滨海地区富水粉细砂层大直径泥水盾构钢套筒接收关键技术——以孟加拉卡纳普里河底隧道工程盾构段为例

刘 华, 何 源, 钟 涵, 张飞雷

(1. 中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040； 2. 中交第二航务工程局第三工程有限公司，江苏 镇江 212021; 3. 交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040； 4. 长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040)

0 引言

盾构接收一直是盾构法施工中的重难点，且施工风险极大[1-2]。端头加固法[3-5]、降水施工[6]、水下接收[7-9]和深井到达[10]等方法是盾构接收常用的施工方法。大直径盾构接收一般会将以上方法综合使用，提高接收安全系数。在临海富水粉细砂地层中，盾构到达掘进将会围绕刀盘、盾体在地层形成“松动圈”扰动原地层，易发生突、涌水等危险。端头加固技术配合降水施工可以有效提高接收段土体强度并降低渗漏突涌，但大直径泥水盾构接收时，开挖洞径大、泥水舱压力大且满舱泥水体量大，突涌风险依然很高。地层加固并采用钢套筒辅助大直径泥水平衡盾构接收施工，可平衡盾构贯通掘进时地层水土压力，即便存在涌泥涌砂通道也可在水土平衡的状态下在套筒内进行封闭处置，从根本上避免突涌导致工作井被淹、洞门垮塌的可能，大大提高了大直径泥水盾构接收的安全性。另外，考虑到双线单台盾构掘进时会有2次始发、2次接收和1次盾构平移转体施工，采用钢套筒施工可以缩短工期并节约成本[11-13]。

针对钢套筒始发以及接收技术，国内外学者进行了许多研究。王健[14]对钢套筒后端盖板、底座和填料口的设计进行了优化; 陈珊东[15]对比分析了盾构不同接收方式的优缺点和适用性;李晓生[16]总结优化了在透水卵石地层小盾构钢套筒接收关键技术。对于在滨海高地下水位地区，大直径泥水盾构在扰动性大、透水性强的粉细砂地层中采用钢套筒接收的技术研究和应用较少。

基于项目实际情况，对地层、钢套筒结构、施工步骤等进行优化、部署和实施，形成了滨海地区富水粉细砂层大直径泥水盾构钢套筒接收关键技术。该技术主要包括工作井端头处置、钢套筒设计、应用和安拆、盾构接收段掘进控制和洞门封闭等，以期为复杂水土环境大直径泥水平衡盾构接收提供借鉴和指导。

1 工程概况

孟加拉卡纳普里河底隧道项目位于孟加拉国吉大港市郊区卡纳普里河入海口位置，隧道连接卡纳普里河东、西两岸，为国家重点工程，也为“一带一路”陆域交通网络连接“中、孟、印、缅”重要一环。隧道在河底分离两管盾构，单条隧道长2 450 m，采用单台开挖直径为12.16 m气垫式泥水加压平衡盾构施工，盾构接收后平移进行U-TURN转体二次始发。地下水位位于地表下1 m，盾构接收位于孟加拉雨季，地表水和卡纳普里河水对地下水强补给。盾构左线到达掘进段以粉细砂层为主，该段具体掘进地层剖面如图1所示。

图1 盾构左线掘进地质剖面图(单位： m)

2 钢套筒的组成原理及变形防控

2.1 钢套筒筒身

孟加拉卡纳普里河底隧道项目辅助钢套筒采用始发、接收和转体一体化设计，通过端盖板的拆装、套筒下部支座的调坡和转体系统实现其综合功能。钢套筒筒体部分长14.40 m，直径(内径)12.59 m，后端盖厚0.60 m，楔形延长钢环中心长1.20 m。钢套筒外径13.58 m，盾构外周刀与套筒单侧间隙为215 mm。钢套筒结构由延长钢环、密闭筒体、套筒一体化托架、端盖圆环、平板式封头、卸料口、进气口、泄压口、人行门和辅助固定装置组成。钢套筒根据盾构组装空间和分块焊接需求、海外项目运输限制、现场安装条件等进行合理分块，其分块结构构成和接收套筒总装如图2所示。

(a) 钢套筒分块

(b) 钢套筒整体

2.2 反力支撑架

反力支撑架采用强度为Q235B的钢结构设计，包括立柱、横梁和斜向梁,反力架钢梁设置18根φ610 mm圆管背撑提供推进反力，设置H400型钢支撑封板。反力架及其支撑体系如图3所示。

2.3 钢套筒变形防控

大直径盾构掘进进入钢套筒后，切口压力、盾构推力和盾构姿态需精准控制，钢套筒及反力架体系变形失稳风险较大，必须提前采取措施预防套筒变形。

利用全自动监测仪器全程进行监测，应变超过限值或突变时及时停机进行分析，并采取加固措施；套筒结构加强，焊接加固卡码和筋板，法兰处焊接密封角钢和槽钢；增加侧向和纵向支撑加固数量；筒体渗流量较小可不处理，套筒内压力满足要求即可；较大渗流量筒体外补焊堵漏，根据需要补水；套筒上部联通钢管，可进行内压调整，根据需要进行内部泄压。

(a) 反力架结构(单位: mm)

(b) 反力架背撑布置

3 钢套筒接收关键技术

本项目泥水平衡盾构钢套筒接收施工主要包括接收前的准备和辅助工作(主要包括高压旋喷桩土体加固、围护结构与加固体间垂直注浆帷幕和降水施工)、盾构到达掘进、盾构套筒内接收及洞门封堵等内容，其主要工艺流程如图4所示。

3.1 接收工作井端头处置施工

3.1.1 高压旋喷桩端头加固处置

接收工作井端头采用φ1 200@900三重管高压旋喷桩加固，加固范围为15 000 mm×41 791 mm×24 900 mm(长×宽×深)。工作井基坑开挖卸荷后，加固体与围护结构间将产生裂隙附水，采用钻注一体机施作扩散直径900 mm、桩心间距300 mm并与加固体等深的注浆帷幕封闭，注浆帷幕从洞门中心向两端施工，帷幕施工中洞门下部钻设探孔安装球阀泄水，球阀中流出水泥浆即可关闭球阀进行下一根桩施工。

3.1.2 端头降水井设计与施工

根据东岸工作井及明挖基坑降水及开挖施工经验，东岸端头降水井采用“大井法”计算用水量，用承压水均质含水层非完整公式，取安全系数1.2，根据总涌水量和单井出水量，共设计14口井，井深设计40 m，泥孔径550 mm，采用直径273 mm，壁厚4 mm钢管，底部设置1 m沉淀管，滤管为同规格的桥式滤水管，外包80目锦纶滤网，滤料回填至实管以上1 m，其上回填钻渣或场地土。井位布置及降水井结构如图5所示，其中1口井设置在加固体内靠近端墙位置，作为降水和观测井使用。

图4 大直径钢套筒盾构接收施工工艺流程图

图5 井位布置及降水井结构图(单位： mm)

盾构到达前，开启全部或部分降水井进行抽水并观测水位。当水位有效降至洞门以下时，打设水平探孔取芯验证；无水或少量流水时凿除洞门，直至套筒内注水填砂时方停止连续抽水，洞门封堵后方可停泵，并封堵左线降水井。

3.2 洞门凿除

洞门凿除安全验算。采用钢套筒辅以端头双重加固和降水措施进行左线盾构接收大大增加了施工安全性。为缩短盾构接收时切削地下连续墙的时间，降低刀具磨损，需先进行洞门部分凿除。考虑到降水井实际降水能力，模拟计算洞门凿除85 cm厚，地下水位降至洞门底部以上3 m或地下水位降至洞门以下2种工况下结构稳定性。计算模型如图6所示，计算模型参数取值如表1所示，针对2种工况设置不同高度的水头压力。

图6 盾构接收洞门凿除计算模型图

材料参数重度/(kN/m3)弹性模量E或压缩模量Es/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比C35混凝土25.0E=3 1503 180.055.00.35旋喷加固区20.0E=100200.030.00.25③1粉质黏土19.2E=5.8411.25.20.26③2粉砂19.4Es=125.431.20.30③6细砂19.6Es=134.632.70.29⑥粉细砂20.2Es=144.831.10.25

通过数值模拟计算可知： 1)降水至洞门底部以上3 m，洞门凿除85 cm后，凿除洞门处的最大剪应力在底部，为4.01 MPa，掌子面正向位移为8.7 mm； 2)降水至洞门底板以下，洞门凿除85 cm后，凿除洞门处的最大剪应力在底部，大小为0.1 MPa，洞门凿除后掌子面正向位移为4.8 mm。2种工况下的结构应力与位移均满足施工要求，地下水位降低至洞门底部以下，施工安全系数更高。

3.3 钢套筒安装及轨道定位

钢套筒根据洞门实际中心和设计轴线进行定位调坡，安装第1分块作为定位基准后按照分块和封板顺序进行逐一吊装，安装延长钢环并焊接封闭延长钢环与预埋钢环间隙，具体吊装如图7所示。

钢套筒内采用200 mm×235 mm(宽×高)钢轨双拼，呈50°布置。为避免盾构爬上套筒后刀盘转动边刮刀切削钢轨，钢轨间范围浇筑高度为285 mm的砖渣混凝土(高于轨道面5 cm)，钢轨布置和套筒内横断面如图8(a)所示。钢轨与地下连续墙之间采用砖渣混凝土浇筑防止盾构磕头，钢轨末端距离端盖封板1 800 mm，刀盘切口环超过轨道末端后刀尖距离端盖封板550 mm，具体尺寸结构如图8(b)所示。

图7 接收钢套筒安装示意图

(a) 套筒内轨道布置及横断面图

(b) 套筒内纵断面图

3.4 钢套筒内填料

钢套筒密闭试验合格后拆除中间上盖，凿除洞门，并作为洞门凿除出渣和人员逃生路径；洞门凿除后浇筑砖渣混凝土过渡斜坡，进行填渣注水，具体形式如图9所示。接收轨道上2.5 m范围填优质中粗砂，2.5～4.5 m填筑砂夹膨润土后封闭套筒，安装联通管路后注水至与地下水位等深。

3.5 泥水盾构套筒辅助接收掘进技术

本项目接收掘进定义为最后100环掘进，其主要分为3个阶段，分别为盾构到达掘进1 125—1 209环(85环)、盾构穿越加固体贯通掘进1 210—1 216环(7环)、盾构刀盘开始磨墙至盾尾全部进入钢套筒1 217—1 224环(8环)。

(a) 套筒密闭试验后揭开扇块

(b) 套筒内填料示意图

3.5.1 盾构接收测量

1)主控测量。盾构掘进至贯通前150环时，采用陀螺仪定向对盾构掘进导线进行复核；距离贯通100环时进行交叉双导线法联系测量测定地下平面和高程控制，同时加密各项施工测量频次，利用坐标法测定洞门实际中心三维坐标，以此为据调整掘进参数，保证隧道顺利贯通。

2)刀盘里程测量。利用盾构导向系统时刻监测盾构里程和位置，1 217环掘进至管理行程1 000 mm时，刀盘中心位置在距离套筒导轨起始端10 cm位置，停止刀盘转动，避免刀盘外周刀具与导轨互切。1 224环掘进至管理行程1 851 mm(实际油缸行程2 632 mm)时，盾构刀盘中心距离套筒端盖封板50 cm，到达最终停机位置。

3.5.2 盾构接收掘进监测

1)管片姿态监测。在距离贯通面100环内，每天对成型后的管片姿态进行测量，实测出管片的偏差和变化值，并与二次补偿注浆联动，指导注浆作业，同时管片姿态测量还起到复核导向系统的作用。

2)地表沉降监测。地表监测主要为左线接收工作井端头范围，盾构接收前在距离洞门100 m范围内采集原始数据，端头30 m范围每5 m布置1个断面，每个断面布置不少于11个测点，其余为每30 m布置1个断面。盾构接收过程中全天不间断监测，当掘进范围内单点沉降速率超过1 cm/d或累计沉降超过3 cm时，需反馈至监控室调整同步注浆方量，并采取二次补偿注浆措施。

3)加固区地下水位监测。洞门凿除之前降水井已全部开始，钢套筒建舱完成直至洞门封堵，降水井一直处于开启状态。本次降水施工在加固体中设置了1口观测井JS07(见图6)，每天派专人观测降水井，测量地下水位，保证地下水位在洞门以下。

4)钢套筒及反力架监测。根据本项目钢套筒辅助盾构始发施工经验和数值模拟计算，接收施工钢套筒变形监测部位为： ①纵向拼接缝处变形，腰部和底部拼接缝处变形监测； ②纵向变形，洞门与钢套筒连接处、后端盖板监测； ③反力架背支撑应力监测。钢套筒及反力架监测布点布置如图10所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

根据相关工程经验和施工要求，各监测项目控制值如表2所示。

表2 钢套筒监测项目控制值

反力架上布设的3个应力计，随着盾构掘进推力和切口压力变化而变化，在掘进过程中的敏感性较高。由封板斜撑数据分析可知，当盾构推力过大或刀盘接近封板时，封板斜撑应力较大，最大达到21.42 MPa。反力架支撑应力在刀盘距离封板最近时达到最大，最大应力为35.84 MPa。

洞门钢环与延长钢环间的位移在盾构破除洞门(推力较大时)和盾构进入套筒后期时最为敏感，最大位移为2 mm。

封板最大位移发生在刀盘与封板距离最近时，此时套筒内填砂因盾构推进与封板越挤越密，封板位移最大为6.98 mm。

接收时套筒的拼缝除了扇块之间，封板分块间也存在拼缝，需进行拼缝张开量监测。整个接收掘进过程中，各分块拼缝间的变形和位移较小，扇块拼缝最大值为1.6 mm，封板张开量最大值为0.48 mm，均在安全允许范围内。

3.5.3 盾构到达段掘进控制1 125—1 209环

盾构到达掘进主要穿越透水砂层，采用水土分算的主动土压力和静止土压力±20 kPa作为切口压力控制上下限，同时结合地表沉降变化，适时调整切口压力。盾构到达段掘进参数控制指标如表3所示。

3.5.4 盾构穿越加固区掘进1 210—1 216环

1)盾构穿越加固区时与洞门实测偏差水平±10 mm，垂直+30～50 mm姿态掘削加固体，以勤纠、少纠为原则，精确严格控制盾构接收段掘进姿态。

2)盾构穿越加固区前，及时调整盾构掘进参数，宜小贯入、低转速、适度开启仿形刀至盾构刀盘全部进行加固体后，提高转速，控制掘进速度充分掘削加固体水泥土。

3)加固体与原状砂层交界的3环范围，管片脱出盾尾后立即进行二次补偿双液浆注入，复紧管片螺栓避免管片姿态错动。加固体范围拼装管片后立即进行壁后双液浆补偿，严格执行管片螺栓三紧制度，同时焊接钢板拉紧管片内壁。盾构进行管片壁后补偿注浆时，暂停降水井抽水，避免浆液堵塞管井后期无法启用。

4)盾构穿越加固区时，循环泥浆指标以满足在既定排泥流速下的携渣能力为主控项，同时在地面提早排空部分桶槽储备清水待盾构爬升至套筒后切入置换。穿越加固区泥浆指标以黏度18～20 s(苏氏漏斗)、体积质量1.15～1.25 g/cm3、砂率≤4%、胶体率≥95%为宜。

盾构穿越加固体掘进参数控制指标如表4所示。

表3 盾构到达掘进参数控制指标

表4 盾构加固区掘进参数控制指标

3.5.5 盾构刀盘开始磨墙至盾尾全部进入钢套筒1 217—1 224环

盾构掘进至1 217环时，刀盘下部超前刀先接触地下连续墙围护结构，降低刀盘贯入和控制刀盘转速至0.5～1 r/min，掘削地下连续墙速度为2～3 mm/min，当全盘刀均参与磨削地下连续墙时可提高转速至0.8～1.2 r/min；同时适当加大泥水环流，确保混凝土块和玻璃纤维筋顺利排出。

根据洞门凿除后掌子面实际里程、轨道位置，结合盾构掘进参数反馈综合判断刀盘磨穿地下连续墙的时机，及时停止刀盘转动推进至套筒钢轨上。钢套筒内推进可适当增加切口压力，增大推力防止管片松弛。

套筒内掘进时，盾构同步注浆采用增加抗水分散剂的同步砂浆，避免与套筒联通后有压水冲散浆液。盾尾通过延长钢环时，同步注浆填充、管片二次注浆和延长钢环预留注浆孔注入聚氨酯砂浆封闭，实现洞门钢环和管片外壁间空间迅速有效封闭，确保洞门封堵安全，具体形式如图11所示。

图11 钢套筒内接收及套筒内密封示意图(单位: m)

3.5.6 盾构接收封堵施工

1)洞门注浆封堵。盾构爬至套筒内指定位置时，再次对管片壁后和延长钢环预留孔进行双液浆注入，注浆压力宜为0.3 MPa以内，预埋洞门钢环预设注浆孔作为备用孔应急使用。注浆结束后待注浆体凝结且强度达到一定要求后检查注浆效果。检查方式为： ①将套筒连通管液位降低至某一液位，观察液位是否稳定，若不稳定则说明注浆效果不佳需继续注浆； ②利用冲击钻开启洞门环管片注浆孔，安装球阀后看是否有较大水渗出，若有则需继续注浆直至检查无水为止。

2)洞门封堵立焊。洞门注浆密封后，利用泥水循环系统抽排套筒内泥砂，然后开始洞门立焊钢板封堵工作。封堵钢板尺寸为1 000 mm×400 mm×12 mm(弧长×宽×厚)，详见图12，从下至上割除套筒延长钢环并清理注浆体，然后逐块焊接立焊钢板。立焊钢板需设置注浆孔以便于后期注浆封堵需求。左线接收洞门封堵立焊钢板与封堵效果如图12所示。

3)洞门渗漏风险应对措施。为了防止盾构接收时发生洞门涌砂涌水的风险，采取了检查洞门注浆环箍密封、持续进行降水、快速逐块延长钢环割除和立焊钢板焊接、焊接完成之后严格检查焊接质量、从下部预先设置的球阀进行水泥浆压注直到上部球阀中溢出为止等措施。

3.5.7 钢套筒拆除

洞门封堵并验证效果后，采用泥水管路的旁通模式，将钢套筒内的泥砂循环、抽排干净后，再利用钢套筒下部泄压孔和注浆孔等排空套筒内的水。

洞门封堵完成并将套筒内水排空后，即可拆除盾构接收钢套筒支撑体系(包括闷盖支撑、反力架支撑、套筒侧腰支撑及其他临时支撑)。

(a) 洞门立焊钢板

(b) 洞门立焊封堵实拍图

4 应用效果

左线盾构套筒接收施工中，钢套筒mm级变形说明该工法变形可控，安全可靠。本项目采用“一机双隧”掘进模式，左线套筒接收为“1次始发—1次接收—平移转体—2次始发—2次接收”中的一次接收，采用套筒进行一次接收相比于水下接收可以更快速进入平移转体阶段，为项目节省30 d工期。在整个项目施工过程中，钢套筒兼具了4次进出洞和1次平移转体功能，相比于水下接收后拆机进行后续施工成本节约1 350万元左右。

本项目为“一带一路”连接“孟、中、印、缅”经济走廊的重要一环，同时作为孟加拉国第1座水下隧道，受到孟加拉国及社会各界的高度关注，大直径钢套筒在盾构进出洞施工中的成功应用得到了孟加拉政府和社会各界的高度认可。

5 结论与讨论

通过对孟加拉卡纳普里河底隧道左线接收段地质风险分析、大直径钢套筒优化设计、大直径泥水盾构接收掘进参数细化、施工工艺的可行性论证和施工风险防控措施的制定，形成了以下结论与建议：

1)在滨海地区富水粉细砂层中，采用高压旋喷桩+降水+钢套筒的方式进行大直径泥水盾构接收是安全有效的。

2)利用自动化监测手段监测钢套筒在接收过程中的变形，变形均在1 cm以内，可以实现盾构接收后的平移、转体和再始发施工的多次利用。

3)经过理论计算和实际施工表明，地下水位降低至洞门底部以上3 m，洞门凿除85 cm的施工方法既保证了盾构接收的安全，又能避免刀盘、刀具长时间研磨地下连续墙造成工期延误和刀盘损伤。

4)增加抗水分散剂的同步注浆和延长钢环预留孔中注入聚氨酯砂浆，实现了洞门钢环和管片外壁间空间迅速有效封闭，确保了洞门封堵安全。

5)滨海地区富水粉细砂地层大直径泥水平衡盾构接收技术难度高、风险大，采用大直径钢套筒接收工艺能很好地降低技术风险，保证盾构接收，但是大直径钢套筒的密水性能、变形特征和可重复利用的能力有待进一步研究和优化。