肖 衡， 胡 蓉， 梁新權(quán)， 蔣凌翔， 楊世鵬

(1. 長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410075； 2. 湖南省第六工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015；3. 中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司， 北京 100018)

富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒接收應(yīng)用實(shí)例

肖 衡1， 胡 蓉1， 梁新權(quán)1， 蔣凌翔2， 楊世鵬3

(1. 長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410075； 2. 湖南省第六工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015；3. 中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司， 北京 100018)

盾構(gòu)接收作為盾構(gòu)施工過程中的一個(gè)關(guān)鍵工序，具有高風(fēng)險(xiǎn)性。在接收端頭無法加固的情況下，如何實(shí)現(xiàn)富水砂卵石地層環(huán)境下盾構(gòu)安全接收，是急需解決的一個(gè)重大難題。依托長(zhǎng)沙地鐵一號(hào)線黃興廣場(chǎng)站盾構(gòu)鋼套筒接收工程，對(duì)該工程中采用的玻璃纖維筋地下連續(xù)墻結(jié)合鋼套筒接收方案技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行剖析，深入研究了在富水砂卵石地層接收端頭無加固情況下的盾構(gòu)接收技術(shù)，以期為今后類似工程提供參考。

富水砂卵石地層； 土壓平衡盾構(gòu)； 鋼套筒； 無加固； 盾構(gòu)接收

0 引言

盾構(gòu)接收是盾構(gòu)施工過程中的重要工序，其施工風(fēng)險(xiǎn)高，技術(shù)要求高。目前國(guó)內(nèi)常用的盾構(gòu)接收方式主要為對(duì)端頭土體進(jìn)行注漿、旋噴或凍結(jié)等方式加固，使其達(dá)到一定強(qiáng)度及止水作用后，再進(jìn)行盾構(gòu)接收工作[1-2]。趙立鋒[3]針對(duì)南京地鐵3號(hào)線采用地層加固及凍結(jié)法結(jié)合鋼套筒施工技術(shù)進(jìn)行分析；王文燦[4]針對(duì)天津地鐵凍結(jié)法和水平注漿的組合加固技術(shù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了凍結(jié)法結(jié)合水平注漿加固在盾構(gòu)接收工程中的適用性；陳珊東[5]通過分析鋼套筒在接收盾構(gòu)中的使用情況，總結(jié)分析其優(yōu)缺點(diǎn)，探討了鋼套筒在土壓平衡式盾構(gòu)上的適用性；張中安[6]對(duì)深圳地鐵盾構(gòu)隧道鋼套筒接收進(jìn)行分析，得出鋼套筒接收工藝優(yōu)勢(shì)。

然而，由于周邊構(gòu)筑物以及地下管線等影響，加固施工可能無條件施作，或存在環(huán)境破壞、加固漿液無法有效凝結(jié)以及加固效果不理想等情況。針對(duì)上述問題，廣東華隧發(fā)明了鋼套筒接收的方法，該方法首先在泥水盾構(gòu)施工中得到成功應(yīng)用，但目前在富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工的相關(guān)案例比較罕見，以下通過工程實(shí)例介紹土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒接收的施工要點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 接收端地質(zhì)條件

長(zhǎng)沙地鐵一號(hào)線黃興廣場(chǎng)站—南門口站區(qū)間采用直徑6.28 m土壓平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間接收端位于黃興廣場(chǎng)站內(nèi)，里程位于ZDK18+762。地質(zhì)勘查資料顯示，接收端地質(zhì)條件復(fù)雜，地層層序自上而下依次為雜填土(層高5.94 m)、粉質(zhì)黏土(層高2.09 m)、圓礫(層高5.22 m)和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。接收端洞門拱頂埋深11.25 m，洞門處地層自上而下依次為圓礫(2.26 m)和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(3.74 m)。其中，砂卵石地層顆粒間孔隙較大，在水動(dòng)力作用下，地層中細(xì)顆粒在砂卵層粗顆粒間形成的孔隙中移動(dòng)流失，極易造成管涌等風(fēng)險(xiǎn)。

黃興廣場(chǎng)站地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。地下水位于地表以下10.20～14.50 m，主要位于湘江沖積圓礫層，上部多為網(wǎng)紋紅白土相隔，地下水呈弱承壓性，水量較豐富，常年水位變化幅度8～12 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果可知，砂卵石地層的抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)為19.46 m/d，屬?gòu)?qiáng)透水性地層。在這種富水砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)接收工作，極易發(fā)生涌水涌泥現(xiàn)象，施工具有較高風(fēng)險(xiǎn)。接收端的地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 接收端地質(zhì)剖面圖(單位: m)

Fig. 1 Profile of geological conditions of shield receiving end (m)

1.2 接收方案設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)盾構(gòu)接收方案為端頭采用旋噴樁加固+內(nèi)注漿加固，進(jìn)行盾構(gòu)接收工作。由于該處位于長(zhǎng)沙商業(yè)步行街中心商業(yè)區(qū)，周邊高層構(gòu)建筑物密集，人流量極大，圍擋困難，地下管線數(shù)量極多，管線遷移工作繁重困難；同時(shí)，接收端地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水極為豐富，且上部為砂卵石地層，具有強(qiáng)滲透性，地下水隨湘江水系產(chǎn)生季節(jié)性流動(dòng)，流速達(dá)到20 m/d，漿液難以凝聚，注漿效果難以保證。

因此，施工時(shí)改用玻璃纖維筋地連墻[7-8]結(jié)合鋼套筒接收方案，即在洞門外增設(shè)一道0.8 m厚玻璃纖維筋地連墻，代替原有端頭加固，同時(shí)，在盾構(gòu)接收時(shí)不需切割玻璃纖維筋地連墻內(nèi)纖維筋，防止?jié)B漏水。在車站基坑內(nèi)架設(shè)鋼套筒后，破除車站洞門處地連墻，盾構(gòu)掘進(jìn)至鋼套筒，盾構(gòu)安全出洞(見圖2)。該方案能夠在不進(jìn)行端頭加固的情況下保證盾構(gòu)安全接收。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)接收方案示意圖(單位： m)

2 鋼套筒設(shè)計(jì)

2.1 鋼套筒接收原理

鋼套筒是一個(gè)比盾構(gòu)筒體略長(zhǎng)、直徑比盾構(gòu)筒體略大的密閉鋼筒狀結(jié)構(gòu)，其主要由過渡環(huán)、筒體、后端蓋板以及支撐系統(tǒng)組成。通過分塊制作、現(xiàn)場(chǎng)組裝形成一個(gè)整體后，與洞門環(huán)板密閉連接，在筒中填充砂和水并補(bǔ)充一定壓力，從而模擬盾構(gòu)在原始地層中掘進(jìn)，使盾構(gòu)直接采取掘進(jìn)模式切削、破除洞門進(jìn)入鋼套筒，保證盾構(gòu)在平衡狀態(tài)下到達(dá)和通過洞門。在盾構(gòu)盾體完全進(jìn)入套筒后，通過在洞門管片處注入雙液漿和聚氨酯等材料封堵洞門，從而有效防止涌水、涌砂等現(xiàn)象的發(fā)生，消除盾構(gòu)出洞的施工安全隱患，最終保證盾構(gòu)順利出洞。

2.2 鋼套筒主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃興廣場(chǎng)站接收端采用的鋼套筒筒體總長(zhǎng)9 600 mm，內(nèi)徑6 500 mm，外徑6 840 mm，共分成3段，每段3 200 mm，每段又分為上下2個(gè)半圓。主體部分采用鋼板卷制而成?？紤]到盾構(gòu)到達(dá)時(shí)土艙壓力為0.15～0.2 MPa，鋼套筒設(shè)計(jì)耐壓0.5 Mpa，鋼板選擇Q235B，板厚16 mm。每段筒體的外周焊接縱、環(huán)向筋板以保證筒體剛度，縱向筋板與環(huán)向筋板分隔形成塊狀。每段筒體的端頭和上下2個(gè)半圓接合面均焊接圓法蘭，筒體縱向及上下均采用法蘭及高強(qiáng)度螺栓連接緊固。每節(jié)鋼套筒分別于頂部設(shè)置1個(gè)直徑600 mm的加料口，底部設(shè)置3個(gè)φ10 cm的排漿管，2組頂推托輪組(見圖3)。

圖3 鋼套筒現(xiàn)場(chǎng)拼裝圖

2.3 鋼套筒支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼套筒支撐系統(tǒng)由底部鋼架支撐、反力架以及橫向鋼撐組成。各支撐組合保證盾構(gòu)在掘進(jìn)至鋼套筒時(shí)，鋼套筒各構(gòu)件基本無變位或變位很小。

2.3.1 底部鋼架支撐

底部鋼架支撐設(shè)置于鋼套筒底部，分3塊制作，均與筒體底部焊接固定形成一體。焊接時(shí)托架板先與筒體焊接，再焊接橫向筋板、底板和工字鋼。當(dāng)托架組裝完成后，將工字鋼底邊與車站底板預(yù)埋件焊接，托架需用型鋼與車站側(cè)墻頂緊。

2.3.2 反力架

反力架是給鋼套筒整體提供反力，保證鋼套筒在盾構(gòu)進(jìn)入時(shí)頂推力作用下不發(fā)生縱向變位的裝置。反力架緊貼后蓋板安裝，呈“井”字型結(jié)構(gòu)，框架采用56#工字鋼制作。反力架與后蓋板相鄰一側(cè)設(shè)置加力頂桿，頂桿與頂桿撐托配套加工制作，主要用于防止頂桿推進(jìn)過程中出現(xiàn)受力不均勻情況(見圖4)。反力架與車站內(nèi)結(jié)構(gòu)之間焊接固定，并用φ529 mm鋼管支撐。鋼管支撐焊接在車站預(yù)埋的鋼板或植筋鋼板上，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的反向力通過鋼支撐傳遞至主體結(jié)構(gòu)的底板和側(cè)墻上。

圖4 反力架與后端蓋板的關(guān)系圖

2.3.3 橫向鋼撐

鋼套筒橫向支撐是設(shè)置在鋼套筒托架四周，保證鋼套筒在水平向不發(fā)生偏移的頂推構(gòu)件。橫向鋼撐采用φ10 cm鋼管分2排布設(shè)在托架兩端，支撐縱向間距1.5 m。為保證側(cè)墻具有足夠剛度，在車站側(cè)墻需埋設(shè)鋼板，埋設(shè)高度為500 mm(見圖5和圖6)。

3 施工過程及效果

3.1 玻璃纖維筋地連墻的施工

為保證施工安全，盾構(gòu)到達(dá)前對(duì)端頭地層采用玻璃纖維筋地連墻施作處理(見圖7)。玻璃纖維筋在縱向具有高抗拉強(qiáng)度，而在橫向很容易被盾構(gòu)或其他挖掘機(jī)械磨碎，這種獨(dú)特的各向異性高強(qiáng)材料極大地優(yōu)化了隧道施工中的盾構(gòu)挖掘過程[9]。隨后鑿除洞門處鋼筋混凝土，安裝已加工完成且經(jīng)驗(yàn)收合格的盾構(gòu)接收鋼套筒，為盾構(gòu)到達(dá)出洞施工創(chuàng)造符合條件的外部作業(yè)環(huán)境。

圖5 鋼套筒支撐安裝平面圖

圖6 鋼套筒支撐安裝縱向圖

圖7 現(xiàn)場(chǎng)玻纖鋼筋綁扎

3.2 鋼套筒接收流程

在完成玻璃纖維筋地連墻施工后，應(yīng)進(jìn)行鋼套筒安裝?，F(xiàn)場(chǎng)安裝順序： 安裝過渡環(huán)—安裝鋼套筒下半圓和反力架—安裝鋼套筒上半圓—預(yù)加反力—鋼套筒填充—鋼套筒壓力測(cè)試。填充過程中鋼套筒內(nèi)填充盾構(gòu)掘進(jìn)出來的渣土。在完成鋼套筒安裝后，為保證盾構(gòu)順利進(jìn)洞，必須準(zhǔn)確控制管片姿態(tài)及盾構(gòu)進(jìn)洞姿態(tài)，將盾構(gòu)偏差控制在20 mm內(nèi)，以確保盾構(gòu)能順利進(jìn)入鋼套筒。接收時(shí)糾偏幅度應(yīng)按照“少量多次”的糾偏原則，每環(huán)糾偏量不大于3 mm，避免盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生突變[10]。盾構(gòu)鋼套筒接收流程見圖8。

圖8 鋼套筒接收流程圖

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接收效果

現(xiàn)場(chǎng)于2015年4月18日完成鋼套筒安裝，隨后進(jìn)行盾構(gòu)接收工作。在盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒后，進(jìn)行盾尾補(bǔ)充注漿，再排空鋼套筒中剩余泥漿，打開加料孔，最后拆除鋼套筒上半部，吊出盾構(gòu)。2015年4月21日順利完成盾構(gòu)接收全部工作，現(xiàn)場(chǎng)無結(jié)構(gòu)大變位以及涌水涌泥現(xiàn)象，接收工作順利完成(見圖9)。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)順利接收

4 結(jié)論與建議

長(zhǎng)沙地鐵一號(hào)線黃興廣場(chǎng)站盾構(gòu)接收在長(zhǎng)沙首次采用無加固鋼套筒盾構(gòu)接收技術(shù)，順利完成富水砂卵石條件下盾構(gòu)接收工作，施工效果良好，無大變形及涌水涌泥現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)成功解決了特殊條件無加固情況下如何安全、順利接收盾構(gòu)的難題，有效規(guī)避了出洞過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

該工程在盾構(gòu)接收端取消地層加固，而改為在車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)外增設(shè)玻璃纖維筋地連墻，以減少施工中的地層加固工程量和洞門鑿除工作，同時(shí)施工質(zhì)量相較于地層加固更有保障，建議后續(xù)工程可做類似考慮。

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Steel Sleeve Receiving Technology for EPB Shield Boring in Water-rich Sandy-cobble Strata

XIAO Heng1, HU Rong1, LIANG Xinquan1, JIANG Lingxiang2, YANG Shipeng3

(1.ChangshaMetroGroupCo.,Ltd.,Changsha410075,Hunan,China; 2.HunanNo.6EngineeringCo.,Ltd.,Changsha410015,Hunan,China; 3.ChinaRailway16thBureauGroupCo.,Ltd.,Beijing100018,China)

The receiving of earth pressure balance (EPB) shield is the key to shield tunneling with high risk. It is very important to study the shield receiving without consolidation of receiving end in water-rich sandy-cobble strata. The shield receiving technologies, fiberglass steel underground diaphragm + steel sleeve, for EPB shield boring in water-rich sandy-cobble strata of Huangxing Square Station on Changsha Metro Line No. 1 without receiving end consolidation are analyzed. The results can proviole reference for similar projects in the future.

water-rich sandy-cobble strata; earth pressure balance (EPB) shield; steel sleeve; non-consolidation; shield receiving

2016-04-07;

2016-05-24

肖衡(1982—)，男，湖南郴州人，2009年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，地下工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事地鐵、隧道及地下工程施工管理工作。E-mail： 596971290@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.015

U 45

B

1672-741X(2017)01-0093-04