鋼套筒輔助盾構在富水砂層始發施工中的應用研究

中交第三航務工程局有限公司，上海 200030

近年來國內城市化進程加速發展，地鐵逐漸成為大中城市緩解交通壓力的首要選擇，其中盾構施工技術是地鐵隧道建設的主要施工手段。針對盾構始發端頭的復雜地層，傳統端頭加固方案主要采用地層攪拌、旋噴、注漿等方法提高地層強度、滲透性等指標，避免盾構在始發進洞的過程中發生地面塌陷、噴砂涌水等水土失穩事故。

福州地鐵濱海快線工程濱海西站—大數據站區間主體隧道從大數據站始發，至濱海西站接收。始發端頭主要為粉細砂層，該富水粉細砂層具有自穩性差、黏聚力小、和易性差、含水量高、透水性強等特點。盾構始發風險極高，掘進姿態控制難度也很高，傳統地層加固方式難以保證加固效果達標，冷凍法加固因近海地下水流速極快導致凍結效果不佳，盾構始發風險尚不能完全控制。

為此，在施工方案的比選過程中，鋼套筒輔助盾構始發的施工工藝以其安全經濟、適用性強等優勢得到認可。

1 工程概況

濱海西站—大數據站區間隧道長度約為3099.5m，線路出濱海西站后向東南行進，沿規劃福海路下方敷設接大數據站，區間下穿洽嶼村民房、五站村民房、壺江、規劃河道、規劃路等建構筑物。覆土埋深約8.84～27.17m，采用兩臺φ8634mm復合式土壓平衡盾構機進行區間隧道施工，始發端頭附近為農田、魚塘，施工影響區域無管線、建構筑物等風險源。盾構始發站大數據站的洞門連續墻設計為800mm厚C35混凝土墻（迎土側：玻璃纖維筋，背土側：鋼筋），洞身區域中間設置一道36#工字鋼作為地連墻接縫止水帷幕，洞門鋼圈內徑為8.9m。端頭區域地層由上至下依次為<1-4>填砂、<2-2-1>粉細砂、<2-4-5>（含泥）粉細砂。施工采用800mm厚C20素混凝土墻+5.2m三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+鋼套筒始發施工，加固寬度和深度為洞門圈周圍4m。

2 鋼套筒工作原理

鋼套筒輔助盾構始發技術是指往鋼套筒內填惰性漿液或泥漿，通過鋼套筒密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力，從而實現盾構順利始發，規避了洞門噴砂涌水的風險，杜絕了因洞門滲漏而引起的隧道沉降以及破壞生態環境等問題。

3 鋼套筒結構設計

大數據站始發鋼套筒整體組成（如圖1所示）為連接段（900mm）+A1#～A4#標準段（3000mm）+始發環（600mm）/基準環（630mm）。

圖1 鋼套筒結構設計示意圖

4 鋼套筒始發方案要點

4.1 盾構始發時土艙壓力設定

盾構始發時土倉壓力值的設定以盾構機頂部水土壓力值進行計算，結合隧道埋深、土層密度、黏聚力以及內摩擦角等參數，經計算濱海西站—大數據站區間盾構始發時土壓初始值設定為100～120kPa。

4.2 鋼套筒的耐壓及密封性能

待盾構機組裝調試并通過正式驗收后，盾構機向前推進至刀盤面板靠近洞門掌子面后，鋼套筒下半部分以填砂并加水密實，上半部分則填滿惰性漿液。鋼套筒的耐壓按1.5倍土壓初始值進行試驗，此時通過盾構機刀盤泡沫口加水進行水壓力試驗，檢驗鋼套筒的密封性能。

4.3 鋼套筒防扭轉

為防止盾構機的盾體和鋼套筒整體發生扭轉、傾覆情況，施工前在鋼套筒兩側適當位置安裝工字鋼或者槽鋼。在切削素墻時產生扭矩超限，可適當向鋼套筒內加壓增加防扭轉的抵抗扭矩或者減少推力降低刀盤扭矩。

4.4 各種結構件的連接

（1）在鋼套筒連接段與洞門預埋環板焊接成為一個整體后，需對焊縫位置做探傷試驗，確保兩者連接牢固及鋼套筒的密封性能。

（2）濱海西站—大數據站區間始發所采用的是經設計優化的鋼套筒，其基準環與始發環形成內外環且兩者間可滑動，外環始發環與鋼套筒用螺栓連成整體，盾構機通過油缸將推力傳遞至管片經內環基準環后作用于反力架，內外環寬度尺寸差值（3cm）主要是填補鋼套筒與反力架接觸面間的縫隙，避免盾構機推力無法傳遞至反力架導致連接段與洞門鋼圈焊接處崩裂。鋼套筒示意如圖2所示。

圖2 鋼套筒示意圖

（3）鋼套筒各節段兩側環向及縱向必須平整，安裝時中間設置50mm×15mm橡膠密封墊，保障了鋼套筒密封性能。

（4）在鋼套筒及反力架合適位置布設反光片，始發過程加強鋼套筒及反力架結構的變形情況，必要時補加加強肋板；若出現鋼套筒接縫滲漏，則對相應區域的螺栓復緊，或接縫處做焊接、堵漏處理。

4.5 鋼套筒始發過程控制要點

（1）盾構始發切削素墻掘進參數。根據反力架及支撐結構所能承受水平作用力的設計值以及刀盤初裝刀配置情況，合理設置盾構始發時的總推力、刀盤扭矩、刀盤轉速、掘進速度等相關參數限值。

（2）防止盾體及管片姿態上浮控制。在濱海西站—大數據站區間左線盾構始發刀盤通過加固區后出現后部負環管片和盾尾垂直姿態整體上浮現象，管片上浮最大量有15cm。分析原因如下：①在磨素墻及地連墻期間，因刀盤噴射水、泡沫（保護刀具等）及出渣損失部分原套筒內填充的惰性漿液，導致套筒內水含量多，頂部虛空。②始發前期由于局部盾體未脫出鋼套筒和混凝土結構，且受盾構機自重影響導致盾構姿態整體趨勢向下（盾尾上翹）。③當盾構刀盤出加固區后，全斷面粉細砂層所富含地下水因水土壓力順著盾體通道進入鋼套筒內。④因同步砂漿初凝時間較長，且鋼套筒內含水量較多、頂部虛空，注入砂漿未能及時穩固管片且砂漿自重下沉至底部，易導致管片及盾體進一步上浮。

為此針對性采取措施如下：①第1環負環管片（靠反力架一側）采用內置預埋鋼板，始發前將管片內置鋼板與鋼套筒基準環內環焊接連成整體。②在磨地連墻及素墻時，注入濃度較大的膨潤土；通過素墻前，同步適當注入惰性漿液（上部多注），以補充因出渣損失部分原套筒內填充的惰性漿液，同時通過鋼套筒泄水孔將套筒內泡沫及水排除。③掘進過程中對脫出盾尾第2環管片頂部適合位置注入雙液漿（或水玻璃），使鋼套筒頂部漿液及時凝固，控制管片上浮，單孔注漿量控制在0.5m3以下，同時需防止漿液流至盾尾區域固結盾尾刷失去密封效果。④加大管片姿態復測頻率，及時掌握管片穩定情況。必要時采用12#/14#槽鋼設置3道以上拉緊裝置將管片間連接成整體，從而降低管片間錯臺情況。⑤掘進期間加強同步注漿管控，調整同步漿液水泥含量，初凝時間控制在5h內；適當增加上部兩路注漿管路同步注漿量，結合管片復測數據、徑向探孔情況和管片外觀質量情況及時進行二次注漿。

5 結束語

福州地鐵濱海快線工程濱海西站—大數據站區間富水砂層鋼套筒輔助盾構始發的應用取得了良好的應用效果。雖然盾構始發刀盤通過加固區后出現后部負環管片和盾尾垂直姿態整體上浮現象，但通過采取固定負環管片與鋼套筒、加強同步注漿管控、加大管片姿態復測頻率、進行過程監控分析等措施及時使之恢復。在富水砂層中使用鋼套筒輔助盾構始發，可以突破地層、場地的制約，是現有端頭加固技術的有益補充，也是未來盾構施工技術的趨勢所在，應進行推廣并深化發展。