复合气垫式泥水平衡盾构钢套筒带水接收施工技术
0 引言
对于在富水砂层进行施工的复合气垫式泥水盾构来说，在接收掘进过程中，井点降水容易造成开挖面泥水泄漏、刀盘前压力无法保持稳定等问题，从而在破门的施工环节容易造成较于土压平衡盾构更大的施工风险。而且在该区间接收因为地质和现场施工因素制约，传统旋喷桩和搅拌桩加固措施未能达到预期效果。因此，在综合考虑各项施工风险和技术可行性后，对于该区间盾构决定采用套筒法并辅以一系列辅助施工工艺进行接收施工。
1 工程概况
橘园洲站为两层式标准车站，车站长度285m，接收端深度约17m，采用地连墙围护结构明挖法施工。端头维护结构厚度为800mm，端头车站主体结构厚度为800mm。单侧接收井尺寸为12.5×8.2m，中间设置有废水池。
该区间为过江区间，接收段位于防洪堤内东侧的道路上，沿线侧穿大量高层商品房小区、别墅群以及内渡河，横穿中间风井，下穿次高压煤气管线等构建筑。因为对于长距离穿江掘进，同时有大量的构建的沉降控制较为严格的区域等一系列复杂地质和周边环境条件，所以采用复合气垫式泥水平衡盾构机。泥水盾构机在接收和始发过程中都有着较高的封水要求。因此在综合考虑各种因素的前提下，本着以降低安全风险，提高施工效率，节约施工成本等为原则，进行了可行性分析和探讨，决定改变原计划的接收施工工艺，采用套筒法进行盾构接收施工。
2 钢套筒接收施工技术
2.1 钢套筒结构
钢套筒筒体部分长11200mm，直径（内径）6800mm，筒体分上、下2段，上半段纵向切割分为3块，下半段环向切割分为3段。筒体材料用厚16mm的Q235B钢板，上、下2段连接处以及两段筒体之间均采用M27的8.8级螺栓连接。泥水盾构接收为了增加密封性能，在连接法兰中间加两道密封圈，以保证密封效果。
在筒体底部框架分3块制作。底部框架承力板用厚20mmQ235B钢板，筋板用20mmQ235B钢，底板用30mmQ235B钢板。托架与下部筒体焊接连成一体的，两侧分别开有前后逃生门和焊缝切割口。
2.2 套筒受力分析
根据设计情况，预设工作内压为0.3MPa，下半壳体承受自重及盾构机600t静压力，该静压力均布于下半壳体的长度方向上，下半壳体承受总压强（工作内压+静压）为0.4MPa。具体情况如下：钢套筒长度为11200mm、直径为6800mm、材质为Q235B、材料许可应力为170MPa、设定载荷为0.3MPa。
根据受力分析，在设定的载荷与约束下，受力最大值为1.397×102MPa。位置在底座直法兰与筋板的连接处，此外，端盖的加强筋所受应力也较高。但该材料的许可应力在170MPa，故套筒和端盖的受力满足材料性能要求。
2.3 钢套筒安装
2.3.1 套筒安装准备
①测量复核。在套筒安装施工前，对洞门圆度进行测量复核，确保圆度符合要求。同时测量洞门实际中心标高与接收井底板标高，必要时根据标高进行调平放坡。②底板调平。在施工过程中，接收井底板高程经常＜安装时钢套筒底部高程，且平整度达不到要求。所以需提前进行底部调平层浇筑和铺垫钢板和细砂调平。③洞门钢环清理。提前进行洞门钢环内外部清理，清理钢环浮浆，磨平钢环边缘凹凸处，对钢环拼接处焊接不牢固或未焊接的位置进行补焊。④套筒钢部件检查。检查套筒部件外观尺寸，提前安装拼接处密封条，检查套筒拼接部件的法兰面。
2.3.2 套筒安装
具体安装流程如下：测量放线定位→将过渡环下半部吊装下井定位→过渡环1与过渡环2上半部下井定位→焊接过渡环与洞门钢环→反力架下井定位安装→反力架支撑加固→A块吊装下井定位→对接A块与过渡环并栓接紧固→上盖下井→对接上盖与A块并栓接紧固→平端盖下井→端盖与筒体栓接紧固→筒体与后端墙及反力架支撑施加预紧力→再次紧固筒体连接螺栓→加固后端支撑以及两侧支撑→安装压力检测及位移监测装置→砂浆浇筑基座→回灌砂土和泥浆。
套筒安装完毕后需对套筒进行加压实验。在砂土和泥水回灌完成后，利用空压机对套筒内部注入压缩空气。将压力提高至略高于实际掘进设计压力，一段时间后压力下降速率能小于设计值表示套筒保压性能好，满足施工要求。
2.4 套筒接收施工
2.4.1 洞门凿除
洞门凿除施工位于套筒安装砂浆基座层浇筑完成后进行。同时因为洞门凿除的必要性，需要进行井点降水，故泥水盾构只能掘进至素混凝土墙外侧，等待洞门凿除后方可继续掘进。
接收端头降水井共计12口，降水深度为隧底以下1～2m。提前12h进行井点降水，观测井测绳测量结果满足洞门凿除条件后，对洞门9个观测点分别开阀检测，汇水量满足设计要求后开始进行洞门凿除施工。
2.4.2 接收段掘进
①素墙掘进。因为素墙采用C20素混凝土浇筑。厚度为800mm，故在掘进过程中需要适当控制刀盘转速至1.0～1.2rad/min，降低掘进速度至15～20mm/min，适当加大泥水循环流量，避免切削下来的块石堆积，因为沉槽时墙体会有适当放宽，故在掘进素墙期间提前调整掘进参数。掘进期间密切关注泥水循环系统，循环管路有堵塞情况发生，及时进行反冲循环，必要情况下需停机清理分流器。同时在前期调整的基础上再次根据实测洞门中心线对盾构掘进姿态进行调整，确保盾构姿态满足进入套筒要求。②加固区掘进。加固区主要是三轴搅拌桩和高压旋喷桩加固，整体强度相比于素墙较弱，但因为水泥参量较大，故掘进时可能会产生较大水泥块。掘进时刀盘转速控制在1.5rad/min，速度控制在25mm/min左右。因为水泥含量较高，此段区域掘进时泥浆黏度和比重将会有较大的增加。注意掘进期间泥水站的指标调整。掘进至距离凿除后的地连墙前一环时开始减小掘进速度至10mm/min，同时降低刀盘转速至0.5～0.8rad/min，避免较大的扰动造成开挖面提前串通引起的地表沉降。最后一环掘进时需要密切关注套筒压力，一旦发生压力变化立刻通知盾构司机，及时通过空气控制系统和环流系统调整平衡切口压力，避免因为压力突然变化造成加固体内砂土流失，形成空洞。③套筒掘进。盾构刀盘破墙后刀盘前部与套筒内部联通，故地层内的水土压力也会部分传递到套筒内，所以在进入套筒后要特别观察套筒压力变化情况。破墙后就没有了开挖面支撑，推力会大幅减小。掘进期间要控制推力和转速，另外要额外注意套筒掘进的姿态变化，掘进线路姿态不宜超过套筒实际姿态±30mm，注意套筒内部是否有较重的刮擦声，防止刀盘擦到套筒。同步注浆和二次注浆期间要关注切口压力变化情况，避免浆液前窜引起的压力暴增。一旦发现压力暴增导致的外泄或异常的位移变化时，需要及时停止掘进，采取措施进行控制。根据情况，会在最后一环管片后在拼装3环半环管片，帮助盾构机脱出，推进过程中只需选取下半圈油缸推进即可，拼装时尽量对称拼装，避免单侧油缸选取过多造成的盾构姿态发生较大变化。
3 施工控制要点
3.1 止水密封
①二次注浆开孔要求比常规二次注浆开孔深度加深，普遍位置开孔透过壁厚≥500mm，部分特殊位置需达到1000mm。确保浆液能有较广的扩散范围。注浆量和注浆压力控制可以压力为主，在允许范围内增大注浆量，确保注入效果。②提前预备好聚氨酯注入系统，盾尾脱离前必须逐个检查最后一环注浆孔是否有流水情况，确保脱开后不漏水。③密封钢环焊接施工过程中必须逐个检查焊缝质量，对于焊接不到位、接缝有间隙的位置及时进行处理。
3.2 压力控制
①套筒上压力表和检测位移的百分表安装前要进行校核，安装完成后需采取一定的保护措施，避免施工过程中误触造成的显示不准确。②加固体掘进过程中要保持压力稳定。破墙前一环为了避免对套筒突然释放压力可适当降低压力，但不应低于该地层水压力。③破墙掘进时因为不知道掘进至何时泥水压力会释放至套筒内部，故应严格监控压力以及水位变化，必要条件下在破墙前调整压力于套筒压力近似为佳。④套筒掘进期间应该严密监控套筒压力以及位移，出现数据变化过大等异常现象及时通知司机采取调整泥水压力、排出刀盘前部堆积渣土等措施。
4 结语
综上所述，套筒法接收施工曾被广泛应用于土压盾构在不利地层的接收施工。而在福州地铁2号线过江区间，采用套筒接收工艺，成功地接收了2台复合气垫式泥水平衡盾构机。该工艺减小了气垫式泥水平衡盾构在不利地层接收的施工风险，同时相较于冷冻法接收和带水接收，套筒法在经济性、便利性以及再利用上有着很大的优势，对于今后的盾构接收施工有着广泛的借鉴意义。
