大直径盾构隧道圆风井穿越关键技术研究与应用

梅子洲圆形风井工程的深度不仅在国内，甚至世界均属罕见，可供借鉴的工程案例及经验很少，且大直径盾构隧道穿越圆形风井也是首次实施案例，加上场地工程及水文地质条件复杂，施工中将遇到很多技术难题。

1）超深旋喷桩加固施工难度大

风井地基加固采用φ1200@900mm三重管高压旋喷桩，共计1402根（图1-12为旋喷桩布置图），主要目的是确保能够顺利地进行地连墙成槽及盾构穿越施工。坑内加固为地连墙周边3m范围内的高压旋喷桩加固，坑外加固为地连墙周边3.6m范围内的加固，两侧加固为盾构穿越方向10.5m范围内的地基加固。地连墙内3m及地连墙外3.6m范围内的竖向加固深度为36.5m（标高为+8.00～-28.5m），其余的坑外加固为45.898m（标高为+8.00～-37.898m）。高压水压力要求大于20MPa，加固土体28d无侧限抗压强度设计要求达到1.0MPa，且应具有很好的均匀性，土体渗透系数小于10-6cm/s。梅子洲风井地下工程地质条件复杂，国内已经施工的旋喷桩深度一般都在30m以内，本工程超深旋喷桩施工工艺控制困难，对设备的性能要求高，实施难度大。

图1-12　基坑加固平面图

2）超深圆形基坑地连墙施工质量控制难

（1）超深地下连续墙成槽难度大。

梅子洲风井紧邻长江防洪子堤，上部主要为淤泥、粉质黏土、粉细砂地层，围护结构采用地下连续墙，底部嵌入卵石层，深度达62.452m。虽然在地下连续墙的内外两侧都设置了三轴搅拌桩槽壁加固，但受限于施工工艺，槽壁加固无法深入穿透承压含水层；由于承压含水层和长江存在近距离的水力联系，导致承压含水层的水头压力、水力梯度较大，对成槽过程中的泥浆相对密度和性能、槽壁稳定性等造成影响；在地下连续墙施工成槽过程中，三轴搅拌桩施工深度范围内可以有效减小地下水水头压力，但无法控制三轴搅拌桩以下部位泥浆护壁效果减弱、槽壁变形等问题。在高水压作用下，施工中槽壁的侧壁水土压力全靠泥浆来支撑，槽壁极易缩径和坍塌失稳，成槽难度较大；下部粉砂、粉质黏土互层段，成槽易出现扩孔和偏斜；深部卵砾石层为主要的承压含水层，孔隙大，水平渗透系数和垂直渗透系数均较大，成槽时存在泥浆渗漏、卡斗、成槽效率低下等风险，一旦成槽失败，很难补救。

（2）超深地下连续墙接头渗漏风险大。

由于超深地下连续墙的接缝止水对基坑开挖的安全至关重要，特别是开挖进入高承压含水层中时，坑内外会有较大水头差，一旦发生围护接缝渗漏水的险情，堵漏工作极其困难，将对基坑安全和周边环境带来致命的影响。地下连续墙接缝渗漏因素有：槽段垂直度控制不够精确导致随着开挖深度增加，两相邻地墙横向错位增大，咬合面积减小，地墙接缝止水能力降低。二期槽段铣槽施工后，黏附在一期地墙混凝土接头面上的泥皮、泥渣未清除干净，二期地墙钢筋笼入槽、浇筑混凝土后与一期槽段接头处形成泥土夹层。浇筑前槽段内清槽不理想，沉渣过厚，混凝土浇筑时接头处形成夹泥接缝。常规地下连续墙施工需要锁口管或接头箱进行槽段接头处理，但是超深地下连续墙锁口管或接头箱的起拔难度大，而且起拔过程中出现锁口管拔断或埋管的风险概率大。现有的圆形地连墙接头形式约有十来种，包括铣接法、双凹槽预制钢筋混凝土构件接头法、V形钢板接头、H形钢板接头、凸形异形接头管接头、墙工字形槽段接头等。所选择的合适接头应同时满足地下墙接头强度要求、接头止水防渗要求和满足接头装置安全起拔要求，也是超深地下墙施工成功的关键点之一。

（3）超深地下连续墙钢筋笼制作、吊装难度大。

由于钢筋笼精度不足会引起拼接困难，钢筋笼强度不足引起变形，影响入槽；焊接质量不合格也会造成吊装钢筋松动或脱落。本工程采用1200mm厚地下连续墙，钢筋笼焊接工作量大，钢筋笼制作质量不佳，易引起钢筋笼对接困难，引发吊装过程中的变形、钢筋松动、脱落，甚至引发钢筋坠落或钢筋笼整体散架，导致安全质量事故。由于本工程地连墙深度大，在一期槽段施工时，标准幅同一幅地连墙要下放两次钢筋笼才能够浇筑混凝土，钢筋笼对接时间长，风险大。同时，本工程钢筋笼重量大，如果采用的吊装设备与抬吊工艺配合不佳将导致失衡问题，场地地基承载力不满足钢筋笼吊装荷载要求，也会造成场地破坏，产生大面积的沉降。此外，由于特殊幅槽段中上下都是钢筋骨架，中间是玻璃纤维筋骨架，由于不同材料搭接，对施工质量要求极高。因此，如何在施工中确保钢筋笼吊装的安全施工，是本工程的重点之一。

（4）地下连续墙实施需考虑其对盾构掘进的影响。

本工程风井基坑实施后，盾构机将从风井穿越，先后两次穿越地下连续墙。由于本工程盾构开挖直径达14.93m，盾构刀盘将对10幅地墙、8处地下连续墙接头进行切削。如采用传统工艺，地下连续墙的钢筋、幅间接头均会对盾构施工造成极大影响。以往大直径盾构隧道穿越钢筋混凝土地下连续墙时，采用人工凿除的方法，在超深圆形风井下盾构隧道施工过程中操作难度大、风险高、工期长，极易造成洞口土体坍塌及涌水事故。因此，如何使得盾构机能够直接切削地下连续墙不间断掘进，避免破洞作业，减少了施工风险，加快盾构机通过效率，同时保证地下连续墙的受力性能十分重要。

（5）临江敏感环境基坑降水风险高。

梅子洲风井毗邻长江，风井以西距长江梅子洲防洪子堤仅20m左右，场地分布有④层粉细砂和⑥层卵砾石承压水，且设计地连墙墙底标高-54.452，进入卵砾石层8～9m，未形成有效隔断帷幕，场地承压水与长江水互为补排关系，若仅采用降水方案，在降深很小时，影响半径可能已经超过防洪堤堤身范围，如何保证在降水开挖过程中不产生较大墙体位移、流砂、流土现象，底板不发生突涌，对施工中的降水方案及运行提出了更高的要求。

（6）超深圆形风井水下开挖施工难度高。(www.xing528.com)

风井位于梅子洲尾部一水塘中，左邻长江，右临夹江。地层以淤泥质粉质黏土和粉细砂层为主，地质条件差；场地内地下水以松散类孔隙承压水为主，具有较大的渗透性及富水性。基坑开挖深度达46.452m，如果采用常规干挖法开挖至坑底时，为防止坑内突涌危及基坑及结构安全，需将承压水头降低近30m。由于基坑坑底位于强透水的卵砾石层，距离长江防洪子堤很近，承压水与长江江水存在直接水力联系，持续降水将会引起长江防洪堤的破坏并对地连墙产生不良影响，因此降水难度及风险极大。经过综合比选后采用了水下开挖工艺：当开挖深度在11.0m以浅时，采用明挖顺作方式，依次分层分块开挖坑内土体并浇筑相应的环梁结构；随后，向坑内注水并以水下开挖方式完成坑内剩余土体的开挖。如此，由于坑内采用水下开挖，基坑内外侧水位基本一致，在开挖过程中，不存在基底突涌风险；此外，由于坑内水压力对地连墙具有支撑作用，可有效改善地连墙的受力状态，并增加基坑及围护结构的稳定性。

然而，作为一种特殊的基坑开挖方式，水下开挖具有难度大、专业性强的特点。其重难点有：

①设备要求高。由于水下开挖施工时，底泥需采用挖掘机械、专用高压冲刷设备进行扰动破碎，并采用抓斗或抽吸设备而运出，设备均为高压作业，其密封性能要求极高，研制、加工周期较长。因此，如何利用既有设备进行科学合理的加工改造，高效研发专用水下开挖成套设备至关重要。

②开挖深度深、面积大。由于井口开挖面积达80.152m2，水下开挖深度达31.952m，施工平台至坑底深度约50m，开挖深度超深，如何进行合理分区及分层开挖以提高挖土效率是需要考虑的问题。

③开挖深度及侧壁清理情况难以直接观察。由于水下开挖过程中，所有作业人员、作业设备均在地面施工平台作业，底泥在设备扰动作用下发生悬扬，侧壁清理情况很难直接观察。侧壁清理不净时，引起回填混凝土与围护墙之间形成夹泥，将会在盾构穿越及内部结构实施时形成渗水通道，影响施工安全。因此，如何进行水下坑底开挖深度及侧壁清理情况探测十分重要。

（7）水下大体积混凝土封底施工难度大。

水下大体积混凝土封底是指在水下将混凝土直接浇筑到水下指定部位的施工技术，水下混凝土封底施工工艺广泛应用于桥梁、铁路、大型水运工程等深水墩基础施工。

南京纬三路过江通道梅子洲风井设计标高在-8.000～-36.452m范围内土体采用水下开挖，开挖到设计标高后清除墙壁泥浆后清底，再用导管法灌注混凝土进行逐仓封底，通过封底大体积混凝土与地连墙黏结为一体，克服承压水产生的水浮力作用，待盾构穿越后，为井内管片拆除、井内主体结构施工提供干作业的施工环境。

水下大体积混凝土封底施工主要存在以下重难点问题：

①混凝土方量大，施工机具非常规。由于本工程水下混凝土一次性连续浇筑方量大，需连续浇筑共计9196.7m3，同时采用的混凝土施工机械，如料斗、导管及施工平台等均属非常规机具，需特殊购置或自行制作。且浇筑混凝土的导管直径、布置、提升速度等施工工艺应进行合理设计。

②施工场地狭小，场地内施工组织困难。梅子洲风井位于梅子洲尾部一水塘中，左邻长江，右临夹江，场地狭小，而混凝土连续灌注需求量较大，场地内需同时停放4台大型汽车泵及50辆混凝土罐车，场地内的施工组织较为困难。

③两种不同强度混凝土分层、连续浇筑。为满足后期盾构穿越需要，设计采用了两种不同强度C35、C20混凝土分层、连续浇筑，两种混凝土的调配、衔接施工十分重要。

④交通条件差，混凝土供应困难。梅子洲地处江心洲，该处由于环境、生态等原因无法修筑高标准的施工便道，如此大方量、连续浇筑的混凝土供应成为本工程的难点。

（8）盾构机适应性改造及穿越圆形风井施工难度大。

南京纬三路过江通道梅子洲风井基坑实施后，盾构机穿越过程中将依次经历软土—高压旋喷加固区—地下连续墙—井内素混凝土—地下连续墙—高压旋喷加固区—软土的多次切削转换，施工工况十分复杂。穿越风险主要体现在以下几个方面：①盾构穿越过程中经历的不同强度的切削转换，对盾构设备及施工控制提出了极高的要求，尤其是盾构将对10幅地墙、8处地下连续墙幅间接头进行切削，高强度的混凝土、高韧性的玻璃纤维筋及玻璃纤维板接头，对刀盘刀具的性能提出了挑战。②由于风井呈圆形，在刀盘刚接触地连墙的时候，仅盾构中心部分承受高强度的地下连续墙混凝土，其余部分仍处于高压旋喷加固体中；而当刀盘中心部分穿过地连墙开始切削风井中素混凝土时，刀盘两侧仍然处于高强度的地连墙范围。这样的受力状态，极其容易引起刀盘受力不均，引起刀盘变形、刀具脆断、刀盘卡死等现象。③盾构穿越风井时，不可避免地对地下连续墙造成破坏、扰动，容易导致地连墙墙幅之间的接缝张开，形成地下水渗漏通道，不仅给后续施工带来风险，甚至会对永久叠合结构的防水造成不利影响，影响风井的正常使用。④盾构在靠近风井施工及离开风井时，将会对周围地层造成一定的扰动，引起周围土体沉降，如果沉降过大，将对风井结构造成不利影响。因此，如何对盾构机进行合理的适应性改造，并对盾构施工参数进行有效控制，将是盾构高效、安全穿越风井的重要因素。

（9）工序转换过程超深基坑稳定性控制风险大。

风井从水下开挖，到盾构机通过，再到地下水抽干排放、破除素混凝土，需经过复杂的工序转换过程。在此过程中，风井将承受复杂多变的荷载作用，对风井结构安全影响极大。梅子洲风井设计为圆形，由于存在拱效应，盾构穿越前后围护结构的受力变形将会更加复杂。风井围护结构在施工后，由于外围水土压力作用处于承力状态，当盾构穿越时，素混凝土被开挖，地连墙部分被破坏，风井的整个支护结构将发生较大程度的应力和变形调整，特别是地连墙部分被开挖破除，圆形拱效应影响较大。因此，对于梅子洲风井支护结构，盾构穿越前后地连墙、内衬墙、冠梁和环梁的内力状态变化情况及支护结构的稳定性评估，都是影响梅子洲风井建设的关键性难题。