富水圓礫地層盾構短套筒接收施工關鍵技術

吳 瓊

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司， 北京 101100)

富水圓礫地層盾構短套筒接收施工關鍵技術

吳 瓊

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司， 北京 101100)

富水圓礫地層因其含水量高、滲透系數大、化學注漿加固成形率差，增加了盾構接收進洞的施工難度。以南寧軌道交通1號線10標白蒼嶺—火車站站區(qū)間盾構接收進洞施工為例，運用“接長補短”理念，創(chuàng)新性地提出盾構短套筒接收施工工藝。在洞門環(huán)板前端通過增加短套筒的方式延長盾構機接收長度，使盾構機接收位置前移，盾構機在短套筒的保護下能夠完全進入端頭加固區(qū)，結合對盾構機主機尾部已脫出盾尾的管片二次注漿封堵或者地面降水措施，保證在盾構機接收過程中端頭加固體內部水系與外界處于隔離狀態(tài)，確保盾構機在接收過程中不發(fā)生涌水、涌砂，達到安全接收的目的。

城市軌道交通； 圓礫地層； 盾構； 短套筒； 接收

盾構機接收是盾構施工過程中風險較大的環(huán)節(jié)，為應對盾構接收風險，通常都需要對接收端頭土體進行加固處理，使端頭土體強度與抗?jié)B性滿足設計要求。端頭加固方法有深層攪拌樁、高壓旋噴樁、素混凝土地下連續(xù)墻、冷凍加固、SMW 工法、注漿加固、復合處理法等[1-5]。但上述端頭加固工藝大多對場地條件要求較高，而實際工程中常常因場地空間有限，管線拆遷困難，地質條件惡劣等原因難以保證端頭加固長度，使得盾構機接收風險進一步增大。因此，一種既能降低工程造價，又能靈活改變端頭加固長度的接收設備呼之欲出。近幾年發(fā)展起來的鋼套筒[6-10]，在盾構接收方面，雖然大大降低了施工風險，但是整個接收系統(tǒng)造價非常高，并且接收過程的接收設備安裝復雜，過程繁瑣。本文以南寧軌道交通1號線建設為背景，在既有鋼套筒接收技術的基礎上發(fā)展短套筒接收工藝，并探討富水圓礫地層條件下的實施效果。

1 盾構短套筒接收原理及適用性分析

短套筒接收方法是通過在洞門環(huán)板前端增加短套筒和封板來延長盾構機接收長度，使盾構機接收位置向前移，再結合套筒內灌注砂漿措施，大大降低盾構機盾殼與接收套筒、端墻之間的間隙，有效阻擋外部水土的通過。

采用短套筒接收，應用“接長補短”的理念，在工作井內外接密閉短套筒，彌補了盾構接收端頭土體加固長度不足的問題，極大地降低了盾構機接收時涌水涌砂的風險。

短套筒接收系統(tǒng)具有較強的適應性，在接收條件受限的情況下，可根據盾構主機長度和端頭加固長度來選擇加工長度合適的套筒，非常適合城市地鐵、水利泥水盾構、土壓盾構接收，且整套系統(tǒng)可以重復利用。同時在接收過程中，刀盤盡量貼近封板可以有效地減少接收時產生的渣土。

2 盾構短套筒接收工藝及流程

2.1 施工流程

施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程Fig.1 Construction process of short sleeve shield machine reception

1) 為保證盾尾完全進入加固體時，對脫出盾尾的管片及時進行注漿封堵，盾構機在接收掘進過程中，需運用盾構機的自動導向系統(tǒng)，精確地計算出刀盤及盾尾密封刷所在位置，準確掌握盾構機停止位置和盾尾注漿時機。

2) 避免二次注漿漿液與盾體粘連，在進行二次注漿前通過盾體的徑向注漿孔向盾體外側注入膨潤土泥漿，使泥漿包裹在盾體外側形成泥膜，隔離盾體與注漿漿液。

3) 盾尾完全進入加固體后，及時進行注漿封堵隔絕外部水系；再對加固體內輔以降水措施，使加固體中的水位線低于開挖底面。

4) 短套筒分3塊組成，通過法蘭螺栓連接成環(huán)，再安裝到洞門預埋環(huán)形鋼板上，接著安裝短套筒前端的封板及支撐裝置。

5) 在洞門破除前向密閉短套筒內注滿砂漿，保證盾構處于良好的接收姿態(tài)。

6) 盾構機破除洞門掘進至短套筒內，采用欠壓開挖模式能減小開挖倉內泥水對短套筒和封板的壓力，確保短套筒穩(wěn)定性、安全性。

7) 當盾構刀盤距短套筒封板為30 mm時，通過封板上的觀察孔，復核注漿封堵與降水效果。

8) 拆除封板，繼續(xù)推進至盾構機完全進洞，對最后一環(huán)管片進行注漿封堵，封閉洞門，盾構機與接收短套筒等裝置解體吊出，完成接收。

2.2 工藝要點

2.2.1 施工準備

如圖2所示，在素砼墻施工縫外側采用袖閥管注漿加固，提高施工縫止水效果，同時在接收端頭布置降水井。

圖2 施工期準備Fig.2 The preparation process of short sleeve shield machine reception

2.2.2 鋼套筒及封板加工

鋼套筒及封板采用Q235-A鋼板加工制作，所有焊縫均為連續(xù)焊縫，焊接要求按現行國家鋼結構焊接標準(GB 50661—2011)進行。為保證焊縫質量和焊接精度，鋼套筒和封板在工廠加工，鋼套筒環(huán)板外圓半徑為3 400 mm，內圓半徑為3 246 mm，套筒環(huán)板連接螺栓孔中心對應圓半徑為3 300 mm(見圖3)。鋼套筒分為3塊制作，每塊角度為120°，注漿孔每45°設一個，支撐肋板每15°設置1道。鋼套筒用3對6塊法蘭連接，每塊法蘭上設置3個Φ32 mm螺栓孔，用于螺栓連接。

圖3 鋼套筒加工示意Fig.3 Schematic diagram of steel sleeve structure

2.2.3 盾構鋼套筒接收施工

盾構機鋼套筒接收現場施工順序：破除洞門接收井一側保護層、割除外層鋼筋、在洞門預埋鋼環(huán)上安裝連接鋼套筒螺栓，由下而上依次安裝鋼套筒、封板，安裝封板前方反力支撐、在垂直方向加固鋼套筒，在鋼套筒周圈安裝注漿球閥、在頂部安裝砂漿灌注導管和排氣閥，向套筒內灌注砂漿，盾構機掘進回填砂漿，注漿封堵環(huán)形漏水通道，檢驗降水及封堵效果，封板拆除。

3 盾構短套筒接收技術工程應用

南寧軌道交通1號線10標廣—白區(qū)間接收端為富水強滲透性圓礫地層，根據施工設計圖紙采用外包素砼連續(xù)墻加袖閥管注漿的端頭加固形式，由于客觀原因造成接收端頭加固體長度不足，如果采用常規(guī)的密封措施(橡膠簾布加壓板)接收，接收風險非常大，并且無法從根本上解決洞門涌水涌砂現象。因此，本工程打破常規(guī)，并結合現場實際情況，以“接長補短”的指導思路，開創(chuàng)性提出了密閉接收的方案，通過洞門外增設密閉短套筒來達到泥水平衡盾構機在富水圓礫地層中順利接收的目的。接收過程盾構姿態(tài)控制及欠壓掘進、套筒設計及受力分析、鋼結構加工安裝精度等均是施工過程中的技術難題。

3.1 接收端工程概況

盾構接收端為白蒼嶺站端頭，地層從上到下主要有素填土、黏土、粉質黏土、粉土、粉細砂、圓礫層。接收洞門主要處于④1-1粉細砂層(厚1.5～2 m)和⑤1-1圓礫層(厚4～4.5 m)中。

地下水主要賦存于松散巖類的砂、礫含水層中，為孔隙承壓水，在砂、礫粒間隙呈分散狀緩慢徑流狀，圓礫層富水性強，滲透性強，屬強透水層(達到8.1×10-4m/s)。

盾構接收端頭上方有一根DN 1 400 mm給水管(混凝土承插管)，是南寧市的主要供水管道，埋深約1.6 m，處于盾構接收端頭加固區(qū)域，為盾構接收過程控制的重點。

3.2 施工過程控制

3.2.1 外層鋼筋割除

洞門連續(xù)墻鋼筋為玻璃纖維筋，分內外2層布設，盾構在接收過程中需把外層鋼筋割除，然后再安裝洞門鋼套。

3.2.2 預埋鋼環(huán)安裝螺栓

為了把鋼套筒牢固地固定在洞門鋼環(huán)上，在安裝鋼套筒前先在鋼環(huán)上安裝高強螺栓，型號為M30(8.8級)，長度為10 cm。

3.2.3 安裝鋼套筒

鋼套筒運至現場后，采用吊車吊裝就位，底部1塊，隧道兩側各1塊，調整位置后通過法蘭螺栓連接，見圖4。

圖4 鋼套筒現場安裝Fig.4 The site picture of steel sleeve installation

3.2.4 安裝封板

鋼套筒安裝完畢，封板安裝同樣采用吊車吊裝就位，對準封板與套筒螺栓孔，連接螺栓。

3.2.5 反力支撐安裝

在反力支撐安裝前，先在圓形封板上對稱分布3根300 mm的工字鋼，增大支撐點的受力面積，將支撐力有效分布到封板上。通過模擬盾構掘進過程，確定刀盤前方掌子面的受力分布情況，進而確定封板上反力支撐的著力點。

3.2.6 閥體安裝

為了保證鋼套筒內部填充的密實，預先在鋼套筒外側安裝注漿球閥，待砂漿回填完畢后通過注漿球閥向套筒內壓注水泥漿。在砂漿灌注過程中，在灌注導管旁邊設置排氣孔，確保填充的密實性。

3.2.7 砂漿灌注

灌注前打開排氣孔，關閉注漿球閥，待泵車、砂漿運輸車就位后，通過泵管灌注砂漿，砂漿為M10砂漿，初凝時間為12 h。

3.2.8 盾構機掘進填充砂漿段

灌注砂漿達到初凝時間后，盾構機通過自帶調壓系統(tǒng)，調整開挖倉壓力，降低倉內液面，進行欠壓掘進。由于砂漿強度遠大于地層土體強度，所以在掘進過程中要嚴格控制掘進速度和總推力，速度為2～5 mm/min、推力要小于6 500 kN。

根據預先計算的里程參數，當盾構機刀盤到達距封板10 cm處停機，再次降低開挖倉壓力，使頂部壓力為零。此時盾構機尾部已經過圍蔽素砼墻，通過二次注漿系統(tǒng)，壓注雙液水泥漿填充管片與素砼墻形成的環(huán)形漏水通道。

3.2.9 封板拆除

吊車就位后，由上至下依次拆除封板固定螺栓，吊車吊裝封板放在指定位置，安排人員剝除刀盤前方剩余3 cm的砂漿薄層，露出刀盤，完成短套筒接收。盾構機在后續(xù)上托架的過程中，會擾動加固體土體，所以隨著盾體的移動，在管片脫出盾尾后要及時進行壓注水泥漿，保證管片外側填充密實。

3.3 應用效果分析

圖5 接收效果圖Fig.5 The final picture after the machine receiving

在廣—白區(qū)間接收過程中，短套筒接收技術有效克服了洞門涌水涌砂的風險，使得盾構機安全順利進入車站，完成接收任務(見圖5)，充分體現了此技術的優(yōu)越之處。主要體現在：1)延長了加固體，有效封堵了盾構后方來水；2)有效避免了因端頭土體加固效果不良帶來的風險；3)避免了人工鑿除洞門的風險；4)省去安裝導軌環(huán)節(jié)；5)因為砂漿的充填，盾構機慢速推進時，將接收端墻和砂漿切成標準的圓形，大幅減小端墻與盾構機盾殼之間的間隙，有效地阻擋了外部水土的通過，在盾構破門直到盾尾脫離管片期間，洞門周圈滴水不漏；6)省去了安裝洞門簾布和壓板的環(huán)節(jié)。

4 結語

本文主要介紹在盾構接收端頭條件受限的情況下，采用短套筒接收施工工藝的原理及步驟。在實際的現場施工中，接收過程簡單，鋼套筒重復利用率高，接收效果良好，刀盤在破除洞門時基本做到了滴水不漏，有效增加了工程施工效率，大大降低了接收過程的施工風險，顯著提高了工程的經濟效益。

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(編輯：郝京紅)

Key Technology of Short Sleeve Shield Reception in Water-rich Gravel Stratum

WU Qiong

(Beijing Metro Engineering Construction Co., Ltd., China Railway 16th Bureau Group, Beijing 101100)

The water-rich gravel stratum is characterized by high water content, large permeability coefficient and poor rate of chemical grouting reinforcement, which increases the difficulty of construction during the departure and reception of shield. The author takes shield reception between Baicangling and Nanning Railway Station as an example and puts forward the innovative construction technology for short sleeve shield reception. In the front end of the hole ring, the short sleeve is installed to extend the length of the shield reception distance. Under the protection of the short sleeve, the whole shield can be completely put into the reinforcement area. By the grouting at the tail of the shield or the engineering dewatering measures, the water can be isolated from the outside, which can reduce the risk of quicksand and water gush during the process of shield reception.Keywords: urban rail transit; gravel soil; shield; short sleeve; reception

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.008

2017-02-22

2017-03-24

吳瓊，女，本科，高級工程師，主要從事為城市軌道交通建設工作，554000070@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)03-0040-04