液化地層盾構短鋼套筒組合始發技術分析

摘" 要： 隨著地鐵建設周邊環境及地質水文條件越來越苛刻、復雜，傳統單一的盾構端頭加固方法很難再適應解決盾構始發過程中的多重客觀問題，為達到縮短施工周期，節約建設成本，始發安全可靠的目標，行業中逐漸嘗試多元化新型組合盾構始發工藝。該文結合工程實例和理論分析，論述采用短鋼套筒輔助技術的新型組合工法可有效解決液化地層盾構始發中的主要風險，為液化地層沒有端頭地面加固條件或優化傳統加固的盾構始發提供借鑒與參考。

關鍵詞：液化地層；短鋼套筒；盾構始發；地層加固；富水

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2023）15-0164-05

Abstract： As the surrounding environment of subway construction and the geological and hydrological conditions become more and more rigorous and complex， the traditional single shield end reinforcement method is difficult to adapt to solving multiple objective problems in the process of shield launching. In order to shorten the construction cycle， save construction costs， and start safely and reliably， the industry gradually tries to diversify the new combined shield launching process. Based on engineering examples and theoretical analysis， this paper suggests that the new combined construction method with short steel sleeve auxiliary technology can effectively solve the main risks in the starting of shield tunneling in liquefied strata， thus providing reference for the starting of shield tunneling in liquefied strata without end ground reinforcement conditions or optimizing the traditional reinforcement.

Keywords： liquefied formation; short steel sleeve; shield launching; formation reinforcement; water-rich

適宜的盾構始發工藝關系到盾構能否順利始發，同時也可以縮短施工周期，節約建設成本。目前，盾構機始發工藝有多種，如降水法、旋噴樁加固法、攪拌樁加固法、注漿法和冷凍法等，結合工程條件與每種加固方法的適用性、可操作性、經濟性選擇合適的加固方法[1]。以上方法基本以“地層預加固”為主，隨著工程建設周邊環境及地質水文條件愈來愈苛刻、復雜，常常出現盾構始發端頭沒有地面加固條件或單一工藝加固后效果不佳情況。因此，盾構端頭加固施工方法從傳統單一的端頭加固工法向多元化新型組合工法轉變已是行業趨勢，也是未來研究的方向[2]。

其中，全鋼套筒輔助技術在以往工程中常會應用到盾構機接收階段，在盾構始發過程中采用全鋼套筒的案例較少，主要存在于鋼套筒側壁，對盾構前盾與中盾、中盾與盾尾之間的焊接組裝，負環管片安裝固定，后配套臺車與盾構主體連接等存在諸多不便，現場實操難度遠大于采用鋼套筒接收時的工況。雖然陳星欣等[3]在佛山市地鐵盾構區間中采取對盾構始發密閉鋼套筒進行改進與實踐，但盾構始發采用全鋼套筒在工期、造價等均不占優勢，導致盾構始發過程中很少采用全鋼套筒工藝。

鋼套筒輔助技術作為代表裝配化程度較高的工藝，值得行業內進一步探索。近幾年在地鐵區間工程中采用的短鋼套筒輔助技術已在多個工程中應用并取得了良好的效果。如文獻[4]介紹在喀斯特地貌（上軟下硬、巖層裂隙水豐富的復雜地層）中盾構始發因常規地面加固后仍有大量裂隙水從盾構預留洞口冒出且常規降水措施無法降低水位，而選擇長度為600 mm的短鋼套筒輔助控制技術；文獻[5]介紹在以色列特拉維夫（富水砂層）盾構始發端頭因采用旋噴樁加固的方式后效果不佳，而選擇長度為2 175 mm的短鋼套筒始發技術；文獻[6]介紹在鄭州地鐵3號線（富水粉細砂層）盾構始發因端頭采用水平WSS注漿（無收縮雙液注漿）加固后效果不佳而選擇長度為800 mm的短鋼套筒始發技術。

雖然已有學者開展了短鋼套筒的相關總結，但多側重于施工單位對短鋼套筒的安裝操作要點上。本文結合工程實例，從設計角度分析短鋼套筒組合始發技術在液化地層盾構始發中的應用。

1" 依托工程概況

太原地鐵1號線一期工程全長約33.8 km，區間工程主要以盾構施工為主，盾構外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，其中盾構區間穿越汾河漫灘區長度約4.7 km，汾河漫灘區涉及范圍約“三站三區間”，此范圍區間掘進采用土壓平衡式盾構機，盾構始發與接收范圍區間埋深約11～13 m。

1.1 水文地質

根據太原地區區域地質資料并結合本區間的巖土工程勘察報告結果，盾構區間穿越汾河漫灘區自上而下大致分為第四系人工填土、第四系全新統沖洪積層的黏質粉土層（局部）、粉細砂層、中砂層和粗砂層等。

其中，人工填土結構松散；黏質粉土層以稍密狀態為主，具中壓縮性，土質不均；粉細砂層呈松散-稍密狀態，具中壓縮性，土質不均，局部夾薄層黏性土；中砂層呈松散-稍密狀態，具中壓縮性，土質不均，偶見角礫，局部夾薄層黏性土；粗砂層以中等密實狀態為主，具中壓縮性，土質不均，偶見角礫，夾薄層黏性土。

本場區地下水為松散層孔隙潛水，主要賦存于沖、洪積相砂類土、粉土中。潛水穩定水位埋深1.30～3.30 m。

地面以下20.0 m內分布的粉細砂、局部中砂層及粗砂為可液化土層，液化指數為1.61～37.82，液化等級為中等—嚴重。案例工程選擇一處液化地層較為嚴重的盾構始發場地，地質剖面圖如圖1所示。

1.2 周邊環境

本標段的盾構區間沿著太原市迎澤大街敷設，迎澤大街為雙向12車道，沿路基本均為省、市級政府機關或金融機構，道路下方市政管線眾多，本案例盾構始發影響范圍主要有3.2 m×1.5 m的排水箱涵（砼），埋深4.2 m；1.4 m×1.0 m的電纜箱涵（110 kV），埋深2.7 m，其中，有一根橫跨盾構始發區的電力托管并入此電力箱涵；DN800 mm給水管（鑄鐵），埋深3.2 m。

車站主體基坑施工時，因工籌、占路圍擋條件等因素影響，未能將主體基坑施工時需改遷的市政管線一并改遷至盾構端頭始發地面加固場地外，導致后續端頭不具備地面預加固條件，如圖2所示。

2 設計方案研究

2.1 總體方案設計

對于在富水砂層場地的盾構始發，常規工藝采用攪拌樁進行地面預加固，縱向加固長度則為盾構主機長度+（1.5～2.0 m）為宜，此時盾構機盾尾進入洞門并開始注漿后，盾構刀盤尚未脫離加固區，這樣盾構刀盤出了加固區以后，由于同步注漿漿液的密封止水作用，不會有水土沿盾殼與土體間的間隙流入始發井，不會造成水土流失，引起大的地表沉降[7]。因此，盾構始發進行地層預加固的主要目的是為了保證盾構始發過程中地層穩定、 防止地下水噴涌及掌子面失穩坍塌，故一般應滿足：①端頭土體洞門破除擾動條件下的地層穩定性要求；②洞門接口處不發生滲漏水，特別在富水砂層不發生涌水、涌砂的要求；③防止盾構機始發范圍引發過大的地面沉降或坍塌[2，7-8]。

由于車站主體施工時市政管線未改遷至地面預加固區的影響范圍外，本工程不具備地面加固條件。結合本項目的地質水文條件和周邊條件分析，項目最終選擇“帶玻璃纖維筋的地下連續墻+短鋼套筒輔助技術+水平深孔注漿”的組合盾構始發工藝。

2.2 組合盾構始發工藝分析

2.2.1 帶玻璃纖維筋的地下連續墻

本工程盾構端頭洞門范圍地下連續墻采用玻璃纖維筋，盾構機可直接切削地下連續墻，避免拆除圍護結構（地連墻）時振動對土體產生影響，同時盾構機從啟動后即可頂緊地下連續墻，提前建立土壓平衡。

2.2.2 短鋼套筒輔助技術

盾構始發的另一個關鍵點是防止洞門出現滲漏水，盾構始發初期盾構姿態難以控制，盾構蛇行造成盾尾與洞門間隙不均，影響盾尾刷與洞門處橡膠簾布之間的密封效果，尤其富水砂層可能引起涌水、涌砂。

常規盾構始發措施如降水法、攪拌樁法、注漿法和冷凍法等，無一例外的主要核心是解決“滲漏水”的問題，“治水”是決定盾構始發成敗的關鍵因素。對于常規盾構始發工藝選擇預加固始發前端土體，以降低始發范圍土體強度、滲透性，防止發生突水、涌砂等，實則將地下水排斥至始發加固區范圍外。而本工程的“治水”思路另辟蹊徑，將“止水措施”設置在始發井內，即在洞門向內外延一段短鋼套筒，短套筒內設置多道“止水措施”的做法，有利于杜絕涌水、涌砂。

經過全面分析本工程場地的地質水文和周邊條件，同時借鑒太原地鐵2號線在汾河漫灘區已有盾構施工經驗，采用長度為1 200 mm的短鋼套筒。短鋼套筒為由2塊帶短肋的鋼環拼接而成，內側面直徑6.7 m（盾構機直徑6.4 m），鋼環內置2道密封鋼絲刷，短鋼套筒外邊緣再設置一道常規的密封橡膠簾布及壓板，如圖3所示。

在盾構機始發且安裝負環管片之前，將2道鋼絲刷及簾布橡膠止水裝置之間所圍成的密閉空間填充滿盾尾油脂，盾尾油脂采用手涂型，其施作質量的好壞將直接影響盾尾在盾構始發過程中的防水性能。同時在2道鋼刷之間預留注油脂管，結合動態監測短套筒的密封效果進一步向盾體與短套筒之間多次壓注油脂，確保動態中可靠“治水”，同時短套筒的密閉環境可快速建立洞門處機頭的土倉壓力。由此可見，短套筒具有獨特的優點，常規“地層預加固”工藝屬隱蔽工程，即使對加固后土體強度、滲透性等進行檢測，但因監測點有限，必然不能做到無死角，可能存在薄弱區域，從而出現很多工程實例中預加固不理想的情況，如在始發開始時才顯露出加固效果不理想，則往往需要較大的人力、物力去補強，過程中存在引發周邊地層較大變形甚至始發失敗的風險。而采用短鋼套筒將始發可能出現的滲漏水等問題“誘導”至一個可方便操作、可二次補強的區域。即短鋼套筒的獨特之處，如圖4所示。

本工程盾構始發除采用短鋼套筒，同時采用常規“負環+反力架”的輔助措施。當盾尾完全進入正環區間后，及時向洞門處正環管片背后進行同步注漿和二次注漿，經檢查洞門封堵可靠即可有序拆除短鋼套筒；若仍有較大滲漏水，則可通過鋼套筒在靠近結構側墻一側留出注漿口注入速凝材料，協助封堵洞門，整套始發工藝步序如圖5所示。

2.2.3 水平深孔注漿

本工程盾構穿越嚴重液化的不良地層，而液化土的特性不僅是在地震荷載作用下出現液化現象，同樣在持續的動荷載作用下也可能導致飽和砂土孔隙壓力升高，以及引起土體剪切強度喪失和有效應力降低。因此，土體液化對結構的主要破壞為地基失效引發結構不均勻沉陷或結構上浮。

對于盾構始發階段掘進壓力、速度、姿態等多重因素的不穩定，盾構機對始發范圍土體會造成一定的擾動。為了解決盾構始發過程因土體擾動引起盾構機下部地基承載力不足而沉陷也是設計過程中需認真考慮的問題；同時，在后期地鐵正常使用階段，預防地震液化對區間隧道上浮和變形破壞也是地鐵設計中的重點，尤其盾構與車站銜接處受地震液化影響最為明顯，有必要對盾構區間四周土體進行加固處理[9-11]。本工程采用始發井內水平深孔注漿對盾構始發范圍土體進行加固。

辛振省等[12]在盾構始發端預加固合理范圍研究中，采用三維有限差分程序模擬不同縱向長度和不同徑向厚度的預注漿盾構始發的力學場進行對比分析，其縱向加固深度不小于8 ｍ，徑向加固厚度不小于2 ｍ時的預注漿范圍時始發斷面最大主應力、掌子處位移、地表沉降和破壞區范圍等均可達到較為理想狀態。

本工程盾構始發段水平加固深度為10 m，盾構徑向加固厚度與標準段穿越嚴重液化地層盾構洞內注漿加固厚度保持一致，徑向加固厚度為3 m。采用鉆桿后退式深孔注漿方式，考慮富水砂層特性，最外排注漿孔采取雙液漿速凝材料快速形成封地層，避免漿液流失，其余范圍采用水泥漿液。由外側向洞門中心對稱進行跳孔注漿，采取奇數孔定量控制，偶數孔定壓控制注漿。對于本區間工程其他段的液化處理，因篇幅有限，本文不作具體論述。

另外，隨著盾構機技術不斷改進，本工程盾構機設有前、后2道閘門，螺旋機尾端設置一處排土閘門，在螺旋輸送機的入口前部承壓隔板上設置一處安全閘門，可在發生土砂或地下水噴涌時及時封閉土倉，交替開啟減小噴涌量，在保持土倉壓力的同時通過保壓泵正常出渣。同時在推進過程中向土倉和掌子面注入膨潤土漿液改良渣土。膨潤土的注入有效地保證了土倉的壓力，可更好地控制出土量，使砂層過剩孔隙水壓力釋放的同時增加砂層的密實度，降低液化地層中掌子面壓力難以建立而出現土體坍塌情況的概率，為富水砂層盾構始發提供多重保險。

3 經濟效益分析

對于在富水砂層場地進行盾構始發，常規工藝采取攪拌樁地面預加固（攪拌樁與盾構井圍護結構之間間隙采用旋噴樁包角），縱向加固長度為盾構主機長度+2.0 m（即總長10 m），洞門上下、左右3 m范圍的攪拌樁為實樁，其余為空樁，一次盾構始發加固費用約85萬。

本工程案例相較常規工藝的不同之處在于采用短鋼套筒+水平注漿。一套1 200 mm長度的短鋼套筒費用（含加工、安裝費）約18萬，水平注漿費用約20萬。

單次盾構始發可節約47萬元，且無須遷改上方加固范圍內的市政管線。近幾年，隨著地鐵建設過程中對社會影響程度加劇，前期市政管線遷改費用巨大，而且遷改過程中協商難度大，尤其高壓電力管線的難度更大。

4 結束語

盾構機直接切削帶玻璃纖維筋的地下連續墻，逐漸進入地層、直到盾尾完全進入地層之前，在盾構井逐漸增加負環管片，掌子面注入膨潤土漿液改良渣土且進行同步注漿，基本可以避免出現掌子面坍塌導致地層不穩定而引起較大地面沉降的情況；往往最大風險來自于盾構機與洞門之間密封不嚴實導致的滲漏水，地層中大量自由水的快速流失引發土層應力重分布，土層再固結而引起地層不均勻沉降，甚至當滲漏點擴大時，尤其在富水砂層中會引發涌水、涌砂事故。針對以上風險采用短鋼套筒措施，相當于在始發井內置多道止水密封閥，緩解對常規橡膠簾布止水裝置的直接沖擊，在施工便捷性、造價經濟性及“治水”安全可靠性上均有較大優勢，值得在盾構始發中借鑒和推廣。結合工程實際經驗提出以下幾點建議。

１）短鋼套筒始發工藝采用了裝配式構件，雖已在多個工程實例中應用且取得了良好的效果，但對以往傳統地層預加固的理論研究理念有一定的挑戰。目前此工藝更多以施工單位為主導，需進一步得到業內設計專家認可及推廣。

２）對于未來地鐵建設中地面交通、市政管線、既有建（構）筑物等多重邊界條件愈來苛刻、復雜的情況，短鋼套筒的組合始發技術勢必會成為盾構區間建設中的重要選擇，值得形成行業技術標準進一步規范相關應用，更好服務于盾構區間工程。

３）多個工程案例因盾構始發預加固效果不理想而選擇采用短鋼套筒始發工藝，筆者結合現場施工調研分析，對于非液化的富水砂層采用短鋼套筒始發時，嘗試取消水平注漿加固值得進一步研究。

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