富水砂卵石地層土壓平衡盾構鋼套筒接收應用實例

肖 衡， 胡 蓉， 梁新權， 蔣凌翔， 楊世鵬

(1. 長沙市軌道交通集團有限公司， 湖南 長沙 410075； 2. 湖南省第六工程有限公司， 湖南 長沙 410015；3. 中國鐵建十六局集團有限公司， 北京 100018)

富水砂卵石地層土壓平衡盾構鋼套筒接收應用實例

肖 衡1， 胡 蓉1， 梁新權1， 蔣凌翔2， 楊世鵬3

(1. 長沙市軌道交通集團有限公司， 湖南 長沙 410075； 2. 湖南省第六工程有限公司， 湖南 長沙 410015；3. 中國鐵建十六局集團有限公司， 北京 100018)

盾構接收作為盾構施工過程中的一個關鍵工序，具有高風險性。在接收端頭無法加固的情況下，如何實現富水砂卵石地層環境下盾構安全接收，是急需解決的一個重大難題。依托長沙地鐵一號線黃興廣場站盾構鋼套筒接收工程，對該工程中采用的玻璃纖維筋地下連續墻結合鋼套筒接收方案技術特點進行剖析，深入研究了在富水砂卵石地層接收端頭無加固情況下的盾構接收技術，以期為今后類似工程提供參考。

富水砂卵石地層； 土壓平衡盾構； 鋼套筒； 無加固； 盾構接收

0 引言

盾構接收是盾構施工過程中的重要工序，其施工風險高，技術要求高。目前國內常用的盾構接收方式主要為對端頭土體進行注漿、旋噴或凍結等方式加固，使其達到一定強度及止水作用后，再進行盾構接收工作[1-2]。趙立鋒[3]針對南京地鐵3號線采用地層加固及凍結法結合鋼套筒施工技術進行分析；王文燦[4]針對天津地鐵凍結法和水平注漿的組合加固技術進行分析，驗證了凍結法結合水平注漿加固在盾構接收工程中的適用性；陳珊東[5]通過分析鋼套筒在接收盾構中的使用情況，總結分析其優缺點，探討了鋼套筒在土壓平衡式盾構上的適用性；張中安[6]對深圳地鐵盾構隧道鋼套筒接收進行分析，得出鋼套筒接收工藝優勢。

然而，由于周邊構筑物以及地下管線等影響，加固施工可能無條件施作，或存在環境破壞、加固漿液無法有效凝結以及加固效果不理想等情況。針對上述問題，廣東華隧發明了鋼套筒接收的方法，該方法首先在泥水盾構施工中得到成功應用，但目前在富水砂卵石地層土壓平衡盾構施工的相關案例比較罕見，以下通過工程實例介紹土壓平衡盾構鋼套筒接收的施工要點。

1 工程概況

1.1 接收端地質條件

長沙地鐵一號線黃興廣場站—南門口站區間采用直徑6.28 m土壓平衡盾構施工。區間接收端位于黃興廣場站內，里程位于ZDK18+762。地質勘查資料顯示，接收端地質條件復雜，地層層序自上而下依次為雜填土(層高5.94 m)、粉質黏土(層高2.09 m)、圓礫(層高5.22 m)和中風化泥質粉砂巖。接收端洞門拱頂埋深11.25 m，洞門處地層自上而下依次為圓礫(2.26 m)和中風化泥質粉砂巖(3.74 m)。其中，砂卵石地層顆粒間孔隙較大，在水動力作用下，地層中細顆粒在砂卵層粗顆粒間形成的孔隙中移動流失，極易造成管涌等風險。

黃興廣場站地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。地下水位于地表以下10.20～14.50 m，主要位于湘江沖積圓礫層，上部多為網紋紅白土相隔，地下水呈弱承壓性，水量較豐富，常年水位變化幅度8～12 m。根據現場抽水試驗結果可知，砂卵石地層的抽水試驗滲透系數為19.46 m/d，屬強透水性地層。在這種富水砂卵石地層中進行盾構接收工作，極易發生涌水涌泥現象，施工具有較高風險。接收端的地質剖面見圖1。

圖1 接收端地質剖面圖(單位: m)

Fig. 1 Profile of geological conditions of shield receiving end (m)

1.2 接收方案設計

原設計盾構接收方案為端頭采用旋噴樁加固+內注漿加固，進行盾構接收工作。由于該處位于長沙商業步行街中心商業區，周邊高層構建筑物密集，人流量極大，圍擋困難，地下管線數量極多，管線遷移工作繁重困難；同時，接收端地質條件復雜，地下水極為豐富，且上部為砂卵石地層，具有強滲透性，地下水隨湘江水系產生季節性流動，流速達到20 m/d，漿液難以凝聚，注漿效果難以保證。

因此，施工時改用玻璃纖維筋地連墻[7-8]結合鋼套筒接收方案，即在洞門外增設一道0.8 m厚玻璃纖維筋地連墻，代替原有端頭加固，同時，在盾構接收時不需切割玻璃纖維筋地連墻內纖維筋，防止滲漏水。在車站基坑內架設鋼套筒后，破除車站洞門處地連墻，盾構掘進至鋼套筒，盾構安全出洞(見圖2)。該方案能夠在不進行端頭加固的情況下保證盾構安全接收。

圖2 現場接收方案示意圖(單位： m)

2 鋼套筒設計

2.1 鋼套筒接收原理

鋼套筒是一個比盾構筒體略長、直徑比盾構筒體略大的密閉鋼筒狀結構，其主要由過渡環、筒體、后端蓋板以及支撐系統組成。通過分塊制作、現場組裝形成一個整體后，與洞門環板密閉連接，在筒中填充砂和水并補充一定壓力，從而模擬盾構在原始地層中掘進，使盾構直接采取掘進模式切削、破除洞門進入鋼套筒，保證盾構在平衡狀態下到達和通過洞門。在盾構盾體完全進入套筒后，通過在洞門管片處注入雙液漿和聚氨酯等材料封堵洞門，從而有效防止涌水、涌砂等現象的發生，消除盾構出洞的施工安全隱患，最終保證盾構順利出洞。

2.2 鋼套筒主體結構設計

黃興廣場站接收端采用的鋼套筒筒體總長9 600 mm，內徑6 500 mm，外徑6 840 mm，共分成3段，每段3 200 mm，每段又分為上下2個半圓。主體部分采用鋼板卷制而成。考慮到盾構到達時土艙壓力為0.15～0.2 MPa，鋼套筒設計耐壓0.5 Mpa，鋼板選擇Q235B，板厚16 mm。每段筒體的外周焊接縱、環向筋板以保證筒體剛度，縱向筋板與環向筋板分隔形成塊狀。每段筒體的端頭和上下2個半圓接合面均焊接圓法蘭，筒體縱向及上下均采用法蘭及高強度螺栓連接緊固。每節鋼套筒分別于頂部設置1個直徑600 mm的加料口，底部設置3個φ10 cm的排漿管，2組頂推托輪組(見圖3)。

圖3 鋼套筒現場拼裝圖

2.3 鋼套筒支撐系統設計

鋼套筒支撐系統由底部鋼架支撐、反力架以及橫向鋼撐組成。各支撐組合保證盾構在掘進至鋼套筒時，鋼套筒各構件基本無變位或變位很小。

2.3.1 底部鋼架支撐

底部鋼架支撐設置于鋼套筒底部，分3塊制作，均與筒體底部焊接固定形成一體。焊接時托架板先與筒體焊接，再焊接橫向筋板、底板和工字鋼。當托架組裝完成后，將工字鋼底邊與車站底板預埋件焊接，托架需用型鋼與車站側墻頂緊。

2.3.2 反力架

反力架是給鋼套筒整體提供反力，保證鋼套筒在盾構進入時頂推力作用下不發生縱向變位的裝置。反力架緊貼后蓋板安裝，呈“井”字型結構，框架采用56#工字鋼制作。反力架與后蓋板相鄰一側設置加力頂桿，頂桿與頂桿撐托配套加工制作，主要用于防止頂桿推進過程中出現受力不均勻情況(見圖4)。反力架與車站內結構之間焊接固定，并用φ529 mm鋼管支撐。鋼管支撐焊接在車站預埋的鋼板或植筋鋼板上，盾構掘進時的反向力通過鋼支撐傳遞至主體結構的底板和側墻上。

圖4 反力架與后端蓋板的關系圖

2.3.3 橫向鋼撐

鋼套筒橫向支撐是設置在鋼套筒托架四周，保證鋼套筒在水平向不發生偏移的頂推構件。橫向鋼撐采用φ10 cm鋼管分2排布設在托架兩端，支撐縱向間距1.5 m。為保證側墻具有足夠剛度，在車站側墻需埋設鋼板，埋設高度為500 mm(見圖5和圖6)。

3 施工過程及效果

3.1 玻璃纖維筋地連墻的施工

為保證施工安全，盾構到達前對端頭地層采用玻璃纖維筋地連墻施作處理(見圖7)。玻璃纖維筋在縱向具有高抗拉強度，而在橫向很容易被盾構或其他挖掘機械磨碎，這種獨特的各向異性高強材料極大地優化了隧道施工中的盾構挖掘過程[9]。隨后鑿除洞門處鋼筋混凝土，安裝已加工完成且經驗收合格的盾構接收鋼套筒，為盾構到達出洞施工創造符合條件的外部作業環境。

圖5 鋼套筒支撐安裝平面圖

圖6 鋼套筒支撐安裝縱向圖

圖7 現場玻纖鋼筋綁扎

3.2 鋼套筒接收流程

在完成玻璃纖維筋地連墻施工后，應進行鋼套筒安裝。現場安裝順序： 安裝過渡環—安裝鋼套筒下半圓和反力架—安裝鋼套筒上半圓—預加反力—鋼套筒填充—鋼套筒壓力測試。填充過程中鋼套筒內填充盾構掘進出來的渣土。在完成鋼套筒安裝后，為保證盾構順利進洞，必須準確控制管片姿態及盾構進洞姿態，將盾構偏差控制在20 mm內，以確保盾構能順利進入鋼套筒。接收時糾偏幅度應按照“少量多次”的糾偏原則，每環糾偏量不大于3 mm，避免盾構姿態發生突變[10]。盾構鋼套筒接收流程見圖8。

圖8 鋼套筒接收流程圖

3.3 現場實際接收效果

現場于2015年4月18日完成鋼套筒安裝，隨后進行盾構接收工作。在盾構進入鋼套筒后，進行盾尾補充注漿，再排空鋼套筒中剩余泥漿，打開加料孔，最后拆除鋼套筒上半部，吊出盾構。2015年4月21日順利完成盾構接收全部工作，現場無結構大變位以及涌水涌泥現象，接收工作順利完成(見圖9)。

圖9 現場盾構順利接收

4 結論與建議

長沙地鐵一號線黃興廣場站盾構接收在長沙首次采用無加固鋼套筒盾構接收技術，順利完成富水砂卵石條件下盾構接收工作，施工效果良好，無大變形及涌水涌泥現象。現場成功解決了特殊條件無加固情況下如何安全、順利接收盾構的難題，有效規避了出洞過程中的風險。

該工程在盾構接收端取消地層加固，而改為在車站圍護結構外增設玻璃纖維筋地連墻，以減少施工中的地層加固工程量和洞門鑿除工作，同時施工質量相較于地層加固更有保障，建議后續工程可做類似考慮。

[1] 胡俊. 高水壓砂性土層地鐵大直徑盾構始發端頭加固方式研究[D].南京： 南京林業大學,2012.(HU Jun.Study of the reinforcement methods of subway large-diameter shield launching in the sandy clay with high water pressure[D].Nanjing: Nanjing Forestry University, 2012.(in Chinese))

[2] 陳學軍,鄒寶平,易覺,等. 富水軟弱地層盾構隧道始發洞口土體加固技術[J]. 現代隧道技術,2010,47(4): 73-79.(CHEN Xuejun, ZOU Baoping, YI Jue, et al. Soil reinforcement technology for water-soaked soft stratum at shield tunnel launching portal[J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(4): 73-79.(in Chinese))

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[4] 王文燦. 凍結法和水平注漿在天津地鐵盾構接收中的組合應用[J]. 現代隧道技術,2013,50(3): 183-190.(WANG Wencan. Application of the freezing and horizontal grouting methods to the shield arrival for the Tianjin Metro[J]. Modern Tunnelling Technology， 2013, 50(3): 183-190.(in Chinese))

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[6] 張中安. 鋼套筒在地鐵隧道盾構接收中的應用[J]. 鐵道標準設計,2016,60(2): 110-113.(ZHANG Zhongan. Application of steel sleeve in Metro shield tunnel reception[J]. Railway Standard Design, 2016, 60(2): 110-113.(in Chinese))

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[10] 地鐵設計規范: GB 50157—2013[S]. 北京: 中國計劃出版社,2013. (Metro design standard: GB 50157—2013[s]. Beijing: China Planning Press, 2013.(in Chinese))

Steel Sleeve Receiving Technology for EPB Shield Boring in Water-rich Sandy-cobble Strata

XIAO Heng1, HU Rong1, LIANG Xinquan1, JIANG Lingxiang2, YANG Shipeng3

(1.ChangshaMetroGroupCo.,Ltd.,Changsha410075,Hunan,China; 2.HunanNo.6EngineeringCo.,Ltd.,Changsha410015,Hunan,China; 3.ChinaRailway16thBureauGroupCo.,Ltd.,Beijing100018,China)

The receiving of earth pressure balance (EPB) shield is the key to shield tunneling with high risk. It is very important to study the shield receiving without consolidation of receiving end in water-rich sandy-cobble strata. The shield receiving technologies, fiberglass steel underground diaphragm + steel sleeve, for EPB shield boring in water-rich sandy-cobble strata of Huangxing Square Station on Changsha Metro Line No. 1 without receiving end consolidation are analyzed. The results can proviole reference for similar projects in the future.

water-rich sandy-cobble strata; earth pressure balance (EPB) shield; steel sleeve; non-consolidation; shield receiving

2016-04-07;

2016-05-24

肖衡(1982—)，男，湖南郴州人，2009年畢業于北京交通大學，地下工程專業，碩士，工程師，主要從事地鐵、隧道及地下工程施工管理工作。E-mail： 596971290@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.015

U 45

B

1672-741X(2017)01-0093-04