富水圆砾地层盾构短套筒接收施工关键技术

吴 琼

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司， 北京 101100)

富水圆砾地层盾构短套筒接收施工关键技术

吴 琼

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司， 北京 101100)

富水圆砾地层因其含水量高、渗透系数大、化学注浆加固成形率差，增加了盾构接收进洞的施工难度。以南宁轨道交通1号线10标白苍岭—火车站站区间盾构接收进洞施工为例，运用“接长补短”理念，创新性地提出盾构短套筒接收施工工艺。在洞门环板前端通过增加短套筒的方式延长盾构机接收长度，使盾构机接收位置前移，盾构机在短套筒的保护下能够完全进入端头加固区，结合对盾构机主机尾部已脱出盾尾的管片二次注浆封堵或者地面降水措施，保证在盾构机接收过程中端头加固体内部水系与外界处于隔离状态，确保盾构机在接收过程中不发生涌水、涌砂，达到安全接收的目的。

城市轨道交通； 圆砾地层； 盾构； 短套筒； 接收

盾构机接收是盾构施工过程中风险较大的环节，为应对盾构接收风险，通常都需要对接收端头土体进行加固处理，使端头土体强度与抗渗性满足设计要求。端头加固方法有深层搅拌桩、高压旋喷桩、素混凝土地下连续墙、冷冻加固、SMW 工法、注浆加固、复合处理法等[1-5]。但上述端头加固工艺大多对场地条件要求较高，而实际工程中常常因场地空间有限，管线拆迁困难，地质条件恶劣等原因难以保证端头加固长度，使得盾构机接收风险进一步增大。因此，一种既能降低工程造价，又能灵活改变端头加固长度的接收设备呼之欲出。近几年发展起来的钢套筒[6-10]，在盾构接收方面，虽然大大降低了施工风险，但是整个接收系统造价非常高，并且接收过程的接收设备安装复杂，过程繁琐。本文以南宁轨道交通1号线建设为背景，在既有钢套筒接收技术的基础上发展短套筒接收工艺，并探讨富水圆砾地层条件下的实施效果。

1 盾构短套筒接收原理及适用性分析

短套筒接收方法是通过在洞门环板前端增加短套筒和封板来延长盾构机接收长度，使盾构机接收位置向前移，再结合套筒内灌注砂浆措施，大大降低盾构机盾壳与接收套筒、端墙之间的间隙，有效阻挡外部水土的通过。

采用短套筒接收，应用“接长补短”的理念，在工作井内外接密闭短套筒，弥补了盾构接收端头土体加固长度不足的问题，极大地降低了盾构机接收时涌水涌砂的风险。

短套筒接收系统具有较强的适应性，在接收条件受限的情况下，可根据盾构主机长度和端头加固长度来选择加工长度合适的套筒，非常适合城市地铁、水利泥水盾构、土压盾构接收，且整套系统可以重复利用。同时在接收过程中，刀盘尽量贴近封板可以有效地减少接收时产生的渣土。

2 盾构短套筒接收工艺及流程

2.1 施工流程

施工工艺流程见图1。

图1 施工工艺流程Fig.1 Construction process of short sleeve shield machine reception

1) 为保证盾尾完全进入加固体时，对脱出盾尾的管片及时进行注浆封堵，盾构机在接收掘进过程中，需运用盾构机的自动导向系统，精确地计算出刀盘及盾尾密封刷所在位置，准确掌握盾构机停止位置和盾尾注浆时机。

2) 避免二次注浆浆液与盾体粘连，在进行二次注浆前通过盾体的径向注浆孔向盾体外侧注入膨润土泥浆，使泥浆包裹在盾体外侧形成泥膜，隔离盾体与注浆浆液。

3) 盾尾完全进入加固体后，及时进行注浆封堵隔绝外部水系；再对加固体内辅以降水措施，使加固体中的水位线低于开挖底面。

4) 短套筒分3块组成，通过法兰螺栓连接成环，再安装到洞门预埋环形钢板上，接着安装短套筒前端的封板及支撑装置。

5) 在洞门破除前向密闭短套筒内注满砂浆，保证盾构处于良好的接收姿态。

6) 盾构机破除洞门掘进至短套筒内，采用欠压开挖模式能减小开挖仓内泥水对短套筒和封板的压力，确保短套筒稳定性、安全性。

7) 当盾构刀盘距短套筒封板为30 mm时，通过封板上的观察孔，复核注浆封堵与降水效果。

8) 拆除封板，继续推进至盾构机完全进洞，对最后一环管片进行注浆封堵，封闭洞门，盾构机与接收短套筒等装置解体吊出，完成接收。

2.2 工艺要点

2.2.1 施工准备

如图2所示，在素砼墙施工缝外侧采用袖阀管注浆加固，提高施工缝止水效果，同时在接收端头布置降水井。

图2 施工期准备Fig.2 The preparation process of short sleeve shield machine reception

2.2.2 钢套筒及封板加工

钢套筒及封板采用Q235-A钢板加工制作，所有焊缝均为连续焊缝，焊接要求按现行国家钢结构焊接标准(GB 50661—2011)进行。为保证焊缝质量和焊接精度，钢套筒和封板在工厂加工，钢套筒环板外圆半径为3 400 mm，内圆半径为3 246 mm，套筒环板连接螺栓孔中心对应圆半径为3 300 mm(见图3)。钢套筒分为3块制作，每块角度为120°，注浆孔每45°设一个，支撑肋板每15°设置1道。钢套筒用3对6块法兰连接，每块法兰上设置3个Φ32 mm螺栓孔，用于螺栓连接。

图3 钢套筒加工示意Fig.3 Schematic diagram of steel sleeve structure

2.2.3 盾构钢套筒接收施工

盾构机钢套筒接收现场施工顺序：破除洞门接收井一侧保护层、割除外层钢筋、在洞门预埋钢环上安装连接钢套筒螺栓，由下而上依次安装钢套筒、封板，安装封板前方反力支撑、在垂直方向加固钢套筒，在钢套筒周圈安装注浆球阀、在顶部安装砂浆灌注导管和排气阀，向套筒内灌注砂浆，盾构机掘进回填砂浆，注浆封堵环形漏水通道，检验降水及封堵效果，封板拆除。

3 盾构短套筒接收技术工程应用

南宁轨道交通1号线10标广—白区间接收端为富水强渗透性圆砾地层，根据施工设计图纸采用外包素砼连续墙加袖阀管注浆的端头加固形式，由于客观原因造成接收端头加固体长度不足，如果采用常规的密封措施(橡胶帘布加压板)接收，接收风险非常大，并且无法从根本上解决洞门涌水涌砂现象。因此，本工程打破常规，并结合现场实际情况，以“接长补短”的指导思路，开创性提出了密闭接收的方案，通过洞门外增设密闭短套筒来达到泥水平衡盾构机在富水圆砾地层中顺利接收的目的。接收过程盾构姿态控制及欠压掘进、套筒设计及受力分析、钢结构加工安装精度等均是施工过程中的技术难题。

3.1 接收端工程概况

盾构接收端为白苍岭站端头，地层从上到下主要有素填土、黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂、圆砾层。接收洞门主要处于④1-1粉细砂层(厚1.5～2 m)和⑤1-1圆砾层(厚4～4.5 m)中。

地下水主要赋存于松散岩类的砂、砾含水层中，为孔隙承压水，在砂、砾粒间隙呈分散状缓慢径流状，圆砾层富水性强，渗透性强，属强透水层(达到8.1×10-4m/s)。

盾构接收端头上方有一根DN 1 400 mm给水管(混凝土承插管)，是南宁市的主要供水管道，埋深约1.6 m，处于盾构接收端头加固区域，为盾构接收过程控制的重点。

3.2 施工过程控制

3.2.1 外层钢筋割除

洞门连续墙钢筋为玻璃纤维筋，分内外2层布设，盾构在接收过程中需把外层钢筋割除，然后再安装洞门钢套。

3.2.2 预埋钢环安装螺栓

为了把钢套筒牢固地固定在洞门钢环上，在安装钢套筒前先在钢环上安装高强螺栓，型号为M30(8.8级)，长度为10 cm。

3.2.3 安装钢套筒

钢套筒运至现场后，采用吊车吊装就位，底部1块，隧道两侧各1块，调整位置后通过法兰螺栓连接，见图4。

图4 钢套筒现场安装Fig.4 The site picture of steel sleeve installation

3.2.4 安装封板

钢套筒安装完毕，封板安装同样采用吊车吊装就位，对准封板与套筒螺栓孔，连接螺栓。

3.2.5 反力支撑安装

在反力支撑安装前，先在圆形封板上对称分布3根300 mm的工字钢，增大支撑点的受力面积，将支撑力有效分布到封板上。通过模拟盾构掘进过程，确定刀盘前方掌子面的受力分布情况，进而确定封板上反力支撑的着力点。

3.2.6 阀体安装

为了保证钢套筒内部填充的密实，预先在钢套筒外侧安装注浆球阀，待砂浆回填完毕后通过注浆球阀向套筒内压注水泥浆。在砂浆灌注过程中，在灌注导管旁边设置排气孔，确保填充的密实性。

3.2.7 砂浆灌注

灌注前打开排气孔，关闭注浆球阀，待泵车、砂浆运输车就位后，通过泵管灌注砂浆，砂浆为M10砂浆，初凝时间为12 h。

3.2.8 盾构机掘进填充砂浆段

灌注砂浆达到初凝时间后，盾构机通过自带调压系统，调整开挖仓压力，降低仓内液面，进行欠压掘进。由于砂浆强度远大于地层土体强度，所以在掘进过程中要严格控制掘进速度和总推力，速度为2～5 mm/min、推力要小于6 500 kN。

根据预先计算的里程参数，当盾构机刀盘到达距封板10 cm处停机，再次降低开挖仓压力，使顶部压力为零。此时盾构机尾部已经过围蔽素砼墙，通过二次注浆系统，压注双液水泥浆填充管片与素砼墙形成的环形漏水通道。

3.2.9 封板拆除

吊车就位后，由上至下依次拆除封板固定螺栓，吊车吊装封板放在指定位置，安排人员剥除刀盘前方剩余3 cm的砂浆薄层，露出刀盘，完成短套筒接收。盾构机在后续上托架的过程中，会扰动加固体土体，所以随着盾体的移动，在管片脱出盾尾后要及时进行压注水泥浆，保证管片外侧填充密实。

3.3 应用效果分析

图5 接收效果图Fig.5 The final picture after the machine receiving

在广—白区间接收过程中，短套筒接收技术有效克服了洞门涌水涌砂的风险，使得盾构机安全顺利进入车站，完成接收任务(见图5)，充分体现了此技术的优越之处。主要体现在：1)延长了加固体，有效封堵了盾构后方来水；2)有效避免了因端头土体加固效果不良带来的风险；3)避免了人工凿除洞门的风险；4)省去安装导轨环节；5)因为砂浆的充填，盾构机慢速推进时，将接收端墙和砂浆切成标准的圆形，大幅减小端墙与盾构机盾壳之间的间隙，有效地阻挡了外部水土的通过，在盾构破门直到盾尾脱离管片期间，洞门周圈滴水不漏；6)省去了安装洞门帘布和压板的环节。

4 结语

本文主要介绍在盾构接收端头条件受限的情况下，采用短套筒接收施工工艺的原理及步骤。在实际的现场施工中，接收过程简单，钢套筒重复利用率高，接收效果良好，刀盘在破除洞门时基本做到了滴水不漏，有效增加了工程施工效率，大大降低了接收过程的施工风险，显著提高了工程的经济效益。

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(编辑：郝京红)

Key Technology of Short Sleeve Shield Reception in Water-rich Gravel Stratum

WU Qiong

(Beijing Metro Engineering Construction Co., Ltd., China Railway 16th Bureau Group, Beijing 101100)

The water-rich gravel stratum is characterized by high water content, large permeability coefficient and poor rate of chemical grouting reinforcement, which increases the difficulty of construction during the departure and reception of shield. The author takes shield reception between Baicangling and Nanning Railway Station as an example and puts forward the innovative construction technology for short sleeve shield reception. In the front end of the hole ring, the short sleeve is installed to extend the length of the shield reception distance. Under the protection of the short sleeve, the whole shield can be completely put into the reinforcement area. By the grouting at the tail of the shield or the engineering dewatering measures, the water can be isolated from the outside, which can reduce the risk of quicksand and water gush during the process of shield reception.Keywords: urban rail transit; gravel soil; shield; short sleeve; reception

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.008

2017-02-22

2017-03-24

吴琼，女，本科，高级工程师，主要从事为城市轨道交通建设工作，554000070@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)03-0040-04