盾构水中土中接收施工工法

盾构水/土中接收施工工法
上海隧道工程股份有限公司
顾春华 吴惠明 吴列成 李刚 张曙
1.前言
随着大中城市轨道交通建设的迅速发展，城市的地下空间资源越来越紧张。

为减小施工过程的相互影响，隧道规划也越来越深，正在向含有微承压水及承压水的复杂地层中发展。

在覆土深、地下水压大的工况下，常规盾构接收工艺不能在根本上避免盾构接收期间的渗漏风险，也没有有效的方法能够避免盾构接收时突发渗漏对成型隧道的影响，因此如何确保在覆土深、地下水压大、渗漏风险高的工况下盾构安全接收，规避风险，避免对周边环境产生较大影响是需迫切解决的难题。

上海隧道工程股份有限公司对渗漏风险高的工况下盾构接收施工开展了科技创新，取得了“盾构水中/土中接收施工工法”这一创新成果。

该成果通过住房和城乡建设部质量安全监管司和上海市城乡建设和交通委员会验收，总体水平达到国际领先。

该工法在减少盾构接收过程中的渗漏风险及对周边环境影响、确保隧道质量方面效果明显，技术先进，具有明显的社会效益和经济效益。

2.工法特点
2.1 在加固区外设置降水井，在洞门凿除、井内水土排除、洞门封堵过程中实施减压降水，有效降低地下水头压力，确保人员及设备安全。

2.2 实施盾构接收地基加固，为洞门凿除创造条件。

盾构掘进至距离接收井井壁一定距离时，停止掘进，确认洞门围护结构外加固土体具有良好的自立性和无渗漏后，方可实施洞门凿除，确保洞门凿除的安全。

2.3洞门安全凿除后，在洞圈围护结构内开设环向槽口，在槽内预埋1道或多道环向冻结管。

当盾构机主体进入洞圈后，利用环形液氮冻结管对盾尾和洞圈的之间空隙处的水土进行冻结加固，可临时封闭盾构主体与井外土体存在的渗漏通道。

2.4 接收井内填灌水土至地下水位标高，建立井内外水土压力平衡。

盾构水中/土中接收时，有效防止井外水土的流失，进而避免了盾构接收时的渗漏对已成型隧道的影响。

2.5 盾构接收最后1环管片为特殊加工的背覆宽钢板管片，盾构本体全部进入接收井后用弧形钢板将钢洞圈与衬砌背覆钢板间的间隙封闭。

2.6 盾构接收完成后可制作外挂式井接头，避免传统井接头拉除最后1环衬砌所导致的渗漏风险。

3.适用范围
该工法适用于渗漏风险高、地基加固有局限性、盾构接收地面环境保护要求高的盾构接收施工。

4.工艺原理
盾构接收前需进行一系列准备工作，包括：洞门测量、隧道轴线拟合、场地布置、盾构基座制作、摆放，洞门止水装置的制作、堵漏材料的准备等。

当盾构掘进至离洞门围护结构一定距离后暂停掘进，开设样洞观察洞门外地基加固状况，在确保洞门围护结构外加固土体自立、无渗漏的条件下进行洞门凿除。

盾构接收准备工作结束，向接收井内回土回水至地下水位标高，建立接收井内外水土平衡，准备进行盾构掘进接收。

盾构主体进入接收井后，通过隧道内注浆加固或通过环向冻结管进行液氮冻结加固，封闭井内外隧道与洞圈的间隙，以及杜绝渗漏通道。

在确认隧道与洞圈的间隙加固良好，且无明显渗漏通道时，开始进行井内的水土开挖。

在接近洞圈处的水土开挖作业应逐步分层实施，将露出水土部位的背覆钢板环管片与洞圈用弧形钢板封闭，随挖随封，直至将洞圈间隙全部封堵完毕。

之后，再向隧道与洞圈的间隙内压注水泥浆等堵漏材料，进一步加固和稳定隧道。

最后，制作外挂式井接头，避免传统内嵌式井接头需拆除隧道洞圈环管片所导致的渗漏风险。

施工过程需对盾构姿态、隧道变形、出土状况、冻结参数、冻土温度等重要参数采集、统计、分析，掌握各工序的施工状况及质量。

5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工工艺流程见图5.1。

图5.1 施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1 接收准备工作
1、材料准备：施工必需材料、设备、机具备齐，以满足本阶段施工要求，管片、连结件等准备有足够的余量。

准备1环背覆钢板闭口环管片，作为盾构接收最后1环管片。

准备3环各含15个浆孔的管片，即除封顶块外每块管片增加2个注浆孔，减小原注浆孔间的距离，用于盾构接收后实施封闭注浆。

2、测量工作: 盾构接收前的测量是复核盾构所处的方位，确认盾构的姿态、里程，复测洞门偏差，拟定盾构接收段的施工轴线、推进坡度的控制值等参数的重要依据，确保盾构在此阶段的施工中始终能够按照预定的方案实施，以良好的姿态接收，并准确就位在盾构接收基座上。

5.2.2盾构基座摆放
盾构基座采用普通基座或转向基座。

盾构基座位置按设计轴线准确放样，安装时按照测量放样的基线，吊入井下就位。

盾构接收前对基座加设支撑加固，防止盾构接收时基座发生移位，导轨要预先接到洞圈内，使盾构接收期间能顺利推至基座上。

5.2.3弧形钢板制作
盾构采用二次接收方法，因此洞门封堵材料需2套弧形钢板。

以常规的地铁盾构为例，需要1套内径为6340mm，外径为6900mm，见图5.2.3-1；另一套内径为6200mm，外径为6900mm，见图5.2.3-2。

整环弧形钢板上需布置4～6个注浆口及球阀。

图5.2.3-1 第一道弧形钢板示意图
图5.2.3-2 第二道弧形钢板示意图
5.2.4 降水井施工
在地基加固区外打设降水井，降水井布置需根据水文、地质条件进行设计、验算，能满足各阶段施工时对地下水位降深的要求。

成井时应严格控制洗井效果，确保成井出水不出砂。

降水施工工期包括成井施工、降水试验、洞门凿除时降水、井内水土排除时降水等。

5.2.5洞门凿除
盾构机距离洞门围护结构一定距离后停止掘进，洞门凿除前，先开设8～10个观察孔至加固土内，检查加固土体的自立性和渗漏情况，必要时需采取注浆、插型钢、液氮冻结等补加固措施，确保洞门凿除的安全。

洞门凿除根据现场工况可采用分块凿除或粉碎性凿除。

5.2.6 环形冻结管埋设
洞门凿除后，在凿除的围护结构内环向开槽，在槽内预埋环形液氮冻结管后用水泥填平，可埋设多道。

在洞圈弧顶的环形液氮冻结管处分别连接进路和回路供液氮管，将两根供液管道紧贴工作井内井壁安装牢固，并引至地面与液氮储气罐进出口阀门相连接。

供液管需在洞圈上固定牢固，并包裹保温板，进行渗漏实验。

当盾构主体接收后，用环形冻结管冻结盾壳与洞圈间的可能渗漏通道。

环形液氮冻结管安装位置见图5.2.6。

图5.2.6 环形液氮冻结管安装位置图
5.2.7井内填土土回水
为保护已固定的盾构基座，先行填砂至基座底部、洞圈下沿，待洞门完全凿除后，继续填砂至基座轨道面上50cm处，以保证基座的安全。

随后可利用垂直升降抓斗进行回土，回土至洞圈上方一定距离，并适当保持土体的密实性，然后，再回灌水至地下水位标高处，使井内外压力平衡。

5.2.8 盾构一次接收
井内外水土压力平衡后复测盾构姿态及高程，盾构接收掘进过程中控制各项施工参数使盾构按照隧道轴线掘进，尽量确保盾构与洞圈四周间隙均匀，盾构水中/土中接收时盾尾油脂、同步注浆等需按要求压注直至完成盾构接收，同时，还需做好测量校核工作。

盾构主体进入洞圈后，将盾构盾尾留一段长度与钢洞圈外的围护结构搭接。

5.2.9环形冻结、注浆封堵间隙
盾构接收时，盾壳与洞圈之间仍存在约18cm的间隙，此间隙可能成为渗漏通道，因此环形液氮冻结、注浆封堵空隙是确保盾构接收后洞门密封效果的有效措施，为之后井内水土排除提供有利条件，环形液氮冻结管在盾构接收过程应避免受损并保持通畅。

液氮冻结的同时由隧道内利用增加的注浆孔向隧道外注浆，封堵管片与洞门圈间约250mm的间隙。

冻结和注浆达到预期效果后将接收井内抽出部分水，观察水位变化若干小时，确定井外无水土流进接收井，也没有引起井内液面高度变化。

环形液氮、注浆加固见图5.2.9。

图5.2.9 环形液氮、注浆加固示意图
5.2.10 井内排土排水
1、利用水泵，抽排井内的积水，污水需沉淀后排入污水管道；
2、待积水基本降至土面时，采用垂直升降抓斗进行抓土，利用槽罐车外排湿土；
3、预先配备洞门封堵钢板，钢板上配置球阀；
4、挖土至洞圈上方时，改由人工清理洞圈附近的凝固土体，逐层下挖，并配合洞门钢板的封堵，直至整个洞圈与盾构机封堵完毕；
5、洞门封堵后，及时清理盾构机和井内底板。

5.2.11盾构二次接收
拆除环形钢板，确认洞圈无渗漏后，盾构应尽快推进并拼装管片，尽量缩短盾构二次接收时间。

继续推进盾构直至特殊环管片脱出盾尾，立即利用第二套弧形钢板将管片与洞圈焊接成一个整体，并通过注浆孔压水硬性注浆液，整个过程应尽量减少水土流失。

5.2.13 外挂式井接头制作
最后进行风险评估，可向设计单位建议，将井接头制作成外挂式，按照设计要求将管片钢筋接出，并在洞圈外侧车站内衬墙上种植钢筋，粘贴止水带，支模浇筑混凝土。

外挂式井接头需考虑预留防淹门和电缆的位置。

5.3劳动力组织（见表5.3.1～5.3.3）
5.3.1施工管理人员共配置14名。

5.3.2 盾构推进施工班组人员小计：21人
5.3.3 盾构接收准备班组人员小计：19人
表5.3.3 接收准备班组人员情况
6.材料与设备 6.1 机具设备（见表6.1）
6.2 主要材料
6.2.1工程用料
主要的工程材料包括：管片、连接件、止水带、盾尾油脂、集中润滑油脂、同步注浆材料等。

6.2.2 施工用料
主要的施工材料包括：管片，液氮、水泥等，注浆用的相应的快速接头、盾构高压电缆、钢板、型钢等，详见表6.2.2。

7.质量控制
7.1 质量标准
争创优良工程，提供优质服务，持续改进提高，达到行业领先。

7.2 质量目标
杜绝一切技术质量事故，工程一次验收合格率达到100％；从技术的先进性、管理的科学性、配合的实际性上制定措施，确保工程质量、施工技术、建筑材料方面都达到一流水平。

杜绝质量事故，减少返工返修，提高一次成优率，按照相应的国家标准完善质量体系，深化质量管理。

做到质量工作有章可循，有章必循，体系有效，责任落实。

7.3 质量保证措施
7.3.1 平面控制网测设的技术要求与措施
1、设立专门测量小组，由项目工程师负责，下设专业测量人员若干。

测量人员都需经过专业培训，并持证上岗。

2、测量基准点要严格保护，避免撞击、毁坏。

在施工期间，要定期复核基准点是否发生位移。

所有测量观察点的埋设必须可靠牢固，严格按照标准执行，以免影响测量精度。

3、凡进场后的测量仪器都必须持有国家技术监督局认可的检定单位的检定合格证，并按周检要求，强制检定。

经常检查仪器的常用指标，在使用过程中，一旦偏差超过允许范围，及时校正，保证测量精度。

7.3.2 施工质量保证措施
1、加强施工中的技术管理是保证施工质量的一个重要措施。

施工技术人员结合各个工序实行质量过程控制，重点做好以下各环节：
1）地基加固：地基加固或补充加固需详细分析地质、地下水文资料，采用科学合理的加固工法，严格标准化管理，确保加固后土体均匀，强度、抗渗等指标满足设计要求；
2）洞门凿除：洞门凿除前，先对洞圈内开设水平探孔，观测加固效果，确定满足施工要求后，方可凿除洞门。

洞门凿除过程开启降水井，降低地下水位，并根据现场情况采取提高加固土体稳定性的必要措施。

3）井内回土回水：井内回土时需考虑基座的保护，利用抓斗先回填黄沙至基座上部，保护基座的完好性和正确的坡度、方位，然后回填水土。

4）环形液氮冻结：冻结管安装后，相应设置多个测温点，在环形面位置上距离冻结管左右5mm均布。

对盾构里程反复核算，当盾构主体进入井内，盾尾也进入围护结构内冻结管位置时，停止掘进，开启环形液氮冻结管，主要通过进出口液氮温差、测点温度，分析冻土效果。

5）盾构掘进：盾构接收掘进前应调整盾构姿态，使盾构与洞圈四周间隙尽量均匀。

注意接收过程各主要参数的变化，检查同步注浆及封堵注浆浆液质量，保证盾尾油脂压入量和盾尾的密封性。

应对成环管片连接件予以复紧，最后10环管片用联系条进行连接，以防止在管片脱出盾尾后，环与环间隙被拉大。

2、在工程实施前，对参与本工程施工的现场施工负责人、工地主管、班组长直至每一位施工人员，作层层技术交底，并组织由项目部专职质量员、项目组和施工队质量负责人和各班组兼职质量员参加的施工质量管理网，明确各级质量员的责任，协力抓好质量工作。

3、在施工中，检查督促施工人员严格遵守有关施工操作规程，研究和处理施工中的重
大技术问题，负责处理质量事故。

1）严格按照审定的安全专项施工方案进行施工，每道工序按图纸进行施工，不折不扣地执行有关施工与验收规范和设计单位要求的技术规定。

2）在施工中，检查督促施工人员严格遵守国家，业主及项目经理部下发的有关施工操作规程，研究和处理施工中的重大技术问题，负责处理质量事故。

8.安全措施
保护员工的健康、生命财产的安全以及保护环境是工程项目进行过程中的核心工作之一。

为了获得和保持良好的健康、安全的环境条件，在工程中需建立安全管理体系，全面贯彻落实国家有关生产法规、条例、标准、规定和规范要求。

8.1 安全生产目标
目标自上而下，层层分解，各负责人责任明确，层次分明，组织严密，接口顺畅，确保每个职工正确理解，并明确目标要求，以确保工程项目安全管理目标落到实处。

8.2 安全生产措施
对施工过程中可能影响安全生产的因素进行控制，确保施工生产按安全生产的规章制度、操作规程和顺序要求进行。

8.2.1 配备必要的设施、设备和专业人员，各类特殊工种作业人员（起重大吊设备及各种特种作业人员以及安全检查人员）都将持证上岗，确定控制和检查的手段和检查的措施。

8.2.2 安全设施、设备、防护用品的检查验收控制；制订相应的分项安全技术措施和操作规程，由技术负责人进行书面交底，并由双方签证认可，督促实施；
8.2.3 确定本工程的危险部位和风险点，如洞门凿除、液氮冻结、井内水土排除等过程，采取安全技术措施，责任到人，进行全过程的监控；
8.2.4 合理配备行车、吊车以及抓土机的钢丝绳索具，通过力学计算及分析，合理配备吊运重物的钢丝绳索具。

井内回填水土过程中，井下不得存在工作人员，并且需注意对已布设设施的保护；
8.2.5 采用风镐将洞门作粉碎性分层凿除处理时，洞门凿除要连续施工，顺序由下至上，已暴露的加固土可以根据实际情况进行支护，全过程由专职安全员进行全过程监督；
8.2.6 对工程设备进行经常性的检查、特殊性的检查、专业性的检查，控制施工现场的不安全状态，如液氮压力、液氮出口温度、井内水面高度变化等关键工序的数据采集和分析；
8.2.7 确保管片拼装连接件(拼装头子、连接销)良好；对安全防护设施进行维护维修，并在拼装前进行检查；定期对拼装设备及用具进行检查维修，确保状态完好；
8.2.8 临时用电严格按照施工现场临时用电施工组织设计执行，用电设施布置完成后，组织人员验收，合格后方可通电使用；配电间内配备安全防护措施；井内回水过程，避免导致设备进水或漏电；
8.2.9 对施工现场的易燃、易爆存放场所，加强监控、检查工作，发现问题及时整
改；对液氮可能渗漏部位进行检查，发现问题及时整改，可能导致液氮渗漏的施工需暂停液氮冻结后再进行；
8.2.10 任何人不得违章指挥作业，安全员是安全生产的执法人员，有权制止违章作业，任何人不得干涉。

当生产、施工与安全发生冲突时，必须服从安全需要；
8.2.11 全员发动，使施工过程中存在的事故隐患及时发现、及时处理，确保不合格设施不使用，不安全行为不放过。

对已发生的事故隐患及时进行整改，以达到规定要求，并组织复查验收，对有不安全行为的人员进行教育或处罚。

9.环保措施
全面执行ISO14001环境保护体系标准，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段，以期得到最优化结果。

9.1环境方针
生产目的：不断优化环境；
施工组织：遵守环境法规；
施工过程：控制环境污染；
竣工交付：满足环境要求。

9.2环境保护措施
9.2.1要求土方车车次车貌整洁，制动系统完好。

车辆后拦板的保险装置完好，并另再增设1副保险装置，做到双保险，预防后板崩板。

车辆配置灭火器，以便发生火灾时应急。

9.2.2土方装卸时场地必须保持清洁，预防车轮粘带。

车轮出门时，必须对车轮进行冲洗。

装载土方不超高超载，并有覆盖保护以防止土方在运输中沿途扬撒。

9.2.3 土方运输要严格按交通、市容管理部门批准的路线行驶。

配备专用车辆对运输沿线进行巡视，发现问题能够及时处理。

驾驶员必须严格遵守交通、市容法规，一旦发现崩板立即停车，并及时向领导和管理部门汇报。

同时围护好现场，以防污染进一步扩大。

9.2.4 合理安排施工机械作业，高噪声作业活动尽可能安排在不影响周围居民及社会正常生活的时段内进行。

9.2.6 井内排水，需经三级沉淀处理后才能排入污水管道。

9.2.7 加强对噪声监测，对承建项目建设期间的建筑施工场界噪声定期监测，并填写《建筑施工场地噪声测量记录表》。

如发现有超标现象，将采取相应措施，减缓可能对周围环境敏感点造成的环境影响。

10.效益分析
10.1 该工法对高风险渗漏工况下盾构接收提供了安全可靠的施工方法，为今后地下空间的利用建设提供一种安全盾构接收的工法。

10.2 该工法的实施确保了隧道贯通的安全，由于采用井内回土、回水建立井内外压
力平衡，减少井外土体损失，使盾构接收施工对环境影响较小；减少聚氨酯等化学堵漏剂的应用，减少对环境的污染。

本工法能有效规避复杂工况盾构接收的渗漏风险，安全干扰因素少，利于文明施工和环境保护，具有较好的经济效益。

10.3 通过实施证明了本工法的技术性和安全性已相当成熟，为今后高风险工况下盾构接收提供了优质安全的保证。

10.4 在国内盾构法隧道工程中多次次实施水中/土中接收，成功避免由于盾构接收渗漏导致盾构沉降过大、已成型衬砌、接收井结构变形等情况。

11.应用实例
11.1上海轨道交通7号线浦江南浦站～浦江耀华站区间中间风井盾构土中接收
11.1.1 工程概况
浦江南浦站～浦江耀华站区间上、下行线起始于浦江南浦站南端头井，止于浦江耀华站西端头井。

下行线全长1726.831m。

在浦东距江边30m处设置中间风井1座。

该风井在上钢三厂堆场处，风井的主体的平面尺寸为25.24m×15.6m，地面标高为+6.0m，隧道中心标高-14.794～-14.912m。

风井采用气压沉箱工艺施工，2台盾构需在风井处实施始发接收施工。

考虑到沉井工艺的特殊性，其施工引起周边土体沉陷和扰动的实际情况，最后采用土层预注浆后再行冻结的加固措施，冻结帷幕厚度设计为3m。

下行线盾构鼻尖距风井外井壁30cm时发现洞门中心开始渗漏，有大量高压气体喷涌，随后出现流砂（上行线也已完成越江段施工）。

随后采用风井内回灌土、水进行土压平衡防
图11.1.1 隧道平面图
风井位置的土层主要有：①1杂填土、①3冲填土、②3灰色黏质粉土、④灰色淤泥质黏土、⑤2灰色砂质粉土层，其中①1层杂填土易坍塌，②3层为黏质粉土、⑤2层为灰色砂质粉土，该三层土容易产生流砂现象、④层土为淤泥质黏土容易产生流变现象，另由于场地内浅部存在潜水层，中深部存在⑤2层、⑦层承压含水层。

盾构接收段土层主要为⑤2灰色砂质粉土等。

11.1.2 施工情况
针对工程的实际情况，考虑将上、下行线的盾构接收施工一并实施，整个施工以上行
线盾构接收为先，其次为下行线盾构接收。

具体筹划如下：
首先，控制上、下行线成形隧道及盾构姿态；
其次，盾构接收时通过风井地面施工降水井；
第三，针对下行线隧道，拔除其原有竖直冻结管，再施工1排冻结管，通过液氮冻结下行线盾构与风井井壁之间土体；针对上行线隧道，检验其原有冻结管的状况，并恢复冻结加固施工；
第四，待下行线液氮冻结和上行线盐水冻结达到要求后配合实施降水，降低洞口的水头压力并实施风井内的水土处理工作。

井内水土处理后立即实施上、下行线洞门的凿除工作，同时修复各自盾构基座，整个过程持续实施液氮冻结和盐水冻结；
第五，上、下行线洞门基座处理后，实施第二次回填水土；
第六，水土回填后，先实施上行线盾构接收，强制解冻上行线冻土，再拔除盐水冻结管，上行线盾构接收后，进行隧道内注浆施工；
第七，上行线盾构接收的同时，下行线进行强制解冻，再拔除液氮冻结管，下行线盾构推进接收后，实施隧道内注浆施工；
第八，确认两隧道与洞圈间隙加固密实后，封堵盾尾和接收环管片间的间隙；
第九，实施井内抽水挖土，同时封堵上、下行线洞圈，完成盾构接收施工。

2008年5月完成井内第二次排土、排水，顺利完成2台盾构水中/土中接收，并制作外挂井接头。

11.1.3 工程监测与结果评价
盾构接收过程中各项指标均符合要求，安全处于良好的受控状态。

由于井内回填土、水建立了平衡，所以避免了因井外土体损失而对风井本身和附近煤气井的影响，同时很好地保护了已成形隧道的安全。

由于在国内盾构法隧道中首次实施将接收井内回填，再进行盾构水中/土中接收，最后排除井内水土，接收安全系数高，效果明显，节省隧道接收及修复时间。

该工程得到了业主的认可，施工无安全生产事故发生，效果良好。

11.2杭州地铁1号线工程滨江站～富春路站区间江南风井盾构土中接收
11.2.1 工程概况
滨江站～富春路站区间为杭州地铁1号线工程穿越钱塘江全地下区间隧道，左线总长为 2.946km，区间右线总长为 2.956km。

区间隧道外径 6.2m，内径 5.5m，管片厚度为0.35m，环宽 1.2m，采用错缝拼装。

该区间设风井2座。

江南风井进洞中心标高为-16.826m，端头井加固处地面标高在+6.750m左右，洞口开口净直径为 6.7m。

江南风井盾构接收段的地层主要为：③5粉砂夹砂质粉土、③7砂质粉土层、④3淤泥质粉质黏土。

江南风井盾构出洞段的地层主要为：③7砂质粉土层、④3淤泥质粉质黏土、⑥2淤泥质粉质黏土。

⑥3粉砂层处于隧道底部。