城市大直径泥水盾构洞内接收施工新技术

1、作者简介 张晓辉（1991-），男，河南洛阳市人，主要从事盾构隧道工程的施工及研究工作；E-mail：1114605416城市大直径泥水盾构洞内接收施工新技术张晓辉，龙成明（中国中铁隧道集团北京铁路地下直径线项目部，北京 100045）摘要：本文通过北京地下直径线长距离大直径泥水盾构实现洞内接收施工实例，介绍了大直径泥水盾构在洞内接收过程中采用的接收端地层加固、接收端设备层加固、端墙破除及设置砂浆体反力支撑等几项新的关键施工技术方法。关键词：盾构洞内接收、端墙破除、砂浆体置换1引言 近年来我国城市地下交通建设蓬勃发展。随着盾构机施工技术的日趋成熟和盾构机施工机械化程度高、施工速度快、对底层及周

2、边环境影响小、人员工作环境好等优点，盾构施工法成为城市地下交通建设的首选工法。但由于受限于城市既有建筑环境影响，盾构机到达接受端的接受方式受到很大的限制；盾构机很难实现竖井直接接收，而更多的采用旁井接收或洞内接收，这就对接收端施工技术提出了更高的要求。北京铁路地下直径线地处北京市中心城区，由于本项目不设盾构接收井，盾构接收通过在东端暗挖段洞内设置扩大段，作业空间小，无法使用大型吊装设备等诸多困难及施工难题，工程通过系统的思考、分析和论证，深入的研究与实践，形成了可靠的盾构接收施工技术，对大直径泥水平衡盾构的洞内接收具有较大的借鉴价值。2工程概况2.1盾构接收端概况 盾构接收端位于前门东大街南侧

3、辅路，该位置南侧距隧道7.5米位置为前门东大街6号楼，北侧为地铁二号线,另在接收端范围在有两条与隧道平行的管线，分别是：横断面结构尺寸为2.0*2.0m的电力管线；直径为1000的上水管线。本项目不设盾构接收井，设计考虑通过在东段暗挖段与盾构衔接位置对一定区域内的暗挖段进行扩大，盾构到达后刀盘破除洞门衬砌结构进入暗挖扩大段，然后停机分解刀盘及其它各系统，盾壳弃于洞内，最后直接在盾壳内浇筑钢筋混凝土实现盾构接收及拆机。盾构接收的暗挖扩大段已提前施工完成，衬砌内壁里程为DK1624DK1609.15（共14.85米长）。该段暗挖段宽净宽13米，最大净高13.85米，为弧形断面，拱部内壁设计半径为8

4、.25米。设计该段底部做设备安装层使用，中间通过中层板将上下进行分隔，支撑柱及中层板施工已完成，其中中层板距盾构接收端墙净距为1650mm。根据扩大段采用洞桩法施工，其中盾构洞门墙竖向每障隔4米设置有角撑。盾构洞门端头墙厚1350mm，其中初期支护分两次施作，厚度为350+150mm，二衬为850mm厚钢筋混凝土墙。设计停机里程为DK1+623.1，即盾构刀盘离开洞门端头墙900mm。根据接收端设计既有建筑，及周边环境要求，盾构机无法实现直接切削出洞。故此根据多方专家会议论证，需对原接收端端墙进行破除、置换，以实现盾构机直接切削出洞和方便后续拆机工作。具体施工方案参见下文。2.2盾构接收端工程

5、地质及水文地质情况盾构接收端隧道覆土11.28m，小于1倍盾构直径，地层主要粉质粘土及砂层为主。根据地质勘察资料，盾构接收端附近区域地下水以孔隙潜水为主，地下水位埋深22m，位于刀盘底部以上1.3m。此外因刀盘中心区域存在一层粘土隔水，刀盘中心以上存在局部层间滞水。根据设计情况，盾构接收竖井施工前进行了降水处理，其降水井深度为2832m，降水井与隧道结构边缘净距为1.5.m,降水井间距6-7m。2.3施工难点分析 （1）接收端位于前门东大街南侧辅路处，且周围又受前门东大街6号楼和既有管线、地铁2号线影响，为此对施工造成的地层扰动要求严格。 （2）由于盾构洞门墙设计为850mm厚的C35钢筋混凝

6、土墙，并且二衬结构后尚有两层合计厚度达500mm厚的初支钢筋混凝土墙，为此造成难以利用盾构刀盘实现直接切削出洞。 （3）接收暗挖扩大段断面尺寸大，施工过程采取了洞桩法施作，并沿竖向不同高度设置了横撑及角撑。而接收由于无法直接利用盾构切削，需提前凿除洞门墙混凝土，为此难以保证洞门墙凿除过程中自身的稳定。 （4）预留暗挖扩大段净高仅13.85米，结构至盾构刀盘顶部空间高度仅330mm，难以安装吊具进行盾构刀盘分解拆除；同时由于扩大段设备层中层板及立柱已施工，盾构机的拆除空间受限较大。3施工方案3.1总体方案思路结合盾构接收难点分析，为确保盾构安全顺利接收，整体方案考虑如下：首先在接收端进行地层加固

7、，加固采取“隔离桩+注浆加固”；随后接着在接收端墙切除前对阔大段设备层进行加固处理。在端头加固完成后，自下而上利用水钻、绳锯、液压涨裂机、风镐等设备工具将端墙分层分块破除，同步用砂浆对端墙进行置换。根据盾构拆机作业需要及砂浆体受力检算，将整个盾构洞门端墙范围内钢筋混凝土（含0.5m厚初支及1m厚二衬）全部置换为M5号砂浆，对暗挖扩大段同步进行砂浆回填，回填体顶部宽3.0m，底部宽12.0m。接着盾构直接切削洞门端墙置换后的砂浆体进洞，盾构到达后直接切削砂浆墙到达停机位置后，自上而下分层破除砂浆墙体并同步进行刀盘分解拆机工作。3.2具体方案3.2.1接收端加固盾构到达端地层加固采取“隔离桩+注浆

8、加固”进行加固处理具体为隧道北侧及南侧采用隔离桩对北侧既有地铁、南侧居民楼进行隔离保护，隔离桩桩径1米、间距1.5米的，桩长21米，隔离桩与隧道结构净距0.5米。隔离桩施工完成后对两排桩间的土体进行注浆加固，整体注浆加固范围为15m*15m，加固区东侧6m范围注浆孔间距按0.8*0.8m梅花形布置，加固区西侧9m范围注浆孔间距按1.5*1.5m梅花形布置，钻孔深度25m，地面以下5m不注浆。加固示意图如下图1、图2：图1 盾构接收端加固平面图图2 盾构接收端加固横断面图3.2.2盾构接收端设备层受力检算设备层受力检算基本条件及参数：砂浆体高9m,计算重度20kN/m3,设备层柱高5m，柱中间有

9、横向支撑，柱间距3m，柱截面配筋图如图3。盾构达到时按刀盘顶部泥水预设压力为1.0bar计算，设备层上砂浆体高9m,设备层与砂浆体接触面纵向长12m,M5砂浆抗剪强度按规范取0.12MPa，计算过程取隧道轴线区域横向1m。图3 设备层立柱配筋截面图（一）设备层立柱抗压强度计算：单柱承受的压力：单柱允许轴线压力：结论：设备层顶面填筑9米高砂浆体，设备层立柱的抗压承载力满足强度要求。（二）设备层立柱抗弯检算：图4 设备层立柱受横向力检算示意图立柱群底部承受的总弯矩（未考虑轨道板与边墙连接产生的影响）： 单个立柱抗弯承载力（柱单侧按9根20钢筋计算）：仅考虑立柱对应高度范围内的水平推力产生的弯矩：

10、结论：因未考虑设备层轨道板与二衬刚接影响，盾构水平泥水压力全部作用在设备层立柱上会则其强度不足，但实际轨道板通过增强抗剪能力处理，大部分水平剪力通过轨道板传递至二衬，因此通过详细计算确定，采取设备层纵向加固措施。具体措施参见下文。（三）砂浆体抗剪强度计算：设备层顶面抗剪强度：设备层顶面需承受泥水压力引起的水平剪力：图5 砂浆体抗剪强度示意图结论：由上式得出在仅考虑砂浆自身抗剪强度条件下，砂浆体底部抗剪强度不足，故采取竖向加筋措施从而提高砂浆体抗剪强度以满足实际需要。3.2.3设备层立柱加固 根据设备层立柱抗弯检算结果对设备层立柱采取纵向加固措施。加固采用规格22cm*22cm的热轧工字钢。经力

11、学检算加固强度满足要求，具体加固样式如图六所示。图6 设备层立柱加固平面图3.2.4洞门拆除与置换流程本工程扩大段接收洞门衬砌采用C35钢筋混凝土，衬砌外侧处置分两层采用钢格栅+C25喷射混凝土，厚度分别为15cm和35cm，端头墙总厚度为1350mm。因此盾构接收方案实施的关键是如何快速高效拆除端头墙体及如何保证墙体拆除后背后土体的稳定。考虑整个端头墙混凝土切除体积较大，及为提高墙体切除过程中端头附近土体稳定性，端墙切除过程自下而上分四个层次，每层次分3个区域累计12部分进行分块切除，相应区域拆除后即使用M5砂浆对端头墙区域及扩大段进行回填，端头墙拆除分块图及分块重量统计表如图7所示。图7

12、端头墙拆除分块图具体端头墙拆除及砂浆回填流程如下：根据现场勘察情况，拟采用“水钻钻孔+绳锯切割”的方式分块拆除洞门端墙。具体洞门拆除方法如下： 第一步：首先对设备层顶面轨道板进行凿毛处理，并在轨道板顶面植入短钢筋，钢筋长度为10cm，梅花型布置，间距50cm。在东侧设备层立柱轨道板及中层夹板对应位置横向分别架设两道I22a工字钢，将设备层立柱连接成为整体，并在工资刚上设置两层纵向圆形钢管，钢管支撑于隧道二次衬砌之上，并为纵向钢管增设竖向支撑，提高其稳定性。利用水钻对接收端端墙底部进行钻孔，检查端墙背后地下水埋藏情况，当地下水较大影响端墙切除工作时，利用接收端附近降水井进行降水处理。第二步：利用

13、水钻、绳锯等进行第一层端墙混凝土切割作业。首先自下而上切割1号区域混凝土墙体，并用液压千斤顶将1号区域混凝土块拖出，拖出后在1号区域外侧砌筑同等高度砖墙，墙体砌筑完成并达到设计强度后，利用M5号砂浆回填，并在砂浆中添加。然后依次进行2号、3号区域墙体切除及砂浆回填，最后在扩大段灌注与第一层墙体同等高度的砂浆体。 砂浆体切除同时在洞门钢环外侧底部用水钻钻出直径为10cm的预留孔两个，孔深1.5米，孔内插入注浆钢管。第三步：利首先在设备层西侧两排立柱对应位置设置工字钢立柱，已增强底层砂浆体抗剪强度。然后用水钻、绳锯等进行第二层端墙混凝土切割作业。首先自下而上切割4号区域混凝土墙体，并用液压千斤顶将

14、4号区域混凝土块拖出，拖出后在4号区域外侧砌筑同等高度砖墙，墙体砌筑完成并达到设计强度后，利用M5号砂浆回填。然后依次进行5号、6号区域墙体切除及砂浆回填，最后在扩大段灌注与第二层墙体同等高度的砂浆体。砂浆体切除同时在洞门钢环外侧水平位置用水钻钻出直径为10cm的预留孔两个，孔深1.5米，孔内插入注浆钢管。第四步：利用水钻、绳锯等进行第三层端墙混凝土切割作业。首先自下而上切割7号区域混凝土墙体，并用液压千斤顶将7号区域混凝土块拖出，拖出后在7号区域外侧砌筑同等高度砖墙，墙体砌筑完成并达到设计强度后，利用M5号砂浆回填。然后依次进行8号、9号区域墙体切除及砂浆回填，最后在扩大段灌注与第三层墙体同

15、等高度的砂浆体。第五步：利用水钻、绳锯等进行第四层端墙混凝土切割作业。首先自下而上切割10号区域混凝土墙体，并用液压千斤顶将10号区域混凝土块拖出，拖出后在10号区域外侧砌筑同等高度砖墙，墙体砌筑完成并达到设计强度后，利用M5号砂浆回填。然后依次进行11号、12号区域墙体切除及砂浆回填，最后在扩大段灌注与第四层墙体同等高度的砂浆体。砂浆体切除同时在洞门钢环外侧顶部用水钻钻出直径为10cm的预留孔两个，孔深1.5米，孔内插入注浆钢管。3.2.5洞门端墙混凝土块体拆除本工程需切除的洞门端墙面积为119m2，总厚度1350mm，总重量在403t，按照拟定方案共分12个区域逐一切除，切除最大混凝土块为

16、35t。端墙混凝土块体切除后，通过液压千斤顶、隧道内设置水平及垂直挂点反将大型混凝土块从墙体内拉出。水平挂点设置：当拟拆除的分块洞门端墙完全与洞门端墙脱离后，在其表面凿出钢筋作为挂点利用导链将分块洞门端墙混凝土水平拖出，下部的1号、2号、3号区域切割下的混凝土块可利用扩大段下部结构的混凝土立柱固定导链将其拖出，其他区域切割下的混凝土块可预先在扩大段回填的砂浆内埋设型钢地锚来固定导链将其拖出。垂直挂点设置：拖出的混凝土块须及时在其顶部凿出钢筋作为挂点，凿除深度要在20cm左右，须选择初支伸出的28锚筋作为混凝土块起吊的顶部挂点。顶部吊耳设置：扩大段顶部已经预埋有三条钢板可在其上焊接吊耳固定导链配

17、合钢丝绳和柔性吊带来起吊混凝土块。考虑到每个区域的混凝土块重量达到40以上，为减小起吊难度、降低作业风险拟在每个区域混凝土块拖出70cm左右时固定好顶部起吊设施，然后在其顶部设置绳锯将每个区域混凝土块一分为二使每次起吊的混凝土块重量减小到2124t之间。混凝土块的运输：下部的1号、2号、3号区域切割下的混凝土块起吊至扩大段下部结构顶板上采用滑轨转移达到平板车上经直径线隧道东端运至地面。其他区域混凝土块由扩大段填充的砂浆体坡道溜至平板车上经直径线隧道东端运至地面。3.2.6分部回填置换当相应区域的混凝土块完全取出并运离施工现场后立即组织对洞门范围及扩大段相应区域进行砂浆回填工作。浇筑方式：砂浆回

18、填采用输送泵进行灌筑，输送泵设置在2号井井底，混凝土由2号井安装的临时下料管下井，通过输送管连接至浇筑部位。模板支设：模板尽量选择木模板、竹胶板支设，扩大段与2号井横通道之间的封堵采用37砖墙砌筑作为砖模。1号、2号区域回填时洞门与扩大段下部结构之间侧模板亦采用37砖墙砌筑。扩大段砂浆体坡道设置：为方便盾构到达后刀盘解体、洞内倒运，扩大段内填充的砂浆体向东按1：1坡度，使得扩大段下部结构之上砂浆体剖面呈直角梯形，梯形上底宽度为1.82m，为最初砂浆体破除提供充足的作业空间。考虑到扩大段内砂浆放坡填充高度较高，方量较大，堆积填充难度较大，因此考虑首先随洞门端墙回填进度先将放坡部分砂浆体填充成台阶状，“台阶踢脚”位置模板采用37砖墙