富水地層下外置烏龜殼式土壓平衡盾構無障礙始發技術研究

李 路，徐 韜，何邦亮，陳華軍

（中鐵上海工程局城軌分公司，上海市 201900）

0 引言

目前，盾構法在城市地鐵隧道的修建方法中，以施工安全性高、對地下管線及地面建（構）筑物的影響較小、不影響地面交通與河道通航、不受氣候條件的影響等特點得到廣泛應用。

地鐵車站或盾構井的圍護結構一般采用鋼筋混凝土結構，常規的盾構法隧道始發前需要人工拆除盾構端頭井圍護結構，破除過程中可能發生涌水、涌砂分析。洞門出部分鋼筋采用玻璃纖維筋替代后，利用全鋼套筒密閉始發技術后，可使盾構機直接進行磨樁推進，有效地消除這個過程極易發生的涌砂、涌水等風險，減少對周圍環境的影響，提高了盾構始發過程中安全保障。

在研究常規土壓平衡盾構始發的基礎上，進一步鉆研洞門切削、外置注漿管路穿越地墻、鋼套筒密閉始發后，在福州地鐵5 號線1 標4 工區實施了富水地層下外置烏龜殼式常規土壓平衡盾構無障礙始發技術，保障盾構始發的安全性。

1 工程概況

福州地鐵5 號線金華路站為地下三層島式車站，與2 號線換乘，采用明挖法施工。

盾構井設置在車站北端頭，圍護結構為1 m 厚地墻，采用水下C 35 混凝土。端頭處盾構隧道埋深約16.9～23.1 m，地層為（含泥）粗中砂，屬強透水層，水量充沛，水位受閩江漲幅影響，穩定水位在隧頂上方16.5 m 處，隧頂水壓力約0.17 MPa，車站區域地下水詳細情況見表1。

表1 車站區域內地下水情況

2 盾構始發輔助措施

2.1 玻璃纖維筋地墻的使用

2.1.1 玻璃纖維筋地墻的優勢

通過抗拉和抗拔試驗數據，對鋼筋與玻璃纖維筋的主要性能進行比較，特性如下：（1）鋼筋與混凝土的錨固力較高；（2）鋼筋的橫向抗剪性能較強；（3）玻璃纖維筋的軸向抗拉強度較高。針對玻璃纖維筋的特性，對洞門處的墻體進行局部弱化[1]。

為了規避洞門人工破除，使軟土盾構刀盤能夠直接切削車站圍護結構，為在洞門范圍內的地墻的背土側使用鋼筋，迎土側使用玻璃纖維筋進行結構弱化。這樣即消除了洞門涌水、涌砂等高發風險，也降低了對周圍環境的影響，提高盾構始發的安全性。

2.1.2 玻璃纖維筋地墻的設置

洞門及洞門上下1.2 m 范圍內設置玻璃纖維筋，鋼筋與玻璃纖維筋縱向搭接2 m，采用U 形螺栓縱向緊固連接，洞門處地墻采用7.5 m 寬墻幅確保大于洞門直徑。

2.2 鋼套筒始發技術

洞門處局部采用玻璃纖維筋地墻弱化后，盾構機可直接穿越，但由于墻外高達20 m 的孔隙潛水壓力，為此增加全鋼套筒密閉始發技術保障盾構安全始發。

鋼套筒是一端開口的筒狀鋼結構，其主要由筒體、后鋼環、過渡環組成，比盾構機略大，使用常規反力架做反力體系，見圖1。

圖1 鋼套筒始發技術示意圖

鋼套筒拼裝完成形成密閉空間后，通過上部下料口中填充混合料并利用盾構機氣體保壓系統施加略大于外部的水土壓力，從而實現鋼套筒內部與掘進地層的內外水土壓力平衡。盾構在鋼套筒內正常掘進，有效的避免了涌砂、涌水風險的發生，降低了對周圍環境的影響，保障盾構始發安全[2]。

3 施工技術

3.1 工藝流程

無障礙始發施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程圖

3.2 玻璃纖維筋的定位

（1）在鋼筋綁扎時時，在畫出玻璃纖維筋搭接及安裝位置標線，尤其是要標出洞門位置，確保玻璃纖維筋的定位精確；

（2）根據玻璃纖維筋地墻配筋圖,結合成槽過程中測量的誤差，計算玻璃纖維筋的安裝位置，確保鋼筋不得侵入洞門。

3.2.1 混凝土灌注

（1）安裝導管前進行水密承壓和氣密性檢測，確認導管密封性。導管內部放置隔水塞，底部與孔底距離約600 mm 左右，確保初灌成功率。

（2）混凝土灌注前要在現場測試混凝土坍落度，坍落度不滿足要求時須廢棄。

（3）灌注前再次檢查孔底沉渣，確保沉渣厚度滿足設計規范要求。

（4）清底后立即進行混凝土灌注，混凝土初灌量應進行計算，確保導管埋深大于1 m。

（5）由于玻璃纖維筋較輕，在鋼筋籠上浮幾率較大，應采取以下措施：灌注前，確保清孔質量要滿足要求；灌注中，間斷時間不超過15 min，總停止時間不得超過混凝土初凝時間；灌注時導管要及時上提與拆管，埋深不超過4 m。

3.2.2 洞門安全性檢查

（1）鋼套筒安裝前對洞門內層鋼筋進行鑿除，鑿除厚度約10 cm，完成后安裝“防栽頭裝置”，再對檢查洞門鋼環內有無凸起部分，避免剮蹭盾構機；

（2）始發端頭釆用旋噴樁+攪拌樁的方式進行加固，在始發前要進行地面抽芯然后再進行洞門水平抽芯檢查，檢查合格后進行鋼套筒安裝。

3.3 全鋼套筒密閉始發體系

（1）安裝鋼套筒和反力架

a.首先在端頭井內確定出盾構始發中心線，在按放樣的位置安裝鋼套筒；

b.其次進行下半部分鋼套筒安裝，第一節定位最為關鍵，后續的筒體對齊螺栓孔為即可，節段之間粘貼環向橡膠密封墊，下半部分整體安裝完成后再次核對中心線，確定無誤后將洞門鋼環與下半部分鋼套筒焊接；

c.反力架的水平位置和標高根據鋼套筒長度、洞門標高等確定，與常規反力架安裝方式一致。

（2）在鋼套筒底部盾構機鋼軌支座之間鋪砂，并超出支座15 mm 左右，之后在筒內安裝盾構機主體。同時利用盾構機自重壓實砂層，使其能夠提供一定的摩擦力，用以輔助抵抗盾構機扭轉。

（3）盾構機主體組裝完畢后，進行鋼套筒上本部分安裝。然后，檢查鋼套筒與洞門鋼環之間的焊接質量和各部件的栓接質量，若發現有隱患，要及時有效處理。

（4）負環拼裝及鋼套筒尾部封閉

鋼套筒與反力系統安裝驗收完成后，見圖3，進行負9～負6 環拼裝。此時可以通過鋼套筒上部下料口對鋼套筒與盾構的之間進行填充，同時盾構機在鋼套筒內前移時須加大盾尾油脂的注入量，確保鋼套筒尾部的密封，必要時采用外部設備壓入[3]。

圖3 全鋼套筒密閉檢測階段（單位：mm）

（5）全鋼套筒耐壓檢測

完成鋼套筒尾部密封后，通過鋼套筒上部閥門進行加水至溢出，利用盾構機自帶的氣體保壓系統對鋼套筒進行加壓，加壓過程中，并仔細檢查鋼套筒周邊有無漏滲水現象，并進行位移監測。出現滲漏、位移過大或應變超標現象，須立即停止加壓，進行卸壓、采取封堵后繼續試驗，直至滿足加壓泄壓的時間要求為止。

（6）切削地下連續墻

全鋼套筒密閉檢測符合要求后開始穿越高強度地下連續墻，完成地下連續墻切削后，正常掘進與拼裝，在正5 環拼裝完成后，對洞門封閉，之后為正常掘進階段，見圖4、圖5。

圖4 鋼套筒后端密封方式

圖5 鋼套筒密閉始發（單位：mm）

4 施工關鍵技術

4.1 常規土壓刀盤全軌跡重型撕裂刀配置

在項目工作組的大量調研與研究下，召開多次技術交流會，最終選擇對既有刀盤進行改造。原薄弱的撕裂刀全部更換為重型撕裂刀，并分兩種刀高，軌跡間距60 mm，同軌跡兩把，全盤負責鋼筋混凝土地下連續墻切削，刮刀不參與混凝土切削工作，見圖6。

圖6 常規土壓刀盤全軌跡重型撕裂刀軌跡圖

4.2 外置式注漿管路針對性設計

針對外置注漿管設置了保護刀，并進行了保護刀切削混凝土的試驗，僅需3t的力道即可切削C 60混凝土試塊，完全滿足本區間水下C 35 地下連續墻的切削（實際強度42 MPa）。同時刀盤開挖直徑略大于盾體外徑40 mm，也為外置注漿管保護刀切削混凝土地墻創造了臨空面，圖7 為外置注漿管路保護刀切削試驗照片。

圖7 外置注漿管保護刀切削試驗

5 應用效果評價

5.1 端頭周邊環境沉降監測

始發前一個月對端頭盾構區間影響范圍內布設監測點，定期監控沉降變化。除盾構機在連通土體后，未在第一時間針對調整針對砂層的掘進參數，引起螺旋機噴涌，造成了一定的土體損失，導致的地表沉隆-5.1 mm，在后續的施工過程中地表沉隆控制良好，沉降曲線見圖8。

圖8 百環累計沉隆值變化曲線

5.2 鋼套筒與反力系統位移

為了監測鋼套筒與反力系統結構變形情況，分別在鋼套筒前段上、左右兩側設置百分表，內鋼環、反力架立柱上下設置全站儀監測點，始發過程監測曲線見圖9、圖10。

圖9 鋼套筒前段累計位移變化曲線（單位：mm）

圖10 鋼套筒內鋼環及反力架累計位移變化曲線（單位：mm）

始發過程中，鋼套筒主體與外鋼環基本未發生位移，內鋼環和反力架存在微小位移，結構變形滿足要求。

6 結論

以福州地鐵5 號線1 標4 工區金華路站～金山站盾構工程應用情況為例，得出以下結論：

（1）常規軟土盾構刀盤在不改造主體結構的情況下可以配備全軌跡重型撕裂刀，且完全可以切削水下C 35 高強度地下連續墻。在配備針對性設計的外置注漿管保護刀后可以做到不用擴大開挖尺寸，從而做到安全順利的切削并通過地下連續墻。

（2）鋼套筒始發技術，實質上是為盾構創建了一個類似于掘進地層中的自然施工環境，使盾構在相同的施工環境下進入地層掘進，大幅降低了盾構始發的危險性。

（3）全鋼套筒密閉始發的施工風險在盾構穿越地連墻后的瞬間，從模擬環境進入富水砂層環境后，外界的水土壓力接入鋼套筒及穿越地連墻后工況的變化，因此盾構在穿越地連墻后需要及時調整好施工參數。

（4）鋼套筒前端的密封已有高效的保障措施，后端內外鋼環之間的環形密封需要格外重視，安裝后應通過耐壓試驗檢測密閉性。

通過改進的無障礙始發技術，在承壓富水地質條件下，成功地完成了富水地層下外置烏龜殼式常規土壓平衡盾構無障礙始發。相較與常規盾構始發技術，提高了安全保障，加快了施工進度，是值得大力提倡的方法。