富水圓礫層蓋挖車站中鋼套筒始發的應用

侯靖宇

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142）

1 引言

盾構始發進洞是盾構掘進的關鍵環節，如何保證盾構始發安全一直是眾多學者關注、研究的重點。趙立鋒[1]以南京地鐵3號線浮大區間為例，分析了車站端頭采用旋噴樁加固，輔以垂直凍結加固，同時采用鋼套筒接收工藝，提高了盾構接收的安全與質量；張中安[2]結合深圳地鐵三期某盾構隧道工程，分析了鋼套筒接收工藝的可靠性；李金鋒[3]通過對杭州地鐵中—鳳區間接收端頭風險源進行分析，確定采用局部地面加固及鋼套筒接收工藝，既保證了既有運營線的安全，也滿足了盾構接收的要求；伍偉林等[4]針對鋼套筒始發、接收中存在的問題進行了研究，通過方案改進，保證了無端頭加固情況下盾構始發、接收的安全性。

以往研究多集中于鋼套筒接收，涉及始發案例相對較少。于端頭未加固且蓋挖逆做法車站端頭中的應用更為少見。本文以富水圓礫地層中某蓋挖逆做車站盾構始發工程為例，對富水砂礫層中采用鋼套筒始發的應用進行分析。該案例可為今后類似工程提供參考。

2 工程概況

某站為地下兩層站，車站端頭地下管網繁雜，類型眾多，管徑及埋深不一，受周邊地塊及交通疏解限制，采用蓋挖逆做法施工，車站圍護采用0.8 m厚地連墻，由于場地施作有限，僅設置右線盾構始發吊裝孔，車站負二層結構需預留盾構平移條件，負二層端頭井內水平凈寬8.52 m，豎向凈高7.35 m。

2.1 地質水文條件

場區地下水主要賦存于第四系松散層中的孔隙潛水，主要含水層為第四系全新統-上更新統沖洪積砂類土、圓礫地層。各含水層之間地層多為透水層、弱透水層，無明顯隔水層，相互滲透。端頭始發段地質情況復雜，土層由上至下分別為素填土、礫砂、圓礫、粉砂，根據本場地內各土層滲透系數及層厚情況，同時結合同一地貌單元抽水試驗結果，盾構穿越土層主要為圓礫層，其綜合滲透系數48 m/d，屬于強透水層。

2.2 原設計方案

端頭加固原設計方案采用地連墻+袖閥管注漿加固，沿線路方向加固長度為10 m，隧道結構外輪廓豎向上下3 m，橫向至兩側素地墻邊緣；采用地面袖閥管注漿加固地層，注漿導管采用φ48×5 mm間距1 m×1 m梅花形布置的PVC袖閥管，注漿漿液采用42.5級以上的普通硅酸鹽水泥。

由于端頭前方場地內存在2根DN300埋深1.8 m中壓天然氣鋼管道、DN500埋深1.9 m給水鑄鐵管道、DN500埋深2.5 m雨水混凝土管道等，遷改困難，同時本站所處位置屬于市區主要交通干道，端頭井范圍場地有限，交通導改困難，端頭加固難以實施，因此改用鋼套筒始發工藝進行盾構進洞施工。

3 鋼套筒設計方案

始發鋼套筒按照洞門到車站順序分為過渡環、套筒主體、環梁、液壓千斤頂、液壓泵站、高強螺栓，基于某站采用蓋挖逆做法施工，僅右線范圍設置盾構吊裝孔，端頭井內施作空間有限，盾構機平移限高7.35 m，限寬8.52 m，右線盾構始發需于左線完成后平移吊裝至右線位置進行始發，因此對鋼套筒始發進行改進、優化設計。過渡環長0.5 m，一端設置環向法蘭，與套筒主體栓接，另一端與洞門鋼環焊接。過渡環、環梁均分為上下兩個半圓。鋼套筒主體區別于以往傳統鋼套筒設計，筒體上半部（頂、側環）傳力架采用水平分塊，即上半部分分為三節：1個傳力架頂環與2個傳力架側環，每節為60°圓弧，同時為保證鋼套筒的整體性，沿盾構推進方向整體分為兩個部分，每部分長度5 m，鋼套筒下半部底環，采用縱向長度為2.5 m、寬度為4 m的半圓環傳力架，這樣既解決了盾構平移吊裝過程在狹小空間中的施作難度，又保證了盾構始發過程鋼套筒的整體剛度。平移時傳力架頂環暫不拼裝傳力架頂環及環梁頂環，待底環、盾構機拼裝就位后，拼裝頂環。

鋼套筒筒體采用20 mm厚的Q235B鋼板焊接而成，環梁長0.6 m，沿環向設置四組液壓千斤頂，每組4臺，每臺75 t。由液壓泵站控制液壓千斤頂支頂反力架，防止過大位移。筒體上下半圓之間、筒體之間均采用10.9級M33高強螺栓連接，筒體法蘭用40 mm厚的Q235B鋼板。

4 關鍵位置處理措施

該地區月平均最低氣溫﹣12.6℃，極端最低氣溫為﹣30.5℃，土壤標準凍結深度1.6 m，冬季施工為防止試驗過程中鋼套筒內加水結冰，本工程水壓試驗采用氯化鈣水溶液。

4.1 止水防水處理措施

鋼套筒的密封性直接影響到盾構進洞的安全，因此如何做到安全止水防水成為重中之重，鋼套筒密封止水的關鍵節點主要考慮鋼套筒環與環接縫處、過渡環與預埋鋼環處及加強環梁與負環管片處，同時尚應保證盾構始發過程中的應急處理措施。

鋼套筒環與環接縫處屬于止水處理的薄弱環節，施工過程中環縫連接法蘭處焊接凹槽安裝環向密封條，保證筒體密封。

鋼環梁一端與反力架連接，另一端與管片負環連接。臨近鋼環梁處的負環管片側面粘貼止水條與傳力墊，鋼環梁與管片負環連接前，利用盾構千斤頂將負環管片后推，同時將環梁內16個75 t千斤頂向前施壓，對反力架與鋼套筒進行水平方向預壓，消除微小間隙，使得負環管片與環梁鋼板密壓止水，同時也可防止始發時鋼套筒在盾構機推力影響產生較大的水平變形。始發前負環、盾殼與鋼套筒之間填入砂子，同時利用同步注漿系統將雙液漿同步壓入，使其與砂子混合，達到止水目的。過渡環與車站端墻預埋鋼環整圈焊接，外側滿焊，保證接縫處止水，同時為防止刀盤掘進地連墻過程中地下水涌內鋼套筒，于過渡環內設置3道鋼環板，同時環板縫內設置2道橡膠止水條，使得盾構機推進過程中，將內設環板緊壓，形成有效止水帷幕，可有效控制水砂涌入。

4.2 鋼套筒加固處理措施

為防止盾構機盾體和鋼套筒整體發生扭轉、傾覆，在鋼套筒兩側每間隔2 m安裝一根H形鋼橫撐和三角架，每側安裝4個，橫撐和三角架采用HW200×200×8×12 H型鋼制作。

4.3 盾構破墻進洞處理措施

為保證盾構進洞安全，避免提前破除圍護結構造成的安全隱患，端頭井盾構進洞掘進范圍采用玻璃纖維筋地連墻。由于地連墻鋼筋籠施工過程中，中下部采用玻璃纖維筋骨架結構，鋼筋籠剛度減弱，起吊過程中容易造成鋼筋籠損壞，因此，施工過程中可于鋼筋籠背土面設置附加鋼筋+玻璃纖維筋主體骨架，下籠過程中，割除鋼筋，保留玻璃纖維筋，保證鋼筋籠下放安全。

5 監測分析

盾構端頭隧道穿越范圍內地層主要為圓礫、砂礫層，始發掘進過程中需要嚴格控制盾構推進速度，加強地面監測。沿盾構掘進中心線，左右線各設監測點，沿線路縱向距離端頭地連墻距離分別為2 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m。

端頭沉降最大點位于端頭10 m左右（盾構掘進約7環），右線先于左線始發，右線先期始發后端頭6 m范圍內管片進行二次深孔注漿，使得左線掘進時土體適當進行了加強，進而導致左線盾構產生的沉降值較右線小，右線最大沉降值約16.89 mm，左線最大沉降值15.94 mm，均滿足地面沉降控制值要求。

6 結論與建議

本文以富水圓礫地層中某區間端頭鋼套筒始發進洞為例，通過施工效果驗證了鋼套筒始發技術的有效性，得出以下結論及建議：①鋼套筒始發技術在蓋挖車站端頭的應用，有效減少了端頭加固造成的端頭范圍管線遷改及交通疏解，同時減少了端頭加固材料的使用，鋼套筒循環利用，節省資源，保證了盾構進洞的經濟性；②鋼套筒始發技術在富水圓礫層中的應用，有效地避免了盾構進洞破墻過程中的涌水涌砂的風險，同時在鋼套筒內采取必要的止水及應急措施，可有效保證盾構進洞安全性；③由于鋼套筒施工工藝要求較高，在不同地層中的應用仍需進一步驗證，建議采用鋼套筒始發工藝前綜合考慮車站端頭圍護的設計形式、盾構機刀盤的適用性、端頭范圍內建構筑物及地下管線情況，特殊情況下可于采用鋼套筒始發工藝的前提下結合端頭加固（適當縮減加固范圍）進行使用，保證盾構始發過程的安全。