孟加拉卡納普里河水下隧道大直徑泥水盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

何 源, 楊 釗, 楊 擎, 鐘 涵, 3, 4,*, 吳詩琦

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司， 湖北 武漢 430040；2. 中交第二航務(wù)工程局第三工程有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212021；3. 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心， 湖北 武漢 430040；4. 長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430040)

0 引言

大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)過程中，遇到近海大潮差，富水粉細(xì)砂地層，最主要的施工災(zāi)害是洞門涌水、涌砂，危險(xiǎn)性極高，破壞力巨大，如何有效減小大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)突涌問題至關(guān)重要。目前常規(guī)的始發(fā)技術(shù)有旋噴樁地基加固技術(shù)[1]、垂直凍結(jié)技術(shù)[2]、降水井降水技術(shù)[3]和鋼套筒始發(fā)技術(shù)[4-5]等，但在富水砂性地層中，地層加固、凍結(jié)和降水難以做到完全阻止地下水，并且施工周期長、費(fèi)用高。

為解決常規(guī)始發(fā)技術(shù)工期長、費(fèi)用高、安全系數(shù)低和不可重復(fù)利用的缺點(diǎn)，國內(nèi)許多盾構(gòu)隧道項(xiàng)目采用鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)。通過鋼套筒這個(gè)密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力，與隧道土體形成一個(gè)統(tǒng)一體，規(guī)避了洞門噴沙涌水的風(fēng)險(xiǎn)[6-8]。伍偉林等[9]采用類比分析、仿真計(jì)算和工程試驗(yàn)等手段對(duì)6 m直徑鋼套筒的剛度、密閉性、保壓性進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證鋼套筒密閉性能良好； 徐會(huì)斌等[10]依托北京某地鐵盾構(gòu)工程，對(duì)全套筒密閉始發(fā)技術(shù)進(jìn)行研究，說明了鋼套筒密閉始發(fā)代替端頭加固和降水處理的可能性； 廖先江[11]以深圳地鐵9號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間為例，系統(tǒng)闡述鋼套筒始發(fā)技術(shù)特點(diǎn)、工作原理、操作流程、控制重難點(diǎn)等，為后續(xù)盾構(gòu)法隧道采用鋼套筒始發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

上述鋼套筒始發(fā)技術(shù)應(yīng)用在地鐵盾構(gòu)工程中，均為小直徑盾構(gòu)隧道鋼套筒技術(shù)應(yīng)用[12-14]。在大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道施工中，鋼套筒始發(fā)尚未有工程案例，孟加拉卡納普里河水下隧道采用內(nèi)徑12.42 m的大直徑鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)，在泥水盾構(gòu)施工中是首例。大直徑盾構(gòu)利用鋼套筒在富水粉細(xì)砂地層中的順利始發(fā)，豐富了始發(fā)施工技術(shù)措施，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼套筒在始發(fā)施工中的安全性，為類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

孟加拉吉大港卡納普里河水下隧道項(xiàng)目位于孟加拉國吉大港市郊區(qū)卡納普里河入?？谖恢?，連接卡納普里河?xùn)|西兩岸。西岸工作井結(jié)構(gòu)形式為地下矩形空間箱形結(jié)構(gòu)，平面尺寸為46.7 m×23.0 m，開挖深度21.7 m，始發(fā)段無重大建構(gòu)筑物或地下管線。盾構(gòu)段右線長度為2 450 m，左線長度為2 442.5 m，左線隧道盾構(gòu)段平面線形依次為直線、左偏R-4 000 m圓曲線、直線、左偏R-2 550 m及直線，盾構(gòu)始發(fā)處位于直線段；左線隧道縱斷面以4%的縱坡下行。盾構(gòu)隧道采用開挖直徑12.16 m的氣墊式泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工，盾構(gòu)管片外徑11.8 m，內(nèi)徑10.8 m，環(huán)寬2 m，壁厚0.5 m，采用5+2+1錯(cuò)縫拼裝通用楔形環(huán)。西岸盾構(gòu)始發(fā)段所處地層從上至下有①稍密雜填土(Q4me)、③1可塑局部軟塑粉質(zhì)黏土(Q4al)、③2松散至稍密粉砂(Q4al)、③3流塑局部軟塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4al)、③4稍密粉砂(Q4al)、③5流塑局部軟塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4al)、③6中密粉砂(Q4al)、③7軟塑粉質(zhì)黏土(Q4al)，即砂層與黏性土層互層，以砂層為主。隧道所處地層存在松散巖類孔隙潛水和松散巖類孔隙承壓水，承壓水主要分布于表層黏性土層下的砂土層中，補(bǔ)給以卡納普里河水及海水補(bǔ)給為主。由于卡納普里河的切割地層作用，砂土層透水性較好，河水與地下含水層的水力聯(lián)系較好，海水對(duì)地下承壓水補(bǔ)給顯著。西岸始發(fā)地層地下水位在地面以下2.5 m，西岸左線始發(fā)突涌風(fēng)險(xiǎn)極大，地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

旋噴樁加固和降水無法完全切斷水源，凍結(jié)技術(shù)時(shí)間周期長，鋼套筒始發(fā)可以形成密閉空間，施工周期短，彌補(bǔ)了常規(guī)始發(fā)技術(shù)的不足，因此采用大直徑鋼套筒始發(fā)。

2 始發(fā)流程

盾構(gòu)套筒始發(fā)掘進(jìn)施工內(nèi)容包括套筒輔助施工時(shí)工作井端頭加固設(shè)計(jì)優(yōu)化，盾構(gòu)套筒、反力架的設(shè)計(jì)及安裝，盾構(gòu)組裝與套筒安裝的關(guān)系，洞門鑿除等其他輔助施工，盾構(gòu)-7環(huán)～+80環(huán)掘進(jìn)全過程。

盾構(gòu)套筒始發(fā)工藝流程如圖2所示。

3 始發(fā)端頭井加固

隧道左線始發(fā)工作井位于卡納普里河入?？?，距離海濱最短距離僅200 m，地質(zhì)情況較差，地下水豐富，盾構(gòu)始發(fā)前需對(duì)始發(fā)井端頭土體進(jìn)行加固，采用三重管旋噴樁加固地層，加固范圍長度為15 m，寬度超過盾構(gòu)隧道兩側(cè)各5 m，深度為23.5 m，超過隧道底部3 m。

鉆孔測得地下水位多在鉆孔孔口標(biāo)高下1.0～4.0 m，地下水位與卡納普里河平均水位標(biāo)高比較接近。垂直加固后，在洞門兩側(cè)加固體中施工降水井，在進(jìn)行洞門鑿除(玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu))工作前，對(duì)始發(fā)工作井進(jìn)行降水處理。

三重管旋噴樁加固和降水井布置如圖3所示。

4 鋼套筒及反力架設(shè)計(jì)與安裝

4.1 鋼套筒設(shè)計(jì)

超大直徑密閉鋼套筒包括延長鋼環(huán)、鋼套筒筒體(與盾體配套，一般分9塊設(shè)置)、平板式封頭、卸料口、進(jìn)氣口、泄壓口、人行門及輔助固定裝置組成。鋼套筒筒體部分長14.40 m，直徑(內(nèi)徑)12.42 m，后端蓋厚0.60 m，楔形延長鋼環(huán)中心長1.20 m。鋼套筒外徑12.86 m，盾構(gòu)與套筒單側(cè)間隙為150 mm。套筒分解設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖1 西岸工作井工程地質(zhì)斷面圖(單位： mm)

Fig. 1 Engineering geological cross-section of west bank working shaft (unit: mm)

圖2 盾構(gòu)套筒始發(fā)施工工藝流程圖

4.2 反力架設(shè)計(jì)

反力架采用強(qiáng)度為Q235B的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且便于安拆以重復(fù)利用。反力架包括兩側(cè)立柱、橫向鋼梁和4處斜向鋼梁組成，反力架鋼梁設(shè)置18根φ610 mm圓管背撐與工作井相鄰明挖暗埋段結(jié)構(gòu)預(yù)埋鋼板連接，提供原始推進(jìn)反力。反力架與鋼套筒端蓋圓環(huán)間采用現(xiàn)場加工楔塊根據(jù)支撐位置進(jìn)行支墊。反力架支撐體系與套筒協(xié)同設(shè)計(jì)，反力架與密閉鋼套筒端蓋圓環(huán)連接為盾構(gòu)始發(fā)提供反力。反力架及其支撐體系如圖5所示。

圖3 三重管旋噴樁加固和降水井布置圖(單位： mm)

Fig. 3 Plan layout of end soil strengthening of launching shaft (unit: mm)

圖4 套筒分解設(shè)計(jì)示意圖

4.3 鋼套筒防扭計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求及施工現(xiàn)場情況，針對(duì)盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)始發(fā)的要求，利用ABAQUS軟件模擬分析鋼套筒受力和變形狀態(tài)，為現(xiàn)場施工和自動(dòng)化監(jiān)測提供依據(jù)。

圖5 反力架支撐體系(單位： mm)

受力分析和邊界條件： 盾構(gòu)和鋼套筒的自身質(zhì)量為1 400 t； 盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩分布在套筒底部4根鋼條上，每根鋼條的最大轉(zhuǎn)矩40 000 kN·m。約束底部的法向位移以及三角撐處水平位移； 土體與盾構(gòu)及鋼套筒采用硬接觸，摩擦因數(shù)取0.35。計(jì)算和受力模型如圖6所示。經(jīng)過數(shù)值模擬分析后，鋼套筒應(yīng)力和位移云圖如圖7所示。

(a) 鋼套筒模型 (b)受力模型

經(jīng)過工況分析和數(shù)值模擬，鋼套筒總體應(yīng)力最大位置在套筒兩腰外側(cè)鋼條位置，最大應(yīng)力16.6 MPa； 鋼套筒總體位移最大的位置在套筒上部，最大位移為0.52 mm，由頂部向底部位移逐漸減小，最大水平位移為0.02 mm，最大豎向位移0.51 mm，滿足鋼套筒始發(fā)安全要求。

4.4 鋼套筒及反力架安裝

安裝鋼套筒和反力架前提是測量放樣，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，測量放樣出底座相對(duì)位置，確保鋼套筒位置準(zhǔn)確。測量放樣后，安裝調(diào)坡支墩，卡納普里河水下隧道是在4%的大坡度下始發(fā)，通過調(diào)坡支墩精確調(diào)節(jié)始發(fā)坡度，再安裝鋼套筒一體化托架，套筒分塊的安裝，最后通過鋼套筒拼裝位置確定反力架的傾斜度和位置。反力架與地下連續(xù)墻之間通過18根鋼管撐連接，為整個(gè)盾構(gòu)始發(fā)提供推進(jìn)反力。

(a) 應(yīng)力云圖(單位： Pa)

(b) 位移云圖(單位： m)

鋼套筒及反力架安裝過程中，最重要的是裝配體之間的連接、套筒的保壓、密封和反力架的傳力。鋼套筒除基座外，共有9塊扇塊，扇塊拼接采用8.8級(jí)的M30高強(qiáng)螺栓，每個(gè)扇塊拼裝過程中必須加墊橡膠密封墊作為密封裝置。鋼套筒安裝最主要的一道密封是延長鋼環(huán)與洞門預(yù)埋鋼環(huán)之間的焊接密封。組裝完鋼套筒后，需對(duì)其進(jìn)行水壓力檢測，鋼套筒理論耐壓可達(dá)2倍切口水壓，實(shí)際壓力測試滿足設(shè)計(jì)要求。為防止套筒與反力架之間剛性接觸，出現(xiàn)應(yīng)力集中，鋼套筒端蓋圓環(huán)在反力架圓環(huán)連接處增設(shè)1圈(40個(gè))小型油壓千斤頂，同時(shí)也給鋼套筒和洞門提供一個(gè)預(yù)緊壓力。

為了增加鋼套筒始發(fā)的安全性，在鋼套筒受力最薄弱的地方進(jìn)行加固。洞門鋼環(huán)與延長鋼環(huán)焊縫采取加焊弧形槽鋼，縱縫處采取加焊角鋼和鋼卡板。在鋼套筒和工作井側(cè)墻之間加焊H型鋼支撐，尤其在套筒腰部及腰部以下部位，加焊支撐。

鋼套筒及反力架安裝現(xiàn)場如圖8所示。

(a) 鋼套筒扇塊安裝

(b)反力架安裝

(c)始發(fā)建倉

Fig. 8 Photos of steel sleeve and reaction frame installation and slurry chamber

5 負(fù)環(huán)拼裝、洞門鑿除與始發(fā)建壓

5.1 -7環(huán)拼裝

鋼套筒、盾構(gòu)和管片密閉空間如圖9所示。拼裝-7環(huán)之前，需施作-7環(huán)限位板，與推進(jìn)油缸對(duì)應(yīng)，用于-7環(huán)拼裝定位； 盾尾內(nèi)-7環(huán)底部范圍焊接墊塊，使下部有足夠的盾尾間隙推進(jìn)至尾刷。采取錯(cuò)縫拼裝方式拼裝-6環(huán)，-6環(huán)管片拼裝完成后，將2環(huán)管片一同推出盾尾，與鋼套筒后端蓋貼緊，負(fù)環(huán)管片與鋼套筒后端蓋密封形式如圖9(a)所示。盾構(gòu)空推至刀盤接觸掌子面，使鋼套筒、盾構(gòu)與開挖面形成密閉空間，為始發(fā)建倉做準(zhǔn)備，-7環(huán)、-6環(huán)拼裝完成現(xiàn)場如圖9(b)所示。負(fù)環(huán)管片在常規(guī)管片基礎(chǔ)上，內(nèi)弧面增加了10塊預(yù)埋鋼板，每環(huán)管片拼裝完成后，采用槽鋼將管片內(nèi)部環(huán)與環(huán)、塊與塊之間預(yù)埋剛板焊接，增強(qiáng)負(fù)環(huán)整體性。

(a) 負(fù)環(huán)管片與鋼套筒后端蓋密封形式

(b) -7、-6環(huán)管片成型

5.2 洞門鑿除

拼裝-7環(huán)、-6環(huán)管片后，檢查套筒密閉性，開始洞門鑿除施工，洞門圈內(nèi)地下連續(xù)墻厚度1 m，一次鑿除60 cm厚玻璃纖維筋地下連續(xù)墻，不間斷從上至下、由兩邊向中間分區(qū)進(jìn)行定位鑿除，不得超限。為方便運(yùn)渣，在套筒左下側(cè)開啟1個(gè)1.6 m×1 m的通道。洞門鑿除后，2 d內(nèi)完成平臺(tái)拆除和清碴工作，保證盾構(gòu)及時(shí)頂推至掌子面。洞門鑿除范圍及刀盤與洞門位置關(guān)系如圖10所示。

5.3 始發(fā)泥水建壓

當(dāng)?shù)侗P抵至掌子面后，留出空間拼裝-5環(huán)管片，-5環(huán)管片拼裝完成后，由鋼套筒上方尾部填料口開始人工向套筒內(nèi)填砂做以輔助； 由地面泥水管向套筒中部填料口灌注水沖砂，由理論方量控制填充實(shí)際方量。待套筒填砂完成后，密封套筒填料口，泥水站輸送泥漿至盾構(gòu)泥水倉和掌子面，建立泥水平衡，初始倉壓。始發(fā)端頭地層加固后，其上部無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于6 MPa，下部無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于2 MPa，自穩(wěn)性和防滲性良好。根據(jù)加固體土體參數(shù)和降水后的地下水位情況，計(jì)算始發(fā)理論切口壓力。

切口壓力計(jì)算依據(jù)朗肯主動(dòng)土壓力理論，由于始發(fā)地層加固后致密性好，采用水土合算公式

p=p土+p附=K0γh+p附。

(1)

式中：p為中心切口水壓值；p土為主動(dòng)土壓力(始發(fā)區(qū)域進(jìn)行土體加固和降水，結(jié)構(gòu)偏安全，采取切口壓力下限值)；p附為變動(dòng)壓力，我國傳統(tǒng)方法計(jì)算切口水壓，變動(dòng)壓力一般取20 kPa[15]，根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，始發(fā)階段切口水壓附加的p附會(huì)在20 kPa左右浮動(dòng)；h為隧道埋深；K0為主動(dòng)土壓力系數(shù)；γ為土的容重。

將地層數(shù)據(jù)和地層取芯數(shù)據(jù)代入公式，得到初始切口水壓值p=0.3×17.5×7.5+20=59.38 kPa。取切口壓力為60 kPa。

(a) 洞門鑿除范圍及順序

(b) 刀盤與洞門位置圖

Fig. 10 Tunnel door cutting area and cutterhead position (unit: mm)

6 始發(fā)掘進(jìn)

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)包括準(zhǔn)備階段、磨墻階段、盾構(gòu)掘進(jìn)階段和遠(yuǎn)離階段。每一階段的施工重點(diǎn)不同，掘進(jìn)參數(shù)的選擇也不同。始發(fā)掘進(jìn)過程中的控制要點(diǎn)如下：

1)地下連續(xù)墻中掘進(jìn)由于玻璃纖維筋混凝土地下連續(xù)墻強(qiáng)度高，導(dǎo)致始發(fā)掘進(jìn)的推力、轉(zhuǎn)矩較大，推力維持在26 000～30 000 kN； 轉(zhuǎn)矩也一度達(dá)到8 000 kN·m。采用低貫入度指標(biāo)，緩慢推進(jìn)，掘進(jìn)速度控制在1～4 mm/min。

2)穿越地下連續(xù)墻之后，盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤轉(zhuǎn)矩減小，盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在小于10 mm/min，保證刀盤對(duì)加固區(qū)土體充分切削。

3)盾構(gòu)進(jìn)入土體后，需要時(shí)刻控制泥水倉液位和泥水循環(huán)泵的流量參數(shù)。試掘進(jìn)階段，掘進(jìn)速度慢，泥漿環(huán)流差較小，一般控制在3～4 m3/min。同步注漿量控制在15～18 m3/環(huán)，出渣量控制在210～220 m3/環(huán)。

4)盾構(gòu)穿越地下連續(xù)墻和加固體的過程中，安裝了套筒和反力架變形和應(yīng)力自動(dòng)化監(jiān)測儀器，每隔10 min監(jiān)測1次套筒的變形和反力架及背撐的應(yīng)力狀態(tài)。若數(shù)據(jù)異常、超限，立刻調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，并適當(dāng)加固鋼套筒和反力架。

7 施工監(jiān)測

為保證大型鋼套筒順利始發(fā)，需要掌握鋼套筒變形和反力架受力狀態(tài)，便于調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和狀態(tài)[16-17]。利用自動(dòng)化監(jiān)測裝置監(jiān)測鋼套筒健康狀況，對(duì)鋼套筒筒身及連接處、反力架支撐進(jìn)行監(jiān)測布點(diǎn)，利用無線傳輸技術(shù)，通過數(shù)據(jù)信息采集箱將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至PC端，便于技術(shù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測始發(fā)過程中鋼套筒的健康狀況，并做出數(shù)據(jù)分析和預(yù)警。

采用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)套筒始發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測頻率10 min/次。在鋼套筒的縱縫和基座上布置28個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測套筒張開量和基座變形； 在套筒延長鋼環(huán)與預(yù)埋鋼環(huán)1周布置4個(gè)測點(diǎn)，在套筒后端蓋與反力架1周布置4個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測鋼套筒與預(yù)埋鋼環(huán)、鋼套筒與反力架之間的位移。鋼套筒監(jiān)測點(diǎn)對(duì)稱分布，采用智能數(shù)碼位移計(jì)監(jiān)測鋼套筒變形量，采用智能數(shù)碼應(yīng)力計(jì)監(jiān)測反力架應(yīng)力。鋼套筒監(jiān)測布置如圖11所示。反力架應(yīng)力監(jiān)測如圖12所示。

整個(gè)掘進(jìn)過程中，反力架受力良好，最大應(yīng)力90 MPa，受力在可控范圍內(nèi)。

圖11 鋼套筒變形監(jiān)測總圖(左右對(duì)稱)

圖12 反力架重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)布置圖

Fig. 12 Layout of deformation monitoring points on reaction frame

鋼套筒延長鋼環(huán)和洞門預(yù)埋鋼環(huán)連接處是始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大的監(jiān)測點(diǎn)，此連接一旦發(fā)生裂縫，洞門密封則失效，此截面變形重點(diǎn)監(jiān)測。盾構(gòu)準(zhǔn)備階段，鋼套筒延長鋼環(huán)與端墻連接處截面的位移穩(wěn)定，維持在1 mm以下； 磨墻階段，盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩達(dá)到8 000 kN·m，連接處截面的位移出現(xiàn)波動(dòng)，小于1 mm； 盾構(gòu)掘進(jìn)階段，轉(zhuǎn)矩減小，盾構(gòu)推力增加，連接處截面位移增加，最大維持在1.6 mm； 盾構(gòu)掘進(jìn)離開洞門1個(gè)機(jī)身(13.58 m)后，連接處截面位移減小，小于0.6 mm。鋼套筒延長鋼環(huán)與端墻連接處每日最大位移如圖13所示。

圖13 鋼套筒與端墻每日最大位移

Fig. 13 Daily maximum displacement diagram of connection between steel sleeve and end wall

對(duì)鋼套筒扇塊拼裝縫的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取鋼套筒監(jiān)測前、中、后3個(gè)環(huán)向斷面，發(fā)現(xiàn)每當(dāng)盾構(gòu)盾尾經(jīng)過套筒環(huán)向斷面時(shí)，縱縫監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)最大，最大張開量2.28 mm。即盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，同步注漿對(duì)鋼套筒內(nèi)壁的壓力影響，導(dǎo)致縱縫張開量變大。選取靠近套筒前側(cè)靠近地下連續(xù)墻的一環(huán)端面為代表，當(dāng)盾尾經(jīng)過該端面時(shí)，鋼套筒此斷面上8條縱縫張開量如圖14所示。

圖14 鋼套筒斷面縱縫張開量(前側(cè))(單位： mm)

Fig. 14 Opening amount of longitudinal joint in steel sleeve cross-section (anterolateral region) (unit: mm)

8 鋼套筒拆除

盾構(gòu)進(jìn)入土體向前掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)前進(jìn)的推力由反力架、負(fù)環(huán)管片及正環(huán)管片與地層土體摩擦力提供，隨盾構(gòu)向前掘削，正環(huán)管片與周圍土體摩擦力總力越來越大，反力架及負(fù)環(huán)管片提供的支反力越來越小。當(dāng)反力架與負(fù)環(huán)提供反力為0，盾構(gòu)前進(jìn)推力全部由正環(huán)管片與土體摩擦力提供，此時(shí)即可拆除套筒、反力架、試掘進(jìn)運(yùn)輸體系輔助設(shè)施，進(jìn)行施工體系轉(zhuǎn)換。

土體與正環(huán)管片摩擦力

F=μ·π·D·l·p。

(2)

式中：μ為管片與土體間的摩擦因數(shù)，取μ=0.3；D為管片外徑，D=11.8 m；l為盾構(gòu)試掘進(jìn)長度，取l=80環(huán)×2 m=160 m；p為作用于管片背面的平均土壓力，取p=100 kPa。

故管片提供的摩擦阻力F=0.3×3.14×11.8×160×100=177 850 kN>174 800 kN(盾構(gòu)額定最大推力)，因此盾構(gòu)掘進(jìn)80環(huán)時(shí)拆除反力架、套筒及負(fù)環(huán)管片施工安全。

在拆除鋼套筒施工過程中，需注意以下幾點(diǎn)：

1)隧道始發(fā)工作井靠近入?？?，地下水豐富，拆除鋼套筒之前采用降水井的方式降低地下水位至隧道以下。

2)通過洞門預(yù)埋鋼環(huán)預(yù)留的注漿孔以及0～+5環(huán)管片上預(yù)留的二次注漿孔進(jìn)行注漿，注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。注漿完成后，打開預(yù)留注漿孔，觀察出水量，如果水量較大，則需繼續(xù)注漿，直至注漿孔無水流出時(shí)停止，表明洞門封堵完成，為下一步鋼套筒和負(fù)環(huán)管片拆除提供條件。

3)拆除鋼套筒的關(guān)鍵步驟是割除鋼套筒與洞門預(yù)埋鋼環(huán)的焊接鋼環(huán)，采用分段割除的方式，割除一塊及時(shí)用提前制作的弧形鋼板把洞門鋼環(huán)與管片外弧面的鋼板焊接，形成擋水封閉空間，直至全部割除。

4)拆除鋼套筒期間，盾構(gòu)掘進(jìn)工作停止，需做好泥水站泥漿指標(biāo)管理和盾構(gòu)停機(jī)管理工作。盾構(gòu)拆除套筒及支撐體系前，泥水站提前制備新漿，逐步調(diào)整循環(huán)管路泥漿，泥漿指標(biāo)調(diào)整范圍： 體積質(zhì)量1.1～1.25 kg/cm3，黏度20～24 s，砂率≤5%，其中黏度為主控指標(biāo)。確保停機(jī)期間循環(huán)足夠數(shù)量的高指標(biāo)泥漿。

9 結(jié)論與討論

1)鋼套筒始發(fā)代替常規(guī)簾布橡膠洞門密封裝置，變局部密封為整體密封，最大限度地降低了洞門涌砂涌水的可能性，確保了盾構(gòu)始發(fā)安全。

2)泥水盾構(gòu)采用鋼套筒始發(fā)，將施工風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難點(diǎn)提至施工前期解決，密封系統(tǒng)可視化強(qiáng)，便于增加密封措施和始發(fā)技術(shù)措施，操作管理方便。

3)大直徑泥水盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)技術(shù)適用于砂性富水地層，在臨海地區(qū)，復(fù)雜地質(zhì)條件下，安全可靠。

4)始發(fā)過程中鋼套筒拼縫最大張開量為2.28 mm，鋼套筒延長鋼環(huán)與端墻連接處最大位移為1.6 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，同步注漿對(duì)鋼套筒內(nèi)壁產(chǎn)生較大壓力，當(dāng)同步注漿點(diǎn)經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處縱縫張開量達(dá)到波峰值。

5)鋼套筒設(shè)計(jì)合理，密封效果良好，分塊吊裝、拆解方便。

6)本文的大直徑鋼套筒始發(fā)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于孟加拉卡納普里河水下隧道項(xiàng)目，驗(yàn)證了大型鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)的可行性。但是始發(fā)過程工藝繁多，尤其是大直徑鋼套筒設(shè)計(jì)、安裝和監(jiān)測技術(shù)，還有許多可以優(yōu)化和改進(jìn)的空間，大直徑鋼套筒始發(fā)技術(shù)有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。