長曲線隧道中間風井無加固條件下鋼套筒接收技術

胡高鵬，闞寶存，艾 鵬，侯振華，衣紹彥

(1.北京市軌道交通建沒管理有限公司，北京 100182；2.北京建工土木工程有限公司，北京 100000；3.中國鐵建二十局集團有限公司，陜西 西安 700000；4.北京市建設工程安全質量監督總站，北京 100161）

隨著軌道交通建設的發展，軌道交通線路建設愈發密集，新修建的隧道由于征地拆遷、線路交叉、臨近重要市政設施等因素，不具備充裕的盾構接收場地。盾構安全到達接收是盾構施工的重要工序，常規的盾構接收方法中端頭加固方法如滲透注漿、高壓旋噴注漿、深層攪拌、凍結、素混凝土墻、鉆孔樁、水平注漿及降水無法施工時，如何安全、實用、經濟地解決端頭不加固情況下盾構接收需求，成為城市軌道交通建設中一個很重要的課題。當盾構接收時受場地、周邊構筑物、管線等環境影響無法加固或加固強度、止水無法保證時，需采用其它接收措施，鋼套筒接收技術應運而生。趙立峰分析總結了南京地鐵3 號線地層加固+凍結+鋼套筒技術[1]；張中安分析深圳地鐵盾構隧道鋼套筒接收工藝及優勢[2]；陳珊東探討了鋼套筒在土壓平衡盾構接收的適用性及優缺點[3]；賀衛國探討了地面局部封閉條件下鋼套筒接收技術[4]；鋼套筒接收安全、經濟、行之有效。

1 工程概況

北京地鐵17 號線某盾構區間長4557.248m，區間最小轉彎半徑600m，區間最大坡度+20‰，盾構從勇士營站始發，下穿北五環路、南水北調干渠后到達中間風井，在風井調試檢修后再次始發，最終到達暗挖接收井接收。

風井圍護結構采用地連墻，主體結構為3 層鋼筋混凝土框架結構，兩端接盾構區間于風井大里程端接收，空推過風井，于小里程端二次始發。風井范圍內除中間軌排井是敞開結構，接收端頭封閉僅留1.5m×2m 的預留孔洞，風井位于京承高速東側高爾夫球場外圍綠地內，場地狹小無法進行接收端頭加固和降水施工，需在未加固、無降水且無接收吊裝井口條件下實現盾構接收。

2 鋼套筒設計

2.1 鋼套筒主體結構設計

鋼套筒總長11460mm，內徑6950mm，外徑7190mm，共4 節每節長2500mm，過渡環800mm，端蓋630mm。每節又分成上下2 個半圓（圖1）。筒體采用20mm 厚Q235B 鋼板整體卷制而成，設計耐壓0.5MPa。在鋼套筒筒體外側焊接橫、縱向筋板增強筒體剛度，筋板厚20mm，高140mm，間隔600×600mm。鋼套筒各節筒體的端頭和上下兩半圓接合面均焊接圓法蘭，法蘭采用40mm 厚Q235 鋼板制作，筒體各節之間的連接均采用M27、8.8 級高強螺栓連接緊固，中間加10mm 厚橡膠墊和2mm 厚的遇水膨脹止水膠墊。在各標準節套筒頂部設置2 個外置式吊耳，1 個?700mm 加料口，底部設置2 個?100mm帶球閥注排漿管。

圖1 接收鋼套筒示意圖

后端蓋由上下兩個半圓端蓋制成，端蓋縱向長度為630mm，端蓋面板由兩塊30mm 厚的半圓面Q235B 鋼板組成，中間焊接法蘭，其面板外側有橫縱多組型鋼加力支撐，在支撐交匯處焊接有9 塊40mm×800×800mm 的反力架傳力鋼板。端蓋與標準節端頭法蘭之間用M27、8.8 級螺栓連接，后端蓋具體形狀見圖2。

圖2 鋼套筒后端蓋示意圖

2.2 鋼套筒支撐系統設計

支撐系統由后方鋼管反力支撐、套筒底部托架支撐、工字鋼橫向鋼撐和工字鋼頂部支撐組成。各支撐組合保證盾構接收掘進進入鋼套筒內部時，鋼套筒不在盾構推力和壓力作用下發生形變和位移。

2.2.1 反力支撐

鋼管反力支撐用于給鋼套筒整體提供反力，保證鋼套筒在盾構進入套筒內時不在推力作用下發生縱向變位，反力支撐采用9 根?530mm 鋼管支撐，兩端設置傳力底座，鋼管支撐下部的傳力底座與風井結構底板預埋件之間焊接固定。反力支撐見圖3。

圖3 鋼套筒后端蓋反力支撐示意圖

2.2.2 底部托架支撐

鋼套筒底部托架支撐分3 塊制作，每塊均與筒體底部焊接固定構成一體。先將托架板與筒體進行焊接，再焊接托架板之間的橫向筋板、底板和工字鋼。托架組裝完成后與鋼套筒標準節下半部分焊接成整體，鋼套筒組裝完成后將鋼套筒底部托架與滿鋪鋼板之間焊接連接，同時利用型鋼將托架與風井側墻頂緊。

2.2.3 橫向鋼撐和頂部支撐

在鋼套筒各標準節的底部托架處利用型鋼支撐在風井側墻結構上，保證鋼套筒在盾構接收時不因水平受力發生偏移。采用175H 型鋼分2排布設在托架兩端，縱向間距1.5m。風井側墻需埋設鋼板保證側墻具有足夠剛度，埋設高度500mm。在套筒各標準節兩側合適位置安裝頂部支撐，撐在風井中板結構上，保證鋼套筒在接收時不因向上的力發生變位，見圖4、圖5。

圖4 鋼套筒支撐安裝平面圖

圖5 鋼套筒支撐安裝縱向圖

3 接收工藝流程

3.1 套筒安裝前準備

采用C30 高50cm 素混凝土回填軌排井至接收洞門范圍內底板處高度，在底板沿隧道中心線方向鋪設3cm 厚10m×2m 鋼板，左右線各6 張，鋼板鋪好后焊成整體，與底板預留鋼筋焊接連接。

3.2 接收要求及工藝流程

鋼套筒輔助接收施工是將鋼套筒與接收洞門預埋鋼環焊接連接形成密閉環境，遠離洞門一端設置一圓形端蓋，用反力架和鋼支撐撐在風井結構上，確保鋼套筒不會在盾構推力作用下發生位移。鋼套筒安裝時必須確保整體的密封性和耐壓性。安裝后在鋼套筒內鑿除洞門內風井圍護結構地連墻，在鋼套筒內回填盾構同步注漿漿液，并利用水壓使得套筒內壓力達到0.2MPa，而后將盾構土壓平衡模式直接掘進到鋼套筒內，并確保盾尾補漿填充密實，盾體整體進入套筒且盾尾刷脫離二襯結構墻后，在洞門管片處注入雙液漿等材料制作止水環箍，防止洞門后方的水土涌進鋼套筒內引起地面沉降、塌陷等安全事故。待漿液凝固后，斷開鋼套筒與洞門之間的連接，平移盾構和鋼套筒，拆解并吊出鋼套筒，見圖6。

圖6 鋼套筒接收方案示意圖

具體流程為：鋼套筒通過軌排井分節吊裝下井→在軌排井處組裝完成→平移至接收洞門位置→根據接收軸線調整套筒角度→將套筒與預埋鋼環焊接連接→安裝套筒反力系統→套筒內打設砂漿基座→套筒水壓試驗→回填同步注漿料→盾構接收掘進→注漿封堵洞門→斷開套筒與洞門連接及反力支撐→整體平移盾構和套筒至軌排井口→拆除鋼套筒，完成接收。

3.2.1 鋼套筒主體部分連接

為確保鋼套筒整體密封性，在各節套筒連接法蘭之間放置10mm 厚密封橡膠墊，密封墊內側再放置20×10mm 厚遇水膨脹止水膠條，在螺栓緊固力作用下起到密封作用。

3.2.2 筒體與洞門環板的連接

根據測量定位將鋼套筒推進至指定位置后，將鋼套筒與預埋的洞門環板之間采用鋼板進行焊接連接，在兩者連接處加焊一圈厚20mm、寬200mm 的環形鋼板，使得套筒形成密閉空間，此處焊縫需做磁粉探傷試驗，確保焊縫等級達到二級，見圖7。

圖7 鋼套筒與洞門環板連接示意圖

3.2.3 套筒密封性、位移檢測

在套筒下部安裝壓力表，筒體內加水至中部接縫以上1m 處，檢查鋼套筒各標準節之間、過渡環與洞門之間的密封質量，然后再次加水直至滿足要求（最大水壓達到2bar，并穩壓24h）。檢查各連接處有無漏水、反力架支撐各焊縫有無脫焊等現象。

試水、加壓測試前，在套筒與洞門環板連接處安裝位移監測報警器，套筒端蓋處安裝百分表，加壓過程中一旦發現應變超標或位移過大，必須立即泄壓、分析原因并采取措施。洞門環板與套筒連接處允許變形量≤2mm，端蓋底部受壓力最大，允許變形量≤5mm。

3.2.4 砂漿基座

為避免刀盤出洞門時前端栽頭，在套筒底部3m 范圍內澆筑15cm 厚C20 素混凝土墊層，墊層伸入洞門內與地連墻相接。

3.2.5 回填同步注漿料

檢查完畢后，向套筒內回填具有良好流動性和填充性的加強型盾構同步注漿料，見表1，并繼續往填料管中加水直至套筒壓力為2bar，確保為盾構接收掘進創造土壓平衡環境。

表1 同步注漿干料配比

3.2.6 盾構接收掘進階段

確定接收軸線：因在R=600m 小曲線上接收，盾構進入套筒后不能轉彎，不能按常規直線方式接收，盾構推進方向需根據接收洞門中線、套筒中心線和隧道中心線重新確定。接收洞門與風井地連墻夾角87.58°，若根據隧道中心線進行接收，則刀盤出洞7m 后無法繼續向前推進；若根據洞門中線進行接收，則盾構出洞后成型隧道偏差-67mm，超出允許值，因此選定洞門中線延長線與隧道中線交點與接收鋼環背土面一側中點連線作為新的接收軸線，此時盾構接收后成型隧道偏差-32mm，滿足規范要求。

在接收掘進過程中通過提前計算的DTA 數據對盾構在套筒的位置實時進行監測，盾構掘進時保持垂直姿態不變，水平姿態靠近-40mm 推進，當盾構掘進至指定位置后，最后一環管片成型隧道偏差-32mm，刀盤水平偏差-120mm，此時刀盤距離鋼套筒筒體約30mm，滿足盾構后續平移出鋼套筒的需求，接收軸線與設計中心線偏差。見圖8。

圖8 盾構接收軸線確定

接收掘進分刀盤頂樁前、刀盤磨除地下連續墻和盾構整體進入鋼套筒3 個階段。

1）刀盤頂樁前掘進 盾構在推進最后50環過程中，根據定向測量和聯系測量成果以及盾構出洞軸線設計，對盾構姿態進行微調，姿態調整過程中嚴格按照少量多次原則進行，使盾構姿態控制在水平+20mm 以內，垂直方向+20～+30mm，確保盾構按照接收軸線順利進入鋼套筒，到達前25 環對盾構姿態進行復核，確保盾構沿指定軸線進入鋼套筒，需注意：①盾構在接收掘進過程中，及時超量壓注盾尾油脂，防止盾尾滲漏，壓注量70～80kg/環；②隧道后15環采用多孔管片，掘進完成后及時壁后注漿，確保管片后方土體注漿效果。

2）刀盤磨除地下連續墻 安裝套筒前已鑿除背土面地連墻，保留迎土面40cm 厚的玻璃纖維筋地連墻依靠刀盤磨除，需注意：①接收掘進參數：推速＜10mm/min，推力＜4000kN；②刀盤轉速＜1.0rpm；姿態控制：為防止出洞后盾構載頭，要求盾構前盾姿態高于軸線2～3cm，呈略抬頭高于設計軸線姿態出洞；③當破除洞口剩余40cm 厚地連墻時依靠鋼套筒內土體背壓，在刀盤旋轉時將地連墻磨碎，之后將土倉壓力加壓至1.8bar 左右，混凝土塊順利進入土倉。

3）盾構進入套筒 最后一環管片拼裝后停機，及時在盾尾后方管片進行二次注漿制作閉水環箍，止水環箍達到預想效果后啟動盾構，盾構整體進入鋼套筒。為確保盾尾完全脫離二襯結構墻需增加1 環工作環，將盾構推到距離端蓋50cm 后停機。需注意：①推進參數：推速＜5mm/min，推力＜3000kN；②盾構進入鋼套筒時采用管片拼裝模式掘進，刀盤轉速＜1.0rpm，刀盤轉動前要與套筒外部聯系，確認人員及設備安全，測量監測人員就位后，才能進行掘進模式；③在套筒內掘進過程中，盾構司機與套筒外觀察人員需保持密切聯系，一旦發現套筒變形超量或有滲漏時，立即停止掘進，及時對鋼套筒采取補救措施；④盾構姿態控制：以實際的盾構接收軸線為準，控制盾構推進姿態和拼裝管片選型。提前將盾構進入套筒內的軸線DTA 數據輸入導向系統，每向前推進一環需及時復核盾構姿態與接收軸線之間的偏差，核算盾構刀盤與鋼套筒筒體之間的距離，測量盾尾間隙選擇合適的管片排布方式，控制盾構進套筒時的姿態，降低成型隧道與設計軸線之間的偏差。

3.2.7 注漿封堵

盾構磨除地連墻至盾構完全進入鋼套筒全過程中，需要及時在每環補充雙液注漿，制作止水環箍，尤其是當盾尾通過二襯結構墻后，要及時在多孔管片上進行二次注漿，為了方便注漿需在管片拼裝時安裝注漿閥門，在盾構完全進入套筒后，立刻對盾尾與洞門結構位置加注雙液漿封堵，注漿量為管片與洞門和隧道間隙的150%～180%。注漿時注意觀察套筒內壓力變化情況。

雙液漿配比=水玻璃∶水泥漿=1 ∶1，水泥漿配比為1 ∶1，注漿壓力為0.2～0.25MPa。

3.2.8 洞門處理

盾構接收掘進過程中，為確保洞門密封質量，采取以下措施：①盾構接收掘進時，做好同步注漿，填充好施工間隙；②在主隧道掘進的最后15 環每環加注雙液漿，制作止水環箍，封堵開挖土體與管片外殼之間滲水通道；③盾尾進入套筒后，在已成型隧道內，利用多孔管片預留注漿孔向管片外側再次注入雙液漿，注漿時觀察鋼套筒是否有漏漿、形變等情況，如有漏漿或形變過大，立即停止注漿；④最后一環管片為特殊制作的管片，在管片外側預埋鋼板，待鋼套筒拆除后，立即將鋼板與洞門鋼環之間用弧形鋼板焊接，預防后期洞門位置發生滲漏。

3.2.9 判斷洞門密封效果并泄壓

盾構全部進入鋼套筒后，使用螺旋出土降低土倉和套筒內壓力，等待24h 后，通過觀察土倉壓力是否回升，或通過土倉閘門觀察判斷洞門是否有滲漏水現象。此時打開管片上預留注漿孔的球閥、鋼套筒過渡板上預留的注漿管，觀察鋼套筒內是否出水，若水量較大，則繼續通過預留注漿管、注漿孔注漿，直至打開球閥無水流出后，方可進行下一步施工。鋼套筒拆除前在確保土倉壓力無變化時，利用套筒尾端的泄壓閥進行泄壓，以保障安全拆除套筒。

3.2.10 鋼套筒和盾構整體平移

洞門封堵完成后，割除套筒過渡環與洞門鋼環之間的連接鋼板，拆除反力支撐，割除橫向支撐，利用盾構推進油缸將套筒及盾構向前頂進一段距離，再安裝液壓泵站進行平移，平移采用2組100T 的液壓泵站同時進行，在鋼套筒基座上安裝液壓泵站，斷開盾體與后配套之間的連接，通過液壓泵站將鋼套筒及盾體平移至軌排井口。

3.2.11 鋼套筒拆除

鋼套筒拆除順序：后端蓋拆除→筒體4、3、2、1 的上塊拆除→過渡連接塊上半部分拆除→盾構平移→筒體4、3、2、1 的下塊拆除→過渡連接塊下半部分拆除→場地清理。

4 結語

在端頭封閉且無加固條件的中間風井采用鋼套筒輔助接收工藝成功完成了盾構接收施工，并提出了小半徑曲線上接收軸線的確定原則，證明鋼套筒輔助接收施工在無吊裝條件、無加固條件下是可行的，本文對鋼套筒接收施工的重點和施工工藝進行了梳理，為后續類似工程施工提供了寶貴的經驗。