鋼套筒在地鐵隧道盾構接收中的應用

張中安

(深圳市地鐵集團有限公司,廣東深圳　518000)

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鋼套筒在地鐵隧道盾構接收中的應用

張中安

(深圳市地鐵集團有限公司,廣東深圳518000)

摘要：對盾構接收端的主要加固措施進行比較,介紹地面加固措施無法施工條件下,深圳地鐵某盾構隧道順利采用鋼套筒接收的案例,得出鋼套筒接收工藝是一種可減少地面加固措施的洞內接收工藝,具有安全、適應性強、工期短、可重復利用等優點的結論。

關鍵詞：地鐵；盾構隧道；鋼套筒；盾構接收；端頭加固

1概述

盾構接收在盾構隧道施工中屬于高風險事件，特別在軟弱地層和富水地層中，在盾構機破洞后易造成開挖面失穩而發生土體坍塌和涌水的事故[1-5]。目前在軟弱地層和富水地層中常用的端頭加固措施主要是地面措施，如地面旋噴樁加固、地面降水、采用U形索墻+攪拌樁加固等措施[6-7]。

對于地面管線復雜、交通疏解困難、周邊建構筑物影響而無法采取地面加固措施，或對于在較厚填石層等地區，地面施工困難，加固效果欠佳，此時只能采用洞內加固措施。現主要的洞內加固措施有：水平旋噴樁加固[8]，鉆注一體化水平注漿加固[9]，凍結法加固[10]等。以上洞內措施均存在提前鉆孔施工的工況，鉆孔過程可能出現涌水和塌孔。以上洞內措施對于不適合的地層加固效果難保證。洞內加固措施相對地面措施還存在加固費用高、工期較長等劣勢。

為克服上述加固措施的缺點，采用最近幾年發展起來的鋼套筒接收工藝[11-12]，鋼套筒具有施工安全、工期短、可重復利用等優點，成為保證盾構安全接收的有效措施。

2鋼套筒接收工藝和常規接收工藝對比

表1為鋼套筒接收工藝和常規接收工藝的對比，從表中可以看出，鋼套筒接收具有受地層、外界條件影響小，不占用地面場地，施工工期短，可重復利用等優點。

表1　各種盾構接收工藝對比

3上軟下硬地層中盾構機鋼套筒接收的應用

隨著地鐵建設周邊邊界條件越來越復雜，替代傳統端頭加固方法的鋼套筒接收工藝最近幾年已在國內開始應用，深圳地鐵三期7、9號線建設在個別工點也開始嘗試采用鋼套筒接收盾構。根據深圳地鐵的應用情況，鋼套筒接收工藝在軟弱地層中能起到保證施工安全的作用。

以深圳地鐵三期某盾構隧道接收為例，介紹鋼套筒接收成功的案例，為后續工程提供借鑒。

3.1　接收端工程概況

本區間盾構接收端隧道埋深約16.5 m，所處地層自上至下依次為素填土，粉質黏土，粗砂，礫質黏性土，全、強、中、微風化花崗巖，盾構隧道處于強、中、微風化花崗巖的上軟下硬地層中。

接收端位于十字路口西側，隧道上方橫跨一根埋深約8 m的8.6 m×4 m的雨水箱涵，且上方存在較大給水管、DN200燃氣管和通信電力管線。

根據隧道所處地層，盾構出洞位置處于上軟下硬地層，且上部存在較厚含水砂層，盾構機掘進過程中保壓困難，掘進參數較難控制，出洞風險非常大；而由于地面管線、交通等影響，無法進行地面加固措施。

3.2　洞內加固措施選擇

鑒于該接收部位不具備采取地面加固措施的條件，考慮采用洞內加固措施。

對于上軟下硬地層，水平旋噴樁加固、水平注漿加固無法保證隧道安全進洞；凍結法加固需要視土體的含水量多少、水量流速大小確定是否能成功凍結，且凍結法費用高，工期長，并非很好的加固方案。盾構在上軟下硬地層姿態控制比較困難，土壓平衡難建立，上面的軟土容易造成超挖，導致地面嚴重沉降。為避免地面沉降超限致使雨水箱涵破裂漏水，保證盾構進洞期間壓力穩定，并保證盾構破洞過程中洞門圈梁絕對封閉，確定采用接收鋼套筒工藝。

4接收鋼套筒工藝(圖1～圖3)

4.1　設計原理

采用鋼套筒接收盾構機的主要設計原理是在盾構井內施做一能完全包住盾構機機身的鋼套筒結構，在鋼套筒內模擬出隧道正常開挖的土層壓力條件，在盾構破洞門過程中建立起正常掘進的壓力，并把洞門環與鋼套筒密閉連接，防止出洞過程中水土涌入盾構井，保證盾構接收的安全。

4.2　鋼套筒結構

圖1　鋼套筒接收整體示意

圖2　鋼套筒立面(單位：mm)

圖3　鋼套筒現場

接收鋼套筒是一端開口的桶狀鋼結構，整個鋼套筒結構分為筒體、后端蓋、反力架和加固支撐組成。

(1)筒體

筒體為整個工藝最主要部分，其長度取刀盤到盾尾的長度，對于外徑6 300 mm的盾構機，本區間采用長9 900 mm，內徑6 500 mm的筒體。鋼套筒筒體分為前、中、后三段，每段3 300 mm，每段又分為上下兩半圓。筒體外周均勻焊接縱、環向鋼肋板，以保證筒體剛度。上下兩半圓、兩段筒體之間均采用螺栓連接，中間加橡膠墊，保證連接部位的密封性。筒體底部制作鋼托架，鋼托架與上部筒體焊接連接。托架組裝完后，其底部與車站底板預埋件焊接，托架須與車站側墻頂緊。

鋼套筒按能承受接收端2倍土壓力設計，經計算本區間選擇Q235B、厚16 mm的鋼板。

(2)后端蓋

后端蓋由冠球蓋和平面環板組成。冠球蓋鋼板整體沖壓成形，平面環板與冠球蓋外緣焊接成整體。平面環板與筒體通過螺栓連接，連接部位中間加橡膠板，以保證氣密性。

(3)反力架

反力架由型鋼焊接成型，緊貼后蓋平面板安裝，冠球蓋部分不與反力架接觸。反力架應與后部車站有可靠連接或頂緊，接收前應先進行預壓，沒問題后才能正式接收。

(4)筒體與洞門的連接

除了筒體本身的氣密性是控制接受成敗的關鍵因素，筒體與洞門連接的氣密性也是關鍵因素之一。設計鋼套筒與洞門不直接連接，而是通過中間一過渡連接板連接，過渡連接板與洞門環板采用燒焊連接，與鋼套筒通過法蘭端采用螺栓連接。

4.3　盾構接收流程(圖4)

在確定采用鋼套筒工藝后，首先應根據采用的盾構機型號設計合適尺寸的鋼套筒，鋼套筒出廠前應進行試拼裝，并檢查其氣密性。

在盾構到達前，于豎井內組裝鋼套筒，鋼套筒定位應滿足精度要求，保證隧道中心線和筒體中心線重合。鋼套筒組裝完畢后向筒內填砂、加水和封閉鋼套筒，期間注意鋼套筒和洞門的連接。檢查鋼套筒的氣密性，合格后才能進行接收，否則應對漏氣點進行修復處理。

盾構機完全進入鋼套筒后，應對盾尾后5環管片進行二次注漿，直至確保隔斷端頭與鋼套筒的水力聯系后，排空鋼套筒內泥漿，打開加料孔試水，最后拆解鋼套筒吊出盾構機。

圖4　盾構機到達施工流程

5接收關鍵技術

盾構機成功的接收主要取決于鋼套筒本身的質量、定位和盾構到達的掘進參數、姿態等。

5.1　鋼套筒的安裝定位

由于鋼套筒內徑比盾構刀盤直徑僅大200 mm，故鋼套筒定位須嚴格控制底部高程和中心線位置，確保筒體中心線與隧道中心線重合。

5.2　鋼套筒的氣密性

鋼套筒的氣密性關系到盾構接收穩壓及接收過程盾構井內的安全。鋼套筒組裝完成后，應在筒體內加氣檢查其密封性，若密封性不達標，應找出泄氣部位，對其進行修復。鋼套筒能承受的壓力可按2倍土壓力計算，在加氣12 h內，氣壓保持在90%內即為合格。

5.3　盾構機到達掘進控制

(1)到達前檢查盾構機，調整掘進姿態

盾構到達前，應選擇合適位置對盾構機進行停機檢查，對刀具進行更換，使盾構機處于最佳狀態。到達前30環對盾構機姿態進行復核，確保盾構機沿設計軸線推進進洞。

(2)碰壁前調整掘進參數

在盾構掘進過程中應嚴格控制土倉壓力和出土量，保持開挖面穩定。碰壁前推進速度減小到5 mm/min以下，推力減小到10 000 kN以下，刀盤轉速減小到2 rad/min以下。為避免盾構進洞出現“磕頭”現象刀盤旋轉刮到鋼套筒，出洞時盾構機機頭應略呈抬頭姿勢。盾構到達地連墻時，停機向刀盤前注入聚氨酯，填充盾體與地連墻間空隙，防止破洞后地下水進入刀盤前方。

5.4　盾構進入鋼套筒后注漿及觀察

盾構進入鋼套筒后，為阻止盾尾后方水進入盾構前方，應在盾尾后5環管片處開始二次注漿，形成注漿封堵環。盾構進入筒體過程中，刀盤應停止轉動，并密切觀察鋼套筒頂部情況，一旦發現變形超限或有滲漏情況，須立即停止掘進采取補救措施。

6結語

本工點在未采取其他加固措施的前提下，直接采用鋼套筒接收工藝，成功于上軟下硬地層中安全接收盾構機。

從最近幾年鋼套筒接收的成功案例看出，采用該工藝不受地面條件、地層條件的影響，能節省洞外加固措施費用。雖然鋼套筒制作精度較高，單個鋼套筒的制作費用高，但其具有可循環利用的優勢且安全性好，隨著該工藝的成熟，其造價也會逐漸降低，鋼套筒接收工藝具有較好的推廣前景。

參考文獻：

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Application of Steel Sleeve in Metro Shield Tunnel ReceptionZHANG Zhong-an

(Group Shenzhen Metro Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

Abstract：This paper compares the main reinforcement measures for shield reception and introduces a Shenzhen subway shield tunnel received successfully with steel sleeve under the conditions that the ground reinforcement measures can not be implemented. Steel sleeve is a kind of receiving process in the tunnel to reduce the ground reinforcement and characterized by safety, strong adaptability, short construction duration and can be reused.

Key words：Metro; Shield tunnel; Steel sleeve; Shield reception; Shield end reinforcement

中圖分類號：U451

文獻標識碼：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.023

文章編號：1004-2954(2016)02-0110-03

作者簡介：張中安(1968—)，男，高級工程師，1991年畢業于上海鐵道學院鐵道工程專業，工學學士，E-mail：309851057@qq.com。

收稿日期：2015-08-17； 修回日期：2015-09-11