土壓平衡盾構到達鋼套筒輔助施工接收技術

趙立鋒

(中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司,西安 710054)

1 概述

盾構到達是盾構施工中的重大風險點之一。當到達端頭地層條件較差時，為了保證到達施工安全，傳統的地層加固方法有旋噴樁(攪拌樁)加固法，常見的還有凍結法、鋼板樁置換法、水中到達法、深井到達法、化學注漿加固法、挖填法、豎井加氣法等[1-4]。由于以上工法均要求對洞門端頭進行各種施工，或者對圍護結構要求較高，而且加固質量難以保證，仍存在較大風險。在此背景下，南京地鐵3號線TA08標浮大區間土壓平衡盾構法隧道施工遇到的特殊工程地質條件，采用土壓平衡盾構到達鋼套筒輔助工藝解決了施工難題，確保了盾構到達安全。鋼套筒的設計采用，不僅豐富了傳統到達施工工藝的內容，更提高了盾構到達風險控制的安全性，有效地將盾構到達風險降低至可控范圍。

2 采用鋼套筒接收的原因

盾構始發與到達之所以風險較大，主要是受地層條件限制，尤其是在軟弱地層中始發與到達更是風險控制的難點[5]。南京地鐵3號線8標浮大區間浮橋站盾構接收端頭地質主要為稍密粉土(②-1c3)、稍密粉砂(②-3d3)、粉細砂(②-4d2)。均屬于透水地層，穩定性差，盾構接收過程中容易產生涌水、涌砂，且盾構接收端頭距花海數碼電子商場樓16層的最近距離為6 m，盾構機接收風險很大。為規避風險、確保施工安全和施工質量，南京軌道公司在招標文件中明確要求南京地鐵3號線所有的盾構接收必須采用水中進洞，經過綜合分析工程各節點工期及經濟對比分析，對原方案進行了變更，提出了相對成熟的鋼套筒輔助接收技術，鋼套筒接收成功后接收井清理回填泥漿數量大大小于水中進洞接收成功清理的泥漿回填數量，清理工期單個接收比水中進洞節省15 d左右，鋼套筒接收比水中進洞接收每次節省20多萬元。

3 盾構機到達輔助接收新工法的應用

盾構機到達輔助新工法，即在盾構機到達進站時，端頭加固不具備或未完全具備施工作業條件時，為了有效地規避盾構機進站到達存在的安全隱患，采用三軸攪拌樁加固輔助垂直冷凍結合盾構機站內鋼套筒接收的新工藝。

3.1 接收端端頭加固設計

浮橋站接收端頭加固施工采用φ850@600 mm三軸深層攪拌樁，外側2排攪拌樁為4攪4噴，其余采用2攪2噴，排與排之間間距500 mm，攪拌樁與車站主體圍護結構間采用一排φ850@500 mm的三重管高壓旋噴樁處理，加固區域長度6 m，隧道上、左、右外邊界各3 m，下部加固深度(加固長度其中靠近洞門側3 m加固深度為隧道外邊線4 m，遠離隧道洞門側3 m加固深度為隧道外邊界3 m)，同時輔助垂直冷凍法施工。其加固布置如圖1、圖2所示。

圖1 浮橋站南端頭加固平面(單位：mm)

3.2 鋼套筒的設計

盾構接收鋼套筒主要用于輔助盾構到達接收，整個裝置設計為一端開口、另一端封閉的容器[6]，開口端與洞門預埋環板相連，形成一個整體密閉的容器，容器內充滿回填料，用于支撐盾構推進時對洞門回填混凝土形成的反力，防止大塊的混凝土塊掉入鋼套筒底部或進入環流堵塞管路[4]。整個鋼套筒結構由筒體、后端蓋板、頂推托輪組、反力架和前后左右支撐等部分組成，盾構接收鋼套筒的總體安裝示意如圖3所示。

圖3 鋼套筒整體示意

(1)筒體 筒體部分長10 500 mm(盾構機長度9 680 mm)，內徑6 700 mm，分4段，每段2 500 mm，每段又分為上、下兩半圓，如圖4所示。筒體材料用16 mm厚的Q235A鋼板，每段筒體的外周焊接縱、環向筋板形成網狀，以保證筒體剛度，筋板厚20 mm，高150 mm，間隔約550 mm×600 mm。

圖4 筒體設計示意(單位：mm)

每段筒體的端頭和上、下兩段圓弧接合面均焊接連接法蘭，法蘭用24 mm厚的Q235A鋼，上、下兩段連接處以及兩段筒體之間均采用M30×90 8.8級螺栓連接，中間加3 mm厚橡膠墊，以保證密封效果。另外在筒體底部框架分4塊制作。底部框架承力板用20 mm厚Q235A鋼板，筋板用20 mm Q235A鋼，底板用20 mm Q235A鋼板，如圖5所示。托架與下部筒體焊接連成一體，焊接時托架板先與筒體焊接，再焊接橫向筋板，焊接底板和工字鋼。托架組裝完后，工字鋼底邊與車站底板預埋件焊接，托架須用型鋼與車站側墻頂緊，鋼套筒上部采用槽鋼與中板梁頂緊。

圖5 接收鋼套筒底部框架示意

(2)后端蓋 后端蓋為平面蓋，材料用30 mm厚的Q235A鋼板，平面環板加焊4道厚30 mm、高500 mm的鋼板筋板，井字形焊接在后端蓋上。后蓋邊緣法蘭與鋼套筒端頭法蘭采用M30×130 8.8級螺栓連接。后端蓋設計如圖6所示。

圖6 鋼套筒后端蓋設計示意(單位：mm)

(3)反力架 盾構始發反力架緊靠在端頭井負一層環框梁和底橫梁上。反力架用I20型鋼做斜撐，與車站底板頂緊，反力架上部頂在中板上。反力架定好位置后，先用400t千斤頂頂平面蓋和反力架，消除洞門到后蓋板的安裝間隙后，反力架上下均布4道I20的型鋼與后端蓋平面板頂緊，承力工字鋼管兩端用楔形塊墊實并焊接。

(4)筒體與洞門的連接 在原洞門環板預埋板的基礎上，鋼套筒與洞門環板之間設一過渡連接板(厚度為20 mm)，過渡連接板的長度可以根據盾構接收井的長度進行調整，洞門環板與過渡連接板采用燒焊連接，鋼套筒的法蘭端與過渡連接板采用M36×65 8.8級螺栓連接。在過渡連板2、4、8、10點(鐘表點位)位置有4個觀測孔(帶球閥)，用來檢查洞門密封質量。

(5)進料口 為了滿足浮橋站的盾構接收需求，鋼套筒上預留2個下料口，2個下料口均位于第2塊上，第1個下料口位于靠近第2塊、第3塊連接部位的正上方，第2個下料口在靠近留在第2塊、第3塊連接部位12點(鐘表點位)順時針旋轉34°位置(面向洞門)。

(6)泄料閘及排漿孔 在后端蓋平面板設置1個泄料閘門，1個帶球閥注排漿管(編號06)。第二次洞門鑿除的渣土和盾構接收完成后最后殘留的回填料都需要從泄料閘運出。

4 施工關鍵技術及注意事項

浮大區間浮橋站接收端盾構埋深大，加之盾構到達端頭地質復雜，施工難度和風險大，盾構鋼套筒接收施工工序繁多，因此各工序之間的銜接必須緊密，盾構到達鋼套筒接收施工順序流程見圖7。

圖7 盾構到達鋼套筒接收施工順序流程

4.1 施工關鍵技術操作要點

(1)鋼套筒安裝定位及氣密性檢驗 鋼套筒定位時必須嚴格控制鋼套筒底部高程，確保洞門中心線與鋼套筒中心線重合，鋼套筒組裝完成后，在筒體內加氣檢查其密封性，氣壓為0.2 MPa，若在12 h內，氣壓保持在0.18 MPa上，則可滿足鋼套筒接收要求，如果小于0.18 MPa，找出泄氣部位，檢查并修復其密封質量，然后再次進行試壓，直至滿足試壓要求。

(2)盾構機穿越地下連續墻及進入鋼套筒施工 盾構進洞段的推進施工分3個階段。階段劃分區域詳見圖8。

圖8 盾構機進洞階段劃分區示意(單位：mm)

第一階段：盾構機推進至加固體，但刀盤尚未抵達凍結體。刀盤中心刀進入加固體1.97 m后，切斷刀盤前后的水力聯系，刀盤中心刀進入加固體3.5 m后，盾構停機檢查，要求盾構機處于最佳狀態，蒸汽發生器安裝并試用后，再次開始推進，準備進入第二階段的推進。推進速度在1～2 cm/min為宜。在刀盤轉動過程中土倉內及刀盤前加注膨潤土漿液進行潤滑和改良土體，嚴格控制盾構姿態，特別是盾構切口的姿態，控制目標為水平±15 mm，垂直+10～+20 mm，土倉壓力控制在0.10～0.12 MPa，盾構掘進總推力控制在7 000～10 000 kN，刀盤轉速0.5～0.8 rpm/min。

第二階段：盾構機刀盤穿越凍結體盾構機恢復掘進后，隨時觀測渣土溫度，當渣土溫度低于0°時，打開蒸汽發生器，防止螺旋被凍住。刀盤中心刀進入加固體3.812 m后，開始從中盾第一排徑向注漿孔向盾殼外注聚氨酯，切斷刀盤前后的水力聯系。刀盤穿越凍結體時，推進速度宜控制在1 cm/min以下，保證土倉內一定土壓，防止出空土倉盾構機抬頭上浮，盾構機在拼裝管片時，刀盤要求每隔3 min轉動1次，防止刀盤被凍住，土倉壓力控制在0.05～0.08 MPa，盾構掘進總推力控制在7 000～8 000 kN，刀盤轉速0.5～0.8 rpm/min。

第三階段：進鋼套筒掘進盾構機刀盤推出冷凍體后，盾構開始開進第三階段推進，盾構機刀盤中心刀進入加固體7.28 m后，第一環特殊管片脫出盾尾，注漿封堵。當盾構機刀盤中心刀進入加固體10.88 m后，第一環特殊管片脫出4.8 m。開始用第一環特殊管片上預留的注漿孔注雙液漿，形成環形的密封帶，阻止后方的水進入盾尾前方。第一環注完以后，每脫出盾尾一環管片，依次進行注雙液漿。盾構機刀盤中心刀進入加固體17.28 m后(刀盤中心刀距離鋼套筒后蓋板0.82 m)，盾尾脫離洞門鋼環停止同步注漿，二次注漿距離盾尾太近，會造成雙液漿進入盾尾刷和同步注漿排漿孔，破壞盾尾密封刷和阻斷同步注漿管道，因此鋼套筒接收時雙液漿選擇在特殊管片脫出盾尾4環后開始二次注漿。

第三階段參數設置：推速<5 mm/min；推力<5 000 kN，視實際推力大小，以不超過此值為原則；刀盤轉速0.5～0.8 rpm/min。在鋼套筒內以管片拼裝模式掘進。盾構機在鋼套筒內掘進過程中，要確保與外界聯系，密切觀察鋼套筒頂部的情況，一旦發現變形量超量或有滲漏時，必須立即停止掘進，及時采取補救措施。進套筒時姿態控制：必須以實際測量的鋼套筒安裝中心線為準控制盾構機姿態，要求中心線偏差控制在±1 cm之內。盾構機在進入鋼套筒內之后，要注意姿態控制。

4.2 施工注意事項

鋼套筒安裝精度和質量是新技術成功與否的外在關鍵控制因素。盾構機掘進穿越新做端頭加固連續墻和水泥砂漿墻并進入鋼套筒則是新技術成敗關鍵的內在控制因素。應以施工預控為主。加強盾構機操控、注漿管理和盾構姿態監測等關鍵工序或環節的精細化管理[7]，對于土壓平衡盾構機，主要注意以下幾個方面。

(1)洞門預埋A環板與隧道前進方向垂直一端厚度應為20 mm，且A環板上不允許有螺栓孔。

(2)接收端零環管片采用背覆鋼板特殊環管片，零環管片外露長度大于200 mm，以便于利用弧形鋼板將洞門與背覆鋼板管片封堵，見圖9。

圖9 進洞環背覆鋼板特殊管片示意(單位：mm)

(3)隧道靠近接收端洞門處最后8環管片設計為特殊開孔環管片，當盾構機進入鋼套筒后，利用特殊管片上的16個孔對管片與土體之間的間隙二次注漿，在盾尾形成8道環箍，對洞門進行有效密封，見圖10。

圖10 管片新增注漿孔示意(單位：mm)

(4)根據鋼套筒頂部安裝的壓力表的讀數，及時調整推進壓力，避免推進壓力過大，對鋼套筒密封處出現滲漏狀況，壓力過大時，打開鋼套筒后板蓋上的排漿口，進行卸壓。

(5) 盾構機進入鋼套筒階段實測洞門姿態很關鍵，根據實測的洞門姿態，修正盾構掘進姿態，確保盾構機夠順利進入鋼套筒，盾構接收階段掘進參數以盾構接收時3個階段為指導。

5 輔助到達工法效果功效分析

盾構機到達接收采用上述鋼套筒接收工藝實施后，從實際鋼套筒安裝、填料、以及盾構機穿越冰凍體進入鋼套筒內的效果看很成功，工期達到了業主的要求。鋼套筒內施作的水泥砂漿導臺在預防盾構機進入鋼套筒過程中盾構機“載頭”的同時，確保了盾構機平緩進入接收鋼套筒。盾構機隧道管片拼裝和鋼套筒整體拼接質量優良，鋼套筒與A環板連接處有輕微滲水，規避了盾構機在車站前長期停機帶來的巨大工程風險及經濟損失。

6 結語

盾構機站內鋼套筒到達輔助接收新工法在南京地鐵3號線TA08標浮大區間土壓平衡盾構隧道的成功應用，解決了該方法在土壓平衡式盾構機上使用的問題，有效避免了出洞過程中的各種風險。雖然接收鋼套筒屬于高精度，設備造價較高，但可以循環使用，具有較大的提升空間和推廣應用前景。同時，鋼套筒盾構接收方法的成功使用，改變常規盾構接收時需要做的盾構橡膠簾布防水裝置及接收托架安裝的工作，提高了盾構到達接收洞門的密封質量及管片的拼裝質量，為以后類似工程提供了多方實踐性的科學依據。

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[4] 呂寶偉.大直徑盾構小半徑曲線段接收技術探討[J].鐵道標準設計，2010(11)：94-96．

[5] 李飛，凌波.盾構到達接收輔助裝置的設計[J].建筑機械化，2009，30(9):66-68．

[6] 鄭石，鞠世健.泥水平衡盾構到達鋼套筒輔助接收施工技術[J].現代隧道技術，2010，47(6):51-56．

[7] 蔡麗輝，鐘志全.泥水盾構到達施工風險的控制措施[J].建筑機械化，2009(12):65-67.