濱海地區富水粉細砂層大直徑泥水盾構鋼套筒接收關鍵技術
——以孟加拉卡納普里河底隧道工程盾構段為例

劉 華, 何 源, 鐘 涵, 張飛雷

(1. 中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2. 中交第二航務工程局第三工程有限公司，江蘇 鎮江 212021; 3. 交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040； 4. 長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040)

0 引言

盾構接收一直是盾構法施工中的重難點，且施工風險極大[1-2]。端頭加固法[3-5]、降水施工[6]、水下接收[7-9]和深井到達[10]等方法是盾構接收常用的施工方法。大直徑盾構接收一般會將以上方法綜合使用，提高接收安全系數。在臨海富水粉細砂地層中，盾構到達掘進將會圍繞刀盤、盾體在地層形成“松動圈”擾動原地層，易發生突、涌水等危險。端頭加固技術配合降水施工可以有效提高接收段土體強度并降低滲漏突涌，但大直徑泥水盾構接收時，開挖洞徑大、泥水艙壓力大且滿艙泥水體量大，突涌風險依然很高。地層加固并采用鋼套筒輔助大直徑泥水平衡盾構接收施工，可平衡盾構貫通掘進時地層水土壓力，即便存在涌泥涌砂通道也可在水土平衡的狀態下在套筒內進行封閉處置，從根本上避免突涌導致工作井被淹、洞門垮塌的可能，大大提高了大直徑泥水盾構接收的安全性。另外，考慮到雙線單臺盾構掘進時會有2次始發、2次接收和1次盾構平移轉體施工，采用鋼套筒施工可以縮短工期并節約成本[11-13]。

針對鋼套筒始發以及接收技術，國內外學者進行了許多研究。王健[14]對鋼套筒后端蓋板、底座和填料口的設計進行了優化; 陳珊東[15]對比分析了盾構不同接收方式的優缺點和適用性;李曉生[16]總結優化了在透水卵石地層小盾構鋼套筒接收關鍵技術。對于在濱海高地下水位地區，大直徑泥水盾構在擾動性大、透水性強的粉細砂地層中采用鋼套筒接收的技術研究和應用較少。

基于項目實際情況，對地層、鋼套筒結構、施工步驟等進行優化、部署和實施，形成了濱海地區富水粉細砂層大直徑泥水盾構鋼套筒接收關鍵技術。該技術主要包括工作井端頭處置、鋼套筒設計、應用和安拆、盾構接收段掘進控制和洞門封閉等，以期為復雜水土環境大直徑泥水平衡盾構接收提供借鑒和指導。

1 工程概況

孟加拉卡納普里河底隧道項目位于孟加拉國吉大港市郊區卡納普里河入海口位置，隧道連接卡納普里河東、西兩岸，為國家重點工程，也為“一帶一路”陸域交通網絡連接“中、孟、印、緬”重要一環。隧道在河底分離兩管盾構，單條隧道長2 450 m，采用單臺開挖直徑為12.16 m氣墊式泥水加壓平衡盾構施工，盾構接收后平移進行U-TURN轉體二次始發。地下水位位于地表下1 m，盾構接收位于孟加拉雨季，地表水和卡納普里河水對地下水強補給。盾構左線到達掘進段以粉細砂層為主，該段具體掘進地層剖面如圖1所示。

圖1 盾構左線掘進地質剖面圖(單位： m)

2 鋼套筒的組成原理及變形防控

2.1 鋼套筒筒身

孟加拉卡納普里河底隧道項目輔助鋼套筒采用始發、接收和轉體一體化設計，通過端蓋板的拆裝、套筒下部支座的調坡和轉體系統實現其綜合功能。鋼套筒筒體部分長14.40 m，直徑(內徑)12.59 m，后端蓋厚0.60 m，楔形延長鋼環中心長1.20 m。鋼套筒外徑13.58 m，盾構外周刀與套筒單側間隙為215 mm。鋼套筒結構由延長鋼環、密閉筒體、套筒一體化托架、端蓋圓環、平板式封頭、卸料口、進氣口、泄壓口、人行門和輔助固定裝置組成。鋼套筒根據盾構組裝空間和分塊焊接需求、海外項目運輸限制、現場安裝條件等進行合理分塊，其分塊結構構成和接收套筒總裝如圖2所示。

(a) 鋼套筒分塊

(b) 鋼套筒整體

2.2 反力支撐架

反力支撐架采用強度為Q235B的鋼結構設計，包括立柱、橫梁和斜向梁,反力架鋼梁設置18根φ610 mm圓管背撐提供推進反力，設置H400型鋼支撐封板。反力架及其支撐體系如圖3所示。

2.3 鋼套筒變形防控

大直徑盾構掘進進入鋼套筒后，切口壓力、盾構推力和盾構姿態需精準控制，鋼套筒及反力架體系變形失穩風險較大，必須提前采取措施預防套筒變形。

利用全自動監測儀器全程進行監測，應變超過限值或突變時及時停機進行分析，并采取加固措施；套筒結構加強，焊接加固卡碼和筋板，法蘭處焊接密封角鋼和槽鋼；增加側向和縱向支撐加固數量；筒體滲流量較小可不處理，套筒內壓力滿足要求即可；較大滲流量筒體外補焊堵漏，根據需要補水；套筒上部聯通鋼管，可進行內壓調整，根據需要進行內部泄壓。

(a) 反力架結構(單位: mm)

(b) 反力架背撐布置

3 鋼套筒接收關鍵技術

本項目泥水平衡盾構鋼套筒接收施工主要包括接收前的準備和輔助工作(主要包括高壓旋噴樁土體加固、圍護結構與加固體間垂直注漿帷幕和降水施工)、盾構到達掘進、盾構套筒內接收及洞門封堵等內容，其主要工藝流程如圖4所示。

3.1 接收工作井端頭處置施工

3.1.1 高壓旋噴樁端頭加固處置

接收工作井端頭采用φ1 200@900三重管高壓旋噴樁加固，加固范圍為15 000 mm×41 791 mm×24 900 mm(長×寬×深)。工作井基坑開挖卸荷后，加固體與圍護結構間將產生裂隙附水，采用鉆注一體機施作擴散直徑900 mm、樁心間距300 mm并與加固體等深的注漿帷幕封閉，注漿帷幕從洞門中心向兩端施工，帷幕施工中洞門下部鉆設探孔安裝球閥泄水，球閥中流出水泥漿即可關閉球閥進行下一根樁施工。

3.1.2 端頭降水井設計與施工

根據東岸工作井及明挖基坑降水及開挖施工經驗，東岸端頭降水井采用“大井法”計算用水量，用承壓水均質含水層非完整公式，取安全系數1.2，根據總涌水量和單井出水量，共設計14口井，井深設計40 m，泥孔徑550 mm，采用直徑273 mm，壁厚4 mm鋼管，底部設置1 m沉淀管，濾管為同規格的橋式濾水管，外包80目錦綸濾網，濾料回填至實管以上1 m，其上回填鉆渣或場地土。井位布置及降水井結構如圖5所示，其中1口井設置在加固體內靠近端墻位置，作為降水和觀測井使用。

圖4 大直徑鋼套筒盾構接收施工工藝流程圖

圖5 井位布置及降水井結構圖(單位： mm)

盾構到達前，開啟全部或部分降水井進行抽水并觀測水位。當水位有效降至洞門以下時，打設水平探孔取芯驗證；無水或少量流水時鑿除洞門，直至套筒內注水填砂時方停止連續抽水，洞門封堵后方可停泵，并封堵左線降水井。

3.2 洞門鑿除

洞門鑿除安全驗算。采用鋼套筒輔以端頭雙重加固和降水措施進行左線盾構接收大大增加了施工安全性。為縮短盾構接收時切削地下連續墻的時間，降低刀具磨損，需先進行洞門部分鑿除。考慮到降水井實際降水能力，模擬計算洞門鑿除85 cm厚，地下水位降至洞門底部以上3 m或地下水位降至洞門以下2種工況下結構穩定性。計算模型如圖6所示，計算模型參數取值如表1所示，針對2種工況設置不同高度的水頭壓力。

圖6 盾構接收洞門鑿除計算模型圖

材料參數重度/(kN/m3)彈性模量E或壓縮模量Es/MPa黏聚力/kPa內摩擦角/(°)泊松比C35混凝土25.0E=3 1503 180.055.00.35旋噴加固區20.0E=100200.030.00.25③1粉質黏土19.2E=5.8411.25.20.26③2粉砂19.4Es=125.431.20.30③6細砂19.6Es=134.632.70.29⑥粉細砂20.2Es=144.831.10.25

通過數值模擬計算可知： 1)降水至洞門底部以上3 m，洞門鑿除85 cm后，鑿除洞門處的最大剪應力在底部，為4.01 MPa，掌子面正向位移為8.7 mm； 2)降水至洞門底板以下，洞門鑿除85 cm后，鑿除洞門處的最大剪應力在底部，大小為0.1 MPa，洞門鑿除后掌子面正向位移為4.8 mm。2種工況下的結構應力與位移均滿足施工要求，地下水位降低至洞門底部以下，施工安全系數更高。

3.3 鋼套筒安裝及軌道定位

鋼套筒根據洞門實際中心和設計軸線進行定位調坡，安裝第1分塊作為定位基準后按照分塊和封板順序進行逐一吊裝，安裝延長鋼環并焊接封閉延長鋼環與預埋鋼環間隙，具體吊裝如圖7所示。

鋼套筒內采用200 mm×235 mm(寬×高)鋼軌雙拼，呈50°布置。為避免盾構爬上套筒后刀盤轉動邊刮刀切削鋼軌，鋼軌間范圍澆筑高度為285 mm的磚渣混凝土(高于軌道面5 cm)，鋼軌布置和套筒內橫斷面如圖8(a)所示。鋼軌與地下連續墻之間采用磚渣混凝土澆筑防止盾構磕頭，鋼軌末端距離端蓋封板1 800 mm，刀盤切口環超過軌道末端后刀尖距離端蓋封板550 mm，具體尺寸結構如圖8(b)所示。

圖7 接收鋼套筒安裝示意圖

(a) 套筒內軌道布置及橫斷面圖

(b) 套筒內縱斷面圖

3.4 鋼套筒內填料

鋼套筒密閉試驗合格后拆除中間上蓋，鑿除洞門，并作為洞門鑿除出渣和人員逃生路徑；洞門鑿除后澆筑磚渣混凝土過渡斜坡，進行填渣注水，具體形式如圖9所示。接收軌道上2.5 m范圍填優質中粗砂，2.5～4.5 m填筑砂夾膨潤土后封閉套筒，安裝聯通管路后注水至與地下水位等深。

3.5 泥水盾構套筒輔助接收掘進技術

本項目接收掘進定義為最后100環掘進，其主要分為3個階段，分別為盾構到達掘進1 125—1 209環(85環)、盾構穿越加固體貫通掘進1 210—1 216環(7環)、盾構刀盤開始磨墻至盾尾全部進入鋼套筒1 217—1 224環(8環)。

(a) 套筒密閉試驗后揭開扇塊

(b) 套筒內填料示意圖

3.5.1 盾構接收測量

1)主控測量。盾構掘進至貫通前150環時，采用陀螺儀定向對盾構掘進導線進行復核；距離貫通100環時進行交叉雙導線法聯系測量測定地下平面和高程控制，同時加密各項施工測量頻次，利用坐標法測定洞門實際中心三維坐標，以此為據調整掘進參數，保證隧道順利貫通。

2)刀盤里程測量。利用盾構導向系統時刻監測盾構里程和位置，1 217環掘進至管理行程1 000 mm時，刀盤中心位置在距離套筒導軌起始端10 cm位置，停止刀盤轉動，避免刀盤外周刀具與導軌互切。1 224環掘進至管理行程1 851 mm(實際油缸行程2 632 mm)時，盾構刀盤中心距離套筒端蓋封板50 cm，到達最終停機位置。

3.5.2 盾構接收掘進監測

1)管片姿態監測。在距離貫通面100環內，每天對成型后的管片姿態進行測量，實測出管片的偏差和變化值，并與二次補償注漿聯動，指導注漿作業，同時管片姿態測量還起到復核導向系統的作用。

2)地表沉降監測。地表監測主要為左線接收工作井端頭范圍，盾構接收前在距離洞門100 m范圍內采集原始數據，端頭30 m范圍每5 m布置1個斷面，每個斷面布置不少于11個測點，其余為每30 m布置1個斷面。盾構接收過程中全天不間斷監測，當掘進范圍內單點沉降速率超過1 cm/d或累計沉降超過3 cm時，需反饋至監控室調整同步注漿方量，并采取二次補償注漿措施。

3)加固區地下水位監測。洞門鑿除之前降水井已全部開始，鋼套筒建艙完成直至洞門封堵，降水井一直處于開啟狀態。本次降水施工在加固體中設置了1口觀測井JS07(見圖6)，每天派專人觀測降水井，測量地下水位，保證地下水位在洞門以下。

4)鋼套筒及反力架監測。根據本項目鋼套筒輔助盾構始發施工經驗和數值模擬計算，接收施工鋼套筒變形監測部位為： ①縱向拼接縫處變形，腰部和底部拼接縫處變形監測； ②縱向變形，洞門與鋼套筒連接處、后端蓋板監測； ③反力架背支撐應力監測。鋼套筒及反力架監測布點布置如圖10所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

根據相關工程經驗和施工要求，各監測項目控制值如表2所示。

表2 鋼套筒監測項目控制值

反力架上布設的3個應力計，隨著盾構掘進推力和切口壓力變化而變化，在掘進過程中的敏感性較高。由封板斜撐數據分析可知，當盾構推力過大或刀盤接近封板時，封板斜撐應力較大，最大達到21.42 MPa。反力架支撐應力在刀盤距離封板最近時達到最大，最大應力為35.84 MPa。

洞門鋼環與延長鋼環間的位移在盾構破除洞門(推力較大時)和盾構進入套筒后期時最為敏感，最大位移為2 mm。

封板最大位移發生在刀盤與封板距離最近時，此時套筒內填砂因盾構推進與封板越擠越密，封板位移最大為6.98 mm。

接收時套筒的拼縫除了扇塊之間，封板分塊間也存在拼縫，需進行拼縫張開量監測。整個接收掘進過程中，各分塊拼縫間的變形和位移較小，扇塊拼縫最大值為1.6 mm，封板張開量最大值為0.48 mm，均在安全允許范圍內。

3.5.3 盾構到達段掘進控制1 125—1 209環

盾構到達掘進主要穿越透水砂層，采用水土分算的主動土壓力和靜止土壓力±20 kPa作為切口壓力控制上下限，同時結合地表沉降變化，適時調整切口壓力。盾構到達段掘進參數控制指標如表3所示。

3.5.4 盾構穿越加固區掘進1 210—1 216環

1)盾構穿越加固區時與洞門實測偏差水平±10 mm，垂直+30～50 mm姿態掘削加固體，以勤糾、少糾為原則，精確嚴格控制盾構接收段掘進姿態。

2)盾構穿越加固區前，及時調整盾構掘進參數，宜小貫入、低轉速、適度開啟仿形刀至盾構刀盤全部進行加固體后，提高轉速，控制掘進速度充分掘削加固體水泥土。

3)加固體與原狀砂層交界的3環范圍，管片脫出盾尾后立即進行二次補償雙液漿注入，復緊管片螺栓避免管片姿態錯動。加固體范圍拼裝管片后立即進行壁后雙液漿補償，嚴格執行管片螺栓三緊制度，同時焊接鋼板拉緊管片內壁。盾構進行管片壁后補償注漿時，暫停降水井抽水，避免漿液堵塞管井后期無法啟用。

4)盾構穿越加固區時，循環泥漿指標以滿足在既定排泥流速下的攜渣能力為主控項，同時在地面提早排空部分桶槽儲備清水待盾構爬升至套筒后切入置換。穿越加固區泥漿指標以黏度18～20 s(蘇氏漏斗)、體積質量1.15～1.25 g/cm3、砂率≤4%、膠體率≥95%為宜。

盾構穿越加固體掘進參數控制指標如表4所示。

表3 盾構到達掘進參數控制指標

表4 盾構加固區掘進參數控制指標

3.5.5 盾構刀盤開始磨墻至盾尾全部進入鋼套筒1 217—1 224環

盾構掘進至1 217環時，刀盤下部超前刀先接觸地下連續墻圍護結構，降低刀盤貫入和控制刀盤轉速至0.5～1 r/min，掘削地下連續墻速度為2～3 mm/min，當全盤刀均參與磨削地下連續墻時可提高轉速至0.8～1.2 r/min；同時適當加大泥水環流，確保混凝土塊和玻璃纖維筋順利排出。

根據洞門鑿除后掌子面實際里程、軌道位置，結合盾構掘進參數反饋綜合判斷刀盤磨穿地下連續墻的時機，及時停止刀盤轉動推進至套筒鋼軌上。鋼套筒內推進可適當增加切口壓力，增大推力防止管片松弛。

套筒內掘進時，盾構同步注漿采用增加抗水分散劑的同步砂漿，避免與套筒聯通后有壓水沖散漿液。盾尾通過延長鋼環時，同步注漿填充、管片二次注漿和延長鋼環預留注漿孔注入聚氨酯砂漿封閉，實現洞門鋼環和管片外壁間空間迅速有效封閉，確保洞門封堵安全，具體形式如圖11所示。

圖11 鋼套筒內接收及套筒內密封示意圖(單位: m)

3.5.6 盾構接收封堵施工

1)洞門注漿封堵。盾構爬至套筒內指定位置時，再次對管片壁后和延長鋼環預留孔進行雙液漿注入，注漿壓力宜為0.3 MPa以內，預埋洞門鋼環預設注漿孔作為備用孔應急使用。注漿結束后待注漿體凝結且強度達到一定要求后檢查注漿效果。檢查方式為： ①將套筒連通管液位降低至某一液位，觀察液位是否穩定，若不穩定則說明注漿效果不佳需繼續注漿； ②利用沖擊鉆開啟洞門環管片注漿孔，安裝球閥后看是否有較大水滲出，若有則需繼續注漿直至檢查無水為止。

2)洞門封堵立焊。洞門注漿密封后，利用泥水循環系統抽排套筒內泥砂，然后開始洞門立焊鋼板封堵工作。封堵鋼板尺寸為1 000 mm×400 mm×12 mm(弧長×寬×厚)，詳見圖12，從下至上割除套筒延長鋼環并清理注漿體，然后逐塊焊接立焊鋼板。立焊鋼板需設置注漿孔以便于后期注漿封堵需求。左線接收洞門封堵立焊鋼板與封堵效果如圖12所示。

3)洞門滲漏風險應對措施。為了防止盾構接收時發生洞門涌砂涌水的風險，采取了檢查洞門注漿環箍密封、持續進行降水、快速逐塊延長鋼環割除和立焊鋼板焊接、焊接完成之后嚴格檢查焊接質量、從下部預先設置的球閥進行水泥漿壓注直到上部球閥中溢出為止等措施。

3.5.7 鋼套筒拆除

洞門封堵并驗證效果后，采用泥水管路的旁通模式，將鋼套筒內的泥砂循環、抽排干凈后，再利用鋼套筒下部泄壓孔和注漿孔等排空套筒內的水。

洞門封堵完成并將套筒內水排空后，即可拆除盾構接收鋼套筒支撐體系(包括悶蓋支撐、反力架支撐、套筒側腰支撐及其他臨時支撐)。

(a) 洞門立焊鋼板

(b) 洞門立焊封堵實拍圖

4 應用效果

左線盾構套筒接收施工中，鋼套筒mm級變形說明該工法變形可控，安全可靠。本項目采用“一機雙隧”掘進模式，左線套筒接收為“1次始發—1次接收—平移轉體—2次始發—2次接收”中的一次接收，采用套筒進行一次接收相比于水下接收可以更快速進入平移轉體階段，為項目節省30 d工期。在整個項目施工過程中，鋼套筒兼具了4次進出洞和1次平移轉體功能，相比于水下接收后拆機進行后續施工成本節約1 350萬元左右。

本項目為“一帶一路”連接“孟、中、印、緬”經濟走廊的重要一環，同時作為孟加拉國第1座水下隧道，受到孟加拉國及社會各界的高度關注，大直徑鋼套筒在盾構進出洞施工中的成功應用得到了孟加拉政府和社會各界的高度認可。

5 結論與討論

通過對孟加拉卡納普里河底隧道左線接收段地質風險分析、大直徑鋼套筒優化設計、大直徑泥水盾構接收掘進參數細化、施工工藝的可行性論證和施工風險防控措施的制定，形成了以下結論與建議：

1)在濱海地區富水粉細砂層中，采用高壓旋噴樁+降水+鋼套筒的方式進行大直徑泥水盾構接收是安全有效的。

2)利用自動化監測手段監測鋼套筒在接收過程中的變形，變形均在1 cm以內，可以實現盾構接收后的平移、轉體和再始發施工的多次利用。

3)經過理論計算和實際施工表明，地下水位降低至洞門底部以上3 m，洞門鑿除85 cm的施工方法既保證了盾構接收的安全，又能避免刀盤、刀具長時間研磨地下連續墻造成工期延誤和刀盤損傷。

4)增加抗水分散劑的同步注漿和延長鋼環預留孔中注入聚氨酯砂漿，實現了洞門鋼環和管片外壁間空間迅速有效封閉，確保了洞門封堵安全。

5)濱海地區富水粉細砂地層大直徑泥水平衡盾構接收技術難度高、風險大，采用大直徑鋼套筒接收工藝能很好地降低技術風險，保證盾構接收，但是大直徑鋼套筒的密水性能、變形特征和可重復利用的能力有待進一步研究和優化。