鋼套筒輔助盾構(gòu)在富水砂層始發(fā)施工中的應(yīng)用研究

中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200030

近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程加速發(fā)展，地鐵逐漸成為大中城市緩解交通壓力的首要選擇，其中盾構(gòu)施工技術(shù)是地鐵隧道建設(shè)的主要施工手段。針對(duì)盾構(gòu)始發(fā)端頭的復(fù)雜地層，傳統(tǒng)端頭加固方案主要采用地層攪拌、旋噴、注漿等方法提高地層強(qiáng)度、滲透性等指標(biāo)，避免盾構(gòu)在始發(fā)進(jìn)洞的過程中發(fā)生地面塌陷、噴砂涌水等水土失穩(wěn)事故。

福州地鐵濱?？炀€工程濱海西站—大數(shù)據(jù)站區(qū)間主體隧道從大數(shù)據(jù)站始發(fā)，至濱海西站接收。始發(fā)端頭主要為粉細(xì)砂層，該富水粉細(xì)砂層具有自穩(wěn)性差、黏聚力小、和易性差、含水量高、透水性強(qiáng)等特點(diǎn)。盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)極高，掘進(jìn)姿態(tài)控制難度也很高，傳統(tǒng)地層加固方式難以保證加固效果達(dá)標(biāo)，冷凍法加固因近海地下水流速極快導(dǎo)致凍結(jié)效果不佳，盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)尚不能完全控制。

為此，在施工方案的比選過程中，鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)的施工工藝以其安全經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)得到認(rèn)可。

1 工程概況

濱海西站—大數(shù)據(jù)站區(qū)間隧道長(zhǎng)度約為3099.5m，線路出濱海西站后向東南行進(jìn)，沿規(guī)劃福海路下方敷設(shè)接大數(shù)據(jù)站，區(qū)間下穿洽嶼村民房、五站村民房、壺江、規(guī)劃河道、規(guī)劃路等建構(gòu)筑物。覆土埋深約8.84～27.17m，采用兩臺(tái)φ8634mm復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行區(qū)間隧道施工，始發(fā)端頭附近為農(nóng)田、魚塘，施工影響區(qū)域無(wú)管線、建構(gòu)筑物等風(fēng)險(xiǎn)源。盾構(gòu)始發(fā)站大數(shù)據(jù)站的洞門連續(xù)墻設(shè)計(jì)為800mm厚C35混凝土墻（迎土側(cè)：玻璃纖維筋，背土側(cè)：鋼筋），洞身區(qū)域中間設(shè)置一道36#工字鋼作為地連墻接縫止水帷幕，洞門鋼圈內(nèi)徑為8.9m。端頭區(qū)域地層由上至下依次為<1-4>填砂、<2-2-1>粉細(xì)砂、<2-4-5>（含泥）粉細(xì)砂。施工采用800mm厚C20素混凝土墻+5.2m三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+鋼套筒始發(fā)施工，加固寬度和深度為洞門圈周圍4m。

2 鋼套筒工作原理

鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)是指往鋼套筒內(nèi)填惰性漿液或泥漿，通過鋼套筒密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)順利始發(fā)，規(guī)避了洞門噴砂涌水的風(fēng)險(xiǎn)，杜絕了因洞門滲漏而引起的隧道沉降以及破壞生態(tài)環(huán)境等問題。

3 鋼套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)站始發(fā)鋼套筒整體組成（如圖1所示）為連接段（900mm）+A1#～A4#標(biāo)準(zhǔn)段（3000mm）+始發(fā)環(huán)（600mm）/基準(zhǔn)環(huán)（630mm）。

圖1 鋼套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

4 鋼套筒始發(fā)方案要點(diǎn)

4.1 盾構(gòu)始發(fā)時(shí)土艙壓力設(shè)定

盾構(gòu)始發(fā)時(shí)土倉(cāng)壓力值的設(shè)定以盾構(gòu)機(jī)頂部水土壓力值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合隧道埋深、土層密度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角等參數(shù)，經(jīng)計(jì)算濱海西站—大數(shù)據(jù)站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)時(shí)土壓初始值設(shè)定為100～120kPa。

4.2 鋼套筒的耐壓及密封性能

待盾構(gòu)機(jī)組裝調(diào)試并通過正式驗(yàn)收后，盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至刀盤面板靠近洞門掌子面后，鋼套筒下半部分以填砂并加水密實(shí)，上半部分則填滿惰性漿液。鋼套筒的耐壓按1.5倍土壓初始值進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)通過盾構(gòu)機(jī)刀盤泡沫口加水進(jìn)行水壓力試驗(yàn)，檢驗(yàn)鋼套筒的密封性能。

4.3 鋼套筒防扭轉(zhuǎn)

為防止盾構(gòu)機(jī)的盾體和鋼套筒整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)、傾覆情況，施工前在鋼套筒兩側(cè)適當(dāng)位置安裝工字鋼或者槽鋼。在切削素墻時(shí)產(chǎn)生扭矩超限，可適當(dāng)向鋼套筒內(nèi)加壓增加防扭轉(zhuǎn)的抵抗扭矩或者減少推力降低刀盤扭矩。

4.4 各種結(jié)構(gòu)件的連接

（1）在鋼套筒連接段與洞門預(yù)埋環(huán)板焊接成為一個(gè)整體后，需對(duì)焊縫位置做探傷試驗(yàn)，確保兩者連接牢固及鋼套筒的密封性能。

（2）濱海西站—大數(shù)據(jù)站區(qū)間始發(fā)所采用的是經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的鋼套筒，其基準(zhǔn)環(huán)與始發(fā)環(huán)形成內(nèi)外環(huán)且兩者間可滑動(dòng)，外環(huán)始發(fā)環(huán)與鋼套筒用螺栓連成整體，盾構(gòu)機(jī)通過油缸將推力傳遞至管片經(jīng)內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)環(huán)后作用于反力架，內(nèi)外環(huán)寬度尺寸差值（3cm）主要是填補(bǔ)鋼套筒與反力架接觸面間的縫隙，避免盾構(gòu)機(jī)推力無(wú)法傳遞至反力架導(dǎo)致連接段與洞門鋼圈焊接處崩裂。鋼套筒示意如圖2所示。

圖2 鋼套筒示意圖

（3）鋼套筒各節(jié)段兩側(cè)環(huán)向及縱向必須平整，安裝時(shí)中間設(shè)置50mm×15mm橡膠密封墊，保障了鋼套筒密封性能。

（4）在鋼套筒及反力架合適位置布設(shè)反光片，始發(fā)過程加強(qiáng)鋼套筒及反力架結(jié)構(gòu)的變形情況，必要時(shí)補(bǔ)加加強(qiáng)肋板；若出現(xiàn)鋼套筒接縫滲漏，則對(duì)相應(yīng)區(qū)域的螺栓復(fù)緊，或接縫處做焊接、堵漏處理。

4.5 鋼套筒始發(fā)過程控制要點(diǎn)

（1）盾構(gòu)始發(fā)切削素墻掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)反力架及支撐結(jié)構(gòu)所能承受水平作用力的設(shè)計(jì)值以及刀盤初裝刀配置情況，合理設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)時(shí)的總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度等相關(guān)參數(shù)限值。

（2）防止盾體及管片姿態(tài)上浮控制。在濱海西站—大數(shù)據(jù)站區(qū)間左線盾構(gòu)始發(fā)刀盤通過加固區(qū)后出現(xiàn)后部負(fù)環(huán)管片和盾尾垂直姿態(tài)整體上浮現(xiàn)象，管片上浮最大量有15cm。分析原因如下：①在磨素墻及地連墻期間，因刀盤噴射水、泡沫（保護(hù)刀具等）及出渣損失部分原套筒內(nèi)填充的惰性漿液，導(dǎo)致套筒內(nèi)水含量多，頂部虛空。②始發(fā)前期由于局部盾體未脫出鋼套筒和混凝土結(jié)構(gòu)，且受盾構(gòu)機(jī)自重影響導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)整體趨勢(shì)向下（盾尾上翹）。③當(dāng)盾構(gòu)刀盤出加固區(qū)后，全斷面粉細(xì)砂層所富含地下水因水土壓力順著盾體通道進(jìn)入鋼套筒內(nèi)。④因同步砂漿初凝時(shí)間較長(zhǎng)，且鋼套筒內(nèi)含水量較多、頂部虛空，注入砂漿未能及時(shí)穩(wěn)固管片且砂漿自重下沉至底部，易導(dǎo)致管片及盾體進(jìn)一步上浮。

為此針對(duì)性采取措施如下：①第1環(huán)負(fù)環(huán)管片（靠反力架一側(cè)）采用內(nèi)置預(yù)埋鋼板，始發(fā)前將管片內(nèi)置鋼板與鋼套筒基準(zhǔn)環(huán)內(nèi)環(huán)焊接連成整體。②在磨地連墻及素墻時(shí)，注入濃度較大的膨潤(rùn)土；通過素墻前，同步適當(dāng)注入惰性漿液（上部多注），以補(bǔ)充因出渣損失部分原套筒內(nèi)填充的惰性漿液，同時(shí)通過鋼套筒泄水孔將套筒內(nèi)泡沫及水排除。③掘進(jìn)過程中對(duì)脫出盾尾第2環(huán)管片頂部適合位置注入雙液漿（或水玻璃），使鋼套筒頂部漿液及時(shí)凝固，控制管片上浮，單孔注漿量控制在0.5m3以下，同時(shí)需防止?jié){液流至盾尾區(qū)域固結(jié)盾尾刷失去密封效果。④加大管片姿態(tài)復(fù)測(cè)頻率，及時(shí)掌握管片穩(wěn)定情況。必要時(shí)采用12#/14#槽鋼設(shè)置3道以上拉緊裝置將管片間連接成整體，從而降低管片間錯(cuò)臺(tái)情況。⑤掘進(jìn)期間加強(qiáng)同步注漿管控，調(diào)整同步漿液水泥含量，初凝時(shí)間控制在5h內(nèi)；適當(dāng)增加上部?jī)陕纷{管路同步注漿量，結(jié)合管片復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)、徑向探孔情況和管片外觀質(zhì)量情況及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

5 結(jié)束語(yǔ)

福州地鐵濱海快線工程濱海西站—大數(shù)據(jù)站區(qū)間富水砂層鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)的應(yīng)用取得了良好的應(yīng)用效果。雖然盾構(gòu)始發(fā)刀盤通過加固區(qū)后出現(xiàn)后部負(fù)環(huán)管片和盾尾垂直姿態(tài)整體上浮現(xiàn)象，但通過采取固定負(fù)環(huán)管片與鋼套筒、加強(qiáng)同步注漿管控、加大管片姿態(tài)復(fù)測(cè)頻率、進(jìn)行過程監(jiān)控分析等措施及時(shí)使之恢復(fù)。在富水砂層中使用鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)，可以突破地層、場(chǎng)地的制約，是現(xiàn)有端頭加固技術(shù)的有益補(bǔ)充，也是未來(lái)盾構(gòu)施工技術(shù)的趨勢(shì)所在，應(yīng)進(jìn)行推廣并深化發(fā)展。