富水粉砂地层机械法联络通道始发与接收施工技术研究

葛佳佳，言建标， 杨 吉

（1. 浙江杭海城际铁路有限公司，浙江嘉兴 314000；2. 中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215131）

1 引言

在地铁建设中，区间隧道通常需要设置联络通道。联络通道是位于地铁区间左右线之间的一项消防疏散工程，以方便在一条隧道出现紧急情况时，救援人员可从另一条隧道通过联络通道进入需要救援的隧道内，达到快速救援的目的。区间隧道每600 m就要设置1处联络通道。我国大部分联络通道采用矿山法施工，辅以冻结或注浆加固[1]，在软土地层中存在“工期长、风险大、造价高”等问题[2]。

为解决上述问题，在国内已有在无地层加固、狭小空间等条件下采用顶管法施工的工程，如宁波市轨道交通3号线鄞州区政府站—南部商务区站区间、儿童公园站—樱花公园站，宁波市轨道交通4号线庄桥路站—丽江路站区间，而以往顶管法施工均在淤泥质土层中[3]。

本文依托前期国内在淤泥质土层中的施工经验，对联络通道顶管法施工在富水粉砂地层的始发与接收进行施工技术研究[4]，以拓展联络通道顶管法施工的地层环境适应性。

2 工程概况

杭海城际铁路第1、第2标余杭高铁站—许村镇站盾构区间全长3 126 m，线路最小曲线半径800 m，最大曲线半径4 000 m，隧道埋深为7.6～25 m，线间距10.8～16 m，最大纵坡为28‰。盾构区间包含1座中间风井，5座联络通道，其中，位于文正街道路下方的1号联络通道大部位于⑤4粉砂层（渗透系数3.4×10-4cm/s），局部位于⑦2-1粉质黏土夹粉土层（渗透系数5.1×10-6cm/s）；衬砌顶覆土厚度约20.07 m，线间距13.0 m（图1）。

图1 1号联络通道所处地层图

3 富水粉砂地层机械法联络通道始发与接收关键技术

3.1 技术原理

采用土压平衡顶管法基本原理，顶管机进行挖掘作业，利用安装在顶管最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来送入刀盘后面的贮留密封仓内，并使仓内具有适当压力并与开挖面水土压力平衡。

3.2 结构形式

区间隧道在联络通道处的管片采用钢混复合管片拼装结构，联络通道管节分上、下2块预制设计，分块组合形式为1×150°+1×210°，单块重量最大约3.2 t；管片采用错缝拼装，无楔形量，接缝采用遇水膨胀止水条止水，管节内径为φ2 760 mm，外径为φ3 260 mm，厚度为250 mm，每环管节M24纵向螺栓10根，M24环向螺栓4根。洞门位置采用钢管片，隧道洞身采用钢筋混凝土管片，联络通道结构采用管片拼装一次性成形。

3.3 粉砂层施工操作要点

针对本次顶管法施工地层为富水砂层，创新采用联络通道T型接头设计、重叠注浆，在原有盾尾刷的情况下增设橡胶帘布+弧形钢板、主隧道管片监测、接收套筒填充材料比选。

3.3.1 T型接头设计

（1）常规机械法联络通道主隧道主要采用钢管片+混凝土管片组合，机械法开挖区域为玻璃纤维混凝土管片（图2、图3），主隧道左右线管片里程需控制在±50 mm，自转控制在0.15°（换算高差8 mm）。主隧道联络通道管片位置施工精度要求高，若联络通道轴线位置位于主隧道曲线处，则里程调整较为困难。

图2 常规机械法联络通道主隧道设计

图3 常规机械法联络通道T型接头模型

（2）杭海城际铁路联络通道主隧道管片采用全环混凝土管片，切削区域为玻璃纤维筋管片，可切削部分进行洞门开洞并放置洞门圈，机械法联络通道洞门的圆心位置相对主隧道管片的中心位置可左右偏移调整，左右偏移调整的范围为0～400 mm。T型接头为现浇混凝土结构，洞门环梁长6 m，宽4.7 m，厚度为0.45 m，混凝土强度等级为C40，抗渗等级为P12（图4、图5）。

图4 杭海城际T型接头设计

图5 杭海城际T型接头设计模型图

（3）左右线主隧道管片里程偏差控制在±400 mm，可降低主隧道施工难度。同时在T型接头范围内增加8个应急注浆孔，方便后期施工过程中出现渗漏水时进行应急堵漏。

3.3.2 重叠注浆

本联络通道施工注浆加固包含4个阶段。

（1）始发前主隧道注浆阶段，注浆材料为水泥+水玻璃。主要作用包括：①提高地层强度和刚度，控制地层稳定性，增加土体的整体性、强度及刚度，改变土体的结构力学性能；②形成承载结构，注浆加固使土体重新胶结成整体，形成承载结构，以减轻衬砌结构承受的永久荷载；③改善地质环境，注浆后浆液固结体封闭裂隙，可有效封堵地下空间的流体通道，阻止地下水进入掘进面造成涌水、涌砂。

（2）掘进过程减摩注浆阶段，材料为膨润土浆液。主要作用包括：①填充管节外壁间隙，以起到临时支撑作用；②隔断外部水源，降低土层渗透性能；③减少管节与地层的摩擦力，降低推进阻力。

（3）隧道稳固及洞门封堵注浆阶段，材料为水泥+水玻璃。主要作用包括：①填充主隧道范围的建筑空隙，稳固主隧道及T型接头周边土体；②起到封堵洞门作用。

（4）应急注浆阶段，材料为聚氨酯或磷酸化学浆液。主要为施工过程中可能出现的施工风险进行应急堵漏。

3.3.3 增设圆弧滑板

（1）增加圆弧滑板作为始发套筒防水的第1道加固屏障，一旦盾尾刷与橡胶帘布无法阻止地层中的水、砂进入隧道，圆弧滑板可凭借其具有的刚性阻止和切断始发套筒与地层之间的联系通道，确保始发掘进的安全。主机在始发套筒内掘进过程中需要足够的空隙，以便主机向前移动，圆弧滑板需具备移动功能。

（2）用连接螺栓固定圆弧滑板安装，在主机与套筒连接完成后复紧连接螺栓。一旦遇到突发情况，松开连接螺栓，用铁锤打击弧形钢板直至圆弧滑板与主机或管节贴合紧密，并紧固连接螺栓（图6）。

图6 圆弧滑板密封及橡胶帘布安装图

3.3.4 增设橡胶帘布

增加橡胶帘布作为始发套筒防水的第2道屏障，在主机与始发套筒连接过程中，既要保证橡胶帘布不被破坏，又要保证橡胶帘布随同主机一起进入始发套筒内部，并完全包裹住主机（图7）。

图7 防水组合示意图

3.3.5 主隧道管片应力监测

富水粉砂层中掘进除需面临涌水涌砂风险外，还需面对推力大的问题。由于机械法联络通道顶管所需反力为主隧道提供，过大的推力可能会导致主隧道管片变形，纵向环缝增大，导致主隧道出现渗漏水情况。为监测主隧道受力变化情况，在联络通道环梁两侧6环管片处增设应变监测，根据应变监测数据，及时调整推力大小及渣土改良方式（图8）。

图8 主隧道应力监测

3.3.6 接收套筒填仓材料比选

（1）接收套筒内的填充物可提供一定水土压力平衡，保证开挖面的稳定性，同时防止掘进机“栽头”导致机体与套筒内壁接触。

（2）通过对不同填充材料进行对比分析（表1），针对富水粉砂地层，选定M10砂浆作为接收套筒填充材料，其具有以下几项优势：砂浆购买方便、运输方便；填充较为省力，节约人力成本；套筒能一次性填满无需进行二次填仓；接收过程中不易出现喷涌现象，地表沉降控制较好。

表1 不同填充材料对比分析

3.4 机械法施工效果

杭海城际铁路项目第1、第2标项目4号、5号联络通道为矿山法施工，平均单条联络通道工期约72天（不含融沉注浆）。1号、2号、3号联络通道为机械法施工，3座联络通道下井组装、推进、接收、拆机吊出总耗时82天，平均单条联络通道耗时28天。相比矿山法，无需冷冻土体，全机械化施工，安全性好，施工效率高；管节拼装成型，隧道质量高，其误差均在允许误差范围内。地表最大沉降量为5 mm，对周边环境影响小，无需进行融沉注浆（平均工期3个月），3座联络通道工期可节约4.5个月。

城际铁路机械法联络通道施工工艺具有施工工期短、成型结构质量好、作业环境安全可控、机械化程度高等特点，获得了业主、监理以及其他单位的一致好评，取得了良好的社会效益。

4 结论

（1）创新联络通道T型接头设计。杭海城际铁路联络通道主隧道管片采用全环混凝土管片，切削区域采用玻璃纤维筋管片，同时在主隧道管片外增加T型接头，T型接头为现浇混凝土结构。增加T型接头后左右线主隧道管片里程偏差控制在±400 mm，可降低主隧道施工难度。在T型接头范围内增加8个应急注浆孔，增强了应急堵漏能力。

（2）重叠注浆。通过重叠注浆，提高联络通道衬砌管片背后土层的密实度，降低了始发及接收洞门涌水涌砂风险。

（3）始发套筒在原有盾尾刷的情况下增设橡胶帘布+圆弧滑板，大大降低了始发洞门涌水涌沙风险。

（4）主隧道进行管片自动化监测。富水粉砂地层推力较大，推力大易造成管片开裂，导致隧道漏水。为监测主隧道受力变化情况，在联络通道环梁两侧6环管片处增设应变监测，根据应变监测数据，及时调整推力大小及渣土改良方式。

（5）选定M10砂浆作为接收套筒填充材料，具有砂浆购买方便、填充较为省力、套筒能一次性填满无需进行二次填仓、接收过程中不易出现喷涌现象等优点。

（6）通过采用改进的机械法联络通道始发与接收技术，在地层无加固的情况下，成功地完成了富水粉砂地层机械法联络通道始发与接收，地表沉降控制良好。