钢套筒辅助盾构在富水砂层始发施工中的应用研究

中交第三航务工程局有限公司，上海 200030

近年来国内城市化进程加速发展，地铁逐渐成为大中城市缓解交通压力的首要选择，其中盾构施工技术是地铁隧道建设的主要施工手段。针对盾构始发端头的复杂地层，传统端头加固方案主要采用地层搅拌、旋喷、注浆等方法提高地层强度、渗透性等指标，避免盾构在始发进洞的过程中发生地面塌陷、喷砂涌水等水土失稳事故。

福州地铁滨海快线工程滨海西站—大数据站区间主体隧道从大数据站始发，至滨海西站接收。始发端头主要为粉细砂层，该富水粉细砂层具有自稳性差、黏聚力小、和易性差、含水量高、透水性强等特点。盾构始发风险极高，掘进姿态控制难度也很高，传统地层加固方式难以保证加固效果达标，冷冻法加固因近海地下水流速极快导致冻结效果不佳，盾构始发风险尚不能完全控制。

为此，在施工方案的比选过程中，钢套筒辅助盾构始发的施工工艺以其安全经济、适用性强等优势得到认可。

1 工程概况

滨海西站—大数据站区间隧道长度约为3099.5m，线路出滨海西站后向东南行进，沿规划福海路下方敷设接大数据站，区间下穿洽屿村民房、五站村民房、壶江、规划河道、规划路等建构筑物。覆土埋深约8.84～27.17m，采用两台φ8634mm复合式土压平衡盾构机进行区间隧道施工，始发端头附近为农田、鱼塘，施工影响区域无管线、建构筑物等风险源。盾构始发站大数据站的洞门连续墙设计为800mm厚C35混凝土墙（迎土侧：玻璃纤维筋，背土侧：钢筋），洞身区域中间设置一道36#工字钢作为地连墙接缝止水帷幕，洞门钢圈内径为8.9m。端头区域地层由上至下依次为<1-4>填砂、<2-2-1>粉细砂、<2-4-5>（含泥）粉细砂。施工采用800mm厚C20素混凝土墙+5.2m三轴搅拌桩+高压旋喷桩+钢套筒始发施工，加固宽度和深度为洞门圈周围4m。

2 钢套筒工作原理

钢套筒辅助盾构始发技术是指往钢套筒内填惰性浆液或泥浆，通过钢套筒密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，从而实现盾构顺利始发，规避了洞门喷砂涌水的风险，杜绝了因洞门渗漏而引起的隧道沉降以及破坏生态环境等问题。

3 钢套筒结构设计

大数据站始发钢套筒整体组成（如图1所示）为连接段（900mm）+A1#～A4#标准段（3000mm）+始发环（600mm）/基准环（630mm）。

图1 钢套筒结构设计示意图

4 钢套筒始发方案要点

4.1 盾构始发时土舱压力设定

盾构始发时土仓压力值的设定以盾构机顶部水土压力值进行计算，结合隧道埋深、土层密度、黏聚力以及内摩擦角等参数，经计算滨海西站—大数据站区间盾构始发时土压初始值设定为100～120kPa。

4.2 钢套筒的耐压及密封性能

待盾构机组装调试并通过正式验收后，盾构机向前推进至刀盘面板靠近洞门掌子面后，钢套筒下半部分以填砂并加水密实，上半部分则填满惰性浆液。钢套筒的耐压按1.5倍土压初始值进行试验，此时通过盾构机刀盘泡沫口加水进行水压力试验，检验钢套筒的密封性能。

4.3 钢套筒防扭转

为防止盾构机的盾体和钢套筒整体发生扭转、倾覆情况，施工前在钢套筒两侧适当位置安装工字钢或者槽钢。在切削素墙时产生扭矩超限，可适当向钢套筒内加压增加防扭转的抵抗扭矩或者减少推力降低刀盘扭矩。

4.4 各种结构件的连接

（1）在钢套筒连接段与洞门预埋环板焊接成为一个整体后，需对焊缝位置做探伤试验，确保两者连接牢固及钢套筒的密封性能。

（2）滨海西站—大数据站区间始发所采用的是经设计优化的钢套筒，其基准环与始发环形成内外环且两者间可滑动，外环始发环与钢套筒用螺栓连成整体，盾构机通过油缸将推力传递至管片经内环基准环后作用于反力架，内外环宽度尺寸差值（3cm）主要是填补钢套筒与反力架接触面间的缝隙，避免盾构机推力无法传递至反力架导致连接段与洞门钢圈焊接处崩裂。钢套筒示意如图2所示。

图2 钢套筒示意图

（3）钢套筒各节段两侧环向及纵向必须平整，安装时中间设置50mm×15mm橡胶密封垫，保障了钢套筒密封性能。

（4）在钢套筒及反力架合适位置布设反光片，始发过程加强钢套筒及反力架结构的变形情况，必要时补加加强肋板；若出现钢套筒接缝渗漏，则对相应区域的螺栓复紧，或接缝处做焊接、堵漏处理。

4.5 钢套筒始发过程控制要点

（1）盾构始发切削素墙掘进参数。根据反力架及支撑结构所能承受水平作用力的设计值以及刀盘初装刀配置情况，合理设置盾构始发时的总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、掘进速度等相关参数限值。

（2）防止盾体及管片姿态上浮控制。在滨海西站—大数据站区间左线盾构始发刀盘通过加固区后出现后部负环管片和盾尾垂直姿态整体上浮现象，管片上浮最大量有15cm。分析原因如下：①在磨素墙及地连墙期间，因刀盘喷射水、泡沫（保护刀具等）及出渣损失部分原套筒内填充的惰性浆液，导致套筒内水含量多，顶部虚空。②始发前期由于局部盾体未脱出钢套筒和混凝土结构，且受盾构机自重影响导致盾构姿态整体趋势向下（盾尾上翘）。③当盾构刀盘出加固区后，全断面粉细砂层所富含地下水因水土压力顺着盾体通道进入钢套筒内。④因同步砂浆初凝时间较长，且钢套筒内含水量较多、顶部虚空，注入砂浆未能及时稳固管片且砂浆自重下沉至底部，易导致管片及盾体进一步上浮。

为此针对性采取措施如下：①第1环负环管片（靠反力架一侧）采用内置预埋钢板，始发前将管片内置钢板与钢套筒基准环内环焊接连成整体。②在磨地连墙及素墙时，注入浓度较大的膨润土；通过素墙前，同步适当注入惰性浆液（上部多注），以补充因出渣损失部分原套筒内填充的惰性浆液，同时通过钢套筒泄水孔将套筒内泡沫及水排除。③掘进过程中对脱出盾尾第2环管片顶部适合位置注入双液浆（或水玻璃），使钢套筒顶部浆液及时凝固，控制管片上浮，单孔注浆量控制在0.5m3以下，同时需防止浆液流至盾尾区域固结盾尾刷失去密封效果。④加大管片姿态复测频率，及时掌握管片稳定情况。必要时采用12#/14#槽钢设置3道以上拉紧装置将管片间连接成整体，从而降低管片间错台情况。⑤掘进期间加强同步注浆管控，调整同步浆液水泥含量，初凝时间控制在5h内；适当增加上部两路注浆管路同步注浆量，结合管片复测数据、径向探孔情况和管片外观质量情况及时进行二次注浆。

5 结束语

福州地铁滨海快线工程滨海西站—大数据站区间富水砂层钢套筒辅助盾构始发的应用取得了良好的应用效果。虽然盾构始发刀盘通过加固区后出现后部负环管片和盾尾垂直姿态整体上浮现象，但通过采取固定负环管片与钢套筒、加强同步注浆管控、加大管片姿态复测频率、进行过程监控分析等措施及时使之恢复。在富水砂层中使用钢套筒辅助盾构始发，可以突破地层、场地的制约，是现有端头加固技术的有益补充，也是未来盾构施工技术的趋势所在，应进行推广并深化发展。