沈阳地铁9号线汪河路站—曹仲站区间长2 430m,区间下穿浑河,设计采用2台泥水盾构从汪河路站始发,在曹仲站接收,接收端为富水砂卵石地层,接收端埋深为18m,地下水位在地面以下6m,接收端设计采用间距0.6m袖阀管注浆,加固长度为8m,加固范围为隧道上下、左右各3m。左线接收离交通主干道不足4m,离浑河不足800m,接收端上方有一污水管。

设计以“渗透注浆挤密加固地层实现人工破除钢筋混凝土围护桩,靠止水帘布止水接收盾构”的理念。设计采用梅花形布设、间距为0.6m的袖阀管注水泥浆加固,水平加固长度为8m,加固范围是隧道外3m。

在富水砂卵石地层,由于承压水的作用,该加固形式无法起到止水效果,不仅给人工破除钢筋混凝土带来涌水涌砂风险,而且考虑泥水盾构掘进时的水压,泥水盾构接收施工将面临涌砂塌方的巨大风险。而曹仲站接收端头设计加固长度只有8m,不能满足9.8m盾体接收。在有条件的情况下,盾构出洞的加固长度范围为超出盾构机本体长度约2m,当刀盘抵达围护桩后,整个盾体处于加固地层范围内,尾盾后加强注浆止水效果,一定程度上防止从盾体与开挖土体之间通道涌水涌砂。

传统接收方案是在接收洞门外侧安设提前加工好的止水帘布,利用帘布与盾体、帘布与管片的贴合进行密封止水,但因盾体与洞门的姿态偏差、盾体与帘布之间渣土间隙等难以避免等因素影响,洞门帘布止水方式密封无法承受地层泥水压力,不适合承压水砂卵石地层下的盾构接收施工。

如果在端头加固体四周施工降水井,盾构接收前把水降到隧道底3m,这种辅助措施能杜绝涌水、涌砂,但由于端头周边的污水管道及机动车道占据有利的降水井施作空间,且由于加固浆液在土体内的流窜,改变地层原有地下水径流通道,故降水效果难以保证。

曹仲站因征地影响,施工进度节点缓慢,盾构左线接收时,曹仲站只能提供接收条件,无法提供加固时间。且受施工现场降水井抽排、污水管位置影响,端头加固的效果无法达到设计要求。

在端头加固存在缺陷时,当破除围护结构后,利用向接收井中灌水或回填土的方式,使盾体外土体压力得到平衡,从而杜绝涌水、涌砂。南京长江隧道在加固失败的情况下,采用冷冻补救措施后进行灌水接收,该技术主要难点是围护结构的破除和接收井修建水池。

成都地铁、武汉地铁和北京地铁在接收洞门围护结构中采用玻璃纤维筋代替钢筋,实现了盾构机直接破除洞门接收,杜绝了人工破除洞门安全事故。曹仲站接收处围护桩已经施工,无法改为玻璃纤维筋,另外,车站正在施工主体结构,无法提前修建四周封闭水池。因此,该技术不适用于本区间。

该技术是在洞门环外连接长12m全封闭钢套筒装置,并充填满砂,盾构破除素连续墙后继续在钢套筒内掘进,待盾尾脱离洞门后进行管片壁后注浆后拆除钢套筒。曹仲站钢筋混凝土围护桩已施工,给钢套筒接收带来难度,且加工钢套筒周期需要2个月,无法满足工期要求。

该端头加固设计由于场地与工期原因无法达到预期设计加固效果。灌水接收和钢套筒接收考虑与曹仲站主体交叉施工及钢套筒制作周期长因素,现场实施并无优势。为了确保接收安全和工期,必须研发接收新技术。

SMW工法连续墙于1976年在日本问世,SMW工法是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘,同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌,在各施工单元之间则采取重叠搭接施工,然后在水泥土混合体初凝前插入H型钢或钢板作为其应力补强材料,至水泥结硬,便形成一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体。

本工程盾构接收处钢筋混凝土围护桩已经施工,盾构接收前必须人工破除,为保障破除车站围护结构后出现涌水涌沙情况,根据SMW工法原理,在围护桩后面施作SMW工法连续墙后,再破除已施工车站钢筋混凝土围护桩。

盾构始发前,于盾构尾盾中设置盾尾刷装置,通过人工细密涂抹尾刷,泵送油脂填充尾刷之间空隙,紧贴管片外壁形成止水环,封闭刀盘前方泥水及地下承压水。

采用SMW工法连续墙,在破除车站钢筋混凝土围护桩后,于接收洞门环内安设盾尾刷装置,并外接油脂注入管,在钢环端用钢板封闭,拔出隧道断面的H型钢或钢板桩后,刀盘顶推前移。可以实现泥水盾构接收。

由于本工程泥水盾构接收车站和区间施工工期紧的特殊性,首先是在车站主体施工完后接收洞门围护桩外施工SMW工法连续墙,人工破除洞门处围护桩后,在其位置焊接安装特制止水钢板刷和环状注浆管。然后利用洞门外螺杆将特制接收钢环端盖板顶入围护桩钢环内,使钢板刷内翻形成活塞式接收钢环。其次是拔出H型钢板,并从地面进行压实处理。当盾构刀盘进入内翻式钢板刷后,从注浆管内注入聚氨酯(止水浆液)封堵开挖面与盾体之间缝隙,并向钢丝刷与橡胶密封板油脂腔内泵送密封油脂,彻底封住地层的砂和水,停止转动刀盘,利用泥水盾构顶推系统顶推接收钢环盖板做活塞运动,并调节顶推螺杆,使活塞密封端盖缓慢前移,受螺杆行程限制,当盖板快离开洞门环时通过前端封闭钢板预留闸阀观察钢板刷无渗水后拆除活塞钢盖板,并使盾体前移同时进行同步注浆,当盾尾离开洞门后结束盾构接收。

车站主体施工完成后,在盾构接收洞门钻孔桩外施工SMW工法连续墙,临时挡住富水砂层。启动车站开挖降水系统后采用人工凿除洞门处钻孔桩。

支承钢环由圆环钢板体作为主体,并在其内侧焊接加长钢丝刷、安装橡胶密封板与支撑翻板,外侧环形布置注浆管,内侧环形布置油脂管组成,具体钢环如图1所示。根据具体尺寸,钢丝刷、翻板与橡胶密封板内径均比盾体直径小20cm以上,确保能有效内翻并牢固搭接于盾体上。钢环宽度与围护桩宽度一样,加工好后焊接在已凿除钻孔桩钢筋上,为确保牢固,其外端与洞门预埋钢环焊接。

1)把加工好的活塞端盖板放入主体钢环内,利用洞门钢环外螺杆把端盖板顶入围护桩钢环内。

2)利用油脂泵通过油脂管将密封油脂注入橡胶密封板与钢丝刷之间的环型腔内,使黏稠油脂充满油脂腔。

3)在端盖板观察孔内吹填改良土。

4)拔出钢板桩,并对端头土体进行压密处理。

1)盾构刀盘进入围护桩钢环后,从注浆管内注入聚氨酯浆液堵塞盾体与土体四周空隙,松开固定螺杆,利用盾构推力把活塞端盖板顶到洞门外固定位置。

2)从端盖板观察孔卸压,并观察无渗水后,拆除活塞端盖板使盾体前移。当有渗水时,加强密封油脂和止水浆液的注入,渗水量大时,停止盾体前移,直到将水止住后继续前移盾体。

3)当盾体与尾盾铰接连接处到达密封翻板时,停止盾体前移,调整翻板,并继续充填油脂,补充止水浆液,无渗漏水后继续进行盾构出洞施工。

在未加固端头施工SMW工法连续墙后,直接破除钢筋混凝土围护桩,凿除过程中无渗水,凿除后安装止水钢环,地面无变形沉降,施工安全可控。

利用一种简洁的活塞式盾构接收装置杜绝泥水盾构接收时喷水涌砂,解决了泥水盾构接收止水帘布密封失效、风险大等难题,将泥水盾构在富水砂层接收过程中的不可控因素转变为可控因素,盾体前移整过过程中无渗水,止水环止水效果显著。

取消端头加固,大大简化盾构接收施工工艺,节约上百万元加固费用,增加止水钢环和SMW工法连续墙费用约15万元,施工成本低。

活塞式封闭接收钢环实现了富水砂层在不加固端头下泥水盾构的顺利接收,接收时有效控制了涌水涌砂现象,杜绝了泥水盾构接收安全事故发生,风险可控;简化了泥水盾构接收工艺,具有工艺简单、技术先进、实用性强等优点,推广前景好。但在今后施工中有以下建议。

1)在车站围护桩施工时,可以直接把洞门环处围护桩优化为SMW工法连续墙,不仅可以减少施工成本,而且可以减少洞门环钢筋混凝土破除。

2)提前把封闭止水钢环加工好,车站主体施工时直接运用起重机吊装预埋,既节约工期,又减少施工工序,大大减少体力劳动,提高施工工效。

3)盾构接收时,应采用稠度适中的改良油脂注入钢环,确保接收过程中盾体姿态变化时油脂能及时封闭空隙。