形钢板焊接完成，及时进行二次注浆，填充管片与弧形板中间空隙。如图8所示。

图8 洞门密封示意图Fig.8 Schematic Diagram of Portal Sealing

4.4 盾尾弃置

为保证盾构接收安全，盾构机分两次接收。第一次接收，盾构机进入接收井7.5 m 后拆解刀盘，盾尾仍处于洞门外加固体内，进行第一次洞门密封封堵；第二次接收距第一次接收间隔时间计划约3 天，第二次接收如继续推进，采用常规二次接收方式，盾尾完全脱出洞门圈，将增加渗漏风险，且工作井内无实施应急抢险条件，故需将盾尾切割、弃置，通过“脱壳”接收方式，降低盾构接收风险。如图9所示。

图9 盾尾弃置纵剖面示意图Fig.9 Longitudinal Profile of Abandoned Shield Tail

最后一环管片拼装完成后，通过钢套筒连接环割除口焊接第一道密封钢板，将盾尾和洞门钢圈焊接密封。密封钢板焊接完成检查合格确认安全后，从洞门钢圈处外放100 mm 割除盾尾。然后按正常程序完成盾构接收剩余工作。如图10所示。

图10 盾尾弃置切割示意图Fig.10 Schematic of Abandoned Shield Tail Cutting（mm）

5 实施效果

通过富水砂层航站楼下盾构综合接收技术的应用，有效的控制了运营车站盾构接收施工安全，确保了运营地铁隧道和上覆航站楼的沉降变形。

⑴该区间左线隧道于2021年10月2日顺利完成接收，右线隧道于2021年9月8日顺利完成接收。

⑵从运营7号线隧道自动监测数据来看，运营地铁隧道总体变形可控，道床沉降累计最大2.7 mm，在预警值-4.2～6.0 mm 内；隧道轨间高差累计最大1.5 mm，在预警值4.2 mm 内；隧道水平位移累计最大4.1 mm，在预警值4.2 mm 内；隧道水平收敛累计最大2.3 mm，在预警值4.2 mm内。

⑶从地表和航站楼监测数据来看，左线地表最大累计沉降-21.3 mm，右线地表最大累计沉降-20.6 mm，在橙色预警值-25 mm内；航站楼最大累计沉降-6.52 mm，在黄色预警值±14 mm内。