富水圓礫地層土壓平衡盾構密閉始發技術研究

周洋，李艷

（1.南寧軌道交通集團有限責任公司，南寧 530029；2.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530000）

1 引言

盾構始發是盾構法施工隧道中的重要工序之一。盾構始發是通過反力架和負環管片等設備，將盾構推入已加固的端頭土體中，并沿著預先設計的線路進行掘進，直至盾構全部進入加固體，最后拆除相關輔助始發設施的一系列過程【1～4】。根據統計，盾構隧道施工始發及接收引起的工程事故占盾構施工總事故的1/2 以上，這些事故的產生往往是盾構始發及接收輔助施工措施采用不當引起的【5】。

富水圓礫地層透水性強，地下水豐富，進行盾構機始發施工時，若加固措施不當或未達到預期加固效果，易造成洞門涌水、涌砂的事故，導致地面塌陷，周邊建筑物及管線變形甚至破壞，施工風險較大【6～8】。

本文結合南寧市軌道交通5 號線北湖南路站—虎邱站區間段土壓平衡盾構始發工程，對鋼套筒密閉始發進行了技術研究，并通過監測數據，驗證了該技術的應用效果。

2 工程概況

南寧市軌道交通5 號線北湖南路站—虎邱站區間段（簡稱北～虎區間段）起點為北湖南路站，終點為虎邱站，左（右）線起訖里程 Z（Y）DK25+734.263～Z（Y）DK26-295.963，左線短鏈2.772m，左線長度為558.928m，右線長度為561.700m，區間總長度為1 120.628m。本區間主體工程主要由1 個盾構區間隧道段構成，附屬工程包括1 個聯絡通道（無廢水泵房）和4個洞門。

2.1 始發段工程地質與水文情況

隧道主要穿越粉質黏土、粉土、圓礫地層，北—虎區間段內地層主要以圓礫地層為主，占比達47.50%。圓礫地層以礫石為主，少部分卵石，顆粒不均勻系數Cu平均為21.94，屬不連續級配。磨圓度較好，以亞圓狀為主，部分滾圓狀或次棱角狀。重型動探實測擊數9～36 擊，平均14.6 擊，修正后平均擊數9.2擊。

隧道拱頂埋深為9.86～12.32m，始發段隧道穿越圓礫地層

2.2 襯砌管片設計

盾構隧道襯砌管片內徑5.4m，外徑6.0m，管片厚度0.3m，環寬1.5m。每環襯砌由6 塊管片（3 塊標準塊，2 塊鄰接塊，1塊封頂塊）拼接而成，施工時采用錯縫拼裝。襯砌采用鋼筋混凝土管片，混凝土等級為C50。管片縱、環向接頭均采用8.8 級M24 螺栓連接。

3 密閉始發施工工藝

富水圓礫地層中盾構機始發時易發生洞門涌水、涌砂的事故，施工風險較大。為減免施工風險，北—湖南區間段盾構始發采用鋼套筒密閉始發技術。

3.1 端頭加固

虎邱站接收端采用φ600mm 雙管旋噴樁，加固長度6m，深入隧道底部泥巖層1m。車站圍護結構內、隧道洞周施作2排注漿孔并進行注漿。外、內排注漿孔采用孔徑φ48mm 的PVC 管。端頭加固應在車站主體基坑土方開挖前或主體結構封頂后進行。在每個端頭加固區內設1 口降水井，滿足條件開始試抽水。觀察井內水位是否上升，不上升說明加固效果良好，否則采取注漿堵水后再次抽水，觀察水位變化；如此反復直至井內水位不變化。

加固完成后28d，在加固范圍的4 個角點處進行鉆芯取樣，每個加固端取樣8 點，每點取樣3 組，檢測其抗壓強度。無側限抗壓強度不小于1MPa，滲透系數小于10～8cm3/s。

3.2 鋼套筒設計與安裝

3.2.1 鋼套筒設計

盾構機始發時切口水壓約為0.21MPa，鋼套筒設計耐壓0.5MPa。鋼板選擇Q235B 鋼材，板厚δ 為16mm。整個鋼套筒結構由過渡環、筒體、反力架和左右支撐等部分組成。

筒體部分長10 900mm，直徑（內徑）6 500mm。分3 段，每段又分為上下兩半圓。每段筒體的端頭和上下兩半圓接合面均焊接圓法蘭，法蘭用24mm 厚的A3 板，上下兩半圓以及兩段筒體之間均采用8.8 級M24 螺栓連接，中間加3mm 厚橡膠墊。筒體底部用200mm×200mm 工字鋼按托架對應的尺寸焊接成為整體。鋼套筒筒體如圖1 所示。

圖1 始發鋼套筒筒體

鋼套筒與洞門環板之間設1 個過渡連接環，洞門環板與過渡連接環采用焊接，鋼套筒的法蘭端與過渡連接板采用螺栓連接。每段筒體中部設置600mm×600mm 進料口，在每段鋼套筒底部預留3 個6.6cm 帶球閥注排漿管，共6 個等間距布置。

3.2.2 過渡環安裝

根據現場實測洞門上的預埋鋼環板實際平整度，量身定做過渡環，過渡環與鋼環板焊接，焊縫沿過渡環一圈內外側滿焊，焊縫必須飽滿。如出現過渡環與連接板有些地方無法與洞門環板密貼的情況，需在這些空隙處填充鋼板并連接牢固，確保鋼環和過渡環連接牢固。

3.2.3 鋼套筒下半圓安裝

開始安裝鋼套筒之前，首先在盾構吊出井內確定出盾體中心線，確保從地面上吊下來的鋼套筒力求一次性放到位，不用再左右移動。

第1 節鋼套筒的下半部懸掛，鋼套筒的中心與預先確定好的井口盾體中心線重合，鋼套筒兩側的下半部法蘭四周用6mm 厚的橡膠墊片密封，第2 節的下半部在水平和垂直位置要一致，以保證螺栓孔對位準確，且需用M24 高強螺栓緊固連接。

3.2.4 鋼軌與盾構機安裝

在鋼套筒下方90°圓弧內平均分布安裝2 根43kg 鋼軌，鋼軌從鋼套筒后端鋪設至洞門1m 位置，鋼軌兩側通長焊接。為保持盾構機始發時抬頭的趨勢，靠近洞門端鋼軌墊高20mm，盾尾端鋼軌不墊高，導軌距洞門長度較大，為避免盾構主機出現“栽頭”現象，在始發洞門底部安裝洞口始發導軌，安裝始發導軌時應在導軌的末端預留足夠的空間，以確保導軌不影響刀盤旋轉。導軌采用膨脹螺栓配合小壓板固定在洞門底部，高度略低于鋼套筒內鋼軌面。

在鋼套筒底部4 根鋼軌之間鋪砂并壓實，每個位置的鋪砂高度高出相應鋼軌的高度15mm，待盾構機放上去后，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。此步驟為鋼套筒始發第一次填砂。

3.2.5 鋼套筒上半圓安裝

盾構主機組裝完成后，安裝鋼套筒上半圓，進行壓緊螺栓的調整。檢查各部連接處，對每一處連接安裝的地方進行檢驗，確保其連接的完好性，尤其是對于鋼套筒的上下半圓和節與節部分之間聯結的檢查，還要檢查過渡連接板與洞門環板之間的焊接，看是否存在著點焊或浮焊，發現有隱患，要及時處理。

3.2.6 反力架安裝

在盾構主機與后配套連接之前，開始進行反力架安裝。在安裝反力架時，反力架端面與始發臺水平軸垂直，以便盾構軸線與隧道設計軸線保持平行。反力架的結構形式見圖2。

圖2 反力架結構形式安裝示意圖

3.3 負環拼裝

3.3.1 負環管片環數的確定

根據始發井長度為12.7m，反力架的設置位置，確定負環管片環數為6 環。

反力架前端中心里程D 為：

式中，D洞門為洞門中心里程。

3.3.2 負環拼裝

負環管片全部采用標準環，負環管片采取錯縫拼裝以防止管片失圓，-6 環管片封頂塊位置定為11 點位（封頂塊向左偏移18°）。-6～-1 環管片按正常管片粘貼軟木襯墊及防水條。

在安裝第一環負環管片時，首先在盾構機盾尾盾殼下半圓內部安設4 根厚度25mm，長度1 700mm 的圓鋼，等盾構機完全進入洞內，洞口開始進行同步注漿時，將圓鋼割除。

第一負管片與反力架基準環間采用特殊螺栓連接，管片利用管片拼裝機在盾尾內整環拼裝后，利用推力千斤頂將管片推出盾尾，并與反力架基準環緊密連接牢固。其他負環管片安裝與正常掘進管片拼裝相同。負環管片布置如圖3 所示。

圖3 負環管片布置圖

3.4 鋼套筒第二次回填砂

盾構機向前推進至刀盤面板貼近洞門掌子面后，向鋼套筒內進行第二次填砂，本次填砂將整個鋼套筒填充滿。在刀盤切口環后方鋼套筒內壁設置1 道密封裝置，避免向筒體內二次回填料的過程中填料串入土倉內，在填充的過程中適當加水，保證砂的密實。

為保證負環管片與鋼套筒之間的密封效果，填砂完成后，通過靠近反力架兩環管片的吊裝孔進行壁后注漿，注漿材料采用惰性漿液，在管片后面形成1 道密封防滲環，注漿壓力不大于0.3MPa。

3.5 始發掘進施工

1）盾構推進參數，在保證盾構正常推進的情況下，掘進參數建議選擇總推力小于8 000～10 000kN，刀盤扭矩小于3 000kN·m，掘進速度小于30mm/min（刀盤磨地連墻時速度不大于5mm）。

2）盾構姿態控制，盾構始發時其鉸接角度為零，同時由于盾構機刀盤及前體較重，始發過程中易出現盾構機“低頭”的情況，盾構機的始發姿態宜適當“抬頭”，其坡度比設計坡度略大。

3）刀盤進入地連墻200mm 后開倉檢查刀具情況，并對刀具進行復緊。

4）盾構機尾部還沒有始發進入洞門之前應設置防堵泡沫管，并保證盾尾的油脂注入飽滿。

5）一般在正4 環完成后封堵洞門。具體位置可通過鋼套筒長度、盾體長度、洞門寬度計算。注漿時壓力不要過大，可根據計算的注漿量分幾次注漿（一般分3 次），待下部初凝后，進行中部注漿，中部初凝后，進行上部注漿。注漿過程中要準備好鋼板型鋼等物料，對漏漿的地方進行封堵。

6）盾構始發階段施工時，對盾構設備調試、洞門的土體穩定、洞門可能出現的涌泥涌沙和地面監測4 個方面要綜合考慮，力爭快速、安全始發，盡早進行洞門注漿。

3.6 洞口注漿

在盾尾完全進入洞內后，進行洞口注漿，同時，利用洞門預埋注漿管和管片增加的徑向注漿孔進行洞門密封。漿液不但要求順利注入，而且要有早期的強度，注漿壓力控制在0.15MPa 以內。

4 應用效果評價

富水圓礫地層盾構施工風險大，為確保工程安全，并保護周圍環境，需要在施工全過程進行監測，根據監測結果，在施工過程中積極改進施工方法、施工工藝和施工參數，最大限度地減小周邊地表、建筑物等的變形。根據本區間隧道結構形式及周圍環境特點，現場監測進行以下項目：

1）沿線受施工影響的周邊建筑物沉降；

2）沿線受影響的地表沉降；

3）周圍地下管線變形。

隧道襯砌前30 環位置地表、管線與周邊建筑物沉降監測測點布置如圖4 所示。

圖4 沉降監測點布置圖

4.1 地表沉降監測

盾構始發前15 環施工自 2019 年 6 月9 日開始，5 月9日～5 月 12 日完成-3 環管片施工，5 月 13 日～6 月 13 日，由于刀具損壞更換刀具暫停施工，6 月14 日～6 月17 日完成-3～0環管片施工，6 月 18 日～6 月 26 日完成 0～12 環施工，6 月 27日～6 月 28 日二次注漿封堵洞門，6 月 29 日～6 月 30 日完成13～15 環施工。

施工前，分別在 1、3、7、10、13、17、20、23、27、30 環位置處地表設置電子水準儀和銦鋼尺監測地表沉降變形。

-3～0 環管片施工時，地表變形產生了一定的回彈隆起；0～12 環管片施工時地表發生沉降，沉降變化速率較小；封堵洞門時地表產生了較大的變形沉降，封堵完成后地表變形逐漸恢復；0～12 環管片施工時，1-13 環處變形沉降增量大于17-30 環處沉降增量，1-13 環最大沉降增量為4.2mm，最大累積變形量為-3.44mm。

4.2 周邊建筑沉降監測

盾構始發階段隧道附近大型建筑主要有南寧區種雞場宿舍和大板住宅樓。由于種雞場宿舍靠近盾構始發端，其隆起變形波動明顯大于大板住宅樓。6 月14 日～6 月30 日盾構掘進施工期間，種雞場宿舍發生了沉降變形，平均累積隆起為2.2mm，單監測點最大累積隆起為4.52mm，最大累積沉降為0.4mm，建筑物發生了微小的傾斜。

4.3 管線沉降監測

分別在 1、3、7、10、13、17、20、23、27、30 環位置處設置管線變形監測點。

4.4 應用效果評價

通過對地表沉降、周邊建筑物沉降及管線沉降的監測分析，發現沉降變形均控制在規范規定范圍內【9】。盾構機始發時未出現洞門涌水、涌砂的事故，無較大施工事故出現。

綜上，鋼套筒密閉始發技術在富水圓礫地層中應用效果良好，可以為在南寧地區盾構始發施工提供技術參考和實踐經驗。

5 結語

本文介紹了南寧市軌道交通5 號線北—虎區間段富水圓礫地層中密閉始發的過程，通過對地表、管線和周邊建筑變形監測分析，確保了密閉始發施工的安全性。

1）采用鋼套筒密閉始發工藝，通過填砂注漿等施工措施，避免了洞門涌水、涌砂的事故，降低了施工風險。該技術應用效果良好，研究成果可為同類工程提供技術指導與實踐經驗。

2）負環管片施工時，地表變形產生了一定的回彈隆起；0～12 環管片施工時地表發生沉降，沉降變化速率較小；封堵洞門時地表產生了較大的變形沉降，封堵完成后地表變形逐漸恢復。

3）始發掘進施工時，管線變形變化波動較小，管線變形比地表變形和建筑物變形小。