鋼套筒輔助技術在透水卵石地層泥水盾構接收中的應用

李曉生

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052)

泥水盾構隧道的始發與到達控制一直是盾構掘進施工中的關鍵步驟，其難度較大且風險較高，易發生安全事故[1-2]。目前，盾構機接收到達的安全措施主要有端頭加固法、水中到達法及深井到達法等[2-5]，在水位較高的砂卵石地層中，盾構到達會對地層產生較大的擾動，易發生突、涌水等危險。在此情況下，對地層進行加固后采用鋼套筒輔助工藝接收技術可有效保證盾構機接收過程的安全，同時縮短施工工期并節約成本[6]。

針對鋼套筒始發以及接收技術，國內外學者進行了許多研究。王健、賀衛國、張斌等對不同情況下的盾構接收鋼套筒施工工藝流程以及接收推進技術進行了總結[7-9];陳珊東[10]根據輔助接收盾構機的使用情況，總結了其適用性及優缺點;伍偉林[11]，郭清華[12]，鄭石[13]，逯建棟等[14]對鋼套筒的填料、密封以及施工注意事項等關鍵技術進行了研究。但針對擾動性大的強透水砂卵石地層以及高水位情況下的鋼套筒接收技術研究較少。

結合某地鐵區間工程，對高水位強透水大粒徑砂卵石地層條件下的泥水平衡盾構鋼套筒接收技術進行了有益嘗試，進而形成了一整套相關技術。該技術主要包括鋼套筒設計、端頭加固、降水、鋼套筒設計-制作-安裝-調試和盾構在鋼套筒中的掘進及拆除。該技術對于強透水砂卵石地層盾構隧道鋼套筒接收施工能夠起到較好的借鑒和指導作用。

1 工程概況

某地鐵區間隧道主體位于強透水砂卵石地層中，地下水主要賦存于卵礫石土中，屬孔隙性潛水，地層滲透系數約為60 m/d。該層主要為大于2 cm的礫石、卵石(平均含量占81.95%)，一般粒徑為2～6 cm；粒徑為2～20 mm的圓礫占14.82%；空隙被中粗砂充填。圍巖綜合分級為Ⅵ級。區間水位埋深為3.1～11.6 m，由北東向南西緩慢降低。

由于工程地層卵石粒徑較大，盾構接收過程易對端頭墻產生較大的擾動，且地層的強透水性會對端頭墻周圍的加固效果產生影響?？紤]到鋼套筒具有適用性廣、可免除端頭墻加固、重復利用率高、占地面積小、對水土影響小等特點，故在中間風井處采用鋼套筒進行接收工作。中間風井平面尺寸為30.8 m×17.8 m(長×寬)，井深約45.5 m。其圍護結構由“1.2 m厚鋼筋混凝土地連墻+0.8 m厚素混凝土止水墻”組成。中間風井主體結構(井壁內襯墻與連續墻)采用疊合墻構造形式，主體結構采用全包防水結構設計，明挖逆作法施工。

2 鋼套筒設計

鋼套筒筒體的密封性能是接收過程中保持壓力的重要影響因素，以下對筒體的尺寸、后端蓋、反力架、鋼套筒與洞門的連接、筒體壓力觀測點等進行專項設計，保證盾構機能夠安全進入鋼套筒以及保證接收過程中的密封性能。

2.1 筒體

根據盾構機外徑，將鋼套筒筒體內徑設計為6 820 mm。為了保證筒體不因為應力集中而變形，將其分為4段(每段長為2.5 m)；筒體采用上下兩塊22 mm厚的半圓鋼板組裝而成。另外，在筒體外表面焊接橫縱向的鋼筋板以保證筒體剛度，鋼筋板厚20 mm，高200 mm，環、縱向間隔約為500 mm。在每段筒體與上下兩塊半圓之間采用40 mm厚的法蘭及M33×150(8.8級)螺栓進行連接。另外，為了保障鋼套筒內的密封效果，在連接處加10 mm厚橡膠墊。筒體底部框架共4塊，框架承力板為30 mm厚鋼板，筋板厚20 mm，底板厚20 mm。鋼套筒所需鋼板均為Q235A鋼。鋼套筒結構示意如圖1。

圖1 鋼套筒結構示意(單位：mm)

2.2 后端蓋

后蓋板采用30 mm厚平面鋼板。為了增加其剛度，加焊4道厚30 mm、高500 mm的鋼板(井字形)。鋼套筒與后蓋板之間仍采用法蘭及M33×150(8.8級)螺栓進行連接。

2.3 反力架

鋼套筒反力架加固在風井負四層環框梁和底板上，斜撐采用9道200H型鋼與后端蓋預留加固板及車站底板預埋鋼板焊接，頂部支撐H型鋼，兩端用楔形塊墊實并焊接在負四層橫梁上。反力架示意如圖2所示。

圖2 反力架示意

2.4 鋼套筒與洞門連接

在鋼套筒與洞門環板之間設置一個厚度為20 mm的過渡板。過渡板與洞門處采用焊接方式連接，鋼套筒體與過渡板采用法蘭與螺栓連接，連接板的長度可以根據實際情況調整。另外，為了檢查洞門的密封情況，在鐘表點位的2、4、8、10點位置設置4個帶球閥的觀測孔。

2.5 其余部位

在第2塊傳力架與第3塊傳力架的正上方設置兩個下料口，以滿足盾構接收前的填料需求。為了方便盾構接收完成后的排料工作，在后端蓋板上預留1個泄料閘門，另外設置1個帶球閥注排漿管。在2號和3號傳力架兩側各預留1個注漿孔(φ25 mm)。在后端蓋平面板設置1個壓力表。

3 鋼套筒接收關鍵技術

鋼套筒接收技術主要包括端頭加固、降水、鋼套筒設計-制作-安裝-調試和盾構在鋼套筒中的掘進及拆除。其總體施工順序如圖3所示。

圖3 鋼套筒接收流程

3.1 鋼套筒安裝與填料

按工程要求完成主體結構、后端蓋、反力架以及鋼套筒與洞門連接的操作之后，在筒體底部60°范圍內澆筑45 cm厚的C20砂漿基座，其余部分填充M10砂漿，并保證砂漿基座伸入洞門內與加固土體相接，以防止刀盤出加固體后“載頭”。

3.2 鋼套筒檢測試壓

完成鋼套筒安裝及填料后，還需對鋼套筒進行檢測試壓，以確保鋼套筒接收盾構時不發生滲漏或較大位移。鋼套筒監測試壓包括滲漏檢測和鋼套筒位移檢測。

(1)滲漏檢測

向鋼套筒內加水或者加氣，使鋼套筒內壓力達到3.5 bar(維持壓力穩定)。此時主要檢查洞門與鋼套筒連接板、鋼套筒縱向與環向連接處、后蓋板連接處有無漏水情況，另外應檢查反力架焊縫是否完好。

(2)鋼套筒位移檢測

提前將應變片安裝在鋼套筒與洞門環板連接部位，將百分表安裝在套筒表面。在試水加壓測試過程中，觀察應變或應變值的變化，若發現其值變化較大，應立即進行泄壓并分析原因。根據計算分析可知，鋼套筒與洞門環板連接處是位移量控制最嚴格的地方，其最大變形量應控制在1.52 mm以內。而后蓋橢球體的中心圓點處是應力值最大的地方，其最大變形量應控制在5 mm以內。

3.3 盾構到達掘進控制技術

盾構到達是指盾構機在掘進過程中到達豎井或車站基坑，此過程中要完成盾構到達前的測量和姿態調整、接收裝置以及管片連接過渡裝置的安裝和洞口的加固防水處理等工作[15]。

(1)盾構到達主要作業內容

鋼套筒接收過程需要對工作面壓力、姿態進行精細的操作，以防止出現刀盤破壞筒體壁以及因壓力下降發生突涌水等危險。盾構到達主要的作業內容有：端頭井處加固；盾構機姿態復核測量；洞門位置及輪廓復核測量；根據復測結果進行盾構機姿態調整；到達洞門處理；接收鋼套筒安裝-調試；盾構機推出隧道并進入鋼套筒，接收裝置停機；洞門注漿堵水處理；鋼套筒上半部分拆除；碴土清理等。

(2)端頭加固

工程所處地層透水性強且地層自穩性較差，在采用鋼套筒的基礎上，仍有必要對盾構機接收端頭進行加固處理，以保證盾構機安全到達。

中間風井端頭加固采用素混凝土地下連續墻(厚800 mm)，深入區間管片結構以下9 m。主體圍護結構采用鋼筋混凝土地下連續墻(厚1 200 mm)。在盾構機出洞區域，采用盾構機可直接通過的玻璃纖維筋。在施工完成的帷幕墻體內進行袖閥管注漿加固，平面加固范圍為12 m，剖面加固范圍為洞身上下各6 m，孔位呈等邊三角形布置，間距為1.2 m，漿液分別采用1∶1的水泥漿和水泥-水玻璃漿液(跳孔)。雙液漿快速凝固可進一步降低地層中水的流速和滲透系數，單液漿可填充地層中的孔隙，確保強度，使加固范圍內形成連續、均勻、密實、密貼的加固體。

止水帷幕連續墻分幅長度按6 m控制，素混凝土地連墻混凝土標號為C20；主體圍護結構連續墻、鋼筋混凝土地連墻混凝土標號為C40。端頭加固情況如圖4所示。

圖4 端頭加固示意(單位：mm)

(3)降水處理

工程本身的水位較高且地層透水性強，如果施工中出現盾構機對地層擾動過大或壓力泄漏的情況，很容易發生突、涌水等危險。為了避免上述情況的發生，需提前進行降水處理。

盾構進洞接收前采用坑外管井降水，降水井距軸線5 m，間距4 m，井深40～50 m。實際坑外布置26口降水井，坑內布置4口降水井。

根據中間風井同期施工經驗，地層靜水位為8.5～9 m，坑外降水井開啟后，靜水位保持在26～28 m。洞門鋼環頂部埋深為37 m，即開啟降水井后出洞水頭高度為10 m左右。因此，在透水性強的砂卵石地層中盾構接收時很容易發生涌水等狀況，采用鋼套筒接收可降低施工風險。

(4)洞門破除

中間風井接收洞門處地連墻采用C40混凝土、P10玻璃纖維筋澆筑。為減少出洞過程中的刀具磨損，對1 200 mm地連墻破除600 mm。因接收洞門處埋深大，水頭壓力高，機械破除風險較高，為減低破除風險，可采用膨脹水泥(靜態炸藥)破墻法。

(5)洞門密封

在盾構機出洞門進入鋼套筒時，如果盾構機的盾尾脫出洞門鋼環，會加大洞門與鋼套筒之間漏漿的風險。為了保證洞門密封，可采取以下加固措施：

①在洞門鋼環上布置兩道鋼絲刷，并涂抹盾尾油脂。

②在洞門鋼環(鐘表方位2點、5點、8點、11點)布置四個應急注漿孔，在盾構機出洞門進鋼套筒時注入盾尾油脂。

③在玻璃纖維筋地連墻(鐘表方位2點、5點、8點、11點)預留四個應急注漿孔，以便于密封洞門的二次注漿。

(6)測量和姿態調整

在砂卵石地層掘進，盾構機很容易出現姿態偏差，致使其到達時出現接收困難，甚至破壞鋼套筒導致危險事故。為了保證盾構機的姿態正常，在盾構機到達之前，應對盾構機姿態進行復測。

①盾構掘進姿態復測

在距盾構機貫通200 m之前，需要對洞內控制點進行測量復核。在貫通前50～100 m時，應充分利用前面的復測結果，精確測量測站與后視點之間的距離，每一測量點的測量應超過8個測回。同時，在盾構機貫通前50 m，需加強管片姿態監控。

②到達洞門復核測量

在盾構貫通前300 m處，應開始對盾構到達洞門進行復核測量，以準確掌握到達洞門時的施工情況。

③盾構姿態調整

根據①、②復測結果，采取相應措施逐漸將盾構姿態調整至合適位置。另外，盾構機在到達期間掘進速度較慢，會存在機體下沉的情況，可在盾構機到達前將盾構姿態抬高15 mm左右。

(7)到達段掘進施工

盾構機的掘進會對砂卵石地層產生較大的擾動，盾構機接收過程中的掘進參數控制則顯得尤為重要。本次到達段的掘進施工主要分為4個階段，其掘進參數如表1。

①貫通前100 m段掘進

提前在到達段地面、車站端墻及洞門埋設監測點，并加強管片選型的控制。當地層變化較大時，應注意各項掘進參數的調整，尤其是泥水倉壓力的設定。

②刀盤進入素混凝土地連墻

當刀盤進入素混凝土地連墻及加固區后，應注意調整掘進參數。

③刀盤過加固區進入地連墻

當刀盤進入區間風井圍護結構1.2 m厚地連墻時，刀盤經過區域地連墻鋼筋采用玻璃纖維筋代替，剩余600 mm地連墻直接推出洞門。刀盤進入地連墻后，應注意調節掘進參數。管片拼裝每環保證3次復緊，并進行內弧面連接鋼板的焊接工作。

④盾尾脫出風井側墻停機

當拼裝完成825環后，盾尾尚未脫離側墻。需繼續拼裝第826環，當盾尾脫出側墻滿足拆解距離后停機，拆除第826環。

管片拼裝后，保證每環3次以上復緊，并進行內弧面連接鋼板的焊接。當盾尾開始脫出風井側墻時，應加大同步注漿量至200%(12.3 m3)，保證洞門鋼環內部空間填充密實。刀盤進入鋼套筒后，應注意調節掘進參數。

表1 盾構掘進參數

(8)盾構到站

盾構機到站是接收過程中最為關鍵的一個環節，此時盾構機的密封問題尤其重要。盾構機在穿越第二道地連墻時，在鋼環內側焊接一道盾尾刷，內側涂抹盾尾油脂；盾構機停機后，在第813到815環、第818到824環進行二次注漿，與加固體連成整體，形成兩道止水環箍，徹底將隧道后部來水封堵。液漿配比見表2。

表2 雙液漿配比及漿液主要性質

注漿完成后，應通過管片手孔檢查注漿效果。

(9)鋼套筒拆除吊裝

在洞門密封質檢通過之后，即可開始鋼套筒的拆除工作。

盾構機到達指定位置停機后，刀盤停止轉動，泥水加壓平衡盾構機可以通過泥水循環系統洗倉，可以減少大量的清渣土時間。拆卸鋼套筒前應先泄壓，使鋼套筒內外壓力一致。

在拆卸吊裝過程應減少磕碰，確保其圓度與密封，以保證鋼套筒的重復使用。

4 風險分析及應對措施

4.1 洞門漏水及應對措施

接收井拱頂埋深37 m，地下水位較高，且鄰近黃河，土體軟弱且穩定性差，洞門發生漏水概率較大。

發生透水事故時，應首先疏散作業人員，采用方木、棉被和麻袋等封堵透水部位，同時啟用應急降壓井進行抽水，控制透水并使其減??；啟動積水坑內預先安裝的2臺18.5 kW污水泵對風井基坑內進行排水；然后對透水部位進行雙液注漿封堵。

4.2 鋼套筒基座、反力架支撐變形及應急措施

盾構機在掘進過程中，速度、總推力、姿態的控制不合理，會引起鋼套筒基座、反力架支撐產生較大變形，出現刀盤破壞筒體等情況。

為避免上述情況發生，采取以下預防措施：合理控制總推力，使之均勻受力；對各構件進行強度、剛度校核，對受壓構件進行穩定性驗算；構件安裝應定位精確。

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