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承压水砂性地层中盾构钢套筒始发技术应用

　　随着我国城市建设的快速发展，城市地铁、市政道路、各种市政地下隧道在城市中也得到了大量发展。国内许多城市地铁已经成网，同站换乘极大地方便了乘客，提高了运送效率。但是由于城市地下资源有限，不可避免地出现了叠交隧道的盾构始发、接收施工，地铁隧道覆土也越来越深，使盾构始发、接收的安全风险变得极大。近一段时间，钢套筒辅助技术逐步应用到盾构接收施工中，并且积累了一些成功的经验，但在盾构始发中应用钢套筒尚不多见，以武汉地铁3号线香港路站右线盾构工程成功应用钢套筒始发为例，对盾构在深覆土条件下、在富含承压水的粉细砂地层中钢套筒的始发技术进行了介绍和说明。
　　一、钢套筒始发、接收方法简介
　　盾构始发、接收是盾构施工的重大风险点之一，为了确保盾构施工安全，一般都会对洞门端头进行地基加固，传统的地层加固方法有旋喷桩加固法、搅拌桩加固法，常见的还有冻结法、钢板桩置换法、水中到达法、化学注浆加固法或者在上述加固的前提下结合使用降水法。由于以上工法均要求对洞门端头进行各种施工，对围护结构要求较高，且加固质量难以保证，降水施工对周边影响大、水位难以下降到合理深度，仍存在较大风险，在该情况下，钢套筒辅助盾构接收技术便应运而生。钢套筒辅助盾构始发、接收技术主要基于水土压力平衡的理念，以小空间换取大空间、循环利用为核心，为盾构始发、接收提供了新的技术和思路。钢套筒是一种直径比盾构略大、长度比盾构略长的圆筒状钢结构，一端开口、另一端封闭，开口端与洞门预埋钢环连接，这样形成了一个整体密闭的容器。盾构接收时利用钢套筒，则在钢套筒中灌入充填物，使盾构在整个接收过程中始终处于内外水土平衡的状态，保证外部水土不会流失。盾构始发时利用钢套筒，则盾构在钢套筒内向外掘进，在盾构机外部钢套筒内灌入充填物，盾构按照正常掘进注浆，确保内外水土平衡，外部水土不会流失。盾构接收利用钢套筒的成功案例较多，并且积累了一定的经验，技术也逐渐成熟，而盾构始发利用钢套筒的案例不多，结合武汉3号线香港路站—惠济二路站区间隧道工程案例，对盾构钢套筒始发技术进行介绍和说明。
　　二、工程概况
　　武汉地铁3号线香港路站—惠济二路站区间隧道设计线路以左线在上、右线在下的上下叠合的形式进入香港路站，在靠近香港路站一端有110m的上下叠交区段，左线在惠济二路站始发，在香港路站接收；右线在香港路站始发，在惠济二路站接收。为减少施工风险，待下部右线盾构始发推过110m叠交区段后，左线盾构方可推入到叠交区进入香港路站接收。由于左、右线隧道在香港路站叠交，因此右线隧道埋深大，隧道顶部覆土约22m。盾构施工所处地层为③₄粉质黏土夹粉土层，③₅粉质黏土、粉土、粉砂互层，④₁粉细砂层。盾构在香港路站始发端所处地层为④₁粉细砂层。承压水水头为地表下7.11m（理论测算），现场实测为地表下10.2m。因始发风险极大，因此右线始发采用钢套筒内始发方案。
　　三、钢套筒始发方案设计
　　3.1盾构始发端头地基加固
　　原设计方案采用高压旋喷对盾构始发端头井进行地基加固，辅以降水措施确保始发安全。香港路站右线盾构始发端头井北侧为5号出入口，相对位置如图1所示。由于5号出入口支护桩位置的限制（图1中A钻孔桩），在始发段北侧加固区域难以达到外扩3m的设计要求。同时盾构始发覆土较深（隧道顶部覆土约22m），且处于富含承压水的粉细砂地层中，盾构始发风险极大。经论证，决定采用钢套筒始发辅助措施结合垂直冻结加固的盾构始发技术方案。

图1 香港路站始发端头井平面位置图

　　冻结孔采用梅花形布置。A排距槽壁0.5m，B排距A排1.0m，孔间距1.0m。冻结孔孔深30.833m（至洞门圈以下3.5m），冻结孔设计共26个。冻结孔布置如图2所示。

图2 冻结孔布置断面图

　　3.2钢套筒设计
　　盾构始发钢套筒体系由下盖、上盖、反力架、延伸环、加强环梁组成。钢套筒始发见图3，反力架构造示意图见图4。

图3 钢套筒始发现场

图4 反力架构造示意图

　　盾构机装入钢套筒组装完成后，合上上盖。拼装2环负环、管片顶至反力架上，从灌料口灌入泥浆，使盾壳、负环管片与钢套筒间填充密实，达到密封的效果。为保证套筒与洞门钢环密封，钢套筒在反力架连接处增设小型千斤顶，顶住钢套筒贴紧洞门钢环。洞门预埋钢环和钢套筒间安装3环延伸环（内环宽200mm，中环宽700mm，外环宽700mm），内环与洞门预埋钢环满焊连接以保障接口处的密封性，负1环与零环外侧迎土面在管片生产时预埋宽800mm，厚10mm的弧形钢板，在始发套筒拆除后及时用压板与预埋钢板满焊连接以保证洞门处的密封性。
　　由于始发钢套筒系统中有千斤顶向前的预顶力与盾构的始发推力，反力架承受的推力将比正常始发时增大，因此在反力架受力计算时，其设计能力须能承受大于2000t的推力。
　　3.3钢套筒安装调试流程
　　盾构机钢套筒安装调试流程如图5所示。

图5 钢套筒安装调试流程图

　　四、钢套筒始发方案实施
　　4.1 冻结法地基加固控制要点
　　利用钢套筒辅助始发技术，洞门宜采用冻结法施工（尤其是垂直冻结），其冻结效果的好坏直接影响到钢套筒始发的成败，因此：1）按照设计的孔距和深度施工冻结孔，并严格控制冻结时间和盐水温度；2）洞门破除前，必须通过样洞确定冻结体的冻结效果；3）冷冻机组在盾构机刀盘靠上加固土体直至钢套筒内回填砂浆完成前，一直保持运行状态。
　　4.2钢套筒的安装
　　钢套筒分多块组成，各组成块之间均须加垫橡胶垫。对橡胶垫质量必须进行严格控制，防止损坏，避免出现漏浆泄压，导致泥水压力不能建立。钢套筒耐压按2倍切口水压力设计，钢套筒安装完成后需进行水压力试验，检验钢套筒的密封性能，压力不小于设计切口水压。
　　钢套筒安装前需对洞门预埋环板进行检查，确保钢套筒与洞门预埋环板的正确连接，也可加法兰进连接，并在连接处挂网喷射一定厚度的混凝土，以降低涌水、涌砂的风险。
　　在反力架和环梁之间设置预压千斤顶，通过千斤对钢套筒施加预应力，使钢套筒顶紧洞门环板。对钢套筒与洞门环板连接处进行监测，并根据监测情况及时调整预压千斤顶压力，使洞门环板始终处于受压状态。
　　钢套筒后端通过加强环梁和负环管片连接，连接处设置止水橡胶圈，负环管片外侧与钢套筒的间隙通过管片壁后注浆进行密封。
　　盾构始发掘进前对安装好的钢套筒进行压力测试，测试合格后方能进行盾构始发掘进。
　　始发过程中如发现钢套筒变形较大时，要立即采取加强措施，在变形量较大处补加加强肋板，加强肋板可利用现场钢板制作；如出现钢套简接缝渗漏，立即对接缝处螺栓进行复紧。
　　4.3洞门凿除
　　洞门凿除应在钢套筒安装完毕、盾构机调试完成后方可进行。洞门凿除是在套筒内部进行，需要粉碎性凿除，凿除分2次进行，第1次凿除后，最后的30cm厚快速完成。这样可把洞门凿除时的风险控制到最低，同时减少冻结土体暴露的时间。
　　4.4钢套筒内灌浆、冻结管拔除
　　当盾构机刀盘靠到加固土体时，停止推进，通过钢套筒顶部的预留孔压入膨润土、砂、粉煤灰的混合浆液（浆液配比可参照同步注浆），浆液把盾构机外壳与钢套筒之间的空隙填满即可，然后把预留孔盖板关闭。钢套筒浆液灌满、封闭后，停止冻结，并在地面上拔除垂直冻结管。
　　4.5盾构始发时土舱压力设定
　　根据工程地质条件，切口土压力设计值约为220kPa。盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面后，向钢套筒内填充膨润土、砂、粉煤灰的混合浆液，将整个钢套筒填满。同时，通过向土舱内注入泥浆使土舱压力达到设计值。始发时土舱压力控制与常规盾构推进相同，土舱压力应根据地面监测情况及时进行调整。
　　4.6施工监测
　　盾构始发前后对周边建筑物、地面、围护结构端头、地下管线、钢套筒压力与变形等项目，进行加强监测。
　　4.7钢套筒拆除
　　当盾构后配套车架全部进入隧道后，通过计算，成形隧道管片握裹力能满足盾构推进千斤顶总推力时，可考虑拆除负环管片及钢套筒。通过车站侧墙上预留的注浆管、在始发端0～10环特殊管片上预留的注浆孔进行注浆（浆液采用单液浆和双液浆结合）。注浆完成后，打开注浆时未使用的预留孔，观察出水量，若水量较大，则继续注浆，如果没有渗漏，可以间隔选几个注浆孔，用冲击钻打入土体1～2m，如仍未渗漏，说明注浆隔水帷幕效果良好，具备了拆除钢套筒条件。钢套筒拆除前，准备好足量的弧形钢板，逐步分小块割除钢套筒与洞门钢圈的焊接钢环，割除1块及时用弧形钢板把管片外弧预埋的钢板与洞门钢环焊接，形成挡水钢板，直至全部割除、焊接完毕。
　　五、结语
　　钢套筒始发施工技术在武汉地铁3号线香港路站—惠济二路站区间隧道香港路站始发中得到了成功的应用，使盾构在深覆土（隧道顶部覆土22m）的条件下，在富含承压水的粉细砂中的始发避免了各种风险。在富含承压水的粉细砂地层中盾构钢套筒始发或者接收，最大风险在洞门凿除和钢套筒拆除阶段，钢套筒结合冻结加固技术，能够有效地防止洞门凿除时的漏砂、漏水；钢套筒拆除前对洞门进行注浆，拆除时首先对钢套筒与洞门钢圈的连接环分块拆除并及时焊接弧形钢板，能够确保拆除过程的安全。
　　以上所述的几个控制重点可为钢套筒始发接收技术的应用提供借鉴，为以后的类似工程提供科学依据。钢套筒设备虽然造价较高，但是可以循环使用，该施工技术具有较大的提升空间和推广前景。

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