张中勇，邱光明，路林海，武朝军，王 彪，耿传政

(1.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250101； 2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308；3.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

盾构法因具有安全性与地层适应性好、对环境影响小、施工快速等优点，已成为城市轨道交通建设常用工法。盾构接收作为隧道施工关键环节，在大埋深、高水压等复杂工况下施工风险较高，盾构进洞过程中常引发洞门涌水、涌砂事故。盾构水下接收技术可有效避免洞门泥水喷涌，提供良好解决方案。葸振东等[1]对超大直径泥水平衡盾构水下接收技术进行研究，总结端头加固及洞门止水措施；邢慧堂[2]以南京长江隧道工程为例，提出超大型泥水盾构水中接收三轴搅拌加固、冷冻加固、强降水加固三重措施；贲志江等[3-4]分析了南京地铁10号线过江隧道垂直冻结施工挡土墙温度变化规律；徐延召[5]以武汉地铁2号线为例，研究了盾构水中接收技术。近年来，随着隧道施工技术的发展，盾构水下接收技术已得到一定应用[6-11]。

1 工程概况

济南地铁1号线王大区间(王府庄站—大杨站)含1座中间风井，中间风井至大杨站区间线路长2 033m，盾构沿现状党杨路掘进施工，于大杨站接收。大杨站位于经十路与党杨路、齐鲁大道交汇处，呈南北向布置，是1号线与4号线换乘站，1号线位于地下2层，4号线位于地下3层。盾构接收覆土深约10.2m，在接收井下沉1.6m处浇筑承托板，作为盾构接收承托板。盾构接收端上方存在临时改迁的220kV供电管沟及给水管道，邻近交通主干道，现场不具备改移条件。设计端头加固方式为设置三重管高压旋喷桩、800mm宽C20素混凝土地下连续墙止水帷幕(底部位于隧道结构以下6m)、辅助降水井。三重管高压旋喷桩长9m，直径800mm，间距600mm，加固范围为隧道结构外侧上下左右各3m。大杨庄站地下水主要为潜水和承压水，潜水层水位标高16.830～30.140m，水位埋深11.5～18.3m；承压含水层水位标高25.200～28.740m，水位埋深5.1～13.7m。

2 加固与接收方案

盾构接收前，在接收端头上方靠近围护结构处进行水平探孔取芯，左右线隧道下方均存在一定厚度的承压含水层，加固体中地下连续墙未能完全隔断承压含水层。加固体外侧和中部施作1～6号降水井备用，降水井井底标高5.000m，埋深27.0m。降水井运行后，动水位快速稳定至井底位置附近。停止运行4号降水井后作为净水位观测井，12h后测得4号降水井水位恢复至接近初始水位。根据接收洞门水平探孔取芯情况，端头加固区降水井未能将承压水水位降至隧道中心线下。隧道下部存在较厚砂卵石地层，其透水能力强、水压大，洞门破除及盾构接收期间易引发洞门涌水、涌砂事故。

本工程采用土压平衡盾构施工，在高压旋喷桩加固失效的情况下，刀盘直径大于壳体直径。因接收端地质条件复杂，存在富水砂层，高压旋喷桩加固效果较差，洞门取芯后出现涌砂情况，且地面存在供电管沟，需进行盾构接收方案比选。对比分析普通接收、土中接收、水下接收方案，结果如表1所示。由表1可知，普通接收方案风险高，无法避免洞门破除过程中水、砂从刀盘孔隙中涌出；土中接收方案风险较高，可利用土压力平衡地下水压力，但破除洞门时须留出工作面，且破除过程中涌水、涌砂处置较慢；水下接收方案风险低，可利用水压力平衡地下水压力，且可通过调节液面高低自由改变水头压力，洞门破除过程中可将涌水作为应急注水。

表1 盾构接收方案比选结果

经方案比选，采用盾构水下接收技术，以保证施工安全。采用液氮垂直冻结加固技术形成1道冻结土体帷幕，承载水土压力，可对洞门进行止水封堵，防止洞门涌水、涌砂。

3 加固与接收技术

3.1 端头加固

盾构接收前，需对接收井地下连续墙外侧一定范围内的含水层进行加固，增大地层强度，提高地层隔水性，以避免盾构进洞时洞门涌水、涌砂。采用液氮垂直冻结加固技术处理土体，使洞门破除后土体可承载水土压力，并阻挡地下水携砂流入接收井，保证洞门安全。根据以往工程经验，冻结土体帷幕引起的地表冻胀隆起一般≤20mm，可采用地面注浆和洞门水平注浆相结合的方式处理地层融沉，如无重要管线，可自然解冻恢复原貌。冻结管间距根据冻结发展速度(一般为80～150mm/d)确定，宜同时达到交圈，并在两端设置测温孔。考虑冻结管与既有地下连续墙的最近距离为300mm，预计冻结7d后冻结壁厚度可达1m，满足承载水土压力的要求。

3.2 结构验算

盾构接收时需验算承托板、临时梁、墙承载力，混凝土挡水墙厚600mm。竖向分布钢筋采用φ28 HRB400，间距150mm，通过植筋与承托板、地下1层中板连接。水平分布钢筋采用φ20 HRB400，间距150mm，与侧墙通过植筋连接，植筋与侧墙竖向钢筋通过L形钢筋焊接。拉结筋按构造布置，在地下1层中板上浇筑1.6m厚砂浆，为管片拼装提供反力。盾构接收井平面如图1所示。

图1 盾构接收井平面

在承托板下方设置φ48×3.1钢管满堂支架，步距为0.6，0.9m。在承托板下方浇筑C40混凝土柱，截面尺寸为1 000mm×700mm(长×宽)，混凝土柱内设置4根φ48×3.1钢管及横杆(步距为0.6m)。采用MIDAS Gen软件建立计算模型，如图2所示。

图2 计算模型

计算得到承托板弯矩如图3所示，由图3可知，承托板边缘弯矩较小，中部弯矩较大。计算得到临时梁弯矩如图4所示，由图4可知，临时梁跨中正弯矩较大，梁端负弯矩较大。

图3 承托板弯矩云图(单位：kN·m)

图4 临时梁弯矩云图(单位：kN·m)

在不考虑设置钢管满堂支架的情况下，承托板、临时梁裂缝宽度均约为1.7mm，不满足要求；当考虑满堂支架支撑力为110kN/m2时，承托板裂缝宽度约为0.4mm，临时梁裂缝宽度约为0.25mm，满足要求。

3.3 盾构水下接收

盾构接收前，通过水平探孔检验加固效果，对洞门底部靠近砂卵石地层范围内的加固效果进行重点检测，在无水或存在少量滴水的情况下破除洞门。大杨庄站小里程端洞门处地下连续墙厚1m，迎土面(外侧)混凝土保护层厚70mm，开挖面(内侧)混凝土保护层厚70mm，采用工字形柔性接头连接地下连续墙。洞门分3次破除，完成地下连续墙止水帷幕施工时进行第1次洞门破除，第2次洞门破除至最外侧钢筋(不切断)，当盾构刀盘到达冻结土体时切割钢筋。洞门破除过程中做好施工监测与应急管理工作，发现异常变形或渗漏水现象立即停止破除，并采取一定措施。盾构进入加固区前完成洞门密封结构安装，密封帘布应具备收紧功能。

垂直冻结、洞门破除及水下接收准备工作完成后，应迅速开展连续盾构掘进施工，并严格控制掘进参数，根据实际情况动态调整、优化施工参数，盾构接收端做好同步配合工作。分层分次蓄水，挡水墙内首次注水应分次进行，每次注水高度≤2m，观察时间≥2h，启动降水井，开始连续掘进，控制总推力、盾构姿态，减少掌子面冻结壁暴露时间，及时补充水位损失，保持水土平衡，避免涌水、涌砂。盾构通过围护结构时缓慢转动刀盘，避免刀盘被卡。盾构通过密封结构时，停止转动刀盘，通过密封结构后第1次收紧压板，然后启动刀盘。

砂浆垫层掘进期间，降低掘进速度，重点控制掘进姿态，避免盾构上扬，及时调整液位。盾尾脱离密封帘布前，停机1次，少量多次注入砂浆，为洞门封堵做好准备。盾尾脱离密封帘布后第2次收紧压板，并停机进行洞门封堵，隧道内部与洞门外部同时进行封堵。通过抽排水分层降低液位，补充封堵洞门，盾构脱离全部管片后进入拆解阶段。

4 结语

1)盾构水下接收技术合理可行，具有安全可靠、对周边环境影响小等优点，可平衡水土压力，有效控制地面沉降，保护地下管线。

2)液氮垂直冻结加固技术可使冻结土体有效承载水土压力，阻挡地下水携砂流入接收井，保证洞门破除安全。

3)为降低承托板开裂程度，可适当考虑满堂支架提供支撑力，但须经计算确定。

4)分3次破除洞门，可有效降低地层涌水、涌砂风险。

5)做好施工监测与应急管理工作，发现异常情况立即采取相应措施，以提高施工安全性。