適用于上軟下硬地層的地鐵盾構鋼套筒始發技術應用分析

吳向前

（南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210008)

0 引言

地鐵盾構始發端施工作為盾構掘進的關鍵風險源，直接關系到盾構的順利掘進和施工工期，因此，采用合適的始發技術十分關鍵。盾構始發技術的選擇與始發井端頭地質條件、盾構隧道埋深等賦存環境和經濟效益密切相關。在端頭地質條件較差的情況下，通常需要對始發端頭土體進行加固預處理，比如三軸攪拌加固法、鋼板樁置換法、凍結法等[1-2]。然而在施工場地范圍受限、建筑密集等部位，盾構始發面臨端頭加固效果難以得到保障的施工技術難題。自廣州軌道交通2、8號線延長線盾構段首次采用鋼套筒進行盾構接收技術[3]后，鋼套筒逐漸作為盾構始發及接收的關鍵裝置之一[4-5]。盾構鋼套筒始發技術主要通過在盾構始發井內安裝鋼套筒，在鋼套筒內安裝盾構機，然后再將回填物填充到鋼套筒內，通過密閉的鋼套筒空間提供平衡前方掌子面的水土壓力，從而保障在鋼套筒內實現盾構機的安全始發。然而針對上軟下硬地層使用鋼套筒盾構始發技術的研究相對較少。本文依托南京地鐵7號線西善橋出入場線工程，分析適用于上軟下硬地層的地鐵盾構鋼套筒始發技術的應用，為類似工程提供參考。

1 工程概況

南京地鐵西善橋出入場線盾構區間長為601.686m。線路縱坡自車站至中間工作井先后為平坡、10.93（右10.2）‰縱坡（上坡）、35‰縱坡（上坡）。盾構區間穿越上軟下硬地層，其中上部以粉砂為主，下部為強風化砂質泥巖和中等風化砂質泥巖。區間始發端隧道范圍內隧道外皮凈間距<0.7倍的隧道直徑，線凈間距為2.84～4.34m,屬于小凈距施工，小間距施工長度為26.28m，推進過程中隧道內側結構變形、地表二次沉降等風險較大。為保障盾構在小間距段順利始發，該工程采用鋼套筒始發技術并在上軟下硬地層中得到成功應用。

2 鋼套筒構成與盾構始發和組裝工藝流程

2.1 鋼套筒構成

鋼套筒主要由長為10000mm、外徑7040mm、內徑6800mm的筒體、過渡環、始發鋼環等部分組成（如圖1所示），其中鋼套筒筒體分為長度均為2500mm的4段，分別為A1、A2、A3、A4，并且每段由上下兩半圓組成。每段筒體的外周焊接縱、環向筋板以保證筒體剛度，其中筒體鋼板材料厚20mm，筋板厚20mm，高120mm，間隔約550mm×600mm。筒體端頭和上下兩半圓接觸面均采用焊接圓鋼板法蘭，法蘭厚40mm，上下兩半圓以及兩段筒體之間采用M30高強螺栓進行連接，并在中間增加10mm厚橡膠墊,將筒體底部的托架和下部筒體焊接連成整體。鋼套筒與洞門鋼環之間設置長度為250mm的過渡環，洞門鋼環與過渡環間采用焊接法，保證鋼套筒與洞門鋼環間的密閉性。鋼套筒與盾構反力架之間設置長度為400mm始發鋼環。對于類似工程，過渡環和始發鋼環的長度可根據盾構始發井的長度進行調整。

圖1 鋼套筒結構圖

2.2 盾構始發工藝流程

盾構始發工藝流程如下：鋼套筒安裝→鋼套筒下半部分安裝及填砂→反力架安裝→盾構機下井組裝調試→上半部分鋼套筒安裝→盾尾油脂涂抹→負環管片拼裝→鋼套筒內第三次回填砂→鋼套筒內壓力測試。

2.3 盾構機下井組裝調試流程

盾構機組裝、調試計劃流程：吊裝前準備→連接設備、臺車下井→螺旋機入井存放→中盾翻身入井→前盾翻身入井→刀盤翻身入井→拼裝機入井→盾尾入井→螺旋機安裝→組裝調試。

3 鋼套筒始發技術要點

3.1 下半部分鋼套筒安裝

盾構進洞始發段，鋼套筒下半部定位安裝前，首先需確定隧道洞門實際位置，平面位置要求鋼套筒中軸線與盾構始發線重合。為防止盾構始發時會出現“栽頭”現象，將套筒中心比線路中心垂直抬高10～20mm。采用混凝土墊層和鋼板墊高找平。

將過渡環吊入工作井內，過渡環中心線與洞門中心先重合，過渡環定位好后，在過渡環與洞門鋼環左右兩側焊接兩塊弧形板定位，防止過渡環跑位。

將A4環吊入工作井內測量定位處，并與過渡環連接。A4環下半部與過渡環之間采用M30 的高強螺栓連接。A3、A2、A1塊下部及始發鋼環安裝方式同上。鋼套筒下半部安裝完成后，在鋼套筒內安裝兩根43kg的鋼軌。

在鋼套筒底部鋼軌中間鋪設砂料并進行壓實，直到鋪砂高度高出鋼軌15mm左右，確保底部砂層提供足夠的摩擦反力，防止盾構機發生扭轉。在上半部鋼套筒安裝前，對鋼套筒內進行二次填砂，填砂部位為盾構機兩腰部位，保證鋼套筒鋼軌以上兩側部位填砂密實。

3.2 反力架安裝

反力架的平面位置根據鋼套筒位置確定。反力架的安裝分兩部分，下部定位立柱及下橫梁在盾構機下井前安裝，其余上部結構在盾構機主機組裝結束后安裝。安裝前必須放好其安裝軸線，反力架軸線與盾構始發軸線隨套筒抬高10～20mm。然后進行該裝置的現場組裝和定位焊接，其中焊接部分主要為反力架斜撐與結構預埋板，以及反力架底部與結構面預埋鋼板。同時為減少橫撐對結構的最大限度保護，在頂部與結構二層板支撐和側面與結構墻支撐的位置墊設一塊不小于橫撐截面面積，厚度不低于1cm的鋼板。

反力架尺寸為7000mm×6300mm×900mm。左線反力架后部距離車站底板612mm，右線反力架后部距離車站站臺側墻610mm。反力架固定過程中，底部通過Φ530mm 圓管柱與車站底板側墻固定，兩端通過5mm、10mm、20mm的鋼板墊平整；反力架兩側立柱一側通過三根Φ609mm圓管柱與車站底板預埋的鋼板焊接固定，縫隙處采用5mm、10mm、20mm的鋼板墊實；頂部采用20cm的H型鋼與車站中板下部橫梁的結構支撐，H型鋼與反力架焊接密實。反力架安裝時，用全站儀雙向校正兩根立柱的垂直度，使其形成的平面與推進軸線垂直。反力架左右偏差控制在±10mm之內，高程偏差控制在±5mm之內。需要注意的是盾構姿態與設計軸線豎直趨勢偏差應<2‰，水平趨勢偏差<±3‰，始發架水平軸線的垂直方向與反力架的夾角<±2‰。

3.3 上半部分鋼套筒安裝

在盾構機主體安裝完成后，開始上半圓鋼套筒部分的安裝，同時需調整壓緊螺栓。然后檢查各部連接處的完好性，特別注意鋼套筒的上下半圓和環與環部分之間的連結性，確保螺栓能及時緊固。

3.4 盾尾油脂涂抹

為了保護三道盾尾鋼絲刷，提高其使用壽命和增強密封效果，盾構始發時須在鋼絲刷刷內使用手涂型的盾尾油脂，嚴禁使用泵送型的油脂，其涂抹注意事項如下：

（1）戴上橡膠手套后最好倒入適量的液壓油，防止油脂粘連在手上；

（2）涂抹時注意站好站穩，防止滑倒、跌倒；

（3）嚴禁踩踏鋼絲刷，否則容易引起鋼絲刷的變形；

（4）油脂填塞必須充分嚴實，整圓不允許有遺漏，盡量將油脂擠塞進鋼絲刷。

3.5 負環管片拼裝

該工程盾構始發左右線均采用9環負環。負環管片采用1.2m直線環，K塊位置拼裝選擇在1點和15點交替拼裝。管片環向和縱向螺栓均需連接牢固。負環管片全部采用標準環，負環管片采取錯縫拼裝，負環管片按正常管片粘貼軟木襯墊及防水條。-8環管片拼裝前，在盾尾內側的同一斷面上焊接6個長度為1.2m規格的14b#的槽鋼，位置分別在2點鐘方向到10點鐘方向均勻排布，目的是為了留出盾尾間隙。拼裝時應注意環面平整度及擰緊全部環向螺栓，同時應用“7”字型鋼板固定上部管片，以防掉落。前兩環負環拼裝完成后，用千斤頂將兩環管片整體后推至始發鋼環處。為防止管片脫出盾尾后，管片下沉，在管片脫出盾尾前在鋼套筒底部兩側安裝兩根引軌，引軌采用32C工字鋼。盾構機繼續向前推進至刀盤頂至圍護樁，按相同的拼裝方法完成-6、-5環管片拼裝。管片通過尾刷時，應注意及時向尾刷內注入油脂，保證過程中尾刷不被損壞。拼裝負環時，可使用同步注漿管下兩路進行注漿，確保負環下方間隙填充密實，防止負環下沉過大，影響密封效果。

3.6 鋼套筒內砂料回填

盾構機向前推進至刀盤面板貼近車站圍護結構后，從鋼套筒上半部進料口向鋼套筒內填砂，將整個鋼套筒填充滿。為保證負環管片與鋼套筒之間的密封效果，通過靠近反力架兩環管片-8環和-7環管片的吊裝孔進行壁后注漿，注漿材料采用可硬漿液，在管片后面形成一道密封防滲環。

3.7 套筒內壓力測試

3.7.1 滲漏檢測

鋼套筒完全安裝好以后，刀盤靠到掌子面，通過盾構機的同步注漿，向鋼套筒內注入膨潤土，并注入少量空氣，直至筒內壓力達到2bar。同時需保證洞門連接板，鋼套筒環向與縱向連接位置，鋼套筒的鋼環與反力架的連接處的密封性；如有漏水情況需要在相應部位檢查并修復其密封質量，及時上緊螺栓或重新焊接，然后再次進行筒內壓力測試直至滿足密封要求。

3.7.2 鋼套筒位移檢測

在進行試水、加壓測試之前需安裝應變片和量程為3～5mm的百分表，應變片應分區域設置在鋼套筒與洞門環板連接處，同時百分表安裝在鋼套筒表面，其變形精度控制在0.5mm左右。若發現應變超標，必須立即卸壓。

3.8 始發磨樁參數

區間始發端頭圍護結構采用Ф1000咬合樁，葷樁洞門范圍內使用玻璃纖維筋代替傳統鋼筋，從而可以直接磨樁始發掘進而無需鑿除洞門，減少洞門破除風險。同時為降低盾構始發過程中對玻璃纖維筋的直接作用力，避免盾殼發生扭轉，盾構始發磨樁時適當降低刀盤轉速、減小盾構機貫入度，暫定盾構參數為：總推力控制在800T以下，掘進速度控制在3～5mm，貫入度在10mm/r以內，刀盤轉速控制在0.8～1r/min，中心線偏差控制在±2cm以內。始發過程中，采用雙液漿注漿，確保套筒與管片之間填充密實。

3.9 上軟下硬地層始發掘進參數

盾構掘進區間全斷面土層表現為上軟下硬不均勻地層，其中上部為稍密性粉砂層，下部為強風化砂質泥巖。掘進過程根據掘進斷面硬巖比例較大時應調整掘進參數，并以硬巖強度選擇重型刀具，刀盤轉速不宜過快，應控制在1r/min以內；推進速度控制在10～20mm/min，注漿壓力在0.7～1.2bar，每環注漿量不少于4.9m3，上部土倉壓力控制在0.5～1bar之間；推力控制要恰到好處，并且及時做好二次注漿。

4 結束語

本文結合實際工程，采用鋼套筒盾構始發，不僅增加了始發安全性，還保證了開挖面穩定，控制了盾構始發段上部近距離既有建（構）筑物的沉降。實踐證明，在上軟下硬地層始發掘進，一定要保證鋼套筒的密封性，在掘進過程中根據掘進斷面硬巖比率，及時調整盾構掘進參數。