李曉生

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052)

泥水盾構(gòu)隧道的始發(fā)與到達控制一直是盾構(gòu)掘進施工中的關(guān)鍵步驟，其難度較大且風險較高，易發(fā)生安全事故[1-2]。目前，盾構(gòu)機接收到達的安全措施主要有端頭加固法、水中到達法及深井到達法等[2-5]，在水位較高的砂卵石地層中，盾構(gòu)到達會對地層產(chǎn)生較大的擾動，易發(fā)生突、涌水等危險。在此情況下，對地層進行加固后采用鋼套筒輔助工藝接收技術(shù)可有效保證盾構(gòu)機接收過程的安全，同時縮短施工工期并節(jié)約成本[6]。

針對鋼套筒始發(fā)以及接收技術(shù)，國內(nèi)外學者進行了許多研究。王健、賀衛(wèi)國、張斌等對不同情況下的盾構(gòu)接收鋼套筒施工工藝流程以及接收推進技術(shù)進行了總結(jié)[7-9];陳珊東[10]根據(jù)輔助接收盾構(gòu)機的使用情況，總結(jié)了其適用性及優(yōu)缺點;伍偉林[11]，郭清華[12]，鄭石[13]，逯建棟等[14]對鋼套筒的填料、密封以及施工注意事項等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。但針對擾動性大的強透水砂卵石地層以及高水位情況下的鋼套筒接收技術(shù)研究較少。

結(jié)合某地鐵區(qū)間工程，對高水位強透水大粒徑砂卵石地層條件下的泥水平衡盾構(gòu)鋼套筒接收技術(shù)進行了有益嘗試，進而形成了一整套相關(guān)技術(shù)。該技術(shù)主要包括鋼套筒設(shè)計、端頭加固、降水、鋼套筒設(shè)計-制作-安裝-調(diào)試和盾構(gòu)在鋼套筒中的掘進及拆除。該技術(shù)對于強透水砂卵石地層盾構(gòu)隧道鋼套筒接收施工能夠起到較好的借鑒和指導作用。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道主體位于強透水砂卵石地層中，地下水主要賦存于卵礫石土中，屬孔隙性潛水，地層滲透系數(shù)約為60 m/d。該層主要為大于2 cm的礫石、卵石(平均含量占81.95%)，一般粒徑為2～6 cm；粒徑為2～20 mm的圓礫占14.82%；空隙被中粗砂充填。圍巖綜合分級為Ⅵ級。區(qū)間水位埋深為3.1～11.6 m，由北東向南西緩慢降低。

由于工程地層卵石粒徑較大，盾構(gòu)接收過程易對端頭墻產(chǎn)生較大的擾動，且地層的強透水性會對端頭墻周圍的加固效果產(chǎn)生影響。考慮到鋼套筒具有適用性廣、可免除端頭墻加固、重復利用率高、占地面積小、對水土影響小等特點，故在中間風井處采用鋼套筒進行接收工作。中間風井平面尺寸為30.8 m×17.8 m(長×寬)，井深約45.5 m。其圍護結(jié)構(gòu)由“1.2 m厚鋼筋混凝土地連墻+0.8 m厚素混凝土止水墻”組成。中間風井主體結(jié)構(gòu)(井壁內(nèi)襯墻與連續(xù)墻)采用疊合墻構(gòu)造形式，主體結(jié)構(gòu)采用全包防水結(jié)構(gòu)設(shè)計，明挖逆作法施工。

2 鋼套筒設(shè)計

鋼套筒筒體的密封性能是接收過程中保持壓力的重要影響因素，以下對筒體的尺寸、后端蓋、反力架、鋼套筒與洞門的連接、筒體壓力觀測點等進行專項設(shè)計，保證盾構(gòu)機能夠安全進入鋼套筒以及保證接收過程中的密封性能。

2.1 筒體

根據(jù)盾構(gòu)機外徑，將鋼套筒筒體內(nèi)徑設(shè)計為6 820 mm。為了保證筒體不因為應(yīng)力集中而變形，將其分為4段(每段長為2.5 m)；筒體采用上下兩塊22 mm厚的半圓鋼板組裝而成。另外，在筒體外表面焊接橫縱向的鋼筋板以保證筒體剛度，鋼筋板厚20 mm，高200 mm，環(huán)、縱向間隔約為500 mm。在每段筒體與上下兩塊半圓之間采用40 mm厚的法蘭及M33×150(8.8級)螺栓進行連接。另外，為了保障鋼套筒內(nèi)的密封效果，在連接處加10 mm厚橡膠墊。筒體底部框架共4塊，框架承力板為30 mm厚鋼板，筋板厚20 mm，底板厚20 mm。鋼套筒所需鋼板均為Q235A鋼。鋼套筒結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 鋼套筒結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

2.2 后端蓋

后蓋板采用30 mm厚平面鋼板。為了增加其剛度，加焊4道厚30 mm、高500 mm的鋼板(井字形)。鋼套筒與后蓋板之間仍采用法蘭及M33×150(8.8級)螺栓進行連接。

2.3 反力架

鋼套筒反力架加固在風井負四層環(huán)框梁和底板上，斜撐采用9道200H型鋼與后端蓋預留加固板及車站底板預埋鋼板焊接，頂部支撐H型鋼，兩端用楔形塊墊實并焊接在負四層橫梁上。反力架示意如圖2所示。

圖2 反力架示意

2.4 鋼套筒與洞門連接

在鋼套筒與洞門環(huán)板之間設(shè)置一個厚度為20 mm的過渡板。過渡板與洞門處采用焊接方式連接，鋼套筒體與過渡板采用法蘭與螺栓連接，連接板的長度可以根據(jù)實際情況調(diào)整。另外，為了檢查洞門的密封情況，在鐘表點位的2、4、8、10點位置設(shè)置4個帶球閥的觀測孔。

2.5 其余部位

在第2塊傳力架與第3塊傳力架的正上方設(shè)置兩個下料口，以滿足盾構(gòu)接收前的填料需求。為了方便盾構(gòu)接收完成后的排料工作，在后端蓋板上預留1個泄料閘門，另外設(shè)置1個帶球閥注排漿管。在2號和3號傳力架兩側(cè)各預留1個注漿孔(φ25 mm)。在后端蓋平面板設(shè)置1個壓力表。

3 鋼套筒接收關(guān)鍵技術(shù)

鋼套筒接收技術(shù)主要包括端頭加固、降水、鋼套筒設(shè)計-制作-安裝-調(diào)試和盾構(gòu)在鋼套筒中的掘進及拆除。其總體施工順序如圖3所示。

圖3 鋼套筒接收流程

3.1 鋼套筒安裝與填料

按工程要求完成主體結(jié)構(gòu)、后端蓋、反力架以及鋼套筒與洞門連接的操作之后，在筒體底部60°范圍內(nèi)澆筑45 cm厚的C20砂漿基座，其余部分填充M10砂漿，并保證砂漿基座伸入洞門內(nèi)與加固土體相接，以防止刀盤出加固體后“載頭”。

3.2 鋼套筒檢測試壓

完成鋼套筒安裝及填料后，還需對鋼套筒進行檢測試壓，以確保鋼套筒接收盾構(gòu)時不發(fā)生滲漏或較大位移。鋼套筒監(jiān)測試壓包括滲漏檢測和鋼套筒位移檢測。

(1)滲漏檢測

向鋼套筒內(nèi)加水或者加氣，使鋼套筒內(nèi)壓力達到3.5 bar(維持壓力穩(wěn)定)。此時主要檢查洞門與鋼套筒連接板、鋼套筒縱向與環(huán)向連接處、后蓋板連接處有無漏水情況，另外應(yīng)檢查反力架焊縫是否完好。

(2)鋼套筒位移檢測

提前將應(yīng)變片安裝在鋼套筒與洞門環(huán)板連接部位，將百分表安裝在套筒表面。在試水加壓測試過程中，觀察應(yīng)變或應(yīng)變值的變化，若發(fā)現(xiàn)其值變化較大，應(yīng)立即進行泄壓并分析原因。根據(jù)計算分析可知，鋼套筒與洞門環(huán)板連接處是位移量控制最嚴格的地方，其最大變形量應(yīng)控制在1.52 mm以內(nèi)。而后蓋橢球體的中心圓點處是應(yīng)力值最大的地方，其最大變形量應(yīng)控制在5 mm以內(nèi)。

3.3 盾構(gòu)到達掘進控制技術(shù)

盾構(gòu)到達是指盾構(gòu)機在掘進過程中到達豎井或車站基坑，此過程中要完成盾構(gòu)到達前的測量和姿態(tài)調(diào)整、接收裝置以及管片連接過渡裝置的安裝和洞口的加固防水處理等工作[15]。

(1)盾構(gòu)到達主要作業(yè)內(nèi)容

鋼套筒接收過程需要對工作面壓力、姿態(tài)進行精細的操作，以防止出現(xiàn)刀盤破壞筒體壁以及因壓力下降發(fā)生突涌水等危險。盾構(gòu)到達主要的作業(yè)內(nèi)容有：端頭井處加固；盾構(gòu)機姿態(tài)復核測量；洞門位置及輪廓復核測量；根據(jù)復測結(jié)果進行盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整；到達洞門處理；接收鋼套筒安裝-調(diào)試；盾構(gòu)機推出隧道并進入鋼套筒，接收裝置停機；洞門注漿堵水處理；鋼套筒上半部分拆除；碴土清理等。

(2)端頭加固

工程所處地層透水性強且地層自穩(wěn)性較差，在采用鋼套筒的基礎(chǔ)上，仍有必要對盾構(gòu)機接收端頭進行加固處理，以保證盾構(gòu)機安全到達。

中間風井端頭加固采用素混凝土地下連續(xù)墻(厚800 mm)，深入?yún)^(qū)間管片結(jié)構(gòu)以下9 m。主體圍護結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻(厚1 200 mm)。在盾構(gòu)機出洞區(qū)域，采用盾構(gòu)機可直接通過的玻璃纖維筋。在施工完成的帷幕墻體內(nèi)進行袖閥管注漿加固，平面加固范圍為12 m，剖面加固范圍為洞身上下各6 m，孔位呈等邊三角形布置，間距為1.2 m，漿液分別采用1∶1的水泥漿和水泥-水玻璃漿液(跳孔)。雙液漿快速凝固可進一步降低地層中水的流速和滲透系數(shù)，單液漿可填充地層中的孔隙，確保強度，使加固范圍內(nèi)形成連續(xù)、均勻、密實、密貼的加固體。

止水帷幕連續(xù)墻分幅長度按6 m控制，素混凝土地連墻混凝土標號為C20；主體圍護結(jié)構(gòu)連續(xù)墻、鋼筋混凝土地連墻混凝土標號為C40。端頭加固情況如圖4所示。

圖4 端頭加固示意(單位：mm)

(3)降水處理

工程本身的水位較高且地層透水性強，如果施工中出現(xiàn)盾構(gòu)機對地層擾動過大或壓力泄漏的情況，很容易發(fā)生突、涌水等危險。為了避免上述情況的發(fā)生，需提前進行降水處理。

盾構(gòu)進洞接收前采用坑外管井降水，降水井距軸線5 m，間距4 m，井深40～50 m。實際坑外布置26口降水井，坑內(nèi)布置4口降水井。

根據(jù)中間風井同期施工經(jīng)驗，地層靜水位為8.5～9 m，坑外降水井開啟后，靜水位保持在26～28 m。洞門鋼環(huán)頂部埋深為37 m，即開啟降水井后出洞水頭高度為10 m左右。因此，在透水性強的砂卵石地層中盾構(gòu)接收時很容易發(fā)生涌水等狀況，采用鋼套筒接收可降低施工風險。

(4)洞門破除

中間風井接收洞門處地連墻采用C40混凝土、P10玻璃纖維筋澆筑。為減少出洞過程中的刀具磨損，對1 200 mm地連墻破除600 mm。因接收洞門處埋深大，水頭壓力高，機械破除風險較高，為減低破除風險，可采用膨脹水泥(靜態(tài)炸藥)破墻法。

(5)洞門密封

在盾構(gòu)機出洞門進入鋼套筒時，如果盾構(gòu)機的盾尾脫出洞門鋼環(huán)，會加大洞門與鋼套筒之間漏漿的風險。為了保證洞門密封，可采取以下加固措施：

①在洞門鋼環(huán)上布置兩道鋼絲刷，并涂抹盾尾油脂。

②在洞門鋼環(huán)(鐘表方位2點、5點、8點、11點)布置四個應(yīng)急注漿孔，在盾構(gòu)機出洞門進鋼套筒時注入盾尾油脂。

③在玻璃纖維筋地連墻(鐘表方位2點、5點、8點、11點)預留四個應(yīng)急注漿孔，以便于密封洞門的二次注漿。

(6)測量和姿態(tài)調(diào)整

在砂卵石地層掘進，盾構(gòu)機很容易出現(xiàn)姿態(tài)偏差，致使其到達時出現(xiàn)接收困難，甚至破壞鋼套筒導致危險事故。為了保證盾構(gòu)機的姿態(tài)正常，在盾構(gòu)機到達之前，應(yīng)對盾構(gòu)機姿態(tài)進行復測。

①盾構(gòu)掘進姿態(tài)復測

在距盾構(gòu)機貫通200 m之前，需要對洞內(nèi)控制點進行測量復核。在貫通前50～100 m時，應(yīng)充分利用前面的復測結(jié)果，精確測量測站與后視點之間的距離，每一測量點的測量應(yīng)超過8個測回。同時，在盾構(gòu)機貫通前50 m，需加強管片姿態(tài)監(jiān)控。

②到達洞門復核測量

在盾構(gòu)貫通前300 m處，應(yīng)開始對盾構(gòu)到達洞門進行復核測量，以準確掌握到達洞門時的施工情況。

③盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整

根據(jù)①、②復測結(jié)果，采取相應(yīng)措施逐漸將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整至合適位置。另外，盾構(gòu)機在到達期間掘進速度較慢，會存在機體下沉的情況，可在盾構(gòu)機到達前將盾構(gòu)姿態(tài)抬高15 mm左右。

(7)到達段掘進施工

盾構(gòu)機的掘進會對砂卵石地層產(chǎn)生較大的擾動，盾構(gòu)機接收過程中的掘進參數(shù)控制則顯得尤為重要。本次到達段的掘進施工主要分為4個階段，其掘進參數(shù)如表1。

①貫通前100 m段掘進

提前在到達段地面、車站端墻及洞門埋設(shè)監(jiān)測點，并加強管片選型的控制。當?shù)貙幼兓^大時，應(yīng)注意各項掘進參數(shù)的調(diào)整，尤其是泥水倉壓力的設(shè)定。

②刀盤進入素混凝土地連墻

當?shù)侗P進入素混凝土地連墻及加固區(qū)后，應(yīng)注意調(diào)整掘進參數(shù)。

③刀盤過加固區(qū)進入地連墻

當?shù)侗P進入?yún)^(qū)間風井圍護結(jié)構(gòu)1.2 m厚地連墻時，刀盤經(jīng)過區(qū)域地連墻鋼筋采用玻璃纖維筋代替，剩余600 mm地連墻直接推出洞門。刀盤進入地連墻后，應(yīng)注意調(diào)節(jié)掘進參數(shù)。管片拼裝每環(huán)保證3次復緊，并進行內(nèi)弧面連接鋼板的焊接工作。

④盾尾脫出風井側(cè)墻停機

當拼裝完成825環(huán)后，盾尾尚未脫離側(cè)墻。需繼續(xù)拼裝第826環(huán)，當盾尾脫出側(cè)墻滿足拆解距離后停機，拆除第826環(huán)。

管片拼裝后，保證每環(huán)3次以上復緊，并進行內(nèi)弧面連接鋼板的焊接。當盾尾開始脫出風井側(cè)墻時，應(yīng)加大同步注漿量至200%(12.3 m3)，保證洞門鋼環(huán)內(nèi)部空間填充密實。刀盤進入鋼套筒后，應(yīng)注意調(diào)節(jié)掘進參數(shù)。

表1 盾構(gòu)掘進參數(shù)

(8)盾構(gòu)到站

盾構(gòu)機到站是接收過程中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，此時盾構(gòu)機的密封問題尤其重要。盾構(gòu)機在穿越第二道地連墻時，在鋼環(huán)內(nèi)側(cè)焊接一道盾尾刷，內(nèi)側(cè)涂抹盾尾油脂；盾構(gòu)機停機后，在第813到815環(huán)、第818到824環(huán)進行二次注漿，與加固體連成整體，形成兩道止水環(huán)箍，徹底將隧道后部來水封堵。液漿配比見表2。

表2 雙液漿配比及漿液主要性質(zhì)

注漿完成后，應(yīng)通過管片手孔檢查注漿效果。

(9)鋼套筒拆除吊裝

在洞門密封質(zhì)檢通過之后，即可開始鋼套筒的拆除工作。

盾構(gòu)機到達指定位置停機后，刀盤停止轉(zhuǎn)動，泥水加壓平衡盾構(gòu)機可以通過泥水循環(huán)系統(tǒng)洗倉，可以減少大量的清渣土時間。拆卸鋼套筒前應(yīng)先泄壓，使鋼套筒內(nèi)外壓力一致。

在拆卸吊裝過程應(yīng)減少磕碰，確保其圓度與密封，以保證鋼套筒的重復使用。

4 風險分析及應(yīng)對措施

4.1 洞門漏水及應(yīng)對措施

接收井拱頂埋深37 m，地下水位較高，且鄰近黃河，土體軟弱且穩(wěn)定性差，洞門發(fā)生漏水概率較大。

發(fā)生透水事故時，應(yīng)首先疏散作業(yè)人員，采用方木、棉被和麻袋等封堵透水部位，同時啟用應(yīng)急降壓井進行抽水，控制透水并使其減小；啟動積水坑內(nèi)預先安裝的2臺18.5 kW污水泵對風井基坑內(nèi)進行排水；然后對透水部位進行雙液注漿封堵。

4.2 鋼套筒基座、反力架支撐變形及應(yīng)急措施

盾構(gòu)機在掘進過程中，速度、總推力、姿態(tài)的控制不合理，會引起鋼套筒基座、反力架支撐產(chǎn)生較大變形，出現(xiàn)刀盤破壞筒體等情況。

為避免上述情況發(fā)生，采取以下預防措施：合理控制總推力，使之均勻受力；對各構(gòu)件進行強度、剛度校核，對受壓構(gòu)件進行穩(wěn)定性驗算；構(gòu)件安裝應(yīng)定位精確。

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