簡介土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒自平衡接收施工工法

熊四清 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

22#盾構(gòu)井～溫涌路站盾構(gòu)區(qū)間自溫涌路站始發(fā)至22#盾構(gòu)井接收，接收井處上半部為砂質(zhì)粘性土、強風化混合花崗巖，下部為中風化混合花崗巖，為典型的上軟下硬地層，且拱頂有部分砂層，接收時存在涌水涌砂、地表沉降的風險。原設(shè)計盾構(gòu)接收端頭井采用三面素混凝土連續(xù)墻加旋噴樁加固，但由于接收場地狹小無法進行地面加固，且端頭井地質(zhì)條件復雜采用水平加固效果難以保證，經(jīng)多方論證決定采用密閉鋼套筒平衡接收。

圖1 22#盾構(gòu)井處地質(zhì)斷面圖

1 鋼套筒接收的原理

通過在鋼套筒內(nèi)建立密閉的空間和內(nèi)部填充物提供平衡掌子面的水土壓力，使盾構(gòu)機在破除洞門前已建立了水土平衡，刀盤出圍護結(jié)構(gòu)后等同于盾構(gòu)常規(guī)掘進，從而避免了盾構(gòu)機破除洞門過程中出現(xiàn)涌水、涌砂或掌子面上部失穩(wěn)而出現(xiàn)塌方。

2 鋼套筒設(shè)計

鋼套筒制作鋼板選擇Q235B，板厚δ=30mm，整個鋼套筒結(jié)構(gòu)由鋼套筒筒體、支撐反力系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等部分組成。

圖2 鋼套筒總體設(shè)計圖

2.1 鋼套筒筒體

鋼套筒筒體由A、B、C、D四種型號組成，鋼套筒拼裝完成后筒體長度為10400mm，內(nèi)徑6500mm。其中A塊為兜底塊共3塊，單塊長度3300mm，3塊拼裝總長9900mm；B塊為鄰接塊左、右側(cè)各1塊，單塊長度為9900mm；C塊為封頂塊，單塊長度9900mm；D塊為過渡環(huán)上下各1塊半圓形布置，長度500mm。

圖3 鋼套筒筒體設(shè)計圖

2.2 支撐反力系統(tǒng)

鋼套筒接收反力架設(shè)置與盾構(gòu)始發(fā)反力架相同，反力架設(shè)計最大反力為1600t。

環(huán)梁為鋼套筒筒體與反力架連接的過渡構(gòu)件，環(huán)梁由上半環(huán)與下半環(huán)組成，上半環(huán)與下半環(huán)之間、環(huán)梁與鋼套筒之間采用螺栓連接。環(huán)梁內(nèi)徑為5400mm，外徑與鋼套筒外徑等直徑，為6760mm。

為消除構(gòu)件間安裝間隙，減小盾構(gòu)機進入后鋼套筒的位移，鋼套筒安裝后在環(huán)梁預加千斤頂?shù)奶崆邦A加反力。預加反力裝置共設(shè)置20個千斤頂，分4區(qū)布置，每個千斤頂?shù)念A壓力為60t，總計預加壓力為1200t。

圖4 鋼套筒預加壓力

2.3 密封系統(tǒng)

盾構(gòu)機接收時土倉壓力約為0.20MPa，鋼套筒設(shè)計耐壓0.5MPa。

為確保鋼套筒環(huán)向、縱向接縫不滲漏，鋼套筒分塊連接及與環(huán)梁連接處均設(shè)置2道嵌入式密封圈，并在連接處內(nèi)側(cè)涂抹聚氨酯，確保鋼套筒環(huán)向、縱向的接縫不滲漏。

過渡環(huán)與洞門預埋鋼板間采用滿焊連接，確保接縫密封。

鋼套筒安裝完成后必須進行加水試壓，試壓壓力均達到0.3MPa,計算壓力為0.2MPa,能滿足盾構(gòu)到達壓力要求。

圖5 鋼套筒密封設(shè)計

3 鋼套筒接收工藝及關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 施工工藝流程

3.2 鋼套筒安裝、拆除

3.2.1 安裝過渡環(huán)

過渡環(huán)與洞門預埋鋼板間采用滿焊連接；與筒體間通過焊接連接焊縫沿過渡環(huán)一圈內(nèi)側(cè)點焊，并加焊槽鋼進行補強。過渡環(huán)個別地方較大空隙處進行填充鋼板并焊接牢固。

圖6 鋼套筒過渡環(huán)安裝

3.2.2 安裝鋼套筒

鋼套筒安裝順序為先A塊，后B塊，最后C塊。

3.2.3 安裝后端蓋、反力架

環(huán)梁及后端蓋安裝完成后，在預加壓力的過程中注意檢查反力架各支撐是否松動，鋼套筒連接螺栓是否松動，出現(xiàn)異常及時采用處理措施。

圖7 鋼套筒安裝過程圖

圖8 鋼套筒接收后端蓋及反力架安裝圖

3.2.4 鋼套筒拆除

洞門封堵完成后，首先對隧道內(nèi)管片進行開孔檢查，確認管片壁后空隙填充密實后，再通過鋼套筒底部預留的泄水孔檢查鋼套筒內(nèi)的滲漏水情況；若存在滲漏水情況，則對漏水部位進行洞內(nèi)補注漿；若地層中無滲漏水流出，則打開鋼套筒頂部閥門降低鋼套筒內(nèi)壓力，同時觀察壓力表和盾構(gòu)機土倉壓力變化情況，如壓力穩(wěn)定下降無突變且降低至0后無明顯變化，說明洞門效果良好可進行拆蓋作業(yè)。在進行鋼套筒拆除時，應(yīng)先拆除后端蓋，再拆除C塊及B塊，盾構(gòu)機吊出后拆除A塊及反力架。

圖9 鋼套筒接收示意圖

3.3 鋼套筒接收關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 填料

由于此前鋼套筒接收多用于泥水平衡盾構(gòu)，泥水盾構(gòu)有專用泥漿管路出渣，無需螺旋機出土，右線施工時按照泥水盾構(gòu)接收方式采用砂、水填充鋼套筒，采用螺旋機出土，實際推進時由于螺旋機內(nèi)無法形成有效“土塞”,推進時噴涌較大，推進效率低。

左線鋼套筒接收時，吸取右線鋼套筒接收經(jīng)驗，在鋼套筒內(nèi)填入了1/3的砂和2/3的水，用水壓代替土壓，鋼套筒內(nèi)的推進時關(guān)閉螺旋機不進行出土，將鋼套筒內(nèi)的水通過鋼套筒預留管路進行排出，過程中通過調(diào)節(jié)出水口球閥開閉度及推進速度控制水壓(2bar)，防止壓力不足導致地層失水。在此項施工過程中，需保證洞內(nèi)和接收井口的聯(lián)系，確保鋼套筒內(nèi)水壓，最后在洞門封堵完畢后方可進行出土，將鋼套筒內(nèi)的砂排除。

3.3.2 盾構(gòu)掘進參數(shù)控制

刀盤破洞門前，將土倉壓力和鋼套筒壓力同時穩(wěn)定在2.0bar；進入鋼套筒之后，將速度控制在40mm/min～50mm/min，推力不超過 800t，扭矩不大于1000kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)不大于0.8rpm。

3.3.3 洞門封堵

為確保洞門封堵效果，推進最后10環(huán)過程中同步注漿不采用惰性漿液，改為水泥漿，每環(huán)同步注漿量控制在8m3以上，注漿壓力控制在2.0bar～3.0bar之間；待盾體完全進入鋼套筒后，最后10環(huán)除了K塊外的其他管片全面打孔，并上好逆止閥，然后進行洞門注漿封堵。最后5～10環(huán)管片注漿采用水泥砂漿＋水玻璃漿液，全部點位補漿；最后5環(huán)先注水泥漿，每孔注入量1m3，然后再采用雙液漿補漿，確保洞門封堵效果，補漿應(yīng)從下到上左右對稱互補。

3.3.4 測量控制

盾構(gòu)機到達前50m，應(yīng)根據(jù)實際測量的鋼套筒安裝中心線設(shè)計出洞盾構(gòu)機姿態(tài)，為掘進提供依據(jù)?？紤]裁頭現(xiàn)象，盾構(gòu)機出洞姿態(tài)可考慮略抬頭姿態(tài)，在進入鋼套筒時姿態(tài)控制應(yīng)要求中心線偏差控制在±2cm之內(nèi)。

3.3.5 鋼套筒位移及形變控制

反力架制造前進行嚴格的受力計算，確保受力滿足要求，反力架位移不得大于2mm。在反力架和環(huán)梁之間設(shè)置預加反力裝置，通過預壓千斤頂對鋼套筒施加預壓力，消除構(gòu)件間間隙，減小鋼套筒位移。

盾構(gòu)刀盤到地連墻后，對鋼套筒與洞門環(huán)板及反力架連接處進行縱向位移觀測，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變，立即停止推進，分析原因采取措施：

①如鋼套筒與洞門環(huán)板位置出現(xiàn)變形量過大時，要加大鋼套筒與反力架之間的預加反力，然后將洞門環(huán)板與鋼套筒連接端面變形量稍大的地方進行補焊。

②如鋼套筒本體連接斷面法蘭處出現(xiàn)變形量較大時，要立即采取加強措施，在變形量較大處補加加強肋板，加強肋板可利用現(xiàn)場鋼板制作。

③如反力架斜撐任何位置出現(xiàn)位移量過大時，應(yīng)增加直撐或斜撐的數(shù)量。

3.3.6 監(jiān)測情況

在端頭井位置設(shè)置地表沉降觀測點，按照要求對地表沉降觀測點進行沉降觀測。圖10為右線鋼套筒接收時地面點位沉降情況，在盾構(gòu)接收過程中沉降平均約12mm，接收完成后監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，沉降情況可控。其中10月31日刀盤破除地連墻進入鋼套筒，11月2日接收完成，接收過程中沉降數(shù)據(jù)無明顯突變，分析認為沉降原因為盾構(gòu)掘進本身沉降，鋼套筒接收對沉降影響較小。

圖10 鋼套筒接收地面沉降監(jiān)測趨勢圖

4 總結(jié)

4.1 適用范圍

對地面場地要求少、限制小、靈活性大，主要適用于地表條件復雜沒條件進行地表加固。同時鋼套筒接收過程中一直保持壓力平衡，洞門封堵完成后再進行泄壓，接收過程相當于常規(guī)掘進，故鋼套筒接收同樣適用于地層復雜地段。

4.2 經(jīng)濟性分析

鋼套筒接收裝置一套總重約220t，制作成本132萬元/套，每套可循環(huán)利用5次，綜合人工、機械使用情況，成本約35～40萬/臺次，成本遠低于地面旋噴樁加固、冷凍法等其他接收方式。

4.3 安全質(zhì)量及工期

①采用鋼結(jié)構(gòu)拼裝，可重復利用，綠色環(huán)保，由于接收過程相當于常規(guī)推進，故安全性高于常規(guī)盾構(gòu)接收。

②由于鋼套筒接收在封堵洞門后再回收千斤頂，因此省去常規(guī)接收洞門區(qū)域管片拉緊裝置的設(shè)置，保證了接收段管片拼裝質(zhì)量。

③鋼套筒除鋼結(jié)構(gòu)加工外，準備時間僅需20d，盾構(gòu)接收前的工作主要為鋼套筒安裝、加固，較常規(guī)地表加固省去了進場、施工、等強、檢測等時間，工期較常規(guī)接收可控。

[1]李飛，凌波.盾構(gòu)到達接收輔助裝置設(shè)計[J].建筑機械化，2009（9）.

[2]鄭石，鞠世健.泥水平衡盾構(gòu)到達鋼套筒輔助接收施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010（6）.