地铁盾构钢套筒接收施工技术方案研究

 李  文1，袁天海2，郭  谱2

（1．武汉市车都轨道交通有限公司，湖北  武汉  430056；2．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北  武汉  430074）

  [摘要]地铁工程盾构接收过程是难度最大、风险最高的环节，由于城市地铁盾构隧道施工地质条件及周边环境复杂，盾构到达接收过程中易发生漏水、涌砂等风险，为确保盾构出洞安全，故选取适当的盾构接收方法便显得尤为重要。以某地铁区间隧道的实际施工情况为背景，针对高承压水地区易发生涌水、涌砂等风险，从工期情况和施工风险两方面分析盾构接收方案，最后采用素墙+钢套筒+辅助降水接收方案。该方案解决了由于前期高压旋喷加固过程中地下连续墙成槽时可能进尺慢、地下连续墙和主体维护结构之间存在缝隙等施工难题，结果表明该方案有效地避免盾构到达接收过程中漏水、涌砂等风险，确保出洞安全。

[关键词]地铁；盾构；辅助接收；端头加固；钢套筒；施工技术

[中图分类号]U455. 43  [文章编号]1002-8498(2016)11-0076-04

0  引言

 在地铁工程盾构法区间隧道施工中，始发和接收过程是整个工程中的关键工序，也是难度最大、风险最高的环节，尤其是盾构接收过程尤为明显。当到达端头地层条件较差时，对于盾构到达的安全措施，传统工艺主要采用端头加固处理，还有水中到达法、深井到达法、冻结法等。由于以上工法均要求对洞门端头进行各种施工，而且加固质量难以保证，仍存在较大风险。在此背景下，某地铁区间盾构法隧道施工遇到的特殊工程地质条件，采用钢套筒辅助工艺接收方案比选解决了施工难题，确保了盾构到达安全，不仅丰富了传统到达施工工艺的内容，更提高了盾构到达风险控制的安全性，有效将盾构到达风险降至可控范围。

1  工程概况

1.1  地理位置及周边环境

 某地铁区间位于某地解放大道与建设大道交叉路口以南的建一路下。接收端车站南侧距离江汉二桥约450m，距离汉江650m。东北侧为现有1号线高架桥，距离接收井28m，桩长42m，高架桩为摩擦桩，桩端位于粉细砂层中。西侧紧邻二环线高架桥，高架桥一部分桥面侵占左线洞口，车站距离高架桥最近处4. 7m，二环线高架桥基础采用桩基础，嵌岩，桥桩进入中风化泥岩4. 1m。

1.2  工程地质及水文地质概况

 场地地层自上而下主要由7个单元层组成，即(1-2)素填土，(3-1-1)粉质黏土，(3-1-3)黏土，(3-1-5)粉质黏土，(3-3)淤泥质粉质黏土，(3-5)粉砂夹粉质黏土、粉土，( 4-2-1)细砂。接收井端处盾构隧道主要穿越地层为(3-5)粉砂夹粉质黏土、粉土及(4-2-1)细砂。

 根据地下水赋存介质（含水层岩性）、分布范围、水理性质及水力特征，场区第四系松散层孔隙水主要为上层滞水、承压水。

2钢套筒接收方案比选

 在盾构到达进站时，端头加固不具备或未完全具备施工作业条件时，为了有效地规避盾构进站到达存在的安全隐患，对钢套筒接收方案进行比选。

2.1  接收端加固设计

 按照现场条件，采用ф800mm@ 500mm三重管高压旋喷桩进行加固处理，加固长度10m，加固横向范围为隧道上侧4m，下侧及左、右两侧各3m。

2.2接收端加固现状

 1)左线接收时，周边管线破裂出现涌水、涌砂，水土流失量达300多m3；且右线隧道掘进方向左侧，距隧道边线1. 8m、围护结构5m出现塌方，原加固体加固效果已无法保证。洞体周边土体自稳性已不确定，右线洞门加固体水土流失，造成右线出洞涌水、涌砂风险加大。

 2)施工单位将接收端洞门由设计的6 620mm做成6 820mm，导致洞门与盾体间间隙变大，增大出洞风险。

 3)经取芯3层车站高承压水粉细砂地层中旋喷加固效果不理想，且目前降水情况尚达不到设计要求。

2.3方案1：素墙+钢套筒+辅助降水接收

2.3.1  素墙

 为确保洞门破除施工时的安全，采用在原围护结构外侧20cm位置施工一处宽800mm的地下素墙，施工范围：洞门两侧各2m，隧道下3m，顶至地面，采用C15水下混凝土。素墙与原地下连续墙两侧接缝位置采用高压旋喷桩进行封堵。

2.3.2辅助降水

 保留素墙外部降水井降水，起到减少素墙外侧向水土压力作用，以及减少素墙和围护墙接缝底部涌水风险。

2.3.3钢套筒接收

 为确保盾构出洞至封堵洞门时间内洞门的安全，盾构接收采用钢套简的暗接收工法。

2.3.4钢套筒设计（见图1）

 1)筒体

 考虑维尔特046盾构盾体10. 45m长（含中心刀），设计钢套筒筒体部分长10m，直径（内径）6 800mm，钢套筒主体包含门盖、传力架1、传力架2、传力架3、传力架4、连接简体、底部框架等。

 筒体分4段，每段又分为上、下2块，简体材料用30mm厚Q235A钢板，每段筒体的外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体刚度，筋板厚20mm，高150mm，间隔约550mm×600mm。

 每段简体的端头和上、下两段圆弧接合面均焊接连接法兰，法兰用40mm厚Q235A钢板，上、下两段连接处以及两段筒体之间均采用M30×110 8.8级螺栓连接，中间加3mm厚橡胶垫，以保证密封效果。

 2)底部托架

 在筒体底部框架分4块制作。底部框架承力板用20mm厚Q235A钢板。托架与下部简体焊接连成一体，焊接时托架板先与简体焊接，再焊接横向筋板，焊接底板和工字钢。托架组装完后，工字钢底边与车站底板预埋件焊接，托架须用型钢与车站侧墙顶紧，钢套筒上部采用槽钢与中板梁顶紧。

 3)端盖板

 后端盖为弧面盖板，材料用30mm厚Q235A钢板，平面环板加焊4道厚30mm、高500mm钢板，井字形焊接在后端盖上。后盖边缘法兰与钢套筒端头法兰采用M30 x130 8.8级螺栓连接。

 4)反力架

 盾构接收反力架紧靠在端头井环框梁和底横梁上。反力架用600 mm×400 mm方钢做斜撑，与车站底板顶紧，反力架上部顶在中板上。反力架定好位置后，先用400t千斤顶顶平面盖和反力架，消除洞门到后盖板的安装间隙后，反力架上、下均布4120与后端盖平面板顶紧，承力工字钢管两端用楔形块垫实并焊接。

 5)连接简体

 在原洞门环板预埋板的基础上，钢套筒与洞门环板之间设1块过渡连接板（厚20mm），过渡连接板的长度可以根据盾构接收井的长度进行调整，本区间考虑维尔特盾体长度，拟采用1000mm长连接简体。

 洞门环板与连接简体板采用烧焊连接，钢套筒的法兰端与连接简体采用M36×65 8.8级螺栓连接。连接筒体与传力架连接侧内径6 800mm，法兰外径7 140mm;与洞门钢环连接侧内径6 800mm不变，法兰外径设计7 020mm。

 在连接简体2，4，8，10点（钟表点位）位置有4个观测孔（带球阀），用来检查洞门密封质量。

 6)进料口

 钢套筒上预留下料口，下料口位于传力架3上。

 7)泄料闸及排浆孔

 在后端盖平面板设置1个泄料闸门、1个带球阀排浆管。洞门凿除的渣土和盾构接收完成后最后残留的回填料都需要从泄料闸运出。

2.3.5  钢套筒接收盾构的步骤流程

 盾构停机在素墙处，钢套筒连接完毕后凿除洞门，外层钢筋网片可提前凿除→洞门凿除完成→施工低强度等级混凝土回填套筒底部与A环板内→套筒内回填盾构泥砂，并检验密封性。

 盾构恢复掘进，施作双液浆环箍→随着盾构推进向前施作环箍，进入盾体后进入套筒掘进阶段。

 1)支撑安装

 钢套筒与洞门环板焊接完成并检查确认后，即安装简体上部支撑。钢套筒每边共设置4道横向支撑，顶在中板梁上。

 2)密封性检查

 钢套筒分多块组成，各组成块之间均须加垫橡胶垫，对橡胶垫必须严格控制质量，防止损坏或有漏洞，避免出现漏浆泄压。连接螺栓是保证各部分连接紧密的重要构件，使用前应确保连接螺栓质量和数量，保证各部分连接的强度。

  3)砂浆基座

  维尔特盾构与钢套筒之间存在260cm缝隙，为防止盾体栽头，碰触钢套筒，在钢套筒底部600范围内浇筑25cm厚C20砂浆基座。

  4)填料

  向钢套筒内填料，主要是填泥砂混合物，必要时对土体进行改良，增强土体的流动性。

 钢套筒接收盾构施工流程为：钢套筒制作→安装钢套筒→破除洞门→钢套筒填料、加压并封闭检测→盾构掘进进入钢套筒。

2. 4  方案2：洞门置换分层回填+钢套筒+降水 接收 

 1)增加降水井，保证水位降至隧道底以下1m设计要求。

 2)首先安装钢套筒下半部分（包括门盖、传力架1~4和连接筒体），并定位加固好。

 3)钢套筒内浇筑砂浆基座（下部600mm范围、厚0. 25m）。

 4)分层在钢套筒内回填土，每层厚度为1~2m，每层填筑步骤为：①填至距洞门约1m位置（破除洞门人员占位），停止填筑；②从下至上破除洞门1～2m高度；③破除完成后在破除位置回灌水泥砂浆止水墙。

 5)下部钢套筒内部填筑完成后，安装加固上部

钢套筒，并将上部下料口和观察口打开（下料口下

料，观察口用于人员紧急疏散）。

 6)分层凿除上部地下连续墙及在上部钢套筒内回填土，分层及填筑方法同下部钢套筒分层及填筑方法。

 7)由于场地限制，降水井需增补在隧道范围内，盾构停机需在降水井外。

 8)钢套筒回填完成后，盾构恢复掘进并进入套筒内接收。

3施工效果分析

3.1工期情况

 推速<5 mm/min，推力<8 000kN，视实际推力大小，盾构在钢套筒内掘进过程中，要确保与外界联系，密切观察钢套筒顶部情况，一旦发现变形量超量或有渗漏，必须立即停止掘进，及时采取补救措施。

 1)方案1素墙及导墙施工6d;成槽机退场后吊装钢套筒并安装固定，同时素墙等强，接缝施工旋喷桩6d;盾构掘进至素墙外停机，凿除地下连续墙、回填钢套筒6d;共计18d后盾构进入钢套筒内接收。

 2)方案2增加降水井2d，吊装钢套筒下半圆并固定2d，凿除洞门下半圆并回灌砂浆、回填套筒半圆4d，封闭套筒上半圆并固定2d，凿除洞门上半圆并回灌砂浆、回填套筒上半圆3d，盾构从停机位置掘进至钢套筒内1d接收。共计14d。

3.2施工风险

 1)方案l①地下连续墙成槽由于前期高压旋喷加固过，成槽时可能进尺慢，需配足抓斗斗齿，必要时配备旋挖设备；②由于打井场地限制，水位尚无法降至洞门以下，地下连续墙和主体维护结构之间存在缝隙，会导致底部涌水，对该层缝隙进行水平注浆封堵。

 2)方案2①底部凿除洞门后，外部加固体若效果不好，会导致土体从凿开洞口处坍塌，虽回灌砂浆并回填土起反压作用，但若外部加固体直立性差，回填土无法抵抗外部22m土压力；②从底部开洞到顶部回填，共计8d，增加洞门暴露临空时间，增加风险。

3.3施工效果

 方案1和方案2在工期基本相同的情况下，方案2施工风险比方案1要大，最终选择方案1施工：素墙+钢套筒+辅助降水接收方案。该方案的成功应用解决了钢套筒接收技术在土压平衡式盾构上使用的问题，有效避免了出洞过程中的各种风险，具有较大的提升空间和推广应用前景。同时，某区间盾构隧道顺利接收，保证了某地地铁2015年12月28日正式运营。

4结语

 1)接收端处盾构隧道主要穿越地层条件为(3-5)粉砂夹粉质黏土、粉土及(4-2-1)细砂，降水井的降水效果需满足设计要求，且减少素墙外侧向水土压力，并能降低素墙和围护墙接缝底部的涌水风险。

 2)在对软基进行素墙加固时，应根据不同的水文地质条件并结合实际情况，调节并优化混凝土配合比；隧道洞内加固和洞外素墙加固相结合的加固方式对隧道涌水、涌砂具有很好的防范治理作用；经水平探孔检查，确认无渗漏后破除洞门，同时通过水平探孔检查加固的效果和质量。

 3)施工安全风险受多方面影响，应该从施工的管理措施、技术措施等方面进行综合控制来有效降低风险。因此，对处于高承压水的隧道施工时，不仅要严格做到按照合理的施工方案进行施工，还应根据可能遇到的隐患风险准备好相应的应急措施与物资。