土压盾构钢套筒接收在富水砂层地质条件下的应用

薛宏平（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海 200032）

盾构到达接收是一项风险较大的工作，接收前需对我间接收端的土体采用三轴搅拌桩及高压旋喷桩进行加固处理，由于本工程位于长江入海口及黄海之滨的南通，我间主要穿越土层为：3-2 粉砂、3-3 砂质粉土夹粉砂、3-3 j 砂质粉土与粉质黏土互层。我间赋水情况主要为地表水、场地潜水和承压水。地表水系发育，水位主要受长江水位、大气降水等的影响。潜水主要赋存于浅部填土层 1、2 和 3-1、3-2、3-3、3-3 j 层粉土、粉砂中，含水层总厚度大，含水量较丰富。我间承压水与潜水存在一定的水力联系，并且受周边水系潮汐影响对地下水位波动有影响。该富水砂层中采用水泥系加固无法达到预期效果，在常规接收过程中易出现洞门突涌等险兆事件，为规避盾构接收风险，采用钢套筒接收为主，洞门加固为辅的方式进行接收，在洞门凿除后，向钢套筒内填注流塑状态的渣土，最终在洞门外延伸出一个大于盾体尺寸且能抵抗水土压力的密闭空间，盾构机这个空间内完成接收，达到工程风险可控的目的。

1 工程概况

本工程是轨道交通 1 号线工程深南路站～城港路站我间，平面位于南通市港闸我，我间线路出城港路站后沿永和路向北敷设至深南路站，我间下行线全长 1 138.589 m，上行线全长 1 143.598 m，埋深 7.99～21.73 m，投入两台土压平衡式盾构机进行掘进，盾构机在城港路站小里程端头上、下行线下井组装、始发，掘进至深南路站大里程端头解体吊出，主要穿越：3-2 粉砂、3-3 砂质粉土夹粉砂、3-3j砂质粉土与粉质黏土互层、3-3 砂质粉土夹粉砂。

我间隧道到达端（深南路站）地层为 3-2 粉砂层，上覆土层为 3-1 砂质粉土夹粉砂层。盾构到达端加固方法采用一排三重高压旋喷桩＋三轴搅拌桩，旋喷桩桩径 800 mm，咬合 300 mm，搅拌桩桩径 850 mm，咬合 250 mm。在加固我外侧设置一圈搅拌桩止水帷幕，止水帷幕采用φ850@600 三轴搅拌桩，套打施工。接收端头加固我域在端头处设 6 口 φ 650 mm 降水井，再加 2 口观测井。加固我土体加固强度指标无侧限抗压强度 qu≥0.8 MPa， 渗透系数 ≤10-7 cm/s，由于富水砂层，加固效果存在不均匀性，尤其是旋喷桩在砂性土的实践中，局部未能达到预期的加固效果。而本工程的接收工作井周边水系较多，地下水充沛，盾构接收有洞门突涌的风险，进而影响周边的永和佳苑 8 栋、7 栋、6 栋等既有建筑，这些房屋距离工作井最近为 9.5 m，且紧邻新建的十里坊二河桥，综合评估后采用钢套筒为主的方式进行盾构机的接收作业。

2 钢套筒接收的基本原理及总体方案

结合盾构机及接收工作井尺寸，由专业单位设计并加工钢套箱，目前国内盾构钢套箱的设计及加工技术比较成熟，钢套箱的外径与现场洞门钢环匹配，后续组装后通过过渡钢环与洞门进行连接，在钢套箱内部填注流塑状态的渣土，最终在洞门外延伸出一个大于盾体尺寸且能抵抗水土压力的密闭空间，在接收过程中通过钢套箱外部的反力撑、水平撑以及防扭措施，抵抗盾构刀盘的推力，同时利用钢套筒的密闭性能使得盾构在接收过程中内外水土平衡，在这种平衡状态下使盾体完全进入钢套箱，在水土压力平衡的状态下完成洞门封堵工作，避免因加固不到位出现洞门突涌的风险事件，达到安全接收的目的，同时钢套筒具有安拆方便、重复使用的优势。

具体实施钢套筒盾构接收总体方案是在盾构机到达接收井时，首先利用同步注浆、管片壁后二次注浆等措施，切断流向盾构刀盘掌子面的水源。当盾构机掘进到刀盘进入接收井加固我域前，开启加固我的降水井，持续降水 3～5 d 后，通过水位观测井监测地下水位的情况，一般确保水位低于洞门底标高后在已安装完毕的钢套筒内开始凿除洞门，边凿边清渣，洞门钢筋完全剥除后，再向钢套筒内回填流塑性良好的渣土，完成上述工作后，盾构机按接收方案推进；在此推进过程中，拖出盾尾的管片除了同步注浆外，要进行二次注浆，持续推进直至盾体全部进到钢套筒内，在盾构机尾刷脱出洞门钢环时停止推进，开始进行洞门封堵，封堵完成后开始排空土仓，顶推盾构机直至盾构机主机完全推进到位后，开始钢套筒拆除及盾构机吊拆。

3 钢套筒施工

3.1 钢套筒下井安装

（1）钢套筒进场后要进行验收，除了钢套筒的尺寸、出渣口开启闭合功能外，对于每节套筒的橡胶密封垫要进行检查，老化或破损的可就地更换。

（2）井下安装钢套筒前，注意验收盾构进洞接收的中心线，钢套筒的轴线与其重合。

（3）反力撑的预埋铁板宜在结构施工时进行预埋，若结构已完亦可在接收底板上化学植筋预埋，其应能承受盾构接收状态下水平推力产生的剪切力。

（4） 钢套筒一般分四段，按顺序下井，通过 2 组千斤顶利用接收井底板结构或横梁进行水平推移，每节钢套筒通过8.8级高强螺栓连接，并压紧橡胶密封垫达到整个钢套筒基本密闭的状态。

3.2 过渡钢环安装

钢套筒就位后安装过渡环与洞门钢环的密闭情况及加固措施，一般在接收过程中过渡环是薄弱环节，由于钢环与过渡环钢板的密贴情况以及焊接质量问题造成漏水而达不到密闭效果，造成接收初期高水压状态下保压失败，并急剧扩大焊接的裂缝，造成盾构接收失败，要严格检查过渡环的焊接质量以及补强措施。

3.3 反力架安装

盾构接收反力架设置于端头井内，反力架采用三条600 mm×650 mm 立柱组成，反力架用 609 钢管做斜撑，支撑在车站底板预埋钢板（植筋）上，反力架底部与车站底部预埋件（植筋）焊接牢固。

反力架就位后，采用 400 t 千斤顶沿盾构接收方向向钢套筒反向施加作用力，使每节钢套筒之间的密封垫再次压紧，并及时紧固螺栓，在千斤顶推力未卸载的情况下，将反力架与钢套筒后端盖上的三条立柱垫实并且焊接牢固，无间隙。一般反力架上部支撑点的力偏小，可在车站结构中板位置设置水平支撑。

反力架安装完毕后，要对钢套筒两侧设置水平支撑以及抗扭转的措施，确保盾构进入钢套筒内时筒体的稳定性。

2.4 钢套筒密封性检查

盾构接收前还需要对就位的钢套筒进行耐压检测，对钢套筒内进行注水，在注水过程中若出现渗漏应立即进行补焊或紧固措施，加压应分步实施：单次加压 0.02～0.04 MPa，加压后观测时间 10～15 min；累计加压一般在 0.1～0.12 MPa，120 min 观测无明显减压，则钢套筒的密闭性能可以达到接收要求，对于接收位置较深的盾构机钢套筒接收，其耐压的性能要求更高。

耐压捡漏过程中对于渗漏的位置要标记，能通过紧固螺栓解决的当即紧固，需补焊的待泄压后进行补强，但补强后仍应该再次进行耐压的检测。

2.5 浇筑砂浆基座

本项目盾构机直径 6 410 mm，钢套筒内径 6 800 mm，钢套筒与盾体间间距 195 mm，为便于盾构机接收，用 C20混凝土延钢套筒底部铺设砂浆基座，范围为底部 1/4 圆，其厚度一般不高于洞门钢环内接收用的引轨高度。

2.6 洞门凿除

当盾构机刀盘到达地连墙后，要停机进行洞门凿除，洞门共分三次进行凿除。洞门采用人工凿除。

2.7 将流塑状态的渣土注入钢套筒内

洞门凿除完毕，清除建渣，拆除脚手架、撤离人员后，关闭底部舱门，通过钢套筒顶部的预留口向筒内灌入流塑状态的渣土，渣土和易性可以通过膨润土改良，为保证填充密实无空隙，在用渣土填充后，补填同步注浆浆液，确保密实，已达到接收时水土压力在。

（1）接收段的施工测量。盾构机在到达接收井之前100 环开始，要准确评估盾构机的姿态以及到达接收井之前的轴线精度，经过多次人工校核，确保盾构机接收时能精确的通过引轨进入到钢套筒内，且能够达到钢套筒内盾构与筒壁的间隙比较均等的良好状态。

（2）盾构机接收段掘进（以本案例我间下行线为例，共计 948 环）

盾构到达段施工主要分为三个阶段，主要是第一阶段盾构掘进至加固体段、第二阶段盾构穿越加固体段、第三阶段为刀盘进入钢套筒段。

第一阶段掘进。刀盘掘进至 920 环时，隧道拱顶埋深约 11 m，刀盘距加固体约 20 环，该阶段推进速度20～30 mm/min，推力 1 200 t 以内，扭矩 2 000 kN·m以内；刀盘转速控制住 1 rmp，低速推进；土仓中心土压控制在 1.3 bar；通过泡沫喷口改良土体和易性，观察出土量是否正常，同步注浆量控制在 5.0～5.5 m3。

第二阶段掘进。刀盘进入加固我时盾构机参数：刀盘掘进至 940 环，推进速度 10～20 mm/min，推力 1 000 t 以内，扭矩 2 000 kN·m 以内；降低刀盘转速，控制在 0.8～1 rmp；同时土仓保持压力 0.8 bar 左右；出土量正常，总推力逐步减小。

第三阶段掘进。盾构刀盘进入钢套筒时掘进参数：推进速度 5～10 mm/min，推力 600～800 t，上部土压控制在 0.8 bar，扭矩 1 500 kN·m 以内，同步注浆量控制在4.5～5.0 m³。

盾构机进入钢套筒后，需掘进至盾尾脱出洞门钢环20 cm；洞门封堵完成后，继续将盾构机向前推进，在盾尾距离洞门钢环 70 cm，到达停机位。

2.3 洞门封堵注浆

(1)环箍作业。在盾构机接收，在最后 100 环打多道环箍，环箍位置参考 850 环、875 环、900 环、925 环、940环（实际根据推进情况进行交底补充及更改）。从管片底部往上逐步注入水泥、水玻璃双液浆，每处注入量 ≥3 m³，注浆压力 0.4～0.6 MPa，以注浆压力控制为主，以隔离地下水位对隧道影响。

(2)洞门封堵作业。盾构机完全进入洞门后（盾尾刷脱出洞门钢环），采用二次注浆工艺通过管片吊装孔或预留注浆孔进行注浆封堵。

第一次在 940/941 环处打双液浆环箍，位于加固体与原状土层界面处封住，起到封闭加固体作用，隔绝原状地层地下水进入加固体。控制注浆量 3～6m³，控制注浆压力0.3～0.5MPa，以注浆压力控制为主。

第二次在 947/948 环处打双液浆环箍，封闭洞门与加固体位置结构位置，控制注浆量 2～3 m³，控制注浆压力0.2～0.3 MPa，防止盾尾被击穿。环箍施工结束后半小时，盾构机需向前按 3～5 mm/min 速度向前推进，防止盾尾被双液浆固结。

第三次在 941～947 环之间反复注入单液浆，每处注浆量在 1～2 m³，控制注浆压力 0.2～0.3 MPa，以注浆压力控制为主。

3 钢套筒拆除

盾体在套筒内至到达停机位置，在洞门封堵完成后，通过螺机进一步清空土仓内的渣土，同时观测土仓压力，如果洞门封堵效果良好，土仓及钢套筒内不再有洞门管片间隙中流出的砂土，土仓上部的压力传感器应压力归零，作业人员可通过人仓观察确认洞门封闭效果，也可以打开钢套筒过渡环上预留的注浆球阀，若无出水出砂等情况，可基本判定洞门封闭效果良好，可组织钢套筒拆除。

钢套筒拆除第一步也是最关键的一步是割除过渡连接环与洞门钢环的连接，割除过渡连接环时分 20 cm 宽、50 cm长小块割除；割除后及时用扇形钢板将洞门钢环与进洞环背负的钢板进行焊接，封闭洞门；洞门钢环内径为 6.7 m，管片外径为 6.2 m，管片与洞门钢环间隙为 0.25 m，弧形钢板采用厚 8 mm 的 Q235 钢板，与洞门钢环接头样式为搭接，与进洞环管片背部钢板接头样式为正交，焊接样式均为填角；一旦割除后出现渗漏，及时用棉纱进行封堵，防止漏沙，然后用钢板封闭割除的小块。过渡连接环割除完成，分块拆除钢套筒。

4 结 语

类似于本地我砂性土地层，透水性高，地下水补给充沛的特点，地层端头加固质量存在缺陷较为普遍，在地层水泥系加固的基础上进一步采用钢套筒接收盾构，利用钢套筒的密闭性能使得盾构在接收过程中内外水土平衡，在这种平衡状态下使盾体完全进入钢套箱，在水土压力平衡的状态下完成洞门封堵工作，避免因加固不到位出现洞门突涌的风险事件，达到安全接收的目的，同时钢套筒具有安拆方便、重复使用的优势。