反襪套氣彈簧抗風險裝置在盾構到達工程中的應用

顧沉穎,段創峰,魏林春，趙艷鵬

（1.上海隧道工程股份有限公司，上海200082；2.上海城建（集團）公司，上海200122）

0 引言

在盾構隧道工程中，對于盾構到達的安全措施，傳統工藝主要采用攪拌樁加固處理，也有采用冰凍法、水中到達等方式，但由于地下工程的諸多不確定性給盾構到達工程帶來諸多隱患。而在諸如我國上海等軟土地區，地層中含有大量地下水，土體自立性較差，因此在盾構到達時，極易發生地下水攜帶土體顆粒從盾構與洞門之間的空隙中進入工作井，從而引起地面沉降、隧道塌方等重大事故。為了防止此類事故發生，一般在基坑內盾構進洞預留的洞圈位置安裝一圈密封止水墊圈來保證盾構進洞的安全，洞圈密封墊圈雖有一定的止水作用，但在盾構機進洞過程中非常容易發生外翻，損壞等問題，從而導致洞圈漏水、漏泥，而且一旦發生破壞造成泄漏，現場處理非常困難。

本文在傳統的鉸鏈板裝置的基礎上加裝了一種可以提供恒定壓力的氣彈簧，形成了一種全新的反襪套氣彈簧抗風險裝置（以下簡稱反襪套氣彈簧裝置），并成功應用于鄭州地鐵某區間盾構到達工程，為盾構到達工程中的風險控制提供了一個新的技術和思路。

1 工程概況

某工程為鄭州市城市快速軌道交通1號線04合同段，其中七里河站—新鄭州站站區間隧道是該標段的一個組成部分，采用兩臺直徑為Ф6 140 mm鉸接式土壓平衡盾構機）施工。隧道內徑Ф5 400 mm，管片環寬1.5 m，厚度0.30 m。盾構進洞處隧道斷面分布于粉土、粉質粘土、細砂層中，地下水位深度略高于盾構進洞斷面，隧道頂覆土約10.321 m。盾構進洞采用深層攪拌樁結合旋噴樁進行加固。

2 氣彈簧反襪套裝置設計

2.1 氣彈簧反襪套裝置原理

盾構進洞反襪套裝置的工作原理如圖1所示，裝置主要由氣彈簧、鉸鏈板、鋼墊塊、橡膠簾布等組成。

圖1 氣彈簧反襪套裝置簡圖

氣彈簧反襪套密封裝置在盾構到達之前現場安裝完成。盾構機穿越洞門時擠壓橡膠簾布使其外翻，并推動氣彈簧產生壓縮變形，氣彈簧的反作用力通過鉸鏈板作用于橡膠簾布，使橡膠簾布能夠緊緊壓住盾殼，從而形成穩定的密封環境。鋼套環通過焊接并與洞圈通過螺栓連接，形成一個整體，具有較大的剛度，可以確保整個裝置的安全運行。

盾構完成最后一環管片拼裝后繼續推進直至盾構脫出氣彈簧反襪套裝置。此時，橡膠簾布緊緊壓住管片。通過管片注漿孔向外注漿，迅速填充洞門與管片之間的間隙，從而封堵洞門。待漿液凝固擋住動圈內泥水后，拆除盾構進洞反襪套密封裝置，盾構進洞施工結束。

在盾構到達過程中，整個密封裝置能夠抵擋巨大的水土壓力，防止洞圈漏泥、漏水，保證盾構安全、順利進洞。

整套裝置的關鍵在于氣彈簧的使用，氣彈簧一般由缸筒、活塞（桿）、密封件和外部連接件組成（見圖2）。高壓氮氣或惰性氣體和油液在缸內自成回路。活塞上的阻尼使有桿腔和無桿腔相通，使兩腔壓力相等。利用兩腔受力面積差和氣體的可壓縮性產生彈力。

圖2 氣彈簧實景

氣彈簧具有結構輕巧，工作行程大；運動平穩，能起阻尼緩沖作用；在伸縮過程中可以向鉸鏈板提供恒定不變的壓力，并且安裝操作簡便，安全可靠。

2.2 反襪套氣彈簧裝置設計

反襪套氣彈簧裝置設計時主要考慮以下幾個問題：

（1）裝置設計密封壓力：要求裝置能夠承受盾構進洞加固失效時，地層中的水壓力。

（2）裝置直徑：要求裝置可在盾構以最大軸線偏差量進洞時順利通過裝置。

（3）氣彈簧選型：根據上述兩點確定氣彈簧的工作壓力和行程。

（4）橡膠簾布：橡膠簾布的寬度必須與氣彈簧的長度相適應，并根據洞圈螺栓孔的位置進行開孔。

（5）鋼環內設置若干梯形筋板以增加裝置的整體剛度。

（6）裝置分塊：裝置的分塊需考慮運輸、安裝、拆解工作。

（7）鋼環的尺寸必須考慮與基坑內部結構的干涉情況。

通過上述設計要求，以及施工過程的要求分析，經過論證設計出盾構到達氣彈簧反襪套裝置如圖3所示。

3 盾構到達準備施工

3.1 隧道洞圈復核測量

由于氣彈簧反襪套裝置通過螺栓與洞圈連接而洞圈在制作和安裝的過程中會產生一定的誤差，因此為保證裝置順利安裝，需對以下幾點內容進行復核測量：

圖3 氣彈簧反襪套裝置設計圖

（1）上下兩半部分預埋洞圈螺栓孔中心與洞門預制鋼板內沿的距離；

（2）預制鋼環環板的寬度；

（3）進洞洞圈橫向、縱向直徑與設計直徑之間的誤差；

（4）螺孔的數量和間距；

（5）螺孔的深度和螺紋的長度。

3.2 盾構姿態復核測量

盾構貫通前的測量是復核盾構所處的方位、確認盾構姿態、評估盾構進洞時的姿態和擬定盾構進洞段的施工軸線、推進坡度的控制值和施工方案等的重要依據，以使盾構在此階段的施工中始終按預定的方案實施，以良好的姿態進洞，在盾構接收基座上準確就位。

此外需對右線隧道盾構進洞推進里程及拼裝環號進行復核，以確定最后一環管片精確里程。

3.3 盾構接收基座及軌道安放

根據洞門的確切方位，對盾構基座安放位置進行準確放樣。基座安裝時按照測量放樣的基線，吊入井下就位拼裝、焊接?；雌狡掳卜牛臀缓?，進行支撐加固加強其整體穩定性?；c洞圈內襯墻凈距應確保進洞新型抗風險裝置的安裝空間。

為了使盾構進洞時有良好的導向，在洞圈上安放導向軌。導向軌在洞圈底部放置2根，延伸至進洞密封橡膠簾布處（與洞圈內襯墻平齊）。盾構基座上的兩根導向軌延伸至新型抗風險裝置下部鋼環結構處。

3.4 裝置安裝

裝置安裝的流程如圖4所示。首先搭設安裝止水裝置的腳手架；洞門保護層鑿除的同時，洞圈上安裝一圈弧形插板用于封堵洞門；沿洞圈一周72個螺栓孔安裝固定螺栓；將裝置和橡膠簾布吊運至井下，整體安裝簾布的同時，在各個分塊裝置上開設注漿孔用于封堵洞門；上述準備工作完成后，開始分塊安裝各個分塊，安裝順序自下而上吊裝，先將預制鋼環吊裝對準螺桿到位，安裝特殊墊片及墊圈后，預緊螺母，然后調整預制鋼環分塊之間的間隙，再用螺栓連接相鄰預制鋼環分塊，最后將預制鋼環與洞門連接鋼板連接固定。

圖4 裝置安裝流程圖

4 盾構到達施工

盾構到達施工的流程如圖5所示。

4.1 盾構推進控制措施

盾構順利通過襪套，并順利進入基座是該工程盾構進洞最關鍵的一步，需要對盾構推進速度、姿態進行嚴格綜合控制，直至盾構機中心進入軌道。盾構通過裝置時推進速度控制在10 mm/min，盾構軸線偏差控制在±50 mm以內。

4.2 盾構通過裝置過程及應急措施

刀盤通過橡膠簾布時，減慢推進速度，觀察簾布是否包裹刀具，若刀具無法通過簾布，在簾布及刀具對應位置涂抹黃油，必要時使用撬棍將簾布從刀具上撬離，繼續進行試驗。

圖5 盾構進洞施工流程圖

刀盤通過簾布5 m時，盾構同步注漿管即將通過裝置，此時停止推進，用專用工具拆除與盾構同步注漿管相對應位置處的氣彈簧后盾構繼續推進直至盾尾通過裝置，鉸鏈板在氣彈簧的作用下擠壓橡膠簾布握裹住最后一環管片。

盾尾脫出氣彈簧反襪套裝置后立即進行洞門封堵（見圖6）。洞門封堵采用雙液漿，通過裝置預留的注漿孔和隧道管片的壁后注漿孔同時進行注漿，應嚴格控制漿液配比以使漿液快速硬化。

圖6 洞門封堵方法示意圖

5 應用效果

反襪套氣彈簧抗風險裝置在鄭州地鐵七里河站—新鄭州站站區間隧道首次應用（見圖7），成功地保證了盾構安全進洞，解決了盾構到達的難題，并將洞門二次封堵的流程簡化為一次封堵，節省工期3 d。

但通過試驗，整套裝置也暴露出一些問題，例如：鋼套環結構件過大過重，由于圈梁的影響，安裝困難；鋼套環結構件螺栓開圓孔而洞圈螺栓孔精度不高，造成安裝不便等。此類問題尚需進一步優化設計。

圖7 反襪套氣彈簧抗風險裝置工程應用實景

6 結語

反襪套氣彈簧抗風險裝置的應用效果較好，具有有以下優點：（1）適用性廣，該裝置技術不受地層條件限制，適用于任何復雜地層；（2）設計原理簡單，形式簡潔可靠，可適用于不同直徑的盾構；（3）加工時間短，運輸便捷；（4）安全可靠，結實耐用；（5）經濟性高，裝置可重復多次使用。

盾構進出洞抗風險在盾構到達方面是一項新技術，在以后的應用過程中需要不斷地優化和完善。該技術適應盾構技術的發展趨勢，在日益廣泛的盾構市場中有很大的發展應用空間。

[1]GB50446-2008，盾構法隧道施工與驗收規范［S］.

[2]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社,2004.