鋼套筒平衡技術在泥水平衡盾構出洞工程中的應用

伍偉林 王呼佳 高 鯤 鄒 育

(1.中鐵二院工程集團有限公司,610031,成都;2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,510641,廣州∥第一作者，工程師)

?

鋼套筒平衡技術在泥水平衡盾構出洞工程中的應用

伍偉林1王呼佳1高 鯤1鄒 育2

(1.中鐵二院工程集團有限公司,610031,成都;2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,510641,廣州∥第一作者，工程師)

鋼套筒結合端頭加固輔助盾構始發已廣泛于隧道建設中,但在高水壓、復雜地質等環境下,端頭加固效果不佳,且現有的鋼套筒輔助始發技術不成熟,存在較高的風險。在廣州13號線一期工程南崗站—溫涌路站區間中,針對始發端超高水壓、周圍管線和房屋密集等復雜環境條件,通過對鋼套筒關鍵技術進行分析及改進,在無端頭加固的條件下,采用泥水平衡盾構鋼套筒始發。工程實踐表明,此工法取得了較為理想的效果。

地鐵隧道; 泥水平衡盾構; 鋼套筒; 盾構始發

First-author′s address China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu，610031,China

盾構法因地層適應性強、自動化程度高、優質高效、安全環保等特點,廣泛應用于地下工程。盾構始發和到達是盾構工法中主要施工工序之一,也是盾構施工中最易發生事故的環節[1]。特別是在軟弱富水飽和粉砂層地質中,涌水涌砂等重大事故更容易發生。如南京地鐵2號線元通站盾構到達事故,造成盾構機被埋，導致已完成隧道受損150 m,地面坍陷[2]。

針對盾構進出洞的自身風險及環境風險,通常采用地面垂直、洞內水平等加固方式。但對于盾構井端頭較厚淤泥、砂層等不良地層、盾構井埋深大,承壓水頭大、地面加固場地受重要管線及建構筑物影響等情況,采用一般的加固方法很難保證盾構進出洞安全,且工程投資較大、工期長[3]。因此,需要尋求一種新型加固方式,既能適應復雜地層保證安全又不受加固區域條件限制,且具備良好的經濟性。

鋼套筒輔助始發和接收很好的解決了盾構進出洞的難題。例如,南寧地鐵1號線某盾構區間受端頭燃氣管道的影響無法進行地面加固,因而采用土壓平衡盾構鋼套筒始發;廣州地鐵2、8號線南延線某區間由于管線遷改、場地移交及工期緊張等問題,泥水平衡盾構進洞采用盾構機站內鋼套筒接收與端頭地面素混凝土連續墻加固相結合的盾構機到達新工法[4-5]。但現有鋼套筒都是作為輔助系統,必須結合端頭加固措施來保證安全。

本文以廣州地鐵13號線一期工程南崗站—溫涌路站區間22#盾構井出洞為依托,針對始發端超高水壓及周邊房屋、管線密集等復雜環境條件,通過對鋼套筒始發關鍵技術進行研究與改進,成功地在無端頭加固的條件下完成泥水平衡盾構鋼套筒平衡始發。

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

廣州地鐵13號線南崗站—溫涌路站區間隧道位于增城市新塘鎮新塘大道西新墩村段。盾構井南北兩側為3～6層居民樓,居民樓較為密集,與盾構井平面距離約7～9 m。盾構井附近存在密集的燃氣管和污水管,與盾構井平面距離約1～3 m。風井的車站起訖里程為YDK52+449.900-YDK52+506.000(ZDK52+458.635～ZDK52+514.735),基坑長度為56.1 m,寬度為24.9 m,基坑開挖深度約27.8～30.4 m,頂板埋深約3.6 m。圍護結構為1 000 mm厚地下連續墻+4道鋼筋混凝土內支撐支護。采用2臺泥水平衡盾構從22#盾構井小里程端始發,向南崗站掘進。

1.2 地質條件

(1) 工程地質條件。盾構始發端的地質情況自上而下分別為素填土、淤泥質土、淤泥質粉細砂層、中粗砂、淤泥質土、淤泥質粉細砂層、中粗砂、砂質粘性土、全風化混合花崗巖層、強風化混合花崗巖層、中風化混合花崗巖層。區間隧道主要穿越淤泥質土及淤泥質粉細砂層。隧道洞身范圍內主要為砂質粘性土、強風化混合花崗巖層。且拱頂存在約2 m淤泥質粉細砂層。

(2) 水文地質條件。場地地貌上屬于海陸交互相沉積地貌。揭露第四系地層為人工填土層,海陸交互相沉積層及殘積層,基巖為震旦系混合花崗巖和燕山期花崗巖。地下水位的變化受地形地貌和地下水補給來源等因素控制。勘察期間揭露沿線地下水穩定水位標高為5.74～5.86 m。始發端水位標高約為5.80 m。

2 工程難點分析

由于22#盾構井盾構始發端覆土較厚(約19 m),水位較高(約17 m),地質情況差,管線遷改造價高且十分困難,地面垂直加固方案難以進行。故此區間始發端頭采用傳統的加固方式[6],存在以下風險:

(1) 土體失衡風險。為避免盾構機擊穿密封簾板，其掘進壓強應不超過120 kPa。始發時實際以欠壓的狀態掘進。由于盾構機覆土厚度較大,且盾構始發時欠壓掘進,壓差較大,故容易引發土體大范圍沉降、坍塌。而且基坑周邊建筑物較多,存在土體坍塌和房屋沉降破壞的風險。

(2) 滲漏風險。盾構機通過密封簾板的過程中,在簾板包裹盾構機筒體到包裹管片過程轉換的瞬間,由于洞門壓板不同步,管片與洞門間存在縫隙,極易滲漏水。由于地層中存在粉細砂層,土的流動性大,故滲水通道可能瞬間形成。這將是致命的,后果難以挽回。

3 鋼套筒平衡始發技術重點

鋼套管平衡始發原理為鋼套筒下井組裝，再平移到洞門位置后與洞門連接,將盾構安裝在鋼套筒內;然后,在鋼套筒內填充回填物并密封鋼套筒,保持鋼套筒內部的水土壓力與隧道埋深位置的水土壓力平衡,使盾構機在破除洞門前建立水土平衡環境。這樣始發等同于常規掘進,從而避免了盾構機始發過程中因欠壓或滲漏而出現塌方的情況。

雖然國內已有土壓平衡盾構鋼套筒平衡始發與到達、泥水盾構鋼套筒平衡達到工程實例；但本項目中的泥水盾構鋼套筒平衡始發屬于國內首例,尚需解決如盾構機防扭轉、鋼套筒接縫密封及套筒內填料等一系列的關鍵技術問題。

3.1 洞門處圍護結構處理

由于盾構井南北兩側居民樓與盾構井平面距離最近的僅7 m,盾構始發掘進過程中需保證居民樓的安全穩定性。盾構始發時需要鑿除洞門,在此過程中由于切除圍護結構而使開挖面處于暴露狀態,容易引起周圍地面沉降和周圍居民樓的變形。在22#盾構井東西端洞門7.5 m范圍的大槽段,圍護結構用玻璃纖維筋替代鋼筋[7],并在盾構始發時直接以盾構機刀盤對圍護結構進行切削,利用盾構機本身來提供對土體的抗力,以減少對地層的擾動,從而避免和減少對居民樓的影響。

3.2 盾構機防扭轉裝置

鋼套筒平衡始發和平衡達到最大的區別在于,平衡始發扭矩大,需安裝防扭轉裝置;到達時則無需考慮盾構扭轉問題,通過底部回填砂提供摩擦反力即可防止到達段管片松動。如始發洞門處圍護結構采用玻璃纖維筋,盾構在始發時以刀盤直接破洞門,則盾構刀盤在轉動過程中,由于瞬間扭矩較大,容易造成筒體扭轉。常規盾構始發時會在盾體兩側臨近于始發托架兩側軌道處焊接不少于2道的楔形鋼板,作為防盾構機側滾的裝置。

由于本項目采用泥水盾構在鋼套筒密閉始發,回填砂后因泥水潤滑作用和洗艙排土作用,難以保證填砂防扭轉效果,因而采用來防正扭轉螺栓來防止盾體扭轉。該措施在盾構筒體內部開孔，并安裝螺栓；在盾構磨連續墻階段將螺栓擰入筒體,卡住筒體內軌道；待盾構刀盤磨穿連續墻后,再將螺栓擰出筒體,從而起到防盾體扭轉的作用(如圖1所示)。

圖1 盾構機防扭螺栓示意圖

3.3 鋼套筒密封控制

鋼套筒密封控制的主要工作內容包括主體結構端頭處防滲漏和構建連接部位防滲透。

3.3.1 主體結構端頭處防滲漏

由于防水板的隔離作用,主體結構端頭與圍護結構間不密貼。當鋼套筒內壓力較大時,該部位容易發生滲漏。為減少該部位滲漏,始發及到達鋼套筒內的填料應調高比重,以利用高比重泥漿中的砂形成土塞效應,減少結構滲漏。

3.3.2 構件連接部位防滲漏

鋼套筒環向、縱向接縫,鋼套筒與洞門環板連接處,鋼套筒環梁與管片連接處,負環管片接縫處,鋼套筒與環梁連接處均易出現泄漏,從而導致土艙無法維持需要的壓力引起掌子面塌陷。為解決此問題一般采用如下措施：

(1) 鋼套筒分塊連接處均設置2道嵌入式密封圈(如圖2所示),并在分塊連接處內側涂抹聚氨酯,以確保鋼套筒環向、縱向接縫不滲漏。

圖2 鋼套筒環、縱向接縫密封示意圖

(2) 鋼套筒與洞門環板連接處采用焊接,并在外側涂抹瀝青防滲漏。

(3) 鋼套筒環梁與管片連接處、與負環管片接縫處采用三元乙丙橡膠密封墊+遇水膨脹止水條防水。只有當壓力測試合格后,盾構機方能在鋼套筒內進行始發掘進。

(4) 鋼套筒與環梁采用M 24×240螺栓連接,連接處均設置2道嵌入式密封圈,并在連接處內外側涂抹聚氨酯防滲漏。

3.4 鋼套筒填料

鋼套筒內填料分3次進行。第1次在鋼套筒底部2根鋼軌之間鋪砂并壓實,每個位置的鋪砂高度比相應鋼軌的高度高出15 mm,待盾構機放去上后,進一步壓實,確保底部砂層提供充足的防盾構機扭轉摩擦反力。第2次填砂在盾構機向前推進至刀盤面板貼近洞門掌子面后,在鋼套筒與盾構之間的間隙內填充砂。填料過程中應適當沖水并通過鋼套筒下部的排水孔排水出來,起到讓砂密實的作用。第3次填料在盾構始發時，開啟環流,通過環流注入濃泥漿。濃泥漿的主要作用為增加泥漿攜渣能力,控制地面沉降,較高粘度和比重的泥漿有利于筒體抗滲漏。

3.5 掘進參數控制

22#盾構井小里程盾構始發端淤泥質土較厚,且拱頂存在約2 m淤泥質粉細砂層,在端頭無任何加固情況下,掘進時盡量減少對土體的擾動,以保證土體穩定,防止因地下水土流失引起地表過大的沉降。在盾構出洞過程中加強對周圍環境沉降觀測,及時調整掘進參數[8]。其中，由于端頭無任何加固,為了確保始發掘進過程的相對安全,應控制掘進速度<5 mm/min;為了保證盾構機正常運行,不偏離軌道,應控制扭矩<2.5 MN·m;由于該段為砂質粘性土、強風化混合花崗巖地層,應控制刀盤轉速<1.5轉/min;為避免推力過大導致反力架變形,應控制推力<15 000 kN;施工過程中,切口壓力的增加會影響實際推力情況。刀盤面積約為31 m2,故每增加104MPa的壓力,實際推力就折減310 kN,為加快推進速度,減少能耗,施工過程中切口壓力的以漸進式梯度進行調整(如:掘進連續墻前500 mm階段,切口壓力設定為1.2×105MPa;掘進連續墻500～800 mm階段,切口壓力設定為1.5×105MPa,掘進連續墻800～1 000 mm階段,切口壓力設定為2.0×105MPa。

3.6 盾構姿態控制

鋼套筒內徑為6 500 mm,而一般盾構機刀盤直徑為6 280 mm,所以,鋼套筒在規范要求內應能滿足大部分盾構機的施工要求。施工過程中應嚴格控制盾構機姿態,防止以割線或斜線出洞,導致盾尾卡死或破壞鋼套筒結構。

盾構出洞測量控制要點為:①在出鋼套筒時姿態控制應要求中心線偏差控制在±2 cm之內。②考慮裁頭現象,盾構機應略抬頭姿態。

4 周邊環境監測結果

盾構始發過程中,為了確保施工安全,需要結合周圍環境的變形及時調整盾構掘進參數或采取相應的工程措施。對盾構50 m范圍內的建(構)筑物和地面應進行自動化監測,并加大監測頻率。右線監測點布置如圖3所示。沿盾構掘井方向的監測點間距為5 m。

圖3 廣州地鐵13號線22#盾構井右線監測點布置

監測點較多,故選取周圍建(構)筑物和地面中具有代表性的監測數據繪制沉降曲線(如圖4所示)其中，初始位移是由22#盾構井基坑開挖產生。盾構從第2 d開始出洞,第9 d完成出洞。

圖4 部分監測點沉降曲線

在整個盾構出洞過程中,周圍建(構)筑物和地面都有隆起和沉降位移產生。在盾構出洞期間建(構)筑物的最大隆起值為0.52 mm,最大沉降值為2.84 mm;地面的最大隆起值為1.16 mm,最大沉降值為0.40 mm。從盾構井基坑開挖到盾構出洞,累計最大沉降值12.1 mm(<30 mm),累計最大隆起值0.52

mm(<10 mm),滿足施工及驗收規范要求。

5 結語

在始發端超高水壓及周邊房屋、管線密集等復雜環境條件,通過對鋼套筒始發技術要點進行研究與改進,成功地在無端頭加固的條件下完成泥水平衡盾構鋼套筒平衡始發。通過總結得出鋼套筒平衡技術具有如下優點:

(1) 鋼套筒為裝配式結構,通過增加結構剛度后,能夠多次使用,從而降低施工費用;且鋼套筒裝配過程中無噪音、無渣土排放,符合節能減排、綠色環保的標準,是一項綠色新技術。

(2) 鋼套筒的使用不受場地限制,對于目前地面存在重要管線,施工用地征拆困難的工程,使用鋼套筒能夠減少前期費用,且無后續管線回遷,場地恢復等費用,因而更為經濟。

(3) 該技術能夠通過提前檢測鋼套筒的滲漏情況,只要鋼套筒不開裂、不分解,就能夠使筒內壓力穩定,確保盾構始發及到達的安全;而傳統加固手段受限于目前檢測手段的局限性,端頭加固是否失效無法有效檢測,因而采用鋼套筒更為安全有效。

(4) 一般的端頭加固少則20 d，多則三四個月不等,鋼套筒的安裝周期約為14～20 d,且沒有凝期限制,極大的縮短了施工周期,因而也適用于工期緊張的盾構出洞、進洞工程。

[1] 江玉生.盾構始發與到達:端頭加固理論研究與工程實踐[M].北京:人民交通出版社，2011.

[2] 吳秀國,軟弱地質條件下盾構進出洞技術的研究[D].廣州：華南理工大學,2012.

[3] 孟海峰,劉江濤,李世君,土壓平衡盾構富水粉砂地層進、出洞常見問題分析[S].隧道建設,2011(S2):57.

[4] 李奕,鐘志全,泥水盾構到達施工新技術[J].建筑機械化,2010(01):70.

[5] 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(06):51.

[6] 夏明耀，曾進倫,地下工程設計施工手冊[J].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[7] 焦齊柱,盾構直接切削圍護墻的設計探討[J].現代隧道技術,2007(04):20.

[8] 周明亮,白雪梅,近距離下穿運營地鐵隧道的關鍵技術[J].都市快軌交通,2011(03):89.

Application of Seel Sleeve Balance Technology in Slurry Balance Shield Tunneling

WU Weilin, WANG Hujia, GAO Kun, ZOU Yu

Being the auxiliary structure to shield launching, the steel sleeve in combination with wall reinforcement measures has been applied widely in tunnel construction. But wall reinforcement effect is not satisfactory and the immature technology of steel sleeve auxiliary launching has higher risks. Through analysis and improvement of the key technology, slurry balanced shield steel sleeve without wall reinforcement is applied to shield launching for a tunnel section from Nangang Station to Wenchong Station on the first-stage project of Guangzhou metro Line 13, the originating terminal of which fetures higher water pressure, dense pipelines and buildings, complex environment and so on. Practice of the project indicates that the technology has obtained ideal effect.

subway tunnel; slurry shield; steel sleeve; shield launching

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.09.026

2016-03-02)