盾構(gòu)隧道采用鋼套筒始發(fā)下穿既有線施工技術(shù)

廖先江

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026）

1 工程概況

盾構(gòu)機(jī)盾尾拖出時(shí)管片和土體之間存在較大間隙，容易形成流水通道，造成始發(fā)洞門涌水涌砂。在盾構(gòu)始發(fā)階段，僅采用橡膠簾板進(jìn)行洞門密封，盾構(gòu)機(jī)難以保壓，盾尾也無法用水泥砂漿或水泥-水玻璃雙液漿密封，發(fā)生涌水涌砂后難以處理，容易引起周邊構(gòu)筑物沉降塌陷。

深圳地鐵?9?號線梅村站—上梅林站區(qū)間左線長635.612?m，右線長?636.500?m，埋深約?9.1～16.8?m。該區(qū)間隧道采用盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)由上梅林站西端始發(fā)至梅村站東端吊出，盾構(gòu)始發(fā)端頭井與既有地鐵4號線隧道水平距離為?16.7～19?m，與?4?號線最小垂直凈距為2.5?m，下穿影響區(qū)域基本位于礫質(zhì)黏性土層?<6-2>、全風(fēng)化花崗片麻巖層?<11-1>（圖?1）。原設(shè)計(jì)盾構(gòu)始發(fā)端頭井采用深層攪拌樁加φ108?mm?大管棚加固方案，因盾構(gòu)始發(fā)井距離既有?4?號線較近，若仍采用傳統(tǒng)的始發(fā)方案，存在洞門涌水涌砂及?4?號線運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)多方論證確定將大管棚加固方案調(diào)整為鋼套筒始發(fā)方案。

圖1 上梅林站與 4 號線三維圖

2 鋼套筒始發(fā)技術(shù)

鋼套筒始發(fā)技術(shù)是根據(jù)平衡原理研發(fā)的新型盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)，與傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)相比安全性能大幅度提高。通過在盾構(gòu)機(jī)外部安裝一個(gè)鋼套筒，在盾體、鋼套筒、負(fù)環(huán)管片、加強(qiáng)環(huán)梁之間形成封閉空間，并在封閉空間內(nèi)用充填物填充密實(shí)，在始發(fā)前先進(jìn)行保壓處理。通過鋼套筒這個(gè)封閉空間使盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)前創(chuàng)造穿越土層時(shí)的壓力環(huán)境，有效防止破除洞門時(shí)涌水涌砂情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全始發(fā)掘進(jìn)。

2.1 鋼套筒簡介

（1）筒體制作。整個(gè)鋼套筒結(jié)構(gòu)由筒體、過渡連接環(huán)、加強(qiáng)環(huán)梁、反力架等部分組成。筒體部分總長9.9?m，內(nèi)徑為?6.5?m。筒體采用?Q235?鋼材制作，按縱向分為?3?段，每段又分為上下?2?個(gè)半圓環(huán)，每段筒體的連接處均焊接法蘭盤并采用螺栓連接，法蘭盤間加橡膠墊以保證密封效果。在筒體底部安裝基座，基座與筒體焊接成一體（圖?2）。

每段筒體頂部設(shè)置?1?個(gè)?600?mm?圓形加料口，在每段筒體底部預(yù)留?3?根φ30?mm?帶閥門注排漿管，排漿管等間距布置，盾構(gòu)機(jī)有磕頭趨勢即可在下部注漿回頂。在鋼套筒下方?90°圓弧內(nèi)安裝?2?根?38?kg/m?鋼軌，鋼軌從鋼套筒后端鋪設(shè)至過渡連接環(huán)處，鋼軌兩側(cè)通長焊接。為保持盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)抬頭的趨勢，靠近洞門端鋼軌墊高?20?mm。

（3）安裝鋼套筒下半圓環(huán)和反力架。鋼套筒的安裝位置必須精確，過渡連接環(huán)與筒體采用螺栓連接，安裝反力架時(shí)應(yīng)根據(jù)始發(fā)井大小、鋼套筒長度、洞門標(biāo)高等確定水平位置和標(biāo)高，反力架緊靠加強(qiáng)環(huán)梁安裝，反力架斜撐與底板預(yù)埋件采用焊接連接（圖?3）。

圖2 鋼套筒組裝示意圖（單位：mm）

圖3 鋼套筒與反力架組裝側(cè)面圖

（4）第一次鋼套筒內(nèi)填砂。在鋼套筒底部?2?根鋼軌之間鋪砂并壓實(shí)，每個(gè)位置的鋪砂高度高出相應(yīng)鋼軌的頂面?15?mm，待盾構(gòu)機(jī)放上去后進(jìn)一步壓實(shí)，確保底部砂層提供充足的防盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)摩擦反力。

（5）鋼套筒內(nèi)安裝盾構(gòu)機(jī)。在鋼套筒內(nèi)組裝盾構(gòu)機(jī)主機(jī)，并與連接橋和后配套臺(tái)車連接。

（6）安裝鋼套筒上半圓環(huán)。第二次回填砂至低于下半圓環(huán)頂?100?mm處，安裝鋼套筒上半圓環(huán)，并用螺栓將上、下半圓環(huán)筒體連接。

（7）預(yù)加壓力。鋼套筒安裝完成后，安裝在反力架和加強(qiáng)環(huán)梁之間的液壓千斤頂對鋼套筒施加壓力，使鋼套筒頂緊洞門環(huán)板，以保證鋼套筒在有水土壓力時(shí)洞門環(huán)板處連接螺栓不受拉力。

（8）安裝負(fù)環(huán)管片。鋼套筒、反力架安裝完畢且盾構(gòu)機(jī)調(diào)試完成后，向前推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)并安裝負(fù)環(huán)管片，刀盤面板貼緊洞門掌子面但不切削掌子面，通過千斤頂整體向后頂使負(fù)環(huán)管片緊貼加強(qiáng)環(huán)梁。

（9）第三次鋼套筒內(nèi)填砂。盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至刀盤面板貼緊洞門掌子面后，通過鋼套筒頂部進(jìn)料口向筒內(nèi)進(jìn)行第三次填砂，本次將整個(gè)鋼套筒填滿并適當(dāng)加水讓砂密實(shí)。

而另一部分人，甚至從來沒有看過原著，只愿意觀看影視作品。畢竟畫面帶來的視覺沖擊更強(qiáng)烈，人物也會(huì)更加直接生動(dòng)。而閱讀小說所需的“腦補(bǔ)”環(huán)節(jié)，直接讓劇組代勞了，省心省力又賞心悅目。

（10）負(fù)環(huán)管片壁后注漿。為保證負(fù)環(huán)管片與鋼套筒之間的密封效果，在盾構(gòu)機(jī)刀盤貼緊洞門掌子面后，通過靠近反力架兩環(huán)管片的吊裝孔進(jìn)行壁后注漿，在管片后面形成一道密封防滲環(huán)。

2.2 鋼套筒始發(fā)技術(shù)

2.2.1 施工監(jiān)測

盾構(gòu)下穿?4?號線時(shí)，在?4?號線隧道內(nèi)距新建?9?號線隧道兩側(cè)?50?m?范圍內(nèi)選擇若干監(jiān)測斷面，自動(dòng)化監(jiān)測隧道和軌道變形，并將變化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)測斷面及監(jiān)測點(diǎn)布置見圖?4，0～30?m?范圍?15?m?設(shè)置?1?個(gè)監(jiān)測斷面；30～50?m?范圍?20?m?設(shè)置?1?個(gè)監(jiān)測斷面；每個(gè)監(jiān)測斷面在拱頂、拱腰和軌道上共布置?5?個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測頻率為?1?次/h。根據(jù)監(jiān)測到的?4?號線變形和管片接縫張開量，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)并進(jìn)行二次注漿。

2.2.2 既有線洞內(nèi)壁后注漿

在?4?號線的蓮花北站—上梅林站區(qū)間與?9?號線交界點(diǎn)以外?9?m?范圍，打開管片吊裝孔，對壁后進(jìn)行雙液漿（水泥-水玻璃）注漿，以加固土體增強(qiáng)其穩(wěn)定性（圖?5）。左線、右線同期由南至北進(jìn)行注漿，注漿斷面縱向間距為?2.4?m。注漿壓力控制在?0.3?MPa?以下（小于二次注漿壓力），漿液初凝時(shí)間控制在?10?min?左右。

圖4 隧道斷面自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

圖5 注漿孔位置圖

2.2.3 鋼套筒壓力測試和滲漏檢測

（1）通過加水孔向鋼套筒內(nèi)加滿水后檢查壓力，如果壓力能夠達(dá)到?300?kPa，則停止加水并維持壓力穩(wěn)定；如水壓無法達(dá)到?300?kPa，則利用空壓機(jī)向鋼套筒內(nèi)加壓，直至壓力達(dá)到?300?kPa為止，并檢查各個(gè)連接部位有無漏水和焊縫脫焊情況。

（2）逐級加壓及穩(wěn)壓監(jiān)測時(shí)間。0～100?kPa?每級加壓時(shí)間控制在?10?min?左右，穩(wěn)壓監(jiān)測?10?min；100～200?kPa?每級加壓時(shí)間控制在?15?min?左右，穩(wěn)壓監(jiān)測?25?min；200～250?kPa?加壓時(shí)間控制在?25?min?左右，穩(wěn)壓監(jiān)測?45?min；250～300?kPa?加壓時(shí)間控制在?45?min左右，穩(wěn)壓監(jiān)測?120?min。加壓監(jiān)測過程中一旦有滲漏情況，馬上卸壓，加固處理完后再進(jìn)行加壓，直至壓力穩(wěn)定在?300?kPa?并未發(fā)現(xiàn)有滲漏時(shí)方可確認(rèn)鋼套筒的密封性。

2.2.4 鋼套筒位移檢測

在加壓檢測前，在洞門環(huán)板與鋼套筒上安裝應(yīng)力計(jì)，以檢測鋼套筒的受力情況。在加壓過程中，一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)變或位移過大，立即卸壓并采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

2.2.5 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

推進(jìn)時(shí)采用土壓平衡模式盡量減少對土體的擾動(dòng)，以保證土體穩(wěn)定。推進(jìn)中，全程加強(qiáng)對?4?號線和地面的沉降監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)均勻快速下穿4?號線。

（1）土倉壓力。在采取土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)，必須密切關(guān)注土倉壓力的變化。主要通過嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度與出土量關(guān)系，使切削入土倉土量與出土量之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而保持土倉壓力與掌子面之間的平衡狀態(tài)，保證掌子面的穩(wěn)定，防止因超排土或欠排土導(dǎo)致地層失穩(wěn)造成沉降或隆起。鋼套筒始發(fā)土壓保持在?90?kPa左右，隨著進(jìn)入深度增加呈上升趨勢，在下穿?4?號線時(shí)土壓基本穩(wěn)定在?16～200?kPa之間。

（2）油缸推力。盾構(gòu)始發(fā)階段，推力過大容易造成反力架變形和鋼套筒滲漏，推力應(yīng)控制在?7?000～9?000?kN?范圍內(nèi)。推力隨著進(jìn)入深度增加呈上升趨勢，油缸整體推力逐步提高到?10?000～16?000?kN。

（3）推進(jìn)速度。堅(jiān)持平穩(wěn)均勻快速推進(jìn)的原則，推進(jìn)速度不宜太慢，避免在?4?號線下停機(jī)。推進(jìn)速度太慢、停機(jī)時(shí)間過長，不利于土體穩(wěn)定性，增加?4?號線下沉風(fēng)險(xiǎn)；推進(jìn)速度過快，則有可能同步注漿未能及時(shí)填充管片與土層之間的空隙，造成土體下沉。推進(jìn)速度宜控制在?30～50?mm/min?左右，每日推進(jìn)?3～4?環(huán)，做到勻速推進(jìn)。

（4）刀盤扭矩。正常情況下，刀盤扭矩應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍。刀盤扭矩過大反映了刀盤切削過程中受到的摩阻力和抗力過大，將加劇對土體的擾動(dòng)，不利于盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)。出現(xiàn)刀盤扭矩過大時(shí)，可以通過減少油缸推力、降低推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速來控制刀盤扭矩。在盾構(gòu)下穿過程中，刀盤扭矩應(yīng)控制在?1?700～2?000?kN?·?m。

（5）刀盤轉(zhuǎn)速。在掘進(jìn)中，根據(jù)現(xiàn)場情況采用大推力高轉(zhuǎn)速或小推力低轉(zhuǎn)速的組合，盡量避免采用大推力低轉(zhuǎn)速或小推力高轉(zhuǎn)速組合，刀盤轉(zhuǎn)速控制在?1.5～1.7?轉(zhuǎn)/min?即可。

（6）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)應(yīng)盡量勻速直線推進(jìn)，減少過多的糾偏，急于糾偏可能加劇盾構(gòu)姿態(tài)不良，影響管片拼裝質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)，對地層的擾動(dòng)加大。

（7）同步注漿。在下穿?4?號線推進(jìn)過程中，堅(jiān)持“掘進(jìn)時(shí)注漿，不掘進(jìn)不注漿”的原則。采用同步注漿可以有效彌補(bǔ)盾尾拖出管片造成的盾尾空隙，減少地層損失，從而控制?4?號線的變形。同步注漿主要從注漿壓力、注漿量和初凝時(shí)間等?3?個(gè)方面控制。注漿壓力過大容易造成管片的變形，嚴(yán)重時(shí)引起管片滲水，過小則漿液沒有填充飽和，因此注漿壓力宜保持在?200～400?kPa。足夠的注漿量才能有效填充土層與管片之間的空隙，根據(jù)理論計(jì)算，實(shí)際注漿量應(yīng)該為空隙的?130%左右，每環(huán)注漿量至少應(yīng)保證?6?m3。初凝時(shí)間太長難以對土體穩(wěn)定性形成有效支撐，初凝時(shí)間太短容易堵塞注漿管無法注漿，初凝時(shí)間一般設(shè)置在?8?h?左右。同步注漿也應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況做出相應(yīng)調(diào)整，增加同步注漿量保證土體的穩(wěn)定。

2.3 注意事宜

（1）鋼套筒始發(fā)裝置變形。對反力架、鋼套筒連接處和筒體進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)可能出現(xiàn)的不同情況采取針對性措施：①洞門環(huán)板與鋼套筒位置出現(xiàn)變形量過大時(shí)，要加大反力架和加強(qiáng)環(huán)梁之間的液壓千斤頂對鋼套筒的預(yù)壓力，并對變形開裂處進(jìn)行補(bǔ)焊；②鋼套筒連接處出現(xiàn)變形量較大時(shí)，在變形量較大處補(bǔ)焊加強(qiáng)肋板；③反力架斜撐出現(xiàn)位移量過大時(shí)，要分析可能出現(xiàn)的原因，增加斜撐的數(shù)量。

（2）盾構(gòu)機(jī)防扭轉(zhuǎn)。盾構(gòu)機(jī)在鋼套筒內(nèi)掘進(jìn)相當(dāng)于隧道的常規(guī)掘進(jìn)，應(yīng)嚴(yán)格控制扭矩不超過控制值?2?000?kN?·?m。若盾構(gòu)在切削玻璃纖維筋連續(xù)墻時(shí)產(chǎn)生的扭矩超限，可向鋼套筒內(nèi)加壓處理，同時(shí)在鋼套筒兩側(cè)每間隔?2?m?安裝?1?根工字鋼橫撐和三角架，每側(cè)安裝?4?個(gè)，橫撐和三角架采用?20?工字鋼制作。

（3）零環(huán)滲漏。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一定距離后需拆除負(fù)環(huán)和鋼套筒，此時(shí)洞門位置?0?環(huán)管片與外側(cè)土體之間無橡膠簾板，容易出現(xiàn)滲漏而引起地面沉陷。為此，在洞門側(cè)墻上安裝?4?個(gè)注漿管，在?1～5?環(huán)管片上各設(shè)置?3?個(gè)注漿孔（含吊裝孔），通過注漿管進(jìn)行注漿，注漿飽滿后方可拆除負(fù)環(huán)和鋼套筒、施作洞門。

3 結(jié)論

（1）采用大型鋼套筒始發(fā)裝置，可解決“盾構(gòu)端頭不具備地上地下加固條件，建筑物和管線遷改難度大、工期長，隧道埋深較深且地下水位較高或含有承壓水的砂性加固效果差或始發(fā)即穿越既有運(yùn)營線”等采用常規(guī)始發(fā)技術(shù)難以施展的瓶頸難題，降低了盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）采用鋼套筒始發(fā)技術(shù)比傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)更具安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，且循環(huán)利用率高、工期可控。

（3）通過自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)對既有線隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，及時(shí)在既有線隧道內(nèi)注漿，阻止了水流通道的形成，解決了上覆土體下沉等問題，有效控制了多次擾動(dòng)既有地鐵運(yùn)營隧道引起的沉降。

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