鋼套筒在地鐵隧道盾構(gòu)接收中的應(yīng)用

張中安

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,廣東深圳　518000)

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鋼套筒在地鐵隧道盾構(gòu)接收中的應(yīng)用

張中安

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,廣東深圳518000)

摘要：對盾構(gòu)接收端的主要加固措施進(jìn)行比較,介紹地面加固措施無法施工條件下,深圳地鐵某盾構(gòu)隧道順利采用鋼套筒接收的案例,得出鋼套筒接收工藝是一種可減少地面加固措施的洞內(nèi)接收工藝,具有安全、適應(yīng)性強(qiáng)、工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)隧道；鋼套筒；盾構(gòu)接收；端頭加固

1概述

盾構(gòu)接收在盾構(gòu)隧道施工中屬于高風(fēng)險(xiǎn)事件，特別在軟弱地層和富水地層中，在盾構(gòu)機(jī)破洞后易造成開挖面失穩(wěn)而發(fā)生土體坍塌和涌水的事故[1-5]。目前在軟弱地層和富水地層中常用的端頭加固措施主要是地面措施，如地面旋噴樁加固、地面降水、采用U形索墻+攪拌樁加固等措施[6-7]。

對于地面管線復(fù)雜、交通疏解困難、周邊建構(gòu)筑物影響而無法采取地面加固措施，或?qū)τ谠谳^厚填石層等地區(qū)，地面施工困難，加固效果欠佳，此時只能采用洞內(nèi)加固措施?，F(xiàn)主要的洞內(nèi)加固措施有：水平旋噴樁加固[8]，鉆注一體化水平注漿加固[9]，凍結(jié)法加固[10]等。以上洞內(nèi)措施均存在提前鉆孔施工的工況，鉆孔過程可能出現(xiàn)涌水和塌孔。以上洞內(nèi)措施對于不適合的地層加固效果難保證。洞內(nèi)加固措施相對地面措施還存在加固費(fèi)用高、工期較長等劣勢。

為克服上述加固措施的缺點(diǎn)，采用最近幾年發(fā)展起來的鋼套筒接收工藝[11-12]，鋼套筒具有施工安全、工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，成為保證盾構(gòu)安全接收的有效措施。

2鋼套筒接收工藝和常規(guī)接收工藝對比

表1為鋼套筒接收工藝和常規(guī)接收工藝的對比，從表中可以看出，鋼套筒接收具有受地層、外界條件影響小，不占用地面場地，施工工期短，可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。

表1　各種盾構(gòu)接收工藝對比

3上軟下硬地層中盾構(gòu)機(jī)鋼套筒接收的應(yīng)用

隨著地鐵建設(shè)周邊邊界條件越來越復(fù)雜，替代傳統(tǒng)端頭加固方法的鋼套筒接收工藝最近幾年已在國內(nèi)開始應(yīng)用，深圳地鐵三期7、9號線建設(shè)在個別工點(diǎn)也開始嘗試采用鋼套筒接收盾構(gòu)。根據(jù)深圳地鐵的應(yīng)用情況，鋼套筒接收工藝在軟弱地層中能起到保證施工安全的作用。

以深圳地鐵三期某盾構(gòu)隧道接收為例，介紹鋼套筒接收成功的案例，為后續(xù)工程提供借鑒。

3.1　接收端工程概況

本區(qū)間盾構(gòu)接收端隧道埋深約16.5 m，所處地層自上至下依次為素填土，粉質(zhì)黏土，粗砂，礫質(zhì)黏性土，全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖，盾構(gòu)隧道處于強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖的上軟下硬地層中。

接收端位于十字路口西側(cè)，隧道上方橫跨一根埋深約8 m的8.6 m×4 m的雨水箱涵，且上方存在較大給水管、DN200燃?xì)夤芎屯ㄐ烹娏芫€。

根據(jù)隧道所處地層，盾構(gòu)出洞位置處于上軟下硬地層，且上部存在較厚含水砂層，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中保壓困難，掘進(jìn)參數(shù)較難控制，出洞風(fēng)險(xiǎn)非常大；而由于地面管線、交通等影響，無法進(jìn)行地面加固措施。

3.2　洞內(nèi)加固措施選擇

鑒于該接收部位不具備采取地面加固措施的條件，考慮采用洞內(nèi)加固措施。

對于上軟下硬地層，水平旋噴樁加固、水平注漿加固無法保證隧道安全進(jìn)洞；凍結(jié)法加固需要視土體的含水量多少、水量流速大小確定是否能成功凍結(jié)，且凍結(jié)法費(fèi)用高，工期長，并非很好的加固方案。盾構(gòu)在上軟下硬地層姿態(tài)控制比較困難，土壓平衡難建立，上面的軟土容易造成超挖，導(dǎo)致地面嚴(yán)重沉降。為避免地面沉降超限致使雨水箱涵破裂漏水，保證盾構(gòu)進(jìn)洞期間壓力穩(wěn)定，并保證盾構(gòu)破洞過程中洞門圈梁絕對封閉，確定采用接收鋼套筒工藝。

4接收鋼套筒工藝(圖1～圖3)

4.1　設(shè)計(jì)原理

采用鋼套筒接收盾構(gòu)機(jī)的主要設(shè)計(jì)原理是在盾構(gòu)井內(nèi)施做一能完全包住盾構(gòu)機(jī)機(jī)身的鋼套筒結(jié)構(gòu)，在鋼套筒內(nèi)模擬出隧道正常開挖的土層壓力條件，在盾構(gòu)破洞門過程中建立起正常掘進(jìn)的壓力，并把洞門環(huán)與鋼套筒密閉連接，防止出洞過程中水土涌入盾構(gòu)井，保證盾構(gòu)接收的安全。

4.2　鋼套筒結(jié)構(gòu)

圖1　鋼套筒接收整體示意

圖2　鋼套筒立面(單位：mm)

圖3　鋼套筒現(xiàn)場

接收鋼套筒是一端開口的桶狀鋼結(jié)構(gòu)，整個鋼套筒結(jié)構(gòu)分為筒體、后端蓋、反力架和加固支撐組成。

(1)筒體

筒體為整個工藝最主要部分，其長度取刀盤到盾尾的長度，對于外徑6 300 mm的盾構(gòu)機(jī)，本區(qū)間采用長9 900 mm，內(nèi)徑6 500 mm的筒體。鋼套筒筒體分為前、中、后三段，每段3 300 mm，每段又分為上下兩半圓。筒體外周均勻焊接縱、環(huán)向鋼肋板，以保證筒體剛度。上下兩半圓、兩段筒體之間均采用螺栓連接，中間加橡膠墊，保證連接部位的密封性。筒體底部制作鋼托架，鋼托架與上部筒體焊接連接。托架組裝完后，其底部與車站底板預(yù)埋件焊接，托架須與車站側(cè)墻頂緊。

鋼套筒按能承受接收端2倍土壓力設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算本區(qū)間選擇Q235B、厚16 mm的鋼板。

(2)后端蓋

后端蓋由冠球蓋和平面環(huán)板組成。冠球蓋鋼板整體沖壓成形，平面環(huán)板與冠球蓋外緣焊接成整體。平面環(huán)板與筒體通過螺栓連接，連接部位中間加橡膠板，以保證氣密性。

(3)反力架

反力架由型鋼焊接成型，緊貼后蓋平面板安裝，冠球蓋部分不與反力架接觸。反力架應(yīng)與后部車站有可靠連接或頂緊，接收前應(yīng)先進(jìn)行預(yù)壓，沒問題后才能正式接收。

(4)筒體與洞門的連接

除了筒體本身的氣密性是控制接受成敗的關(guān)鍵因素，筒體與洞門連接的氣密性也是關(guān)鍵因素之一。設(shè)計(jì)鋼套筒與洞門不直接連接，而是通過中間一過渡連接板連接，過渡連接板與洞門環(huán)板采用燒焊連接，與鋼套筒通過法蘭端采用螺栓連接。

4.3　盾構(gòu)接收流程(圖4)

在確定采用鋼套筒工藝后，首先應(yīng)根據(jù)采用的盾構(gòu)機(jī)型號設(shè)計(jì)合適尺寸的鋼套筒，鋼套筒出廠前應(yīng)進(jìn)行試拼裝，并檢查其氣密性。

在盾構(gòu)到達(dá)前，于豎井內(nèi)組裝鋼套筒，鋼套筒定位應(yīng)滿足精度要求，保證隧道中心線和筒體中心線重合。鋼套筒組裝完畢后向筒內(nèi)填砂、加水和封閉鋼套筒，期間注意鋼套筒和洞門的連接。檢查鋼套筒的氣密性，合格后才能進(jìn)行接收，否則應(yīng)對漏氣點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)處理。

盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入鋼套筒后，應(yīng)對盾尾后5環(huán)管片進(jìn)行二次注漿，直至確保隔斷端頭與鋼套筒的水力聯(lián)系后，排空鋼套筒內(nèi)泥漿，打開加料孔試水，最后拆解鋼套筒吊出盾構(gòu)機(jī)。

圖4　盾構(gòu)機(jī)到達(dá)施工流程

5接收關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)成功的接收主要取決于鋼套筒本身的質(zhì)量、定位和盾構(gòu)到達(dá)的掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)等。

5.1　鋼套筒的安裝定位

由于鋼套筒內(nèi)徑比盾構(gòu)刀盤直徑僅大200 mm，故鋼套筒定位須嚴(yán)格控制底部高程和中心線位置，確保筒體中心線與隧道中心線重合。

5.2　鋼套筒的氣密性

鋼套筒的氣密性關(guān)系到盾構(gòu)接收穩(wěn)壓及接收過程盾構(gòu)井內(nèi)的安全。鋼套筒組裝完成后，應(yīng)在筒體內(nèi)加氣檢查其密封性，若密封性不達(dá)標(biāo)，應(yīng)找出泄氣部位，對其進(jìn)行修復(fù)。鋼套筒能承受的壓力可按2倍土壓力計(jì)算，在加氣12 h內(nèi)，氣壓保持在90%內(nèi)即為合格。

5.3　盾構(gòu)機(jī)到達(dá)掘進(jìn)控制

(1)到達(dá)前檢查盾構(gòu)機(jī)，調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)

盾構(gòu)到達(dá)前，應(yīng)選擇合適位置對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢查，對刀具進(jìn)行更換，使盾構(gòu)機(jī)處于最佳狀態(tài)。到達(dá)前30環(huán)對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核，確保盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)進(jìn)洞。

(2)碰壁前調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制土倉壓力和出土量，保持開挖面穩(wěn)定。碰壁前推進(jìn)速度減小到5 mm/min以下，推力減小到10 000 kN以下，刀盤轉(zhuǎn)速減小到2 rad/min以下。為避免盾構(gòu)進(jìn)洞出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象刀盤旋轉(zhuǎn)刮到鋼套筒，出洞時盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭應(yīng)略呈抬頭姿勢。盾構(gòu)到達(dá)地連墻時，停機(jī)向刀盤前注入聚氨酯，填充盾體與地連墻間空隙，防止破洞后地下水進(jìn)入刀盤前方。

5.4　盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒后注漿及觀察

盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒后，為阻止盾尾后方水進(jìn)入盾構(gòu)前方，應(yīng)在盾尾后5環(huán)管片處開始二次注漿，形成注漿封堵環(huán)。盾構(gòu)進(jìn)入筒體過程中，刀盤應(yīng)停止轉(zhuǎn)動，并密切觀察鋼套筒頂部情況，一旦發(fā)現(xiàn)變形超限或有滲漏情況，須立即停止掘進(jìn)采取補(bǔ)救措施。

6結(jié)語

本工點(diǎn)在未采取其他加固措施的前提下，直接采用鋼套筒接收工藝，成功于上軟下硬地層中安全接收盾構(gòu)機(jī)。

從最近幾年鋼套筒接收的成功案例看出，采用該工藝不受地面條件、地層條件的影響，能節(jié)省洞外加固措施費(fèi)用。雖然鋼套筒制作精度較高，單個鋼套筒的制作費(fèi)用高，但其具有可循環(huán)利用的優(yōu)勢且安全性好，隨著該工藝的成熟，其造價也會逐漸降低，鋼套筒接收工藝具有較好的推廣前景。

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Application of Steel Sleeve in Metro Shield Tunnel ReceptionZHANG Zhong-an

(Group Shenzhen Metro Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

Abstract：This paper compares the main reinforcement measures for shield reception and introduces a Shenzhen subway shield tunnel received successfully with steel sleeve under the conditions that the ground reinforcement measures can not be implemented. Steel sleeve is a kind of receiving process in the tunnel to reduce the ground reinforcement and characterized by safety, strong adaptability, short construction duration and can be reused.

Key words：Metro; Shield tunnel; Steel sleeve; Shield reception; Shield end reinforcement

中圖分類號：U451

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.023

文章編號：1004-2954(2016)02-0110-03

作者簡介：張中安(1968—)，男，高級工程師，1991年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：309851057@qq.com。

收稿日期：2015-08-17； 修回日期：2015-09-11