地铁盾构钢套筒接收与旋喷桩端头加固应用对比研究

李 震

（中铁十八局集团轨道交通工程有限公司，天津 300222）

地铁盾构区间施工时，始发与接收过程中可能会出现涌水、涌砂、地面沉陷及周围建筑物沉降变形超限等事故，是盾构区间掘进的重大风险源。对于盾构始发和接收的安全保证措施，传统工艺一般主要采用旋喷桩和冻结法端头加固处理工法［1］。冻结法端头加固由于施工控制工艺要求较高且造价较大，相比于旋喷桩加固工法较少采用。旋喷桩加固工法对洞口端头地质的要求为淤泥、淤泥质土、黏性土、粉质黏土、粉土、沙土、黄土及人工填土中的素填土及碎石土，但对粒径过大，含有过多的砂砾石、坚硬粘性土以及含有大量纤维质的腐殖质土和地下水流速度过大或有大量涌水、加固深度较深、地下管线复杂、存在构筑物的情况下，旋喷桩端头加固难以施做或加固效果相对较差，加固质量难以保证，仍存在较大风险［2］。在这样的背景下，深圳地铁7号线八卦岭站—红岭北站区间盾构法隧道施工始发端地质满足旋喷桩加固的条件，埋深较浅，施工完成后质量检测加固效果较好，而对比始发端的接收端，管线复杂，构筑物占面积较大，加固深度超过21m，对于用旋喷桩加固方式施做难度大且部分加固，质量难以保证［3］。在方案必选和专家论证的基础上，始发端左右线采用了旋喷桩端头加固工法，接收端左右线采用了钢套筒接收工法。通过本工程实施的盾构钢套筒接收技术和旋喷桩端头加固技术的施工方式对比，钢套筒接收技术对于工期、投资、规避施工风险有着十分重要的意义。

1 现状描述

1.1 工程概况

深圳地铁7号线八卦岭站—红岭北站，从八卦岭站东端出发，沿八卦三路从西往东敷设，东接红岭北站西端。八卦岭站—红岭北站区间设计起止里程为右线DK25+050.426—DK25+856.4，右线长805.974m；左线DK25+050.426—DK25+856.4，短链0.005（断前DK25+599.995，断后DK25+600），左线长805.969m。暗挖区间均采用盾构法施工，八卦岭站始发，红岭北站接收。

1.2 水文地质情况

八卦岭站始发端左右线洞底为⑦1砾质黏性土层；洞身为⑦1砾质黏性土层；洞顶为⑦1砾质黏性土层；上部为素填土。

红岭北站到达端左右线洞底为⑩3中风化混合岩层和⑩2强风化混合岩层；洞身为⑩2强风化混合岩层和⑩1全风化混合岩层；洞顶⑩1全风化混合岩层和⑤3卵石；上部为粗砂和素填土。

地下水主要为孔隙水和裂隙水。孔隙水主要赋存在冲洪积圆砾层中，其次赋存在冲洪积黏性土层、残积砾质黏性土和粉质黏土、全风化混合岩中，基岩裂隙水主要赋存于强风化及中等风化混合岩中。施工期间稳定地下水位埋深3.00～4.80m。

1.3 问题背景

设计始发接收端均采用Ф600mm旋喷桩加固，平面加固范围为7.5m×12m，加固实桩长度始发段7m，加固深度18m，接收端加固实桩长度11m，加固深度21m。

始发端加固深度较浅，且地质为砾质黏性土，满足加固的所有条件，施工按照原设计要求采用旋喷桩加固。

接收端按照原设计要求采用旋喷加固方式存在以下影响因素：

（1）加固区域位于现有道路上，需要占道才能进行端头加固。

（2）加固区域地下管线众多。左右线加固施工需破除横穿左右线的长7.5m、宽4.3m、厚0.6m的管线桥面板，下部铺设的DN1000和DN400给水管、DN200燃气管、通信及电力管线均需改迁。

（3）右线顶部有一个在使用的8.6m×4m的雨水箱涵，占用大部分加固位置，加固质量难以控制。

鉴于以上因素对加固区的影响，为保证工期，在确保安全、质量的前提下，经深入勘察、调研，邀请专家论证，征得建设单位和设计单位的同意，决定在接收端采用钢套筒接收工法代替传统的旋喷加固接收工法。

2 施工方案的对比

2.1 旋喷桩加固施工

2.1.1 旋喷桩加固施工原理

旋喷浆液时，高压喷射流边旋转边缓慢上升，对注浆孔周围的土体进行切削破坏。周围土体被破坏后，一部分细小土颗粒被喷射浆液置换，并随着液流被携带到地表。其余的土颗粒则与浆液搅拌混合，在旋喷动压、离心力和重力的共同作且下，土颗粒在横断面按质量大小重新有规律地排列。小颗粒大多在中间部位，大颗粒多数向外侧或边缘部位移动，形成浆液主体，经过搅拌混合、压缩和渗透等作用过程，并隔一定时间后，浆液主体便凝固成强度较高、渗透系数较小的水泥土网络结构固结体，即旋喷桩［4］。

2.1.2 旋喷桩加固施工工艺

钻机就位：平整场地，施工放样，钻机水平校正，使钻杆轴线垂直对准孔位中心，钻孔位置与设计位置的偏差不得大于50mm。

钻孔：旋喷钻杆钻入地层，并到达设计的深度。如果遇到坚硬岩石和地表硬化，难以钻入，需要用地质钻或取芯机进行引孔。

旋喷注浆：旋喷钻杆钻孔到达预定深度后，按配合比搅拌浆液。自下而上进行旋喷作业，边旋转边提升旋喷管，跟踪检查浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力和旋转提升速度等参数，并作好记录。钻杆喷嘴提升到设计实桩的标高后，旋喷作业结束（施工主要技术参数见表1）。

表1 旋喷桩施工主要技术参数表

冲洗机具：旋喷注浆施工完毕后，应将钻杆等机具设备冲洗干净，管内、机内不得残存水泥浆。冲洗时，将注浆泵的吸管移到水箱内，在上喷射，靠高速水流将泥浆泵、注浆管内的浆液全部排除。

移动机具：将钻机等设备移到新的孔位上，为下一个孔的旋喷注浆作准备。具体过程如图1。

图1 旋喷桩施工工艺流程框图

2.1.3 旋喷桩质量标准及检查措施

质量检查标准见表2。

表2 旋喷桩施工允许偏差和质量检查表

2.2 盾构钢套筒接收施工

2.2.1 盾构钢套筒接收施工原理

盾构钢套筒接收原理就是模拟地下的水土压力状况及覆土条件下在隧道口密封连接一个略大于盾构机盾体长度的、具有一定刚度和强度的密闭压力容器。该密闭容器在盾构机掘进出洞门、盾尾脱出洞门钢环时，能够保证一定的刚度，并承受在注浆填充封闭前施工开挖面和盾尾之间的构筑间隙失水或涌泥沙产生的压力和冲击力［5］。

2.2.2 盾构钢套筒接收施工流程

钢套筒制作：其制作经专业厂家根据设计院提供的施工图纸负责施做。工厂定制施做完成，验收合格后，运送到施工现场，准备安装使用。

钢套筒的安装：（1）安装预埋件。主体底板施工时，放样预埋件位置，以钢套筒尺寸为标准设计，钢套筒中心到基座底部高程为3410mm（根据设计图纸和盾构机外径确定），与之所对应的高度上，在其平面位置将钢板预埋进去；（2）安装钢套筒。总体安装顺序以对应编号件为主，钢套筒安装成功的关键在于过渡连接环与洞门钢环气密性的好坏，主要措施是将过渡连接环与洞门钢环满焊，做无损探伤检测，各构件之间的密封处理采用构件之间加橡胶垫和涂抹油脂的方式，安装完成后再通过气密性监测检查判断是否合格。

洞门破除：破除洞门的机会要合适，在距贯通面还有15～20m时破除施工，采用膨胀剂膨胀，结合人工打孔从上至下、从中心至两侧，分块、分层依次破除洞门外层围护结构。如果围护结构施工时配筋为玻璃纤维筋，可以考虑不破除，直接由盾构刀盘切削。破除过程中配备专职安全员进行监督，杜绝安全事故的发生。

端盖安装及密封检测：洞门破除完成后及时清理碎渣及杂物，并对安装的端盖打压试验。主要检测钢套筒圆度、钢套筒密封性、钢套筒焊缝。

反力架及横撑安装：反力架给钢套筒提供反力，安装的反力架不能接触端盖。

钢套筒填料：为防止盾构机叩头，需要在钢套筒底部45°圆弧范围内回填厚度约20cm的碎石或者低强度砂浆。当钢套筒密封验收完毕，向钢套筒内填料（粗砂），以中粗砂为主，或填质量较好、块头较小的盾构掘进碎石渣土。

盾构接收及吊出：掘进过程中对出土与推进速度的相互关系必须控制好，一方面要避免切削混凝土将其堵塞，另一方面要确保套筒中填砂不能被大量携带出，协调好钢套的外围距离，保证推进合理，使得盾构机运行姿态可控，确保其在规定范围内。当机器进入到套筒中，及时进行盾尾注浆，确保盾尾和洞口之间的构筑间隙被封堵。注浆数量以压力控制为主，当仓压不正常上升时，停止注浆。停止一段时间后，再进行注浆，注浆过程严格监控钢套筒内的压力。当循环注浆结束，浆液达到一定的强度后，将减压口打开，观察是否有水和泥浆涌出，慢慢地将钢套筒内压力降低，严密观察液位是否上升。正常可以泄压至常压，把土仓的观察孔打开，再次对液位观察。如无异常，可以把土仓门打开，将钢套筒填料孔打开，观察注浆情况，保证可以将钢套筒上半部拆开，将盾构机有序吊出。钢套筒的拆解流程及步骤与安装工序相反，起吊设备及要求与安装一致。本工程钢套筒接收施工总流程见图2。

图2 钢套筒接收施工总流程图

3 施工质量对比

八卦岭站—红岭北站区间左右线始发端地表状况较好，无构筑物，且隧道埋深较浅，采用了旋喷桩加固技术，加固效果良好，取芯检测强度和渗水系数均满足设计要求，满足始发要求。施工过程中，左右线均安全顺利始发。

八卦岭站—红岭北站区间左右线接收端如果施做加固，由于洞顶存在的构筑物和管线占用位置较多和加固深度的原因，旋喷加固的质量出现固结体强度不均匀、缩颈；钻孔困难，偏斜、冒浆等施工问题，会严重影响旋喷施工的进度与质量，且旋喷桩加固的特点是整体性，如果个别桩位质量控制不好，不能形成有效搭接，会大大降低止水的整体效果。而针对该工程埋深、地质、地表管线构筑物的实际情况，接收端采用了钢套筒接收方式，钢套筒接收方式现场接收情况表明施工效果更佳，确保了在接收时隔断了地下水的涌入，未发生涌水、涌砂及地面沉陷事故，达到了预期效果。

4 工期及费用对比

八卦岭站—红岭北站区间始发端，左右线旋喷实桩合计6290m，实际施工工期65d。接收端旋喷实桩合计8320m，预计要90d。采用安装和拆除钢套筒，合计使用15d，大大减少了地面道路交通导改的时间。接收端用钢套筒接收工法代替旋喷桩施工工法，考虑钢套筒的租赁费用和循环使用次数，比旋喷桩2个端头旋喷桩加固节省造价超过130万元。

5 结束语

随着地铁建设技术不断发展，结合国内外有关地铁盾构施工始发和接收的辅助新技术，不断推陈出新，针对繁纷复杂不可避免的地下构筑物、管线条件和多变的工程地质条件，在地铁盾构区间始发和接收的施工环节，应用钢套筒接收，可以与原有端头加固工法应用对比分析、优选的基础上，选用始发和接收端的加固方式。推广钢套筒始发和接收工法，可以有效减少盾构始发和接收的风险，增加工期的可控性，减少其它加固技术对地面交通的干扰，同时也大大节约了造价。