0 引言

　　盾构接收作为盾构法施工的关键工序，存在较大安全风险。在富水地层的盾构接收中，接收井内灌水或覆土灌水的盾构水下接收方法作为一项安全保障率较高的技术近年来已得到多次应用。本文依托武汉大东湖核心区污水传输系统工程(以下简称“本工程”)，介绍了隧道在35m高承压水头、上覆砂层厚达28m条件下，以端头加固和降水为基础，采用对传统方法改进后的盾构水下接收技术，实现安全高效接收，为类似工况下盾构接收提供参考。

　　1 工程概况

　　本工程主隧全长17.5km，包含9个竖井和9个盾构区间，区间埋深27～56m，其中位于全线首尾的3号—1号区间与8号—9号区间接收端位于长江Ⅰ级阶地，下文以8号—9号区间为例进行论述。8号—9号区间由8号竖井始发、9号竖井接收，全长1.9km，埋深34～40m，采用1台开挖直径4.65m的土压平衡盾构机进行施工，盾体长10.1m。区间管片外径为4.3m，管片内径为3.8m，环宽1.2m。接收井围护结构采用1.5m厚C30钢筋混凝土地下连续墙支护形式，地下连续墙内预埋直径4.9m洞门钢环，环内钢筋采用玻璃纤维筋。区间接收端地表场平标高为19.200m，隧道中轴线标高为-18.750m，隧道埋深约36m。

　　2 工程地质与水文地质条件

　　2.1 工程地质条件

　　根据详勘报告，9号竖井接收端头从上到下地层依次为:杂填土层、粉质黏土层、淤泥质粉质黏土夹粉土层、粉砂粉土混粉质黏土层、粉细砂层、强风化含钙泥质粉砂岩层、中风化含钙泥质粉砂岩层。其中接收段隧道穿越层位于粉细砂层与强风化含钙泥质粉砂岩层交界面处，隧道上覆砂层最厚达28m。各地层物理力学参数如表1所示。

　　2.2 水文地质条件

　　据地勘报告显示，接收井9号竖井位于长江Ⅰ级阶地，接收端承压水位标高17.400m，至土岩交界面承压水头达35m，水量丰富。接收井端头地质剖面如图1所示。

　　

　　图1 接收井端头地质剖面 

　　 

　　3 原接收方案及存在问题

　　3.1 原接收方案

　　9号竖井端头加固设计采用CSM工法搅拌墙+竖井地下连续墙端三管高压旋喷桩补强的组合加固止水形式，如图2所示。CSM工法搅拌墙加固区长15.3m，宽10.3m，搅拌墙每幅厚度0.8m，长度2.5m，长宽方向幅间均咬合0.3m，墙深43.3m;三管高压旋喷桩800mm@400mm，桩深37.6m。

　　接收井端头共设降水井12口，加固区内6口，加固区外6口，井深40.0m。原设计为在端头加固体止水效果良好、承压水头降至岩面线以下1m条件下，在洞门钢环上设橡胶帘布作为出洞密封装置，进行常规盾构接收。

　　3.2 存在问题及分析

　　1)经群井联动试验，测得端头加固区内的静水位标高为-6.300m，承压水头降幅达23.7m，但距岩面线仍有11.3m水头，不满足常规盾构接收方案要求。

　　

　　图2 接收井端头加固及降水井布置  

　　 

　　2)经洞门水平探孔，洞门上方孔位存在涌水现象，伴少量砂。端头加固体在此复杂水文地质条件下止水效果欠佳，考虑原因可能为:(1)接收井悬挑冠梁设计，使得加固体在其下方位置存在渗漏点;(2)砂层承压水渗流速度较大，使得加固体施工过程中部分水泥浆液被水流带走，加固体存在薄弱区。

　　因端头加固区内仍具有较高水位，故考虑采用水下接收方式保障盾构安全接收。

　　4 盾构水下接收技术

　　4.1 总体施工流程

　　本工程采用的盾构水下接收方式相较于传统方法进行了改进，主要分为接收井端头预留注浆孔施工、井底砂浆接收基座施工、洞门砂浆挡墙施工、井内注水、盾构接收掘进、洞门注浆封堵、砂浆挡墙凿除、洞门钢板密封、砂浆基座凿除等工序。施工工艺流程如图3所示。

　　4.2 接收井端头准备

　　接收井端头在已加固的基础上，在地表钻设预留注浆孔，其中隧道轴线方向加固体尾部4个，洞门范围4个，钻至管片上方1.5m，钻设完成后安放注浆管，分别配合后续盾构完全进入加固体时及洞门封堵时使用，如图4所示。

　　4.3 接收井内准备

　　1)盾构接收基座施工

　　  

　　表1 土层物理力学参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 土层物理力学参数

　　

　　图3 盾构水下接收施工工艺流程 

　　 

　　

　　图4 端头注浆预留孔位布置  

　　 

　　考虑本次水下接收在端头高承压水头条件下进行，为使盾构掘进具备足够反力、管片能够充分顶紧，避免发生管片接缝渗漏，本次接收选用M10水泥砂浆基座替代常规钢托架。接收井尺寸较小，选择砂浆完全填充竖井底板结构及洞门。基座顶面高度低于隧道设计中轴线0.45m，便于盾构吊出。

　　2)洞门砂浆挡墙施工

　　盾构水下接收，如何规避洞门渗漏风险以及对洞门进行有效封堵是关键。传统水下接收多使用常规橡胶帘布作为水下接收条件下的盾构出洞密封装置，其存在的弊端是:在接收井内注水后，尤其是注水高度较大时，难以有效监视其在盾构出洞时工作状态，从而可能发生盾构出洞时被刀盘破坏、或其未有效裹紧盾构或管片，进而增加洞门渗漏风险，且后期封堵困难。

　　本工程洞门处保留预埋钢环用于后期钢板封堵止水，不再设置橡胶帘布，取而代之在洞门位置设置1道砂浆挡墙。墙身厚度2.4m，高度至洞门上层环框梁底，宽度与接收井宽度一致。其与砂浆基座完全填充洞门，首先，有效缩小了洞门间隙，使间隙由洞门钢环内径减去管片外径缩小为盾构刀盘开挖直径减去管片外径，有效减小洞门处水流速度，进而减小洞门渗漏风险;其次，有效延长了注浆封堵距离，使洞门封堵范围从围护结构和洞门钢环附近延长至砂浆挡墙端部，可有效降低洞门封堵的难度、保障封堵效果，为后续抽排水和洞门钢板密封创造条件。挡墙采用加气砖胎模单侧支模，M10砂浆浇筑。砂浆基座及洞门砂浆挡墙布置如图5所示。

　　

　　图5 砂浆基座及洞门砂浆挡墙布置  

　　 

　　3)接收井内注水

　　在基座及挡墙施工完成后，盾构机破除围护结构地下连续墙之前，在接收井内注水，以平衡接收阶段的内外水压。注水深度高于降水后的观测井水位2m，井内水深达18m。

　　4.4 盾构接收施工控制

　　4.4.1 盾构掘进施工控制

　　1)端头加固区掘进

　　盾构在该范围掘进时，遵循“低推力、低刀盘转速，减小扰动”的原则进行控制，推力控制在5 000k N以内，刀盘转速控制在1r/min以内，掘进速度控制在10～20mm/min，保证盾构推进不对接收井端墙造成影响。盾尾完全进入加固区约1m后，通过地面预留的加固体外1～4号孔注双液浆，将盾尾管片与加固体之间的空隙填充密实，防止形成水流通道。注浆前先通过盾尾注入聚氨酯，规避双液浆包裹盾尾风险。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃体积比为1∶1。

　　为避免盾构出洞后管片纵向松弛，造成隧道渗漏风险，提前准备管片拉紧装置，纵向锁紧出洞15环管片，并进行管片螺栓复紧不少于3次，保证管片无渗漏。

　　2)地下连续墙及洞门砂浆挡墙区掘进

　　盾构在地下连续墙及洞门砂浆挡墙区掘进应规避其变形甚至破坏风险。开始磨墙后，推力仍控制在5 000k N以内，刀盘转速控制在1r/min以内，掘进速度控制在3～5mm/min。当掘进至地下连续墙剩余1/3厚度时，进一步减小推力至3 000k N，直至完成接收。

　　盾构在掘进过程中，在盾尾脱出挡墙前，均严格控制同步注浆质量，封堵管片与加固区、管片与地下连续墙、管片与砂浆挡墙之间的孔隙。同步注浆采用水泥砂浆，胶凝时间控制为4～6h，注浆压力≤0.3MPa，注浆量控制为构筑空隙的2～2.5倍。

　　3)砂浆基座区掘进

　　盾构机在砂浆基座区采取封闭掘进模式，关闭螺旋输送机，防止喷涌。同时严格控制千斤顶压力分布，根据盾构机姿态动态调整各组千斤顶压力，保证盾构机不出现“上漂”。

　　4.4.2 洞门注浆封堵

　　盾构机推进至盾尾脱出砂浆挡墙后，停止掘进，然后进行洞门注浆封堵。洞门注浆封堵分为洞内管片开孔注浆和地面预留孔注浆。管片开孔注浆封堵首先对洞门范围到砂浆挡墙端部的5环管片进行，单环注浆由下往上进行，保证浆液填充密实。同时开启地面洞门范围5～8号预留孔注浆。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，注浆压力为0.3～0.4MPa。

　　两种注浆方式同步进行，实际开启地面预留孔注浆后，仅耗时6h井内水位便已稳定，此时停止地面预留孔注浆，继续洞门范围管片开孔注浆，确保注浆密实。注浆完成后打开管片顶部球阀，观察无明水流出后停止注浆。

　　4.4.3 地表沉降及井内水位监测

　　盾构水下接收开始前，应准备多台大功率水泵及足量砂备用，并全过程做好端头地表沉降及井内水位监测。尤其是盾构开始磨墙后到洞门注浆封堵完成，要严格进行动态监测。以扣除盾构排水体积后的水位变化计算涌入竖井内的水、砂总量，结合端头地表沉降观测，可判断是否有大量泥砂进入井内，进而及时采取应急措施。本工程水下接收过程中的地面最大沉降断面监测记录及竖井水位监测记录如图6,7所示。

　　

　　图6 地面最大沉降断面监测记录  

　　 

　　

　　图7 竖井水位监测记录  

　　 

　　由图6可知，整个水下接收过程，地表沉降最大值仅为-2.69mm，未发生明显涌砂现象。如图7所示，接收井内水位变化可分为3个阶段:第1阶段，地下连续墙及砂浆挡墙区掘进，接收井内外未连通，水位无明显变化。第2阶段，刀盘穿出砂浆挡墙，接收井内外连通，水位开始上升。第-8,-7环完成掘进，扣除盾构排水体积后，井内折算水位上涨仅6.5,3.5mm，反映出井内外水压平衡良好、未发生明显涌水现象。而后继续缓慢推进直至盾尾脱出砂浆挡墙，盾构掘进完成。第3阶段，洞门注浆封堵，水位逐渐停止变化。

　　4.4.4 接收井抽排水

　　在确定洞门注浆封堵效果后，开始进行井内抽排水，抽排水缓慢进行，边抽排边观察。液面每下降3m暂停抽排，观察1～2h，如液面未发生上涨，同时观察洞门处管片顶部注浆球阀开启状态无水流出，则继续抽排;如有异常情况，应停止抽排，继续进行洞门注浆，必要时应取水回灌。反复以上过程直至抽水完成。

　　4.4.5 水下接收效果

　　本次水下接收地表沉降控制良好;洞门砂浆挡墙完整，无明显变形和破坏;洞内管片拼装质量良好，无渗漏水现象发生;抽排水完成后也证实无大量泥砂涌入，盾构顺利完成接收。

　　4.5 接收后续工作

　　洞门环梁施作完成前，洞门在高承压水头作用下仍存在二次渗漏风险。本工程采用分块钢板在砂浆挡墙、砂浆基座分层凿除时进行洞门临时密封。

　　1)砂浆挡墙凿除与洞门上端钢板密封

　　排水完成后，立即组织进行洞门砂浆挡墙的破除作业。挡墙破除分层进行，每次凿除后接缝露出高度在50cm左右，随破随封。封堵采用圆心角为20°的分块环形钢板，每破除出一块环形钢板区域后先完成封堵，随后再继续进行破除作业。钢板一端与洞门钢环焊接，一端抵紧管片。

　　2)砂浆基座凿除与洞门下端钢板密封

　　砂浆挡墙凿除完成后进行盾构吊拆，而后分层凿除砂浆基座，同上述要求进行钢板密封。

　　5 结语

　　1)砂浆接收基座的设置，为盾构出洞提供了充足的反力，洞内管片得以充分顶紧，配合管片纵向拉紧装置，防止了管片接缝渗漏现象发生。

　　2)洞门砂浆挡墙的设置，有效缩小了洞门间隙，减缓洞门处水流速度，进而减小洞门渗漏风险;有效延长了注浆封堵距离，降低了洞门封堵的难度。

　　3)洞门封堵采用地面预留孔注浆配合洞内注浆的方式，封堵速度快，效果良好。

　　4)洞门永久密封前采用分块钢板在砂浆挡墙、砂浆基座分层凿除时对洞门随破随封，成功规避了洞门二次渗漏风险。