城市大直径泥水盾构洞内接收施工技术.doc

城市大直径泥水盾构洞内接收施工技术【摘要】为了实现大直径泥水盾构在洞内安全、顺利的到达接收；北京铁路地下直径线工程在隧道贯通盾构机接收过程中采用了在接收端墙设置砂浆体反力的方法实现盾构机洞内顺利接收在接收过程中通过砂浆体应力实验、设备层应力检算以及接收端地层加固、接收端设备层加固、端墙破除、设置砂浆体反力支撑等等几项施工技术方法的应用，获得盾构机在接受过程中对周围地层及地面环境影响小，洞内无涌水漏浆，刀盘拆除安全高效的良好效果以此可以得出以砂浆体置换端墙实现盾构接收的方法在城市大直径泥水盾构工程中是可行的 【关键词】盾构洞内接收；端墙破除；砂浆体置换 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。

1.工程概况 1.1 盾构接收端概况 盾构接收端位于前门东大街南侧辅路，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 Φ1000 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 DK1+624-DK1+609.15（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 8.25 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 1.2 盾构接收端工程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 28～32m，降水井与隧道结构边缘净距为1.5.m，降水井间距 6-7m 1.3 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 2.施工方案 2.1 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，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。

2.2 具体方案 2.2.1 接收端加固 图 1 盾构接收端加固平面图 盾构到达端地层加固采取“隔离桩+注浆加固”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图 1、图 2： 　　图 2 盾构接收端加固横断面图 2.2.2 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： 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 φ20 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： 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 2.2.3 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 2.2.4 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 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 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 2.2.5 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 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。