深埋富水卵石地層盾構(gòu)鋼套筒接收與始發(fā)技術(shù)應(yīng)用

田中勝，姚愛敏，胡俊杰，史桂溪，豐曉文

（1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.國網(wǎng)匯通金財（北京）信息科技有限公司，北京 100053）

1 工程概況

北京地鐵8 號線3 期工程永定門外站位于永定門外大街與京滬鐵路的立交路口南邊，永定門外大街沙子口路口北邊。車站主體采用明挖順做法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚1 200 mm 的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。

考慮到車站兩端盾構(gòu)隧道接收、始發(fā)均位于富水卵石地層，隧道頂部埋深超過25 m，常規(guī)端頭加固方法難以確保其加固及止水效果，且加固范圍受周邊既有結(jié)構(gòu)和管線影響，長度無法滿足設(shè)計要求，故而選取鋼套筒盾構(gòu)接收、始發(fā)方法。利用鋼套筒代替常規(guī)簾布橡膠洞門密封裝置，變局部密封為整體密封，最大限度地降低洞門涌砂、涌水的可能性，確保了盾構(gòu)接收、始發(fā)的安全。

2 鋼套筒盾構(gòu)接收

2.1 鋼套筒及反力架安裝

第1 臺盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6 180 mm，盾體直徑6 150 mm，盾構(gòu)主機(jī)9 780 mm；第2 臺盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6 180 mm，盾體直徑6 150 mm，盾構(gòu)主機(jī)長9 800 mm。為確保盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)入鋼套筒，結(jié)合盾構(gòu)接收井尺寸，設(shè)計鋼套筒筒體長度為10 m，過渡環(huán)長0.5 m，鋼套筒設(shè)計耐壓為0.5 MPa。

鋼套筒由過渡環(huán)、筒體、受力架、受力柱等主要構(gòu)件組成，其中，筒體由4 節(jié)傳力架組成，每節(jié)傳力架分為上、下2 部分。鋼套筒的設(shè)計內(nèi)徑為6 780 mm，外徑7 140 mm，其中，受力架長度為600 mm。

鋼套筒筒體外徑7 140 mm，內(nèi)徑6 780 mm，總長10 000 mm，筒體用厚25 mm 的Q235A 鋼板。將整個筒體分為4 段，每段又分為上、下兩部分。兩段筒體之間和上、下兩段連接處用螺栓連接，并加設(shè)密封墊。筒體外周焊接縱、環(huán)向筋板形成網(wǎng)狀以保證筒體剛度。

過渡環(huán)是將鋼套筒筒體與洞門預(yù)埋鋼環(huán)進(jìn)行連接的構(gòu)件，外徑7 140 mm，內(nèi)徑6 780 mm，長500 mm，過渡環(huán)與洞門鋼環(huán)焊接連接，并與螺栓固定在鋼套筒筒體上。在過渡環(huán)的2、4、8、10 點位置，設(shè)4 個觀測孔(帶球閥)，方便后期檢查洞門封堵注漿效果。

受力架為平面蓋，材料用30 mm 厚的Q235A 鋼板，平面環(huán)板上加焊2 道橫向I56a 工字鋼和3 道豎向I56a 工字鋼，工字鋼連接處共焊接9 塊400 mm×400 mm×40 mm 的鋼板作為受力板，用來將盾構(gòu)推力傳遞至受力柱及支撐系統(tǒng)。受力架邊緣法蘭與鋼套筒端頭法蘭采用M30×1 308 mm 的8 級螺栓連接。

受力柱布置在受力架后方，通過頭部支撐柱和楔塊與受力架進(jìn)行連接，受力柱共有3 根，截面尺寸為800 mm×500 mm，采用16 mm 厚鋼板焊接加工制作而成，單根長度為7 800 mm。受力柱與車站底板預(yù)埋件之間采用鋼支撐作為支撐系統(tǒng)。受力柱定好位置后，先用200 t 千斤頂頂受力架和受力柱，消除洞門到受力架的安裝間隙后，受力柱上、中、下均布3道300 mm×300 mm 的方形鋼與受力架平面板頂緊，承力頭部支撐柱兩端用楔形塊墊實并焊接[1]。

2.2 鋼套筒密封性檢查及填料

2.2.1 密封性檢查

鋼套筒的密封性對盾構(gòu)機(jī)接收起重要作用。在使用前應(yīng)對整體鋼套筒的各個重要部位進(jìn)行檢查。待套筒組裝完成后，應(yīng)向筒體內(nèi)注水并檢查其密封和密封質(zhì)量，沒有滲漏后再進(jìn)行試壓，確認(rèn)滿足試壓要求后可進(jìn)行施工。

2.2.2 填料

向鋼套筒內(nèi)填料時，應(yīng)先用中粗砂填至套筒高度的2/3處，再用膨潤土、粉煤灰等惰性漿液填滿套筒剩余的1/3。

2.3 盾構(gòu)機(jī)到達(dá)掘進(jìn)

2.3.1 第1 階段

第1 階段——最后10 m 盾構(gòu)掘進(jìn)，該階段參數(shù)設(shè)定如下：

1）推力及速度。在盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入接收端頭玻璃纖維筋地連墻前10 m 時，應(yīng)降低推力和推進(jìn)速度，以減小對地連墻和地層的擾動。推力和推進(jìn)速度應(yīng)分別控制在10 000 kN 以下和10～20 mm/min。

2）盾構(gòu)姿態(tài)。在刀盤切削地連墻前，應(yīng)將前盾、中盾和尾款調(diào)整成一條直線。盾構(gòu)機(jī)必須以水平垂直姿態(tài)推進(jìn)，推進(jìn)過程中水平姿態(tài)控制在±15 mm 以內(nèi)，垂直姿態(tài)控制在10～20 mm。

3）上部土倉壓力。結(jié)合永定門外站接收端頭的地質(zhì)水文情況，上部土倉壓力控制在0.1～0.12 MPa。

2.3.2 第2 階段

第2 階段——盾構(gòu)機(jī)切削玻璃纖維筋地連墻施工。根據(jù)地連墻的實測里程和操作界面顯示的里程關(guān)系，提前降低盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速，保證盾構(gòu)機(jī)以低推力、低速度、低貫入度的原則切削地連墻。其主要掘進(jìn)參數(shù)為：（1）推力控制應(yīng)在8 000 kN 以下；（2）推進(jìn)速度應(yīng)控制在2～3 mm/min；（3）刀盤轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1.2～1.3 r/min；（4）刀盤扭矩宜控制在1 000～2 000 kN·m。

2.3.3 第3 階段

第3 階段——進(jìn)鋼套筒掘進(jìn)階段的參數(shù)設(shè)定如下：

1）推進(jìn)速度控制在10～20 mm/min，推力控制在12 000 kN以下，在保證速度的前提下，盡量減少推力。

2）盾構(gòu)姿態(tài)控制。必須以實際測量的鋼套筒安裝中心線為準(zhǔn)來控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，要求盾構(gòu)水平姿態(tài)和垂直姿態(tài)偏差均控制在±20 mm 以內(nèi)。

3）土倉壓力。以不低于接收端頭的水壓力為設(shè)定原則。

4）同步注漿。注漿以壓力控制為主，壓力控制在0.05～0.1 MPa。

2.4 洞門封堵施工

盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒到位后，需對最后10 環(huán)管片進(jìn)行整環(huán)二次注漿（至少對每環(huán)均布5 個點位進(jìn)行注漿），二次注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，而雙液漿配合比為：（1）水∶水泥=1∶1（質(zhì)量比）；（2）水泥漿∶水玻璃=1∶1（體積比），二次注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。

洞門封堵注漿完成后，要對最后10 環(huán)管片的所有點位進(jìn)行開孔檢查，確認(rèn)無水無砂后，再打開鋼套筒過渡環(huán)上預(yù)留的檢測孔球閥，觀察出水量，若水量較大，則繼續(xù)通過管片注漿孔注漿，直至打開球閥無水流出后，方可割除過渡環(huán)并拆解鋼套筒。

3 鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)

3.1 鋼套筒及反力架安裝

盾構(gòu)始發(fā)鋼套筒及反力架的安裝與鋼套筒接收內(nèi)容相似，其部分構(gòu)件重復(fù)利用了小里程端盾構(gòu)接收后拆除的鋼套筒構(gòu)件。

3.2 鋼套筒密封性檢查及填料

反力架安裝完成后，拼裝3 個負(fù)環(huán)，進(jìn)行密封處理后，通過球閥管路向鋼套筒內(nèi)注水加壓的方式進(jìn)行密封性檢查，合格后排水，然后進(jìn)行填料。第一次填料在套筒封閉之前，兩軌道之間回填砂漿，之后套筒前后封端之前在兩端填滿沙袋，第二次填料在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至刀盤面板貼近洞門掌子面后，添加惰性漿液，確保密實，封上填料口，并連接緊固。

3.3 端頭加固及洞門鑿除

為確保地下連續(xù)墻鑿除及盾構(gòu)始發(fā)施工期間的安全，盾構(gòu)始發(fā)端采用2 排C20 混凝土素樁及地表垂直注漿的方法對地層進(jìn)行加固。混凝土素樁直徑為0.8 m，樁間距為1 m，2 排素樁呈梅花形布置。

在盾構(gòu)隧道范圍的地下連續(xù)墻采用水下C35 混凝土澆筑（實際強(qiáng)度已達(dá)到約55.1 MPa）并采用玻璃纖維筋替代普通鋼筋，幅寬為8.0 m、墻厚為1.2 m，地連墻深度為47 m，錨固深度為13 m。

洞門采用人工鑿除，鑿除施工前先在端墻上按設(shè)計尺寸畫出洞門輪廓線，將洞門劃分為9 部分，鑿除時按編號順序先下后上、先中間后兩側(cè)進(jìn)行作業(yè)，鑿除深度經(jīng)與設(shè)計人員溝通，確定為整體鑿除40 cm，中心魚尾刀最深位置鑿除70 cm。

3.4 盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)

3.4.1 始發(fā)掘進(jìn)控制參數(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)主要由刀盤和土倉壓力、排土量和推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、千斤頂推力、注漿壓力與時間、注漿方式與注漿量、漿液性能、盾構(gòu)線路坡度、盾構(gòu)姿態(tài)和管片拼裝偏差等參數(shù)控制。

3.4.2 始發(fā)掘進(jìn)控制要點

1）嚴(yán)格控制始發(fā)鋼套筒、反力架和負(fù)環(huán)的安裝定位精度，保證隧道中心的精度、避免始發(fā)支撐系統(tǒng)由于安裝偏差而承受過大的側(cè)向力。反力架安裝時與理論位置相對應(yīng)，轉(zhuǎn)動角度一定要符合設(shè)計要求，位置誤差不能超過10 mm，確保盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)與設(shè)計線路基本重合。

2）盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入洞門以前，應(yīng)在洞門預(yù)埋鋼環(huán)內(nèi)安裝2 根導(dǎo)軌，以免盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入洞門過程中出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象。

3）始發(fā)前，檢查始發(fā)鋼套筒及反力架加固效果，在始發(fā)過程中，如發(fā)現(xiàn)始發(fā)鋼套筒及反力架出現(xiàn)變形或移位，應(yīng)立即停機(jī)加固。

4）當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)糾偏時，管片選型應(yīng)綜合考慮盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、鉸接千斤頂行程、推進(jìn)千斤頂行程、盾尾間隙等因素，當(dāng)盾尾間隙過小時，可通過收放鉸接進(jìn)行調(diào)整。

4 監(jiān)測情況分析

4.1 鋼套筒盾構(gòu)接收周邊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)接收端周邊主要風(fēng)險為既有地鐵14 號線風(fēng)道結(jié)構(gòu)，風(fēng)道距離接收端頭水平凈距約6 m。2017 年7 月中旬盾構(gòu)左線完成套筒內(nèi)接收，風(fēng)道測點階段變形在-2.1～+0.2 mm。隨后施工單位進(jìn)行了洞內(nèi)補(bǔ)償注漿進(jìn)行加固，測點呈現(xiàn)上浮，平均階段變化約+1.5 mm。2017 年8 月底，盾構(gòu)右線完成套筒內(nèi)接收，風(fēng)道結(jié)構(gòu)沉降最終穩(wěn)定在-2.0～-1.2 mm。

4.2 鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)周邊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對盾構(gòu)始發(fā)端頭地表沉降進(jìn)行監(jiān)測。自2017 年9 月左線負(fù)環(huán)拼裝開始，至2017 年10 月盾構(gòu)左線始發(fā)完成且數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，地表沉降監(jiān)測顯示累計沉降最大值為-1.7 mm。盾構(gòu)始發(fā)端地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)右線始發(fā)過程中，自2017 年11 月8日至2017 年11 月18 日，盾構(gòu)右線始發(fā)完成，地表沉降累計變形最大值為-8.4 mm，右線始發(fā)過程中，測點平均變形速率為-0.53 mm/d；之后監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)。盾構(gòu)始發(fā)過程中地表沉降無監(jiān)測預(yù)警。

5 結(jié)語

采用全密閉鋼套筒裝置，解決了在深埋富水卵石地層中盾構(gòu)接收、始發(fā)端頭加固質(zhì)量難以保障的施工通病，極大地降低了盾構(gòu)接收、始發(fā)過程中的涌水、涌砂風(fēng)險。端頭無須再進(jìn)行加固及降水處理，鋼套筒部分構(gòu)件可以重復(fù)使用，縮短了施工工期，減少了施工成本，節(jié)省了地下水資源。雖然套筒始發(fā)順利完成，指導(dǎo)性方案能夠滿足現(xiàn)場施工，但在實際施工中，鋼套筒密閉系統(tǒng)受鋼套筒設(shè)計的限制，滲漏處較多。在后續(xù)的施工實踐中，應(yīng)在設(shè)計思路上加強(qiáng)鋼套筒的改進(jìn)。