1　概述

盾構(gòu)接收在盾構(gòu)隧道施工中屬于高風(fēng)險(xiǎn)事件，特別在軟弱地層和富水地層中，在盾構(gòu)機(jī)破洞后易造成開挖面失穩(wěn)而發(fā)生土體坍塌和涌水的事故[1-5]。目前在軟弱地層和富水地層中常用的端頭加固措施主要是地面措施，如地面旋噴樁加固、地面降水、采用U形索墻+攪拌樁加固等措施[6-7]。

對(duì)于地面管線復(fù)雜、交通疏解困難、周邊建構(gòu)筑物影響而無法采取地面加固措施，或?qū)τ谠谳^厚填石層等地區(qū)，地面施工困難，加固效果欠佳，此時(shí)只能采用洞內(nèi)加固措施。現(xiàn)主要的洞內(nèi)加固措施有：水平旋噴樁加固[8]，鉆注一體化水平注漿加固[9]，凍結(jié)法加固[10]等。以上洞內(nèi)措施均存在提前鉆孔施工的工況，鉆孔過程可能出現(xiàn)涌水和塌孔。以上洞內(nèi)措施對(duì)于不適合的地層加固效果難保證。洞內(nèi)加固措施相對(duì)地面措施還存在加固費(fèi)用高、工期較長等劣勢(shì)。

為克服上述加固措施的缺點(diǎn)，采用最近幾年發(fā)展起來的鋼套筒接收工藝[11-12]，鋼套筒具有施工安全、工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，成為保證盾構(gòu)安全接收的有效措施。

2　鋼套筒接收工藝和常規(guī)接收工藝對(duì)比

表1為鋼套筒接收工藝和常規(guī)接收工藝的對(duì)比，從表中可以看出，鋼套筒接收具有受地層、外界條件影響小，不占用地面場(chǎng)地，施工工期短，可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。

表1　各種盾構(gòu)接收工藝對(duì)比

項(xiàng)目地面旋噴樁加固U形素墻+攪拌樁加固水平旋噴樁加固鉆注一體化水平注漿加固凍結(jié)法加固鋼套筒接收受地層、外界條件影響較大大較大較大大小占用地面場(chǎng)地較小大無無較大無設(shè)備大小較小大較大較小大較大工期較短較長較短較短長短一次性投入較大一般較大較小大較大可重復(fù)利用否否否否否是施工精度一般一般較高一般高高

3　上軟下硬地層中盾構(gòu)機(jī)鋼套筒接收的應(yīng)用

隨著地鐵建設(shè)周邊邊界條件越來越復(fù)雜，替代傳統(tǒng)端頭加固方法的鋼套筒接收工藝最近幾年已在國內(nèi)開始應(yīng)用，深圳地鐵三期7、9號(hào)線建設(shè)在個(gè)別工點(diǎn)也開始嘗試采用鋼套筒接收盾構(gòu)。根據(jù)深圳地鐵的應(yīng)用情況，鋼套筒接收工藝在軟弱地層中能起到保證施工安全的作用。

以深圳地鐵三期某盾構(gòu)隧道接收為例，介紹鋼套筒接收成功的案例，為后續(xù)工程提供借鑒。

3.1　接收端工程概況

本區(qū)間盾構(gòu)接收端隧道埋深約16.5 m，所處地層自上至下依次為素填土，粉質(zhì)黏土，粗砂，礫質(zhì)黏性土，全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖，盾構(gòu)隧道處于強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖的上軟下硬地層中。

接收端位于十字路口西側(cè)，隧道上方橫跨一根埋深約8 m的8.6 m×4 m的雨水箱涵，且上方存在較大給水管、DN200燃?xì)夤芎屯ㄐ烹娏�管線。

根據(jù)隧道所處地層，盾構(gòu)出洞位置處于上軟下硬地層，且上部存在較厚含水砂層，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中保壓困難，掘進(jìn)參數(shù)較難控制，出洞風(fēng)險(xiǎn)非常大；而由于地面管線、交通等影響，無法進(jìn)行地面加固措施。

3.2　洞內(nèi)加固措施選擇

鑒于該接收部位不具備采取地面加固措施的條件，考慮采用洞內(nèi)加固措施。

對(duì)于上軟下硬地層，水平旋噴樁加固、水平注漿加固無法保證隧道安全進(jìn)洞；凍結(jié)法加固需要視土體的含水量多少、水量流速大小確定是否能成功凍結(jié)，且凍結(jié)法費(fèi)用高，工期長，并非很好的加固方案。盾構(gòu)在上軟下硬地層姿態(tài)控制比較困難，土壓平衡難建立，上面的軟土容易造成超挖，導(dǎo)致地面嚴(yán)重沉降。為避免地面沉降超限致使雨水箱涵破裂漏水，保證盾構(gòu)進(jìn)洞期間壓力穩(wěn)定，并保證盾構(gòu)破洞過程中洞門圈梁絕對(duì)封閉，確定采用接收鋼套筒工藝。

4　接收鋼套筒工藝(圖1～圖3)

4.1　設(shè)計(jì)原理

采用鋼套筒接收盾構(gòu)機(jī)的主要設(shè)計(jì)原理是在盾構(gòu)井內(nèi)施做一能完全包住盾構(gòu)機(jī)機(jī)身的鋼套筒結(jié)構(gòu)，在鋼套筒內(nèi)模擬出隧道正常開挖的土層壓力條件，在盾構(gòu)破洞門過程中建立起正常掘進(jìn)的壓力，并把洞門環(huán)與鋼套筒密閉連接，防止出洞過程中水土涌入盾構(gòu)井，保證盾構(gòu)接收的安全。

4.2　鋼套筒結(jié)構(gòu)

圖1　鋼套筒接收整體示意

圖2　鋼套筒立面(單位：mm)

圖3　鋼套筒現(xiàn)場(chǎng)

接收鋼套筒是一端開口的桶狀鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)鋼套筒結(jié)構(gòu)分為筒體、后端蓋、反力架和加固支撐組成。

(1)筒體

筒體為整個(gè)工藝最主要部分，其長度取刀盤到盾尾的長度，對(duì)于外徑6 300 mm的盾構(gòu)機(jī)，本區(qū)間采用長9 900 mm，內(nèi)徑6 500 mm的筒體。鋼套筒筒體分為前、中、后三段，每段3 300 mm，每段又分為上下兩半圓。筒體外周均勻焊接縱、環(huán)向鋼肋板，以保證筒體剛度。上下兩半圓、兩段筒體之間均采用螺栓連接，中間加橡膠墊，保證連接部位的密封性。筒體底部制作鋼托架，鋼托架與上部筒體焊接連接。托架組裝完后，其底部與車站底板預(yù)埋件焊接，托架須與車站側(cè)墻頂緊。

鋼套筒按能承受接收端2倍土壓力設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算本區(qū)間選擇Q235B、厚16 mm的鋼板。

(2)后端蓋

后端蓋由冠球蓋和平面環(huán)板組成。冠球蓋鋼板整體沖壓成形，平面環(huán)板與冠球蓋外緣焊接成整體。平面環(huán)板與筒體通過螺栓連接，連接部位中間加橡膠板，以保證氣密性。

(3)反力架

反力架由型鋼焊接成型，緊貼后蓋平面板安裝，冠球蓋部分不與反力架接觸。反力架應(yīng)與后部車站有可靠連接或頂緊，接收前應(yīng)先進(jìn)行預(yù)壓，沒問題后才能正式接收。

(4)筒體與洞門的連接

除了筒體本身的氣密性是控制接受成敗的關(guān)鍵因素，筒體與洞門連接的氣密性也是關(guān)鍵因素之一。設(shè)計(jì)鋼套筒與洞門不直接連接，而是通過中間一過渡連接板連接，過渡連接板與洞門環(huán)板采用燒焊連接，與鋼套筒通過法蘭端采用螺栓連接。

4.3　盾構(gòu)接收流程(圖4)

在確定采用鋼套筒工藝后，首先應(yīng)根據(jù)采用的盾構(gòu)機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)合適尺寸的鋼套筒，鋼套筒出廠前應(yīng)進(jìn)行試拼裝，并檢查其氣密性。

在盾構(gòu)到達(dá)前，于豎井內(nèi)組裝鋼套筒，鋼套筒定位應(yīng)滿足精度要求，保證隧道中心線和筒體中心線重合。鋼套筒組裝完畢后向筒內(nèi)填砂、加水和封閉鋼套筒，期間注意鋼套筒和洞門的連接。檢查鋼套筒的氣密性，合格后才能進(jìn)行接收，否則應(yīng)對(duì)漏氣點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)處理。

盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入鋼套筒后，應(yīng)對(duì)盾尾后5環(huán)管片進(jìn)行二次注漿，直至確保隔斷端頭與鋼套筒的水力聯(lián)系后，排空鋼套筒內(nèi)泥漿，打開加料孔試水，最后拆解鋼套筒吊出盾構(gòu)機(jī)。

圖4　盾構(gòu)機(jī)到達(dá)施工流程

5　接收關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)成功的接收主要取決于鋼套筒本身的質(zhì)量、定位和盾構(gòu)到達(dá)的掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)等。

5.1　鋼套筒的安裝定位

由于鋼套筒內(nèi)徑比盾構(gòu)刀盤直徑僅大200 mm，故鋼套筒定位須嚴(yán)格控制底部高程和中心線位置，確保筒體中心線與隧道中心線重合。

5.2　鋼套筒的氣密性

鋼套筒的氣密性關(guān)系到盾構(gòu)接收穩(wěn)壓及接收過程盾構(gòu)井內(nèi)的安全。鋼套筒組裝完成后，應(yīng)在筒體內(nèi)加氣檢查其密封性，若密封性不達(dá)標(biāo)，應(yīng)找出泄氣部位，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。鋼套筒能承受的壓力可按2倍土壓力計(jì)算，在加氣12 h內(nèi)，氣壓保持在90%內(nèi)即為合格。

5.3　盾構(gòu)機(jī)到達(dá)掘進(jìn)控制

(1)到達(dá)前檢查盾構(gòu)機(jī)，調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)

盾構(gòu)到達(dá)前，應(yīng)選擇合適位置對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢查，對(duì)刀具進(jìn)行更換，使盾構(gòu)機(jī)處于最佳狀態(tài)。到達(dá)前30環(huán)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核，確保盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)進(jìn)洞。

(2)碰壁前調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制土倉壓力和出土量，保持開挖面穩(wěn)定。碰壁前推進(jìn)速度減小到5 mm/min以下，推力減小到10 000 kN以下，刀盤轉(zhuǎn)速減小到2 rad/min以下。為避免盾構(gòu)進(jìn)洞出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象刀盤旋轉(zhuǎn)刮到鋼套筒，出洞時(shí)盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭應(yīng)略呈抬頭姿勢(shì)。盾構(gòu)到達(dá)地連墻時(shí)，停機(jī)向刀盤前注入聚氨酯，填充盾體與地連墻間空隙，防止破洞后地下水進(jìn)入刀盤前方。

5.4　盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒后注漿及觀察

盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒后，為阻止盾尾后方水進(jìn)入盾構(gòu)前方，應(yīng)在盾尾后5環(huán)管片處開始二次注漿，形成注漿封堵環(huán)。盾構(gòu)進(jìn)入筒體過程中，刀盤應(yīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并密切觀察鋼套筒頂部情況，一旦發(fā)現(xiàn)變形超限或有滲漏情況，須立即停止掘進(jìn)采取補(bǔ)救措施。

6　結(jié)語

本工點(diǎn)在未采取其他加固措施的前提下，直接采用鋼套筒接收工藝，成功于上軟下硬地層中安全接收盾構(gòu)機(jī)。

從最近幾年鋼套筒接收的成功案例看出，采用該工藝不受地面條件、地層條件的影響，能節(jié)省洞外加固措施費(fèi)用。雖然鋼套筒制作精度較高，單個(gè)鋼套筒的制作費(fèi)用高，但其具有可循環(huán)利用的優(yōu)勢(shì)且安全性好，隨著該工藝的成熟，其造價(jià)也會(huì)逐漸降低，鋼套筒接收工藝具有較好的推廣前景。 montgomeryartschool.com