大直径盾构穿越沉箱竖井的施工工艺研究

引言
近年来，随着城市地下快速通道的兴建，大深度、大断面的盾构隧道的社会需求日趋明显。例如，已经完工的上海外滩隧道工程采用φ14.27m的土压平衡盾构、上海长江隧道工程采用φ15.43m的泥水平衡盾构、正在建设中的上海周家嘴路越江隧道以及即将开工建设的上海北横通道工程均采用大直径盾构。大直径盾构由于埋深大和洞口面积大，盾构进出洞时更容易引起涌水涌沙事故，导致大量土体和地下水涌向工作井，地表也因此下沉并危及地下管线和附近的建筑物，对周围环境造成破坏。因此，对大直径盾构进出洞施工技术的研究是隧道工程建设必须面临的新课题。周文波等根据近年的大直径泥水盾构的施工，对大直径盾构的进出洞施工的风险和措施进行了分析，提出了加固、冻结、降水、止水装置相结合的进出洞风险控制措施。本文通过分析现有进出洞工艺的优缺点，提出了大直径盾构直接过站工艺，可以缩短洞门暴露时间，减少盾构进出洞的风险。
1现有盾构进出洞工艺及其优缺点
大直径盾构进出洞面临的风险有2个，其一为土的风险，即防止洞门凿除后土体坍塌。现常用的做法是将洞门处的土体加固改良，常用的措施有注浆、旋喷、搅拌、素混凝土地下连续墙、素混凝土围护桩、冻结法、降水固结等技术，以提高土体自稳能力。其二为水的风险，常用的措施有出洞时的橡胶帘布止水工艺，进洞时的橡胶帘布、气囊法以及水中进洞工艺等，同时在盾构进出洞处设置降水井加以配合。现有盾构进出洞技术的优缺点见表1。

表1　传统盾构进出洞技术措施优缺点

虽然现有的盾构进出洞工艺解决了很多施工难题，但总的来说还存在一些不足。
1）洞口止水能力的形成相对滞后。不管是盾构进洞还是出洞作业，洞口止水装置都是解决盾构机经过洞口时的止水问题。但是由于人工凿除门洞操作空间的需要，盾构机处于洞门位置的时间必须在洞口凿除之后，与之相对应，止水装置发挥止水作用的时段也只能在凿除门洞工序之后。也就是洞口止水能力的形成与洞口凿除完成之间存在时间差，这个时间差就是风险相对集中的时段。
2）过分依赖洞口外地基加固。按照现有人工开门洞的作业习惯，洞门外地基加固成为了整个工序成败的关键因素，有多项工程因为地基加固质量不良而发生事故。随着工程各方风险意识的增加，人们对地基加固的依赖与日剧增。比如上海等软土地区，洞门外加固宽度习惯上为3m（进洞作业）及6m（出洞作业），但现在已经有一种趋势，强调加固宽度必须大于盾构机长度。部分工程甚至在搅拌桩等水泥浆液加固的基础上采用冻结法进行二次加固。还有部分工程在水中进洞作业中也采取了大宽度的洞门外地基加固。洞门外地基加固在盾构进出洞作业中解决了很多问题，但我们有必要认真剖析地基加固的必要性及加固量。
3）洞口止水装置的止水效果有待加强。洞口止水装置止水能力的强弱直接关系到整个进出洞作业的成功与否。现有的洞口止水装置其实仅有1种，即有一定变形协调能力的橡胶帘布。这一装置在出洞作业及圆形洞口时效果较好，但在进洞作业或洞口为矩形、双圆形时效果较差。
盾构进出洞工艺还与竖井结构的形式密切相关。竖井结构不同，洞口的封门形式也不同。可作为超深竖井结构形式的有：混凝土地下连续墙、NOMST地下连续墙、沉箱。混凝土地下连续墙工艺成熟，但在大深度开挖的情况下，对环境影响不可控；而NOMST可切削的地下连续墙造价较高；现代化的气压沉箱也具有一定的实践，对环境控制较好，适用于大深度开挖。
2盾构穿越沉箱竖井的施工工艺
现代化的气压沉箱技术可以在地面上通过远程控制系统，在无水的地下作业室内实现挖排土的无人机械自动化，不会发生污水等工业垃圾，排除的土体也可以作为普通土进行处理。当气压沉箱采用无人化、自动化、信息化和人工呼吸保护系统等高新技术后，将使得地下空间的开发利用可以向大深度、大面积的方向发展，并且考虑到沉箱结构刚度明显优于地下连续墙结构等，因此新型沉箱工法在复杂环境下的地下结构施工中有着明显的优越性。
本文就气压沉箱竖井下超深大直径盾构的进出洞提出一种设计思路。盾构进出洞时鉴于洞口深度较大且洞口面积较大，沉箱竖井盾构洞口位置不建议预留，而是采取洞口外加固，人工凿除门洞的做法，通过回填，盾构可以通过沉箱竖井直接过站，现将其工艺流程简述如下。
流程一：沉箱下沉就位后对两侧洞口外土体加固，可采用工法桩挡土止水、在确保施工质量的情况下可以有效减少加固量，在工法桩与沉箱井壁之间采用高压旋喷桩提高井壁与旋喷桩间的密封性能。待加固完成形成强度后再人工凿除两侧门洞，如图1所示。
流程二：工作井底部回填素混凝土，防止盾构穿越竖井时由于沉井底部回填土过于软弱导致盾构机磕头下沉。

图1　沉箱中间风井盾构过站流程一

在工作井内灌注一定水头的水或回填水泥土，在中道支撑或中板处设置封板，以平衡盾构穿越竖井时的水土压力，防止因覆土浅导致冒浆，如图2所示。

图2　沉箱中间风井盾构过站流程二

流程三：拔出加固范围内的型钢，盾构直接过站，洞门处管片与洞圈缝隙间通过预埋的注浆管进行注浆或冻结封堵，如图3所示。

图3　沉箱中间风井盾构过站流程三

流程四：拆除封板并对工作井清理，拆除竖井范围内的管片，洞门处管片与洞圈缝隙采用钢板临时封堵，如图4所示。

图4　沉箱中间风井盾构过站流程四

3结语
采用大直径盾构穿越沉箱竖井的方法，可以避免盾构进出洞的风险，特别适用于大深度、高水压下的盾构进出洞的风险控制，同时减少了盾构的拆卸和组装步骤，节省了工期。

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