富水圆砾层盖挖车站中钢套筒始发的应用

侯靖宇

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

1 引言

盾构始发进洞是盾构掘进的关键环节，如何保证盾构始发安全一直是众多学者关注、研究的重点。赵立锋[1]以南京地铁3号线浮大区间为例，分析了车站端头采用旋喷桩加固，辅以垂直冻结加固，同时采用钢套筒接收工艺，提高了盾构接收的安全与质量；张中安[2]结合深圳地铁三期某盾构隧道工程，分析了钢套筒接收工艺的可靠性；李金锋[3]通过对杭州地铁中—凤区间接收端头风险源进行分析，确定采用局部地面加固及钢套筒接收工艺，既保证了既有运营线的安全，也满足了盾构接收的要求；伍伟林等[4]针对钢套筒始发、接收中存在的问题进行了研究，通过方案改进，保证了无端头加固情况下盾构始发、接收的安全性。

以往研究多集中于钢套筒接收，涉及始发案例相对较少。于端头未加固且盖挖逆做法车站端头中的应用更为少见。本文以富水圆砾地层中某盖挖逆做车站盾构始发工程为例，对富水砂砾层中采用钢套筒始发的应用进行分析。该案例可为今后类似工程提供参考。

2 工程概况

某站为地下两层站，车站端头地下管网繁杂，类型众多，管径及埋深不一，受周边地块及交通疏解限制，采用盖挖逆做法施工，车站围护采用0.8 m厚地连墙，由于场地施作有限，仅设置右线盾构始发吊装孔，车站负二层结构需预留盾构平移条件，负二层端头井内水平净宽8.52 m，竖向净高7.35 m。

2.1 地质水文条件

场区地下水主要赋存于第四系松散层中的孔隙潜水，主要含水层为第四系全新统-上更新统冲洪积砂类土、圆砾地层。各含水层之间地层多为透水层、弱透水层，无明显隔水层，相互渗透。端头始发段地质情况复杂，土层由上至下分别为素填土、砾砂、圆砾、粉砂，根据本场地内各土层渗透系数及层厚情况，同时结合同一地貌单元抽水试验结果，盾构穿越土层主要为圆砾层，其综合渗透系数48 m/d，属于强透水层。

2.2 原设计方案

端头加固原设计方案采用地连墙+袖阀管注浆加固，沿线路方向加固长度为10 m，隧道结构外轮廓竖向上下3 m，横向至两侧素地墙边缘；采用地面袖阀管注浆加固地层，注浆导管采用φ48×5 mm间距1 m×1 m梅花形布置的PVC袖阀管，注浆浆液采用42.5级以上的普通硅酸盐水泥。

由于端头前方场地内存在2根DN300埋深1.8 m中压天然气钢管道、DN500埋深1.9 m给水铸铁管道、DN500埋深2.5 m雨水混凝土管道等，迁改困难，同时本站所处位置属于市区主要交通干道，端头井范围场地有限，交通导改困难，端头加固难以实施，因此改用钢套筒始发工艺进行盾构进洞施工。

3 钢套筒设计方案

始发钢套筒按照洞门到车站顺序分为过渡环、套筒主体、环梁、液压千斤顶、液压泵站、高强螺栓，基于某站采用盖挖逆做法施工，仅右线范围设置盾构吊装孔，端头井内施作空间有限，盾构机平移限高7.35 m，限宽8.52 m，右线盾构始发需于左线完成后平移吊装至右线位置进行始发，因此对钢套筒始发进行改进、优化设计。过渡环长0.5 m，一端设置环向法兰，与套筒主体栓接，另一端与洞门钢环焊接。过渡环、环梁均分为上下两个半圆。钢套筒主体区别于以往传统钢套筒设计，筒体上半部（顶、侧环）传力架采用水平分块，即上半部分分为三节：1个传力架顶环与2个传力架侧环，每节为60°圆弧，同时为保证钢套筒的整体性，沿盾构推进方向整体分为两个部分，每部分长度5 m，钢套筒下半部底环，采用纵向长度为2.5 m、宽度为4 m的半圆环传力架，这样既解决了盾构平移吊装过程在狭小空间中的施作难度，又保证了盾构始发过程钢套筒的整体刚度。平移时传力架顶环暂不拼装传力架顶环及环梁顶环，待底环、盾构机拼装就位后，拼装顶环。

钢套筒筒体采用20 mm厚的Q235B钢板焊接而成，环梁长0.6 m，沿环向设置四组液压千斤顶，每组4台，每台75 t。由液压泵站控制液压千斤顶支顶反力架，防止过大位移。筒体上下半圆之间、筒体之间均采用10.9级M33高强螺栓连接，筒体法兰用40 mm厚的Q235B钢板。

4 关键位置处理措施

该地区月平均最低气温﹣12.6℃，极端最低气温为﹣30.5℃，土壤标准冻结深度1.6 m，冬季施工为防止试验过程中钢套筒内加水结冰，本工程水压试验采用氯化钙水溶液。

4.1 止水防水处理措施

钢套筒的密封性直接影响到盾构进洞的安全，因此如何做到安全止水防水成为重中之重，钢套筒密封止水的关键节点主要考虑钢套筒环与环接缝处、过渡环与预埋钢环处及加强环梁与负环管片处，同时尚应保证盾构始发过程中的应急处理措施。

钢套筒环与环接缝处属于止水处理的薄弱环节，施工过程中环缝连接法兰处焊接凹槽安装环向密封条，保证筒体密封。

钢环梁一端与反力架连接，另一端与管片负环连接。临近钢环梁处的负环管片侧面粘贴止水条与传力垫，钢环梁与管片负环连接前，利用盾构千斤顶将负环管片后推，同时将环梁内16个75 t千斤顶向前施压，对反力架与钢套筒进行水平方向预压，消除微小间隙，使得负环管片与环梁钢板密压止水，同时也可防止始发时钢套筒在盾构机推力影响产生较大的水平变形。始发前负环、盾壳与钢套筒之间填入砂子，同时利用同步注浆系统将双液浆同步压入，使其与砂子混合，达到止水目的。过渡环与车站端墙预埋钢环整圈焊接，外侧满焊，保证接缝处止水，同时为防止刀盘掘进地连墙过程中地下水涌内钢套筒，于过渡环内设置3道钢环板，同时环板缝内设置2道橡胶止水条，使得盾构机推进过程中，将内设环板紧压，形成有效止水帷幕，可有效控制水砂涌入。

4.2 钢套筒加固处理措施

为防止盾构机盾体和钢套筒整体发生扭转、倾覆，在钢套筒两侧每间隔2 m安装一根H形钢横撑和三角架，每侧安装4个，横撑和三角架采用HW200×200×8×12 H型钢制作。

4.3 盾构破墙进洞处理措施

为保证盾构进洞安全，避免提前破除围护结构造成的安全隐患，端头井盾构进洞掘进范围采用玻璃纤维筋地连墙。由于地连墙钢筋笼施工过程中，中下部采用玻璃纤维筋骨架结构，钢筋笼刚度减弱，起吊过程中容易造成钢筋笼损坏，因此，施工过程中可于钢筋笼背土面设置附加钢筋+玻璃纤维筋主体骨架，下笼过程中，割除钢筋，保留玻璃纤维筋，保证钢筋笼下放安全。

5 监测分析

盾构端头隧道穿越范围内地层主要为圆砾、砂砾层，始发掘进过程中需要严格控制盾构推进速度，加强地面监测。沿盾构掘进中心线，左右线各设监测点，沿线路纵向距离端头地连墙距离分别为2 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m。

端头沉降最大点位于端头10 m左右（盾构掘进约7环），右线先于左线始发，右线先期始发后端头6 m范围内管片进行二次深孔注浆，使得左线掘进时土体适当进行了加强，进而导致左线盾构产生的沉降值较右线小，右线最大沉降值约16.89 mm，左线最大沉降值15.94 mm，均满足地面沉降控制值要求。

6 结论与建议

本文以富水圆砾地层中某区间端头钢套筒始发进洞为例，通过施工效果验证了钢套筒始发技术的有效性，得出以下结论及建议：①钢套筒始发技术在盖挖车站端头的应用，有效减少了端头加固造成的端头范围管线迁改及交通疏解，同时减少了端头加固材料的使用，钢套筒循环利用，节省资源，保证了盾构进洞的经济性；②钢套筒始发技术在富水圆砾层中的应用，有效地避免了盾构进洞破墙过程中的涌水涌砂的风险，同时在钢套筒内采取必要的止水及应急措施，可有效保证盾构进洞安全性；③由于钢套筒施工工艺要求较高，在不同地层中的应用仍需进一步验证，建议采用钢套筒始发工艺前综合考虑车站端头围护的设计形式、盾构机刀盘的适用性、端头范围内建构筑物及地下管线情况，特殊情况下可于采用钢套筒始发工艺的前提下结合端头加固（适当缩减加固范围）进行使用，保证盾构始发过程的安全。