复杂地质条件下盾构机进洞接收浅析
——天津地铁三号线水上公园站至水上北路站区间盾构接收技术
焦永超
中铁十六局集团二公司天津地铁项目部
摘 要 天津地铁三号线水上公园站至水上北路站区间右线为我公司首条盾构隧道，经勘察，接收井处地质条件较差，接收风险极高。为确保盾构机顺利接收，项目部积极开展科研攻关，采用了多项技术措施，使隧道成功贯通。
关键词 复杂地质 盾构机 进洞接收
1 工程概况
天津地铁三号线水上公园站～水上北路站区间从水上公园站东端头井开始（起点里程为DK7＋420.50），经天津革命烈士陵园，下穿水上公园筑波游泳场及月明公寓后，沿着水上公园北道到达本区间的终点水上北路站西端头井（终点里程为DK8＋531.55），全长约1115.6m，为单圆盾构区间。本区间线路纵坡为驼峰形，最大坡度为2.5％，最小坡度为0.2％；线路平面呈S形，最小曲线半径为349.851m,隧道轴线埋深12.9～19.9m，施工线路条件较为恶劣。我项目部采用小松盾构机进行自主施工，右线隧道于2009年4月破土掘进，9月成功贯通。按照相关的盾构施工研究，盾构机在始发与接收时施工风险最大，经现场勘察，始发井地质条件较好，经土体加固后满足盾构施工要求；接收井处地质条件较差，为确保顺利接收，我部遵从“地质是基础、盾构机是关键、人是根本”的盾构施工理念，开展了多项研究，达到了较好的施工效果。
利德集团左线水上北道右线盾构掘进方向水上北路站卫津南路
图1盾构接收处平面示意图
2 地质研究
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水上公园-水上北路站区间所处地段地层从地面向下依次为①1杂填土, ①2素填土,③1粉质粘土,④1粉质粘土, ④5淤泥质粉质粘土, ④2粉土,⑤1粉质粘土,⑥1粉质粘土, ⑥2粉土,⑦1粉质粘土,⑦2粉土,区间隧道主要穿越④1粉质粘土、 ④2粉土、⑤1粉质粘土,⑥1粉质粘土, ⑥2粉土,⑦1粉质粘土。靠近水上北路站即接收井处隧道中心标高-9.534m，顶覆土10m左右。隧道穿越①1杂填土地层，④2粉土、⑤1粉质粘土、⑥1粉质粘土。其中①1杂填土地层土质松散，地质条件较恶劣，施工中须特别注意。从水文地质资料中可以看出，潜水存在于①1杂填土、①2素填土、③1粉质粘土层中，以⑤1粉质粘土、⑥1粉质粘土层为隔水底板。①1杂填土、①2素填土土体结构松散，含水量丰富，土层渗透系数大。微承压水层同样以⑤1粉质粘土、⑥1粉质粘土层为隔水底板，主要存在于⑥2粉土,⑦2粉土层，经分析地质断面图，接收时主要考虑潜水层的不利影响。
4711水上北路站12 7
24251616271758111杂填土1231粉质粘土32354142粘土素填土淤泥粉沙淤泥质粉质粘土454751粉质粘土61粉质粘土6263粘土64淤泥质粉质粘土淤泥粉土粉沙71粉质粘土7273粘土75粉质粘土7681粉质粘土粉土粉土图2 接收井处地质剖面图
潜水地下水位埋藏较浅，勘测期间水位埋深1.0～2.2m(高程2.54～1.19m),潜水主要依靠大气
降水入渗和地表水体入渗补给，水位具有明显的丰、枯水变化，受季节影响明显。盾构接收时为9月份，降水量较多；且正值车站出入口风道围护结构施工，地面水也很丰富。经在降水井中进行透水性试验，该杂填土层降水井内水位上升很快，一般在40分钟之内即完成全部上升高度，渗透系数或可达到0.5m/d以上，为偏中等透水性土层。考虑到进洞处为水上北路中央，在右线的北侧30m处有利德集团建筑群。如发生地下水渗漏,将对周边环境产生灾难性后果，因此，如何控制进洞接收涌水问题是隧道贯通时应考虑的重要问题。
3 进洞地基加固
为避免盾构机进洞时泥土及地下水涌入工作井，保证盾构进洞土体有良好的自立性和密实性，使洞口土体在洞门凿除时不坍塌，必须对洞口土体进行加固。在详细研究隧道穿越区域地质特点及
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水位情况的基础上,决定变更原设计图纸,采用旋喷桩与水泥搅拌桩结合的施工方案,沿掘进方向将原加固区域由4m加长为9m,其中靠地连墙侧0.8m范围内采用旋喷桩加固,外侧8.2m采用水泥搅拌桩加固。根据现场土质和地下水分布情况，拟布置3口降水井对盾构出洞加固区进行降水,防止洞门破除和盾构掘进时地下水的渗漏。（注：2口降水井紧挨着搅拌桩加固区布置，1口降水井布置在两个加固区中间，详见降水井位置如图2-1）
盾构进洞前对井外地基加固进行验收，加固强度达到设计要求后，才能进行进洞施工，否则应采取补加固措施。28天的无侧限抗压强度不小于0.8MPa，渗透系数不大于1×10-8cm/s。
表1 验收标准表
序号 1 2 3 项目 垂直度 桩位 桩径 允许偏差 ≤1％ ≤50mm ≤4％ 备注 在盾构进洞前对加固土体开样洞进行观察，发现漏水、漏泥、漏砂现象，必须在盾构进洞之前进行水平注浆补救加固，补救加固注浆浆液为双液浆。双液浆中水泥浆与水玻璃的重量比为1：0．3，稠度为9～11。双液浆压注时，应结合洞门圈注浆封闭洞门圈、地连墙与加固体间的涌水通道，如下图所示。
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地下水水位涌水通道一加固区（加长5）盾构井主体成形隧道管片洞门水平注浆加固盾构接收架小松盾构机图4 盾构接收洞门处土体加固示意图
4盾构进洞准备 4.1 洞门处理
盾构接收井施工完成后，接收井内洞门混凝土凿除和洞门封堵材料等各项工作必须全部准备就绪。先对洞门位置的方位和坐标测量确认，安装盾构接收基座。接下来最重要的就是进行洞门防水缩小装置安装。洞圈内焊接两道δ4mm花纹钢板，内道离槽壁10cm，两道间隔20cm，之间预先塞填高密度海绵并固定牢靠。花纹板高度25cm，高出盾构进洞时18cm间隙7cm。每块花纹钢板与三角筋板焊接，并焊接在钢洞圈上，花纹钢板之间搭接约50mm。三角筋板采用δ10mm钢板，高度为100mm。此道装置可在盾构进洞时有效缓解涌水压力，是控制涌水的最后一道防线。
地下水水位涌水通道二洞门防水缩小装置盾尾压浆洞门圈涌水通道三洞门破除环形海绵条阻泥带焊接柔性钢板高密度海绵图5 盾构接收准备示意图
盾构进洞前50环为进洞阶段，在进洞段盾构施工过程中必须严格控制切口平衡土压力，使得盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止超挖、欠挖尽量减少平衡压力的波动。在盾构进入加固区以后，土压和总推力适当减小，保证
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洞门的安全。
根据地质情况及隧道埋深情况理论计算切口平衡压力（未进加固区）得到：
正面平衡压力：P=k0?h P: 平衡压力（包括地下水） ?：土体的平均重度，取18KN/m3
h：刀盘中心至地表的垂直距离；（隧道中心标高为-9.534m，地面标高为+3.2m。） k0：土的侧向静止平衡压力系数（0.7） 即进洞段理论土压力：P＝0.7×18×12.734＝0.16Mpa。
当盾构进入加固区以后根据刀盘油压情况及地面监测情况逐步调低土压力值，并派专人值班观察洞门情况。当盾构刀盘前部靠上槽壁以后，逐渐降低土压力值直至0。
4.2技术控制
经分析，除洞门处加固区与地连墙间会产生第一个涌水通道外，盾构进洞期间还会产生两个涌水通道，第一个是由盾构施工掘进本身造成的间隙，第二个是加固区与非加固区间的压力通道（施工期间扰动产生）。为形成对它们的有效封闭，进洞时须控制以下几点： 4.2.1严格控制盾构推进速度
盾构进洞段施工时，推进速度应放慢，尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动，避免在途中有较长时间耽搁。如果推得过快则刀盘开口断面对地层的挤压作用相对明显，在加固区前的推进速度在2～3cm/min，进入加固区以后推进速度控制在1cm/min。 4.2.2严格控制盾构纠偏量
在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大。 每环检查管片的超前量，隧道轴线和折角变化不能超过0.3％。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土量和千斤顶行程逐渐变化。采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地面的影响。在盾构进入加固区前应根据洞门中心调整好盾构进洞位置与姿态，避免在进入加固区以后再调整盾构姿态。 4.2.3严格控制同步注浆量和浆液质量
严格控制同步注浆量和浆液质量，务必做到三点： 1、保证每环注浆总量；
2、保证每箱土要均匀合理地压注；
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