钢套筒平衡技术在泥水平衡盾构出洞工程中的应用

伍伟林 王呼佳 高 鲲 邹 育

(1.中铁二院工程集团有限公司,610031,成都;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,510641,广州∥第一作者，工程师)



钢套筒平衡技术在泥水平衡盾构出洞工程中的应用

伍伟林1王呼佳1高 鲲1邹 育2

(1.中铁二院工程集团有限公司,610031,成都;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,510641,广州∥第一作者，工程师)

钢套筒结合端头加固辅助盾构始发已广泛于隧道建设中,但在高水压、复杂地质等环境下,端头加固效果不佳,且现有的钢套筒辅助始发技术不成熟,存在较高的风险。在广州13号线一期工程南岗站—温涌路站区间中,针对始发端超高水压、周围管线和房屋密集等复杂环境条件,通过对钢套筒关键技术进行分析及改进,在无端头加固的条件下,采用泥水平衡盾构钢套筒始发。工程实践表明,此工法取得了较为理想的效果。

地铁隧道; 泥水平衡盾构; 钢套筒; 盾构始发

First-author′s address China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu，610031,China

盾构法因地层适应性强、自动化程度高、优质高效、安全环保等特点,广泛应用于地下工程。盾构始发和到达是盾构工法中主要施工工序之一,也是盾构施工中最易发生事故的环节[1]。特别是在软弱富水饱和粉砂层地质中,涌水涌砂等重大事故更容易发生。如南京地铁2号线元通站盾构到达事故,造成盾构机被埋，导致已完成隧道受损150 m,地面坍陷[2]。

针对盾构进出洞的自身风险及环境风险,通常采用地面垂直、洞内水平等加固方式。但对于盾构井端头较厚淤泥、砂层等不良地层、盾构井埋深大,承压水头大、地面加固场地受重要管线及建构筑物影响等情况,采用一般的加固方法很难保证盾构进出洞安全,且工程投资较大、工期长[3]。因此,需要寻求一种新型加固方式,既能适应复杂地层保证安全又不受加固区域条件限制,且具备良好的经济性。

钢套筒辅助始发和接收很好的解决了盾构进出洞的难题。例如,南宁地铁1号线某盾构区间受端头燃气管道的影响无法进行地面加固,因而采用土压平衡盾构钢套筒始发;广州地铁2、8号线南延线某区间由于管线迁改、场地移交及工期紧张等问题,泥水平衡盾构进洞采用盾构机站内钢套筒接收与端头地面素混凝土连续墙加固相结合的盾构机到达新工法[4-5]。但现有钢套筒都是作为辅助系统,必须结合端头加固措施来保证安全。

本文以广州地铁13号线一期工程南岗站—温涌路站区间22#盾构井出洞为依托,针对始发端超高水压及周边房屋、管线密集等复杂环境条件,通过对钢套筒始发关键技术进行研究与改进,成功地在无端头加固的条件下完成泥水平衡盾构钢套筒平衡始发。

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

广州地铁13号线南岗站—温涌路站区间隧道位于增城市新塘镇新塘大道西新墩村段。盾构井南北两侧为3～6层居民楼,居民楼较为密集,与盾构井平面距离约7～9 m。盾构井附近存在密集的燃气管和污水管,与盾构井平面距离约1～3 m。风井的车站起讫里程为YDK52+449.900-YDK52+506.000(ZDK52+458.635～ZDK52+514.735),基坑长度为56.1 m,宽度为24.9 m,基坑开挖深度约27.8～30.4 m,顶板埋深约3.6 m。围护结构为1 000 mm厚地下连续墙+4道钢筋混凝土内支撑支护。采用2台泥水平衡盾构从22#盾构井小里程端始发,向南岗站掘进。

1.2 地质条件

(1) 工程地质条件。盾构始发端的地质情况自上而下分别为素填土、淤泥质土、淤泥质粉细砂层、中粗砂、淤泥质土、淤泥质粉细砂层、中粗砂、砂质粘性土、全风化混合花岗岩层、强风化混合花岗岩层、中风化混合花岗岩层。区间隧道主要穿越淤泥质土及淤泥质粉细砂层。隧道洞身范围内主要为砂质粘性土、强风化混合花岗岩层。且拱顶存在约2 m淤泥质粉细砂层。

(2) 水文地质条件。场地地貌上属于海陆交互相沉积地貌。揭露第四系地层为人工填土层,海陆交互相沉积层及残积层,基岩为震旦系混合花岗岩和燕山期花岗岩。地下水位的变化受地形地貌和地下水补给来源等因素控制。勘察期间揭露沿线地下水稳定水位标高为5.74～5.86 m。始发端水位标高约为5.80 m。

2 工程难点分析

由于22#盾构井盾构始发端覆土较厚(约19 m),水位较高(约17 m),地质情况差,管线迁改造价高且十分困难,地面垂直加固方案难以进行。故此区间始发端头采用传统的加固方式[6],存在以下风险:

(1) 土体失衡风险。为避免盾构机击穿密封帘板，其掘进压强应不超过120 kPa。始发时实际以欠压的状态掘进。由于盾构机覆土厚度较大,且盾构始发时欠压掘进,压差较大,故容易引发土体大范围沉降、坍塌。而且基坑周边建筑物较多,存在土体坍塌和房屋沉降破坏的风险。

(2) 渗漏风险。盾构机通过密封帘板的过程中,在帘板包裹盾构机筒体到包裹管片过程转换的瞬间,由于洞门压板不同步,管片与洞门间存在缝隙,极易渗漏水。由于地层中存在粉细砂层,土的流动性大,故渗水通道可能瞬间形成。这将是致命的,后果难以挽回。

3 钢套筒平衡始发技术重点

钢套管平衡始发原理为钢套筒下井组装，再平移到洞门位置后与洞门连接,将盾构安装在钢套筒内;然后,在钢套筒内填充回填物并密封钢套筒,保持钢套筒内部的水土压力与隧道埋深位置的水土压力平衡,使盾构机在破除洞门前建立水土平衡环境。这样始发等同于常规掘进,从而避免了盾构机始发过程中因欠压或渗漏而出现塌方的情况。

虽然国内已有土压平衡盾构钢套筒平衡始发与到达、泥水盾构钢套筒平衡达到工程实例；但本项目中的泥水盾构钢套筒平衡始发属于国内首例,尚需解决如盾构机防扭转、钢套筒接缝密封及套筒内填料等一系列的关键技术问题。

3.1 洞门处围护结构处理

由于盾构井南北两侧居民楼与盾构井平面距离最近的仅7 m,盾构始发掘进过程中需保证居民楼的安全稳定性。盾构始发时需要凿除洞门,在此过程中由于切除围护结构而使开挖面处于暴露状态,容易引起周围地面沉降和周围居民楼的变形。在22#盾构井东西端洞门7.5 m范围的大槽段,围护结构用玻璃纤维筋替代钢筋[7],并在盾构始发时直接以盾构机刀盘对围护结构进行切削,利用盾构机本身来提供对土体的抗力,以减少对地层的扰动,从而避免和减少对居民楼的影响。

3.2 盾构机防扭转装置

钢套筒平衡始发和平衡达到最大的区别在于,平衡始发扭矩大,需安装防扭转装置;到达时则无需考虑盾构扭转问题,通过底部回填砂提供摩擦反力即可防止到达段管片松动。如始发洞门处围护结构采用玻璃纤维筋,盾构在始发时以刀盘直接破洞门,则盾构刀盘在转动过程中,由于瞬间扭矩较大,容易造成筒体扭转。常规盾构始发时会在盾体两侧临近于始发托架两侧轨道处焊接不少于2道的楔形钢板,作为防盾构机侧滚的装置。

由于本项目采用泥水盾构在钢套筒密闭始发,回填砂后因泥水润滑作用和洗舱排土作用,难以保证填砂防扭转效果,因而采用来防正扭转螺栓来防止盾体扭转。该措施在盾构筒体内部开孔，并安装螺栓；在盾构磨连续墙阶段将螺栓拧入筒体,卡住筒体内轨道；待盾构刀盘磨穿连续墙后,再将螺栓拧出筒体,从而起到防盾体扭转的作用(如图1所示)。

图1 盾构机防扭螺栓示意图

3.3 钢套筒密封控制

钢套筒密封控制的主要工作内容包括主体结构端头处防渗漏和构建连接部位防渗透。

3.3.1 主体结构端头处防渗漏

由于防水板的隔离作用,主体结构端头与围护结构间不密贴。当钢套筒内压力较大时,该部位容易发生渗漏。为减少该部位渗漏,始发及到达钢套筒内的填料应调高比重,以利用高比重泥浆中的砂形成土塞效应,减少结构渗漏。

3.3.2 构件连接部位防渗漏

钢套筒环向、纵向接缝,钢套筒与洞门环板连接处,钢套筒环梁与管片连接处,负环管片接缝处,钢套筒与环梁连接处均易出现泄漏,从而导致土舱无法维持需要的压力引起掌子面塌陷。为解决此问题一般采用如下措施：

(1) 钢套筒分块连接处均设置2道嵌入式密封圈(如图2所示),并在分块连接处内侧涂抹聚氨酯,以确保钢套筒环向、纵向接缝不渗漏。

图2 钢套筒环、纵向接缝密封示意图

(2) 钢套筒与洞门环板连接处采用焊接,并在外侧涂抹沥青防渗漏。

(3) 钢套筒环梁与管片连接处、与负环管片接缝处采用三元乙丙橡胶密封垫+遇水膨胀止水条防水。只有当压力测试合格后,盾构机方能在钢套筒内进行始发掘进。

(4) 钢套筒与环梁采用M 24×240螺栓连接,连接处均设置2道嵌入式密封圈,并在连接处内外侧涂抹聚氨酯防渗漏。

3.4 钢套筒填料

钢套筒内填料分3次进行。第1次在钢套筒底部2根钢轨之间铺砂并压实,每个位置的铺砂高度比相应钢轨的高度高出15 mm,待盾构机放去上后,进一步压实,确保底部砂层提供充足的防盾构机扭转摩擦反力。第2次填砂在盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面后,在钢套筒与盾构之间的间隙内填充砂。填料过程中应适当冲水并通过钢套筒下部的排水孔排水出来,起到让砂密实的作用。第3次填料在盾构始发时，开启环流,通过环流注入浓泥浆。浓泥浆的主要作用为增加泥浆携渣能力,控制地面沉降,较高粘度和比重的泥浆有利于筒体抗渗漏。

3.5 掘进参数控制

22#盾构井小里程盾构始发端淤泥质土较厚,且拱顶存在约2 m淤泥质粉细砂层,在端头无任何加固情况下,掘进时尽量减少对土体的扰动,以保证土体稳定,防止因地下水土流失引起地表过大的沉降。在盾构出洞过程中加强对周围环境沉降观测,及时调整掘进参数[8]。其中，由于端头无任何加固,为了确保始发掘进过程的相对安全,应控制掘进速度<5 mm/min;为了保证盾构机正常运行,不偏离轨道,应控制扭矩<2.5 MN·m;由于该段为砂质粘性土、强风化混合花岗岩地层,应控制刀盘转速<1.5转/min;为避免推力过大导致反力架变形,应控制推力<15 000 kN;施工过程中,切口压力的增加会影响实际推力情况。刀盘面积约为31 m2,故每增加104MPa的压力,实际推力就折减310 kN,为加快推进速度,减少能耗,施工过程中切口压力的以渐进式梯度进行调整(如:掘进连续墙前500 mm阶段,切口压力设定为1.2×105MPa;掘进连续墙500～800 mm阶段,切口压力设定为1.5×105MPa,掘进连续墙800～1 000 mm阶段,切口压力设定为2.0×105MPa。

3.6 盾构姿态控制

钢套筒内径为6 500 mm,而一般盾构机刀盘直径为6 280 mm,所以,钢套筒在规范要求内应能满足大部分盾构机的施工要求。施工过程中应严格控制盾构机姿态,防止以割线或斜线出洞,导致盾尾卡死或破坏钢套筒结构。

盾构出洞测量控制要点为:①在出钢套筒时姿态控制应要求中心线偏差控制在±2 cm之内。②考虑裁头现象,盾构机应略抬头姿态。

4 周边环境监测结果

盾构始发过程中,为了确保施工安全,需要结合周围环境的变形及时调整盾构掘进参数或采取相应的工程措施。对盾构50 m范围内的建(构)筑物和地面应进行自动化监测,并加大监测频率。右线监测点布置如图3所示。沿盾构掘井方向的监测点间距为5 m。

图3 广州地铁13号线22#盾构井右线监测点布置

监测点较多,故选取周围建(构)筑物和地面中具有代表性的监测数据绘制沉降曲线(如图4所示)其中，初始位移是由22#盾构井基坑开挖产生。盾构从第2 d开始出洞,第9 d完成出洞。

图4 部分监测点沉降曲线

在整个盾构出洞过程中,周围建(构)筑物和地面都有隆起和沉降位移产生。在盾构出洞期间建(构)筑物的最大隆起值为0.52 mm,最大沉降值为2.84 mm;地面的最大隆起值为1.16 mm,最大沉降值为0.40 mm。从盾构井基坑开挖到盾构出洞,累计最大沉降值12.1 mm(<30 mm),累计最大隆起值0.52

mm(<10 mm),满足施工及验收规范要求。

5 结语

在始发端超高水压及周边房屋、管线密集等复杂环境条件,通过对钢套筒始发技术要点进行研究与改进,成功地在无端头加固的条件下完成泥水平衡盾构钢套筒平衡始发。通过总结得出钢套筒平衡技术具有如下优点:

(1) 钢套筒为装配式结构,通过增加结构刚度后,能够多次使用,从而降低施工费用;且钢套筒装配过程中无噪音、无渣土排放,符合节能减排、绿色环保的标准,是一项绿色新技术。

(2) 钢套筒的使用不受场地限制,对于目前地面存在重要管线,施工用地征拆困难的工程,使用钢套筒能够减少前期费用,且无后续管线回迁,场地恢复等费用,因而更为经济。

(3) 该技术能够通过提前检测钢套筒的渗漏情况,只要钢套筒不开裂、不分解,就能够使筒内压力稳定,确保盾构始发及到达的安全;而传统加固手段受限于目前检测手段的局限性,端头加固是否失效无法有效检测,因而采用钢套筒更为安全有效。

(4) 一般的端头加固少则20 d，多则三四个月不等,钢套筒的安装周期约为14～20 d,且没有凝期限制,极大的缩短了施工周期,因而也适用于工期紧张的盾构出洞、进洞工程。

[1] 江玉生.盾构始发与到达:端头加固理论研究与工程实践[M].北京:人民交通出版社，2011.

[2] 吴秀国,软弱地质条件下盾构进出洞技术的研究[D].广州：华南理工大学,2012.

[3] 孟海峰,刘江涛,李世君,土压平衡盾构富水粉砂地层进、出洞常见问题分析[S].隧道建设,2011(S2):57.

[4] 李奕,钟志全,泥水盾构到达施工新技术[J].建筑机械化,2010(01):70.

[5] 郑石,鞠世健,泥水平衡盾构到达钢套筒辅助接收施工技术[J].现代隧道技术,2010(06):51.

[6] 夏明耀，曾进伦,地下工程设计施工手册[J].北京:中国建筑工业出版社，1999.

[7] 焦齐柱,盾构直接切削围护墙的设计探讨[J].现代隧道技术,2007(04):20.

[8] 周明亮,白雪梅,近距离下穿运营地铁隧道的关键技术[J].都市快轨交通,2011(03):89.

Application of Seel Sleeve Balance Technology in Slurry Balance Shield Tunneling

WU Weilin, WANG Hujia, GAO Kun, ZOU Yu

Being the auxiliary structure to shield launching, the steel sleeve in combination with wall reinforcement measures has been applied widely in tunnel construction. But wall reinforcement effect is not satisfactory and the immature technology of steel sleeve auxiliary launching has higher risks. Through analysis and improvement of the key technology, slurry balanced shield steel sleeve without wall reinforcement is applied to shield launching for a tunnel section from Nangang Station to Wenchong Station on the first-stage project of Guangzhou metro Line 13, the originating terminal of which fetures higher water pressure, dense pipelines and buildings, complex environment and so on. Practice of the project indicates that the technology has obtained ideal effect.

subway tunnel; slurry shield; steel sleeve; shield launching

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.09.026

2016-03-02)