适用于上软下硬地层的地铁盾构钢套筒始发技术应用分析

吴向前

（南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210008)

0 引言

地铁盾构始发端施工作为盾构掘进的关键风险源，直接关系到盾构的顺利掘进和施工工期，因此，采用合适的始发技术十分关键。盾构始发技术的选择与始发井端头地质条件、盾构隧道埋深等赋存环境和经济效益密切相关。在端头地质条件较差的情况下，通常需要对始发端头土体进行加固预处理，比如三轴搅拌加固法、钢板桩置换法、冻结法等[1-2]。然而在施工场地范围受限、建筑密集等部位，盾构始发面临端头加固效果难以得到保障的施工技术难题。自广州轨道交通2、8号线延长线盾构段首次采用钢套筒进行盾构接收技术[3]后，钢套筒逐渐作为盾构始发及接收的关键装置之一[4-5]。盾构钢套筒始发技术主要通过在盾构始发井内安装钢套筒，在钢套筒内安装盾构机，然后再将回填物填充到钢套筒内，通过密闭的钢套筒空间提供平衡前方掌子面的水土压力，从而保障在钢套筒内实现盾构机的安全始发。然而针对上软下硬地层使用钢套筒盾构始发技术的研究相对较少。本文依托南京地铁7号线西善桥出入场线工程，分析适用于上软下硬地层的地铁盾构钢套筒始发技术的应用，为类似工程提供参考。

1 工程概况

南京地铁西善桥出入场线盾构区间长为601.686m。线路纵坡自车站至中间工作井先后为平坡、10.93（右10.2）‰纵坡（上坡）、35‰纵坡（上坡）。盾构区间穿越上软下硬地层，其中上部以粉砂为主，下部为强风化砂质泥岩和中等风化砂质泥岩。区间始发端隧道范围内隧道外皮净间距<0.7倍的隧道直径，线净间距为2.84～4.34m,属于小净距施工，小间距施工长度为26.28m，推进过程中隧道内侧结构变形、地表二次沉降等风险较大。为保障盾构在小间距段顺利始发，该工程采用钢套筒始发技术并在上软下硬地层中得到成功应用。

2 钢套筒构成与盾构始发和组装工艺流程

2.1 钢套筒构成

钢套筒主要由长为10000mm、外径7040mm、内径6800mm的筒体、过渡环、始发钢环等部分组成（如图1所示），其中钢套筒筒体分为长度均为2500mm的4段，分别为A1、A2、A3、A4，并且每段由上下两半圆组成。每段筒体的外周焊接纵、环向筋板以保证筒体刚度，其中筒体钢板材料厚20mm，筋板厚20mm，高120mm，间隔约550mm×600mm。筒体端头和上下两半圆接触面均采用焊接圆钢板法兰，法兰厚40mm，上下两半圆以及两段筒体之间采用M30高强螺栓进行连接，并在中间增加10mm厚橡胶垫,将筒体底部的托架和下部筒体焊接连成整体。钢套筒与洞门钢环之间设置长度为250mm的过渡环，洞门钢环与过渡环间采用焊接法，保证钢套筒与洞门钢环间的密闭性。钢套筒与盾构反力架之间设置长度为400mm始发钢环。对于类似工程，过渡环和始发钢环的长度可根据盾构始发井的长度进行调整。

图1 钢套筒结构图

2.2 盾构始发工艺流程

盾构始发工艺流程如下：钢套筒安装→钢套筒下半部分安装及填砂→反力架安装→盾构机下井组装调试→上半部分钢套筒安装→盾尾油脂涂抹→负环管片拼装→钢套筒内第三次回填砂→钢套筒内压力测试。

2.3 盾构机下井组装调试流程

盾构机组装、调试计划流程：吊装前准备→连接设备、台车下井→螺旋机入井存放→中盾翻身入井→前盾翻身入井→刀盘翻身入井→拼装机入井→盾尾入井→螺旋机安装→组装调试。

3 钢套筒始发技术要点

3.1 下半部分钢套筒安装

盾构进洞始发段，钢套筒下半部定位安装前，首先需确定隧道洞门实际位置，平面位置要求钢套筒中轴线与盾构始发线重合。为防止盾构始发时会出现“栽头”现象，将套筒中心比线路中心垂直抬高10～20mm。采用混凝土垫层和钢板垫高找平。

将过渡环吊入工作井内，过渡环中心线与洞门中心先重合，过渡环定位好后，在过渡环与洞门钢环左右两侧焊接两块弧形板定位，防止过渡环跑位。

将A4环吊入工作井内测量定位处，并与过渡环连接。A4环下半部与过渡环之间采用M30 的高强螺栓连接。A3、A2、A1块下部及始发钢环安装方式同上。钢套筒下半部安装完成后，在钢套筒内安装两根43kg的钢轨。

在钢套筒底部钢轨中间铺设砂料并进行压实，直到铺砂高度高出钢轨15mm左右，确保底部砂层提供足够的摩擦反力，防止盾构机发生扭转。在上半部钢套筒安装前，对钢套筒内进行二次填砂，填砂部位为盾构机两腰部位，保证钢套筒钢轨以上两侧部位填砂密实。

3.2 反力架安装

反力架的平面位置根据钢套筒位置确定。反力架的安装分两部分，下部定位立柱及下横梁在盾构机下井前安装，其余上部结构在盾构机主机组装结束后安装。安装前必须放好其安装轴线，反力架轴线与盾构始发轴线随套筒抬高10～20mm。然后进行该装置的现场组装和定位焊接，其中焊接部分主要为反力架斜撑与结构预埋板，以及反力架底部与结构面预埋钢板。同时为减少横撑对结构的最大限度保护，在顶部与结构二层板支撑和侧面与结构墙支撑的位置垫设一块不小于横撑截面面积，厚度不低于1cm的钢板。

反力架尺寸为7000mm×6300mm×900mm。左线反力架后部距离车站底板612mm，右线反力架后部距离车站站台侧墙610mm。反力架固定过程中，底部通过Φ530mm 圆管柱与车站底板侧墙固定，两端通过5mm、10mm、20mm的钢板垫平整；反力架两侧立柱一侧通过三根Φ609mm圆管柱与车站底板预埋的钢板焊接固定，缝隙处采用5mm、10mm、20mm的钢板垫实；顶部采用20cm的H型钢与车站中板下部横梁的结构支撑，H型钢与反力架焊接密实。反力架安装时，用全站仪双向校正两根立柱的垂直度，使其形成的平面与推进轴线垂直。反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内。需要注意的是盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差应<2‰，水平趋势偏差<±3‰，始发架水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰。

3.3 上半部分钢套筒安装

在盾构机主体安装完成后，开始上半圆钢套筒部分的安装，同时需调整压紧螺栓。然后检查各部连接处的完好性，特别注意钢套筒的上下半圆和环与环部分之间的连结性，确保螺栓能及时紧固。

3.4 盾尾油脂涂抹

为了保护三道盾尾钢丝刷，提高其使用寿命和增强密封效果，盾构始发时须在钢丝刷刷内使用手涂型的盾尾油脂，严禁使用泵送型的油脂，其涂抹注意事项如下：

（1）戴上橡胶手套后最好倒入适量的液压油，防止油脂粘连在手上；

（2）涂抹时注意站好站稳，防止滑倒、跌倒；

（3）严禁踩踏钢丝刷，否则容易引起钢丝刷的变形；

（4）油脂填塞必须充分严实，整圆不允许有遗漏，尽量将油脂挤塞进钢丝刷。

3.5 负环管片拼装

该工程盾构始发左右线均采用9环负环。负环管片采用1.2m直线环，K块位置拼装选择在1点和15点交替拼装。管片环向和纵向螺栓均需连接牢固。负环管片全部采用标准环，负环管片采取错缝拼装，负环管片按正常管片粘贴软木衬垫及防水条。-8环管片拼装前，在盾尾内侧的同一断面上焊接6个长度为1.2m规格的14b#的槽钢，位置分别在2点钟方向到10点钟方向均匀排布，目的是为了留出盾尾间隙。拼装时应注意环面平整度及拧紧全部环向螺栓，同时应用“7”字型钢板固定上部管片，以防掉落。前两环负环拼装完成后，用千斤顶将两环管片整体后推至始发钢环处。为防止管片脱出盾尾后，管片下沉，在管片脱出盾尾前在钢套筒底部两侧安装两根引轨，引轨采用32C工字钢。盾构机继续向前推进至刀盘顶至围护桩，按相同的拼装方法完成-6、-5环管片拼装。管片通过尾刷时，应注意及时向尾刷内注入油脂，保证过程中尾刷不被损坏。拼装负环时，可使用同步注浆管下两路进行注浆，确保负环下方间隙填充密实，防止负环下沉过大，影响密封效果。

3.6 钢套筒内砂料回填

盾构机向前推进至刀盘面板贴近车站围护结构后，从钢套筒上半部进料口向钢套筒内填砂，将整个钢套筒填充满。为保证负环管片与钢套筒之间的密封效果，通过靠近反力架两环管片-8环和-7环管片的吊装孔进行壁后注浆，注浆材料采用可硬浆液，在管片后面形成一道密封防渗环。

3.7 套筒内压力测试

3.7.1 渗漏检测

钢套筒完全安装好以后，刀盘靠到掌子面，通过盾构机的同步注浆，向钢套筒内注入膨润土，并注入少量空气，直至筒内压力达到2bar。同时需保证洞门连接板，钢套筒环向与纵向连接位置，钢套筒的钢环与反力架的连接处的密封性；如有漏水情况需要在相应部位检查并修复其密封质量，及时上紧螺栓或重新焊接，然后再次进行筒内压力测试直至满足密封要求。

3.7.2 钢套筒位移检测

在进行试水、加压测试之前需安装应变片和量程为3～5mm的百分表，应变片应分区域设置在钢套筒与洞门环板连接处，同时百分表安装在钢套筒表面，其变形精度控制在0.5mm左右。若发现应变超标，必须立即卸压。

3.8 始发磨桩参数

区间始发端头围护结构采用Ф1000咬合桩，荤桩洞门范围内使用玻璃纤维筋代替传统钢筋，从而可以直接磨桩始发掘进而无需凿除洞门，减少洞门破除风险。同时为降低盾构始发过程中对玻璃纤维筋的直接作用力，避免盾壳发生扭转，盾构始发磨桩时适当降低刀盘转速、减小盾构机贯入度，暂定盾构参数为：总推力控制在800T以下，掘进速度控制在3～5mm，贯入度在10mm/r以内，刀盘转速控制在0.8～1r/min，中心线偏差控制在±2cm以内。始发过程中，采用双液浆注浆，确保套筒与管片之间填充密实。

3.9 上软下硬地层始发掘进参数

盾构掘进区间全断面土层表现为上软下硬不均匀地层，其中上部为稍密性粉砂层，下部为强风化砂质泥岩。掘进过程根据掘进断面硬岩比例较大时应调整掘进参数，并以硬岩强度选择重型刀具，刀盘转速不宜过快，应控制在1r/min以内；推进速度控制在10～20mm/min，注浆压力在0.7～1.2bar，每环注浆量不少于4.9m3，上部土仓压力控制在0.5～1bar之间；推力控制要恰到好处，并且及时做好二次注浆。

4 结束语

本文结合实际工程，采用钢套筒盾构始发，不仅增加了始发安全性，还保证了开挖面稳定，控制了盾构始发段上部近距离既有建（构）筑物的沉降。实践证明，在上软下硬地层始发掘进，一定要保证钢套筒的密封性，在掘进过程中根据掘进断面硬岩比率，及时调整盾构掘进参数。