盾构隧道采用钢套筒始发下穿既有线施工技术

廖先江

（深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518026）

1 工程概况

盾构机盾尾拖出时管片和土体之间存在较大间隙，容易形成流水通道，造成始发洞门涌水涌砂。在盾构始发阶段，仅采用橡胶帘板进行洞门密封，盾构机难以保压，盾尾也无法用水泥砂浆或水泥-水玻璃双液浆密封，发生涌水涌砂后难以处理，容易引起周边构筑物沉降塌陷。

深圳地铁 9 号线梅村站—上梅林站区间左线长635.612 m，右线长 636.500 m，埋深约 9.1～16.8 m。该区间隧道采用盾构机施工，盾构机由上梅林站西端始发至梅村站东端吊出，盾构始发端头井与既有地铁4号线隧道水平距离为 16.7～19 m，与 4 号线最小垂直净距为2.5 m，下穿影响区域基本位于砾质黏性土层 <6-2>、全风化花岗片麻岩层 <11-1>（图 1）。原设计盾构始发端头井采用深层搅拌桩加φ108 mm 大管棚加固方案，因盾构始发井距离既有 4 号线较近，若仍采用传统的始发方案，存在洞门涌水涌砂及 4 号线运营安全风险，经多方论证确定将大管棚加固方案调整为钢套筒始发方案。

图1 上梅林站与 4 号线三维图

2 钢套筒始发技术

钢套筒始发技术是根据平衡原理研发的新型盾构始发技术，与传统盾构始发技术相比安全性能大幅度提高。通过在盾构机外部安装一个钢套筒，在盾体、钢套筒、负环管片、加强环梁之间形成封闭空间，并在封闭空间内用充填物填充密实，在始发前先进行保压处理。通过钢套筒这个封闭空间使盾构机在始发前创造穿越土层时的压力环境，有效防止破除洞门时涌水涌砂情况的发生，实现安全始发掘进。

2.1 钢套筒简介

（1）筒体制作。整个钢套筒结构由筒体、过渡连接环、加强环梁、反力架等部分组成。筒体部分总长9.9 m，内径为 6.5 m。筒体采用 Q235 钢材制作，按纵向分为 3 段，每段又分为上下 2 个半圆环，每段筒体的连接处均焊接法兰盘并采用螺栓连接，法兰盘间加橡胶垫以保证密封效果。在筒体底部安装基座，基座与筒体焊接成一体（图 2）。

每段筒体顶部设置 1 个 600 mm 圆形加料口，在每段筒体底部预留 3 根φ30 mm 带阀门注排浆管，排浆管等间距布置，盾构机有磕头趋势即可在下部注浆回顶。在钢套筒下方 90°圆弧内安装 2 根 38 kg/m 钢轨，钢轨从钢套筒后端铺设至过渡连接环处，钢轨两侧通长焊接。为保持盾构机始发时抬头的趋势，靠近洞门端钢轨垫高 20 mm。

（3）安装钢套筒下半圆环和反力架。钢套筒的安装位置必须精确，过渡连接环与筒体采用螺栓连接，安装反力架时应根据始发井大小、钢套筒长度、洞门标高等确定水平位置和标高，反力架紧靠加强环梁安装，反力架斜撑与底板预埋件采用焊接连接（图 3）。

图2 钢套筒组装示意图（单位：mm）

图3 钢套筒与反力架组装侧面图

（4）第一次钢套筒内填砂。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高出相应钢轨的顶面 15 mm，待盾构机放上去后进一步压实，确保底部砂层提供充足的防盾构机扭转摩擦反力。

（5）钢套筒内安装盾构机。在钢套筒内组装盾构机主机，并与连接桥和后配套台车连接。

（6）安装钢套筒上半圆环。第二次回填砂至低于下半圆环顶 100 mm处，安装钢套筒上半圆环，并用螺栓将上、下半圆环筒体连接。

（7）预加压力。钢套筒安装完成后，安装在反力架和加强环梁之间的液压千斤顶对钢套筒施加压力，使钢套筒顶紧洞门环板，以保证钢套筒在有水土压力时洞门环板处连接螺栓不受拉力。

（8）安装负环管片。钢套筒、反力架安装完毕且盾构机调试完成后，向前推进盾构机并安装负环管片，刀盘面板贴紧洞门掌子面但不切削掌子面，通过千斤顶整体向后顶使负环管片紧贴加强环梁。

（9）第三次钢套筒内填砂。盾构机向前推进至刀盘面板贴紧洞门掌子面后，通过钢套筒顶部进料口向筒内进行第三次填砂，本次将整个钢套筒填满并适当加水让砂密实。

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（10）负环管片壁后注浆。为保证负环管片与钢套筒之间的密封效果，在盾构机刀盘贴紧洞门掌子面后，通过靠近反力架两环管片的吊装孔进行壁后注浆，在管片后面形成一道密封防渗环。

2.2 钢套筒始发技术

2.2.1 施工监测

盾构下穿 4 号线时，在 4 号线隧道内距新建 9 号线隧道两侧 50 m 范围内选择若干监测断面，自动化监测隧道和轨道变形，并将变化数据实时传送到监控中心。监测断面及监测点布置见图 4，0～30 m 范围 15 m 设置 1 个监测断面；30～50 m 范围 20 m 设置 1 个监测断面；每个监测断面在拱顶、拱腰和轨道上共布置 5 个监测点，监测频率为 1 次/h。根据监测到的 4 号线变形和管片接缝张开量，及时调整盾构机掘进参数并进行二次注浆。

2.2.2 既有线洞内壁后注浆

在 4 号线的莲花北站—上梅林站区间与 9 号线交界点以外 9 m 范围，打开管片吊装孔，对壁后进行双液浆（水泥-水玻璃）注浆，以加固土体增强其稳定性（图 5）。左线、右线同期由南至北进行注浆，注浆断面纵向间距为 2.4 m。注浆压力控制在 0.3 MPa 以下（小于二次注浆压力），浆液初凝时间控制在 10 min 左右。

图4 隧道断面自动化监测点布置示意图

图5 注浆孔位置图

2.2.3 钢套筒压力测试和渗漏检测

（1）通过加水孔向钢套筒内加满水后检查压力，如果压力能够达到 300 kPa，则停止加水并维持压力稳定；如水压无法达到 300 kPa，则利用空压机向钢套筒内加压，直至压力达到 300 kPa为止，并检查各个连接部位有无漏水和焊缝脱焊情况。

（2）逐级加压及稳压监测时间。0～100 kPa 每级加压时间控制在 10 min 左右，稳压监测 10 min；100～200 kPa 每级加压时间控制在 15 min 左右，稳压监测 25 min；200～250 kPa 加压时间控制在 25 min 左右，稳压监测 45 min；250～300 kPa 加压时间控制在 45 min左右，稳压监测 120 min。加压监测过程中一旦有渗漏情况，马上卸压，加固处理完后再进行加压，直至压力稳定在 300 kPa 并未发现有渗漏时方可确认钢套筒的密封性。

2.2.4 钢套筒位移检测

在加压检测前，在洞门环板与钢套筒上安装应力计，以检测钢套筒的受力情况。在加压过程中，一旦发现应变或位移过大，立即卸压并采取补强措施。

2.2.5 盾构掘进参数

推进时采用土压平衡模式尽量减少对土体的扰动，以保证土体稳定。推进中，全程加强对 4 号线和地面的沉降监测，及时调整掘进参数，实现平稳均匀快速下穿4 号线。

（1）土仓压力。在采取土压平衡模式掘进时，必须密切关注土仓压力的变化。主要通过严格控制掘进速度与出土量关系，使切削入土仓土量与出土量之间达到动态平衡，从而保持土仓压力与掌子面之间的平衡状态，保证掌子面的稳定，防止因超排土或欠排土导致地层失稳造成沉降或隆起。钢套筒始发土压保持在 90 kPa左右，随着进入深度增加呈上升趋势，在下穿 4 号线时土压基本稳定在 16～200 kPa之间。

（2）油缸推力。盾构始发阶段，推力过大容易造成反力架变形和钢套筒渗漏，推力应控制在 7 000～9 000 kN 范围内。推力随着进入深度增加呈上升趋势，油缸整体推力逐步提高到 10 000～16 000 kN。

（3）推进速度。坚持平稳均匀快速推进的原则，推进速度不宜太慢，避免在 4 号线下停机。推进速度太慢、停机时间过长，不利于土体稳定性，增加 4 号线下沉风险；推进速度过快，则有可能同步注浆未能及时填充管片与土层之间的空隙，造成土体下沉。推进速度宜控制在 30～50 mm/min 左右，每日推进 3～4 环，做到匀速推进。

（4）刀盘扭矩。正常情况下，刀盘扭矩应控制在一个合理的范围。刀盘扭矩过大反映了刀盘切削过程中受到的摩阻力和抗力过大，将加剧对土体的扰动，不利于盾构机的正常掘进。出现刀盘扭矩过大时，可以通过减少油缸推力、降低推进速度和刀盘转速来控制刀盘扭矩。在盾构下穿过程中，刀盘扭矩应控制在 1 700～2 000 kN · m。

（5）刀盘转速。在掘进中，根据现场情况采用大推力高转速或小推力低转速的组合，尽量避免采用大推力低转速或小推力高转速组合，刀盘转速控制在 1.5～1.7 转/min 即可。

（6）盾构机姿态。盾构机应尽量匀速直线推进，减少过多的纠偏，急于纠偏可能加剧盾构姿态不良，影响管片拼装质量，严重时造成盾构机停机，对地层的扰动加大。

（7）同步注浆。在下穿 4 号线推进过程中，坚持“掘进时注浆，不掘进不注浆”的原则。采用同步注浆可以有效弥补盾尾拖出管片造成的盾尾空隙，减少地层损失，从而控制 4 号线的变形。同步注浆主要从注浆压力、注浆量和初凝时间等 3 个方面控制。注浆压力过大容易造成管片的变形，严重时引起管片渗水，过小则浆液没有填充饱和，因此注浆压力宜保持在 200～400 kPa。足够的注浆量才能有效填充土层与管片之间的空隙，根据理论计算，实际注浆量应该为空隙的 130%左右，每环注浆量至少应保证 6 m3。初凝时间太长难以对土体稳定性形成有效支撑，初凝时间太短容易堵塞注浆管无法注浆，初凝时间一般设置在 8 h 左右。同步注浆也应根据现场监测情况做出相应调整，增加同步注浆量保证土体的稳定。

2.3 注意事宜

（1）钢套筒始发装置变形。对反力架、钢套筒连接处和筒体进行监测，根据可能出现的不同情况采取针对性措施：①洞门环板与钢套筒位置出现变形量过大时，要加大反力架和加强环梁之间的液压千斤顶对钢套筒的预压力，并对变形开裂处进行补焊；②钢套筒连接处出现变形量较大时，在变形量较大处补焊加强肋板；③反力架斜撑出现位移量过大时，要分析可能出现的原因，增加斜撑的数量。

（2）盾构机防扭转。盾构机在钢套筒内掘进相当于隧道的常规掘进，应严格控制扭矩不超过控制值 2 000 kN · m。若盾构在切削玻璃纤维筋连续墙时产生的扭矩超限，可向钢套筒内加压处理，同时在钢套筒两侧每间隔 2 m 安装 1 根工字钢横撑和三角架，每侧安装 4 个，横撑和三角架采用 20 工字钢制作。

（3）零环渗漏。盾构机掘进一定距离后需拆除负环和钢套筒，此时洞门位置 0 环管片与外侧土体之间无橡胶帘板，容易出现渗漏而引起地面沉陷。为此，在洞门侧墙上安装 4 个注浆管，在 1～5 环管片上各设置 3 个注浆孔（含吊装孔），通过注浆管进行注浆，注浆饱满后方可拆除负环和钢套筒、施作洞门。

3 结论

（1）采用大型钢套筒始发装置，可解决“盾构端头不具备地上地下加固条件，建筑物和管线迁改难度大、工期长，隧道埋深较深且地下水位较高或含有承压水的砂性加固效果差或始发即穿越既有运营线”等采用常规始发技术难以施展的瓶颈难题，降低了盾构始发风险。

（2）采用钢套筒始发技术比传统盾构始发技术更具安全性、可行性和经济性，且循环利用率高、工期可控。

（3）通过自动化监测技术对既有线隧道进行动态控制，及时在既有线隧道内注浆，阻止了水流通道的形成，解决了上覆土体下沉等问题，有效控制了多次扰动既有地铁运营隧道引起的沉降。

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