常用盾构土中接收施工工艺适用性分析

王传富

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

1 概况

目前，随着城市地铁隧道及公路隧道发展速度的加快，盾构施工遇到的土层和环境条件也越来越复杂，且随着隧道长度的增长，盾构隧道的埋深也向着不断加深的趋势发展。目前越来越多的盾构进出洞的土层涉及承压含水层，在水动力的作用下，盾构的进出洞施工容易引发透水事故。在针对盾构进洞的风险控制工艺上，通常采用明洞接收及钢套筒接收等土中盾构进洞施工工艺，来控制盾构的进洞风险。

本文就明洞接收与钢套筒接收这2种工艺的优缺点、应用场景进行分析比较，试探索今后施工的合适应用范围。

2 钢套筒接收工艺

接收钢套筒是一端开口的筒状结构，整个钢套筒由1个过渡连接环、4个筒体（具体视盾构机长度及端头井尺寸设定）、1个后盖板、3根后靠以及左、右工字钢支撑等组成（图1）。

图1 钢套筒盾构接收布置示意

钢套筒需根据盾构接收洞圈尺寸、法兰孔位置、端头井尺寸，提前在工厂内加工完成，于盾构接收前在端头井内进行组装，各部件之间采用螺栓进行连接。筒体各部件之间密封采用橡胶密封垫，并且筒体连接前在内壁上涂抹快速水泥，起到内侧密封作用。钢套筒组装完成后，需通过气压、水压等方式进行密封性检查，检查焊接位置、螺栓连接位置的密封性是否达到要求。施工人员于安装完成后在钢套筒内进行洞门凿除工作，完成混凝土凿除和外排钢筋割除后，通过预留孔向钢套筒内进行填料，并实施盾构进洞。最后拆除钢套筒，盾构机吊装退场。

3 明洞接收工艺

明洞结构采用钢筋混凝土结构，利用端头井一侧内衬墙，再施作两面侧墙、1块顶板，形成1个封闭的钢筋混凝土箱体，顶部预留2个预留孔，作为施工人员进出通道、冻结管排管通道及内部填充的浇筑窗口（图2、图3）。明洞结构墙体、顶板的厚度及配筋需满足盾构机进洞的推力要求。明洞结构需在盾构进洞前施工完成，墙体、顶板与车站结构连接位置，应在车站结构施工时预留接驳器，若接驳器失效，也可采用植筋形式进行钢筋连接。

图2 明洞结构布置立面示意

图3 明洞结构布置剖面示意

施工人员在明洞结构施工完成后，于明洞结构内进行洞门凿除，凿除下来的混凝土碎块可直接堆放在明洞结构内，作为明洞内砂浆回填垫层，防止盾构机接收时出现磕头现象。明洞内可填充砂浆或泡沫混凝土，填充完毕后将顶部预留孔封闭，实施盾构进洞施工。待盾构机完全推进到位后，最后将明洞结构及盾构周边砂浆凿除，完成进洞作业。

4 2种盾构接收工艺的比较分析

2种施工工艺从本质上来说均为土中进洞施工工艺，在风险地层实施盾构进洞时能够起到盾构机在全封闭状态下接收的施工工艺，但两者在盾构进洞前的准备工作、施工周期、对端头井空间的要求、施工经济性等大相径庭，也决定了2种工艺的适用性各不相同，以下尝试从不同因素对2种施工工艺进行比较分析。

4.1 施工周期分析

4.1.1 施工准备工作

明洞接收工艺因明洞结构全部采用钢筋混凝土结构，结构施工必须等待盾构接收端头井结构全部完成后方可进场施工，准备工作需进行钢筋工程、模板排架工程、混凝土分次浇筑工程、模板排架拆除工程，从端头井结构完成至开始洞门凿除工作需要约2个月。

钢套筒接收工艺可提前根据端头井洞门洞圈尺寸、端头井结构尺寸在厂内进行钢套筒钢结构加工，端头井完成后可立即进场安装，部件较少且安装简单、快速，约1周时间可具备洞门凿除条件，对工期影响较小。

4.1.2 拆除工作

由于明洞结构是利用车站结构制作成一个箱体结构，其内部砂浆填充量远远大于钢套筒的内部砂浆填充量，盾构接收完成进行拆除工作时，不仅需将明洞结构本身的钢筋混凝土结构进行凿除，还需将结构内硬化的砂浆进行凿除，方可进行盾构吊装工作。且由于端头井与盾构机的相对位置关系，造成整个凿除工作无法完全采用机械凿除，部分部位的凿除工作必须采用人工进行凿除，凿除下来的混凝土及砂浆废料也需吊运出场，工作面小，凿除效率低，大大增加了作业时间，盾构接收完成至盾构吊装退场需要约1.5个月。而钢套筒仅需拆除上半部壳体，即可进行盾构吊装退场，与常规施工周期相差无几。

4.2 施工空间适用性分析

4.2.1 结构空间的适用性

明洞接收工艺的选择应考虑明洞结构在车站端头井内的可行性，因明洞结构尺寸较大，应提前判断明洞结构墙体及顶板与车站梁、柱、板等是否相互影响，会不会导致无法进行明洞结构制作。

钢套筒接收工艺因为结构占地面积小，钢套筒直径尺寸与洞圈大小一致，基本不受端头井空间尺寸限制。

4.2.2 与冻结加固工艺相结合的适用性

采用明洞接收工艺，若同时结合水平冻结工艺，外圈及内圈的冻结管均被包裹在明洞结构内，且大量的冻结去回路管须从明洞结构穿过连接至冻结站。穿墙管的防水及回填质量直接会影响盾构进洞的风险控制。

采用钢套筒接收工艺，通常情况下钢套筒尺寸与洞门圈尺寸一致，只有内圈的冻结管位于钢套筒内，外圈冻结管位于钢套筒外侧，在内圈冻结管拔除后，一并封闭回填，回填材料不会影响外圈冻结管的冷冻效果。

4.3 施工经济性分析

对于明洞接收工艺，由于目前市面上存在多种不同直径的盾构机及洞圈尺寸，相对于钢套筒，明洞可以根据现场情况因地制宜，但采用钢筋混凝土结构也意味着每次施工均需重新制作明洞结构，无法周转使用。对于钢套筒接收工艺，由于其为装配式结构，可以提前根据工况要求进行加工生产，到达现场后直接进行拼装后即可使用。且由于是装配式结构也可以进行重复利用。可一旦盾构机直径、洞圈直径发生变化，原有的钢套筒则无法使用，必须重新加工。所以从施工经济性角度来说，2种工艺各有利弊。

4.4 施工效果分析

4.4.1 推进轴线影响

采用明洞接收工艺时，因明洞结构将整个端头井包裹形成一个封闭空间，并采用砂浆回填代替常规钢质接收架的作用，防止因测量误差致使接收架的摆放不到位，导致盾构机刀盘啃食导轨，最终无法进行正常进洞。

另外，明洞结构相对钢套筒内腔体积要大得多，且已回填密实，整个进洞过程与常规盾构推进无异，操作相对较简易，不用担心因盾构机纠偏或轴线偏差而导致盾构刀盘及盾构机本体与筒体啃食或摩擦，明洞结构更适用于曲线段的进洞工况。

采用钢套筒接收工艺时，钢套筒下方仍需安装接收架，测量精度要求高，在确保盾构机与钢套筒同心的状态下，盾构机与钢套筒单边间隙只有17 cm，另考虑外置同步注浆管的厚度，理论最小的间隙小于10 cm，盾构机进入钢套筒后基本没有纠偏的余量，所以钢套筒接收工艺不适宜应用于曲线段进洞工况。

4.4.2 结构密封性

明洞结构采用现浇混凝土形式与车站侧墙共同形成一个密闭结构，并加以回填砂浆，双道介质保护下，能有效避免盾构进洞过程中产生透水事故。

钢套筒为预制构件组装结构，结构组装形式采用螺栓连接，虽已采用橡胶密封垫及涂抹快速水泥作密封处理，但其密封性是明显要弱于明洞结构。

4.4.3 对盾构推进的次生影响

对于2种施工工艺来说，施工的核心问题是进行回填后，使盾构机在土中完成进洞施工作业。在核心问题上能够量化的区别是回填材料的消耗量，通常选择强度缓慢增长的胶凝材料，类似砂浆作为回填材料，该种材料的特点为随着强度的增长逐步释放水化热，砂浆的温度会逐步提高，温度过高对盾构进洞施工有以下不利影响：若有冻结加固，砂浆温度过高会破坏冻结加固体，使冻结加固失去有效性；温度过高也会造成盾构机温度过高，造成进洞期间设备发生故障，无法连续作业。

根据上述情况分析，钢套筒内腔体积要远远小于明洞内腔体积，同样水化热的影响也要小于明洞结构。

5 结语

对于目前常用的土中进洞施工工艺，明洞接收工艺与钢套筒接收工艺都有其各自的优点及缺点，通过对施工周期、施工空间适用性、施工经济性及施工效果这4个方面进行分析，总结了其各自的适用要求，为后续复杂地层下实施盾构进洞，如何选取最有利的土中进洞工艺提供了参考。