富水圓礫地層土壓平衡盾構(gòu)密閉始發(fā)技術(shù)研究

周洋，李艷

（1.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，南寧 530029；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530000）

1 引言

盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)法施工隧道中的重要工序之一。盾構(gòu)始發(fā)是通過(guò)反力架和負(fù)環(huán)管片等設(shè)備，將盾構(gòu)推入已加固的端頭土體中，并沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的線路進(jìn)行掘進(jìn)，直至盾構(gòu)全部進(jìn)入加固體，最后拆除相關(guān)輔助始發(fā)設(shè)施的一系列過(guò)程【1～4】。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，盾構(gòu)隧道施工始發(fā)及接收引起的工程事故占盾構(gòu)施工總事故的1/2 以上，這些事故的產(chǎn)生往往是盾構(gòu)始發(fā)及接收輔助施工措施采用不當(dāng)引起的【5】。

富水圓礫地層透水性強(qiáng)，地下水豐富，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)始發(fā)施工時(shí)，若加固措施不當(dāng)或未達(dá)到預(yù)期加固效果，易造成洞門(mén)涌水、涌砂的事故，導(dǎo)致地面塌陷，周邊建筑物及管線變形甚至破壞，施工風(fēng)險(xiǎn)較大【6～8】。

本文結(jié)合南寧市軌道交通5 號(hào)線北湖南路站—虎邱站區(qū)間段土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)工程，對(duì)鋼套筒密閉始發(fā)進(jìn)行了技術(shù)研究，并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該技術(shù)的應(yīng)用效果。

2 工程概況

南寧市軌道交通5 號(hào)線北湖南路站—虎邱站區(qū)間段（簡(jiǎn)稱北～虎區(qū)間段）起點(diǎn)為北湖南路站，終點(diǎn)為虎邱站，左（右）線起訖里程 Z（Y）DK25+734.263～Z（Y）DK26-295.963，左線短鏈2.772m，左線長(zhǎng)度為558.928m，右線長(zhǎng)度為561.700m，區(qū)間總長(zhǎng)度為1 120.628m。本區(qū)間主體工程主要由1 個(gè)盾構(gòu)區(qū)間隧道段構(gòu)成，附屬工程包括1 個(gè)聯(lián)絡(luò)通道（無(wú)廢水泵房）和4個(gè)洞門(mén)。

2.1 始發(fā)段工程地質(zhì)與水文情況

隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫地層，北—虎區(qū)間段內(nèi)地層主要以圓礫地層為主，占比達(dá)47.50%。圓礫地層以礫石為主，少部分卵石，顆粒不均勻系數(shù)Cu平均為21.94，屬不連續(xù)級(jí)配。磨圓度較好，以亞圓狀為主，部分滾圓狀或次棱角狀。重型動(dòng)探實(shí)測(cè)擊數(shù)9～36 擊，平均14.6 擊，修正后平均擊數(shù)9.2擊。

隧道拱頂埋深為9.86～12.32m，始發(fā)段隧道穿越圓礫地層

2.2 襯砌管片設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道襯砌管片內(nèi)徑5.4m，外徑6.0m，管片厚度0.3m，環(huán)寬1.5m。每環(huán)襯砌由6 塊管片（3 塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2 塊鄰接塊，1塊封頂塊）拼接而成，施工時(shí)采用錯(cuò)縫拼裝。襯砌采用鋼筋混凝土管片，混凝土等級(jí)為C50。管片縱、環(huán)向接頭均采用8.8 級(jí)M24 螺栓連接。

3 密閉始發(fā)施工工藝

富水圓礫地層中盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)易發(fā)生洞門(mén)涌水、涌砂的事故，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。為減免施工風(fēng)險(xiǎn)，北—湖南區(qū)間段盾構(gòu)始發(fā)采用鋼套筒密閉始發(fā)技術(shù)。

3.1 端頭加固

虎邱站接收端采用φ600mm 雙管旋噴樁，加固長(zhǎng)度6m，深入隧道底部泥巖層1m。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、隧道洞周施作2排注漿孔并進(jìn)行注漿。外、內(nèi)排注漿孔采用孔徑φ48mm 的PVC 管。端頭加固應(yīng)在車站主體基坑土方開(kāi)挖前或主體結(jié)構(gòu)封頂后進(jìn)行。在每個(gè)端頭加固區(qū)內(nèi)設(shè)1 口降水井，滿足條件開(kāi)始試抽水。觀察井內(nèi)水位是否上升，不上升說(shuō)明加固效果良好，否則采取注漿堵水后再次抽水，觀察水位變化；如此反復(fù)直至井內(nèi)水位不變化。

加固完成后28d，在加固范圍的4 個(gè)角點(diǎn)處進(jìn)行鉆芯取樣，每個(gè)加固端取樣8 點(diǎn)，每點(diǎn)取樣3 組，檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1MPa，滲透系數(shù)小于10～8cm3/s。

3.2 鋼套筒設(shè)計(jì)與安裝

3.2.1 鋼套筒設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)切口水壓約為0.21MPa，鋼套筒設(shè)計(jì)耐壓0.5MPa。鋼板選擇Q235B 鋼材，板厚δ 為16mm。整個(gè)鋼套筒結(jié)構(gòu)由過(guò)渡環(huán)、筒體、反力架和左右支撐等部分組成。

筒體部分長(zhǎng)10 900mm，直徑（內(nèi)徑）6 500mm。分3 段，每段又分為上下兩半圓。每段筒體的端頭和上下兩半圓接合面均焊接圓法蘭，法蘭用24mm 厚的A3 板，上下兩半圓以及兩段筒體之間均采用8.8 級(jí)M24 螺栓連接，中間加3mm 厚橡膠墊。筒體底部用200mm×200mm 工字鋼按托架對(duì)應(yīng)的尺寸焊接成為整體。鋼套筒筒體如圖1 所示。

圖1 始發(fā)鋼套筒筒體

鋼套筒與洞門(mén)環(huán)板之間設(shè)1 個(gè)過(guò)渡連接環(huán)，洞門(mén)環(huán)板與過(guò)渡連接環(huán)采用焊接，鋼套筒的法蘭端與過(guò)渡連接板采用螺栓連接。每段筒體中部設(shè)置600mm×600mm 進(jìn)料口，在每段鋼套筒底部預(yù)留3 個(gè)6.6cm 帶球閥注排漿管，共6 個(gè)等間距布置。

3.2.2 過(guò)渡環(huán)安裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)洞門(mén)上的預(yù)埋鋼環(huán)板實(shí)際平整度，量身定做過(guò)渡環(huán)，過(guò)渡環(huán)與鋼環(huán)板焊接，焊縫沿過(guò)渡環(huán)一圈內(nèi)外側(cè)滿焊，焊縫必須飽滿。如出現(xiàn)過(guò)渡環(huán)與連接板有些地方無(wú)法與洞門(mén)環(huán)板密貼的情況，需在這些空隙處填充鋼板并連接牢固，確保鋼環(huán)和過(guò)渡環(huán)連接牢固。

3.2.3 鋼套筒下半圓安裝

開(kāi)始安裝鋼套筒之前，首先在盾構(gòu)吊出井內(nèi)確定出盾體中心線，確保從地面上吊下來(lái)的鋼套筒力求一次性放到位，不用再左右移動(dòng)。

第1 節(jié)鋼套筒的下半部懸掛，鋼套筒的中心與預(yù)先確定好的井口盾體中心線重合，鋼套筒兩側(cè)的下半部法蘭四周用6mm 厚的橡膠墊片密封，第2 節(jié)的下半部在水平和垂直位置要一致，以保證螺栓孔對(duì)位準(zhǔn)確，且需用M24 高強(qiáng)螺栓緊固連接。

3.2.4 鋼軌與盾構(gòu)機(jī)安裝

在鋼套筒下方90°圓弧內(nèi)平均分布安裝2 根43kg 鋼軌，鋼軌從鋼套筒后端鋪設(shè)至洞門(mén)1m 位置，鋼軌兩側(cè)通長(zhǎng)焊接。為保持盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)抬頭的趨勢(shì)，靠近洞門(mén)端鋼軌墊高20mm，盾尾端鋼軌不墊高，導(dǎo)軌距洞門(mén)長(zhǎng)度較大，為避免盾構(gòu)主機(jī)出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象，在始發(fā)洞門(mén)底部安裝洞口始發(fā)導(dǎo)軌，安裝始發(fā)導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)在導(dǎo)軌的末端預(yù)留足夠的空間，以確保導(dǎo)軌不影響刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)軌采用膨脹螺栓配合小壓板固定在洞門(mén)底部，高度略低于鋼套筒內(nèi)鋼軌面。

在鋼套筒底部4 根鋼軌之間鋪砂并壓實(shí)，每個(gè)位置的鋪砂高度高出相應(yīng)鋼軌的高度15mm，待盾構(gòu)機(jī)放上去后，進(jìn)一步壓實(shí)，確保底部砂層提供充足的防盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)摩擦反力。此步驟為鋼套筒始發(fā)第一次填砂。

3.2.5 鋼套筒上半圓安裝

盾構(gòu)主機(jī)組裝完成后，安裝鋼套筒上半圓，進(jìn)行壓緊螺栓的調(diào)整。檢查各部連接處，對(duì)每一處連接安裝的地方進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其連接的完好性，尤其是對(duì)于鋼套筒的上下半圓和節(jié)與節(jié)部分之間聯(lián)結(jié)的檢查，還要檢查過(guò)渡連接板與洞門(mén)環(huán)板之間的焊接，看是否存在著點(diǎn)焊或浮焊，發(fā)現(xiàn)有隱患，要及時(shí)處理。

3.2.6 反力架安裝

在盾構(gòu)主機(jī)與后配套連接之前，開(kāi)始進(jìn)行反力架安裝。在安裝反力架時(shí)，反力架端面與始發(fā)臺(tái)水平軸垂直，以便盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線保持平行。反力架的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

圖2 反力架結(jié)構(gòu)形式安裝示意圖

3.3 負(fù)環(huán)拼裝

3.3.1 負(fù)環(huán)管片環(huán)數(shù)的確定

根據(jù)始發(fā)井長(zhǎng)度為12.7m，反力架的設(shè)置位置，確定負(fù)環(huán)管片環(huán)數(shù)為6 環(huán)。

反力架前端中心里程D 為：

式中，D洞門(mén)為洞門(mén)中心里程。

3.3.2 負(fù)環(huán)拼裝

負(fù)環(huán)管片全部采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，負(fù)環(huán)管片采取錯(cuò)縫拼裝以防止管片失圓，-6 環(huán)管片封頂塊位置定為11 點(diǎn)位（封頂塊向左偏移18°）。-6～-1 環(huán)管片按正常管片粘貼軟木襯墊及防水條。

在安裝第一環(huán)負(fù)環(huán)管片時(shí)，首先在盾構(gòu)機(jī)盾尾盾殼下半圓內(nèi)部安設(shè)4 根厚度25mm，長(zhǎng)度1 700mm 的圓鋼，等盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入洞內(nèi)，洞口開(kāi)始進(jìn)行同步注漿時(shí)，將圓鋼割除。

第一負(fù)管片與反力架基準(zhǔn)環(huán)間采用特殊螺栓連接，管片利用管片拼裝機(jī)在盾尾內(nèi)整環(huán)拼裝后，利用推力千斤頂將管片推出盾尾，并與反力架基準(zhǔn)環(huán)緊密連接牢固。其他負(fù)環(huán)管片安裝與正常掘進(jìn)管片拼裝相同。負(fù)環(huán)管片布置如圖3 所示。

圖3 負(fù)環(huán)管片布置圖

3.4 鋼套筒第二次回填砂

盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至刀盤(pán)面板貼近洞門(mén)掌子面后，向鋼套筒內(nèi)進(jìn)行第二次填砂，本次填砂將整個(gè)鋼套筒填充滿。在刀盤(pán)切口環(huán)后方鋼套筒內(nèi)壁設(shè)置1 道密封裝置，避免向筒體內(nèi)二次回填料的過(guò)程中填料串入土倉(cāng)內(nèi)，在填充的過(guò)程中適當(dāng)加水，保證砂的密實(shí)。

為保證負(fù)環(huán)管片與鋼套筒之間的密封效果，填砂完成后，通過(guò)靠近反力架兩環(huán)管片的吊裝孔進(jìn)行壁后注漿，注漿材料采用惰性漿液，在管片后面形成1 道密封防滲環(huán)，注漿壓力不大于0.3MPa。

3.5 始發(fā)掘進(jìn)施工

1）盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，在保證盾構(gòu)正常推進(jìn)的情況下，掘進(jìn)參數(shù)建議選擇總推力小于8 000～10 000kN，刀盤(pán)扭矩小于3 000kN·m，掘進(jìn)速度小于30mm/min（刀盤(pán)磨地連墻時(shí)速度不大于5mm）。

2）盾構(gòu)姿態(tài)控制，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)其鉸接角度為零，同時(shí)由于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)及前體較重，始發(fā)過(guò)程中易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)“低頭”的情況，盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)姿態(tài)宜適當(dāng)“抬頭”，其坡度比設(shè)計(jì)坡度略大。

3）刀盤(pán)進(jìn)入地連墻200mm 后開(kāi)倉(cāng)檢查刀具情況，并對(duì)刀具進(jìn)行復(fù)緊。

4）盾構(gòu)機(jī)尾部還沒(méi)有始發(fā)進(jìn)入洞門(mén)之前應(yīng)設(shè)置防堵泡沫管，并保證盾尾的油脂注入飽滿。

5）一般在正4 環(huán)完成后封堵洞門(mén)。具體位置可通過(guò)鋼套筒長(zhǎng)度、盾體長(zhǎng)度、洞門(mén)寬度計(jì)算。注漿時(shí)壓力不要過(guò)大，可根據(jù)計(jì)算的注漿量分幾次注漿（一般分3 次），待下部初凝后，進(jìn)行中部注漿，中部初凝后，進(jìn)行上部注漿。注漿過(guò)程中要準(zhǔn)備好鋼板型鋼等物料，對(duì)漏漿的地方進(jìn)行封堵。

6）盾構(gòu)始發(fā)階段施工時(shí)，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備調(diào)試、洞門(mén)的土體穩(wěn)定、洞門(mén)可能出現(xiàn)的涌泥涌沙和地面監(jiān)測(cè)4 個(gè)方面要綜合考慮，力爭(zhēng)快速、安全始發(fā)，盡早進(jìn)行洞門(mén)注漿。

3.6 洞口注漿

在盾尾完全進(jìn)入洞內(nèi)后，進(jìn)行洞口注漿，同時(shí)，利用洞門(mén)預(yù)埋注漿管和管片增加的徑向注漿孔進(jìn)行洞門(mén)密封。漿液不但要求順利注入，而且要有早期的強(qiáng)度，注漿壓力控制在0.15MPa 以內(nèi)。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

富水圓礫地層盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)大，為確保工程安全，并保護(hù)周圍環(huán)境，需要在施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在施工過(guò)程中積極改進(jìn)施工方法、施工工藝和施工參數(shù)，最大限度地減小周邊地表、建筑物等的變形。根據(jù)本區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)形式及周圍環(huán)境特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行以下項(xiàng)目：

1）沿線受施工影響的周邊建筑物沉降；

2）沿線受影響的地表沉降；

3）周圍地下管線變形。

隧道襯砌前30 環(huán)位置地表、管線與周邊建筑物沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

4.1 地表沉降監(jiān)測(cè)

盾構(gòu)始發(fā)前15 環(huán)施工自 2019 年 6 月9 日開(kāi)始，5 月9日～5 月 12 日完成-3 環(huán)管片施工，5 月 13 日～6 月 13 日，由于刀具損壞更換刀具暫停施工，6 月14 日～6 月17 日完成-3～0環(huán)管片施工，6 月 18 日～6 月 26 日完成 0～12 環(huán)施工，6 月 27日～6 月 28 日二次注漿封堵洞門(mén)，6 月 29 日～6 月 30 日完成13～15 環(huán)施工。

施工前，分別在 1、3、7、10、13、17、20、23、27、30 環(huán)位置處地表設(shè)置電子水準(zhǔn)儀和銦鋼尺監(jiān)測(cè)地表沉降變形。

-3～0 環(huán)管片施工時(shí)，地表變形產(chǎn)生了一定的回彈隆起；0～12 環(huán)管片施工時(shí)地表發(fā)生沉降，沉降變化速率較小；封堵洞門(mén)時(shí)地表產(chǎn)生了較大的變形沉降，封堵完成后地表變形逐漸恢復(fù)；0～12 環(huán)管片施工時(shí)，1-13 環(huán)處變形沉降增量大于17-30 環(huán)處沉降增量，1-13 環(huán)最大沉降增量為4.2mm，最大累積變形量為-3.44mm。

4.2 周邊建筑沉降監(jiān)測(cè)

盾構(gòu)始發(fā)階段隧道附近大型建筑主要有南寧區(qū)種雞場(chǎng)宿舍和大板住宅樓。由于種雞場(chǎng)宿舍靠近盾構(gòu)始發(fā)端，其隆起變形波動(dòng)明顯大于大板住宅樓。6 月14 日～6 月30 日盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間，種雞場(chǎng)宿舍發(fā)生了沉降變形，平均累積隆起為2.2mm，單監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累積隆起為4.52mm，最大累積沉降為0.4mm，建筑物發(fā)生了微小的傾斜。

4.3 管線沉降監(jiān)測(cè)

分別在 1、3、7、10、13、17、20、23、27、30 環(huán)位置處設(shè)置管線變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)地表沉降、周邊建筑物沉降及管線沉降的監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)沉降變形均控制在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)【9】。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)未出現(xiàn)洞門(mén)涌水、涌砂的事故，無(wú)較大施工事故出現(xiàn)。

綜上，鋼套筒密閉始發(fā)技術(shù)在富水圓礫地層中應(yīng)用效果良好，可以為在南寧地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)施工提供技術(shù)參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了南寧市軌道交通5 號(hào)線北—虎區(qū)間段富水圓礫地層中密閉始發(fā)的過(guò)程，通過(guò)對(duì)地表、管線和周邊建筑變形監(jiān)測(cè)分析，確保了密閉始發(fā)施工的安全性。

1）采用鋼套筒密閉始發(fā)工藝，通過(guò)填砂注漿等施工措施，避免了洞門(mén)涌水、涌砂的事故，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)應(yīng)用效果良好，研究成果可為同類工程提供技術(shù)指導(dǎo)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2）負(fù)環(huán)管片施工時(shí)，地表變形產(chǎn)生了一定的回彈隆起；0～12 環(huán)管片施工時(shí)地表發(fā)生沉降，沉降變化速率較??；封堵洞門(mén)時(shí)地表產(chǎn)生了較大的變形沉降，封堵完成后地表變形逐漸恢復(fù)。

3）始發(fā)掘進(jìn)施工時(shí)，管線變形變化波動(dòng)較小，管線變形比地表變形和建筑物變形小。