深埋富水卵石地层盾构钢套筒接收与始发技术应用

田中胜，姚爱敏，胡俊杰，史桂溪，丰晓文

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.国网汇通金财（北京）信息科技有限公司，北京 100053）

1 工程概况

北京地铁8 号线3 期工程永定门外站位于永定门外大街与京沪铁路的立交路口南边，永定门外大街沙子口路口北边。车站主体采用明挖顺做法施工，围护结构为厚1 200 mm 的地下连续墙结构。

考虑到车站两端盾构隧道接收、始发均位于富水卵石地层，隧道顶部埋深超过25 m，常规端头加固方法难以确保其加固及止水效果，且加固范围受周边既有结构和管线影响，长度无法满足设计要求，故而选取钢套筒盾构接收、始发方法。利用钢套筒代替常规帘布橡胶洞门密封装置，变局部密封为整体密封，最大限度地降低洞门涌砂、涌水的可能性，确保了盾构接收、始发的安全。

2 钢套筒盾构接收

2.1 钢套筒及反力架安装

第1 台盾构机刀盘直径6 180 mm，盾体直径6 150 mm，盾构主机9 780 mm；第2 台盾构机刀盘直径6 180 mm，盾体直径6 150 mm，盾构主机长9 800 mm。为确保盾构机顺利进入钢套筒，结合盾构接收井尺寸，设计钢套筒筒体长度为10 m，过渡环长0.5 m，钢套筒设计耐压为0.5 MPa。

钢套筒由过渡环、筒体、受力架、受力柱等主要构件组成，其中，筒体由4 节传力架组成，每节传力架分为上、下2 部分。钢套筒的设计内径为6 780 mm，外径7 140 mm，其中，受力架长度为600 mm。

钢套筒筒体外径7 140 mm，内径6 780 mm，总长10 000 mm，筒体用厚25 mm 的Q235A 钢板。将整个筒体分为4 段，每段又分为上、下两部分。两段筒体之间和上、下两段连接处用螺栓连接，并加设密封垫。筒体外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体刚度。

过渡环是将钢套筒筒体与洞门预埋钢环进行连接的构件，外径7 140 mm，内径6 780 mm，长500 mm，过渡环与洞门钢环焊接连接，并与螺栓固定在钢套筒筒体上。在过渡环的2、4、8、10 点位置，设4 个观测孔(带球阀)，方便后期检查洞门封堵注浆效果。

受力架为平面盖，材料用30 mm 厚的Q235A 钢板，平面环板上加焊2 道横向I56a 工字钢和3 道竖向I56a 工字钢，工字钢连接处共焊接9 块400 mm×400 mm×40 mm 的钢板作为受力板，用来将盾构推力传递至受力柱及支撑系统。受力架边缘法兰与钢套筒端头法兰采用M30×1 308 mm 的8 级螺栓连接。

受力柱布置在受力架后方，通过头部支撑柱和楔块与受力架进行连接，受力柱共有3 根，截面尺寸为800 mm×500 mm，采用16 mm 厚钢板焊接加工制作而成，单根长度为7 800 mm。受力柱与车站底板预埋件之间采用钢支撑作为支撑系统。受力柱定好位置后，先用200 t 千斤顶顶受力架和受力柱，消除洞门到受力架的安装间隙后，受力柱上、中、下均布3道300 mm×300 mm 的方形钢与受力架平面板顶紧，承力头部支撑柱两端用楔形块垫实并焊接[1]。

2.2 钢套筒密封性检查及填料

2.2.1 密封性检查

钢套筒的密封性对盾构机接收起重要作用。在使用前应对整体钢套筒的各个重要部位进行检查。待套筒组装完成后，应向筒体内注水并检查其密封和密封质量，没有渗漏后再进行试压，确认满足试压要求后可进行施工。

2.2.2 填料

向钢套筒内填料时，应先用中粗砂填至套筒高度的2/3处，再用膨润土、粉煤灰等惰性浆液填满套筒剩余的1/3。

2.3 盾构机到达掘进

2.3.1 第1 阶段

第1 阶段——最后10 m 盾构掘进，该阶段参数设定如下：

1）推力及速度。在盾构机刀盘进入接收端头玻璃纤维筋地连墙前10 m 时，应降低推力和推进速度，以减小对地连墙和地层的扰动。推力和推进速度应分别控制在10 000 kN 以下和10～20 mm/min。

2）盾构姿态。在刀盘切削地连墙前，应将前盾、中盾和尾款调整成一条直线。盾构机必须以水平垂直姿态推进，推进过程中水平姿态控制在±15 mm 以内，垂直姿态控制在10～20 mm。

3）上部土仓压力。结合永定门外站接收端头的地质水文情况，上部土仓压力控制在0.1～0.12 MPa。

2.3.2 第2 阶段

第2 阶段——盾构机切削玻璃纤维筋地连墙施工。根据地连墙的实测里程和操作界面显示的里程关系，提前降低盾构推力、推进速度和刀盘转速，保证盾构机以低推力、低速度、低贯入度的原则切削地连墙。其主要掘进参数为：（1）推力控制应在8 000 kN 以下；（2）推进速度应控制在2～3 mm/min；（3）刀盘转速应控制在1.2～1.3 r/min；（4）刀盘扭矩宜控制在1 000～2 000 kN·m。

2.3.3 第3 阶段

第3 阶段——进钢套筒掘进阶段的参数设定如下：

1）推进速度控制在10～20 mm/min，推力控制在12 000 kN以下，在保证速度的前提下，尽量减少推力。

2）盾构姿态控制。必须以实际测量的钢套筒安装中心线为准来控制盾构机姿态，要求盾构水平姿态和垂直姿态偏差均控制在±20 mm 以内。

3）土仓压力。以不低于接收端头的水压力为设定原则。

4）同步注浆。注浆以压力控制为主，压力控制在0.05～0.1 MPa。

2.4 洞门封堵施工

盾构进入钢套筒到位后，需对最后10 环管片进行整环二次注浆（至少对每环均布5 个点位进行注浆），二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆，而双液浆配合比为：（1）水∶水泥=1∶1（质量比）；（2）水泥浆∶水玻璃=1∶1（体积比），二次注浆压力控制在0.3～0.5 MPa。

洞门封堵注浆完成后，要对最后10 环管片的所有点位进行开孔检查，确认无水无砂后，再打开钢套筒过渡环上预留的检测孔球阀，观察出水量，若水量较大，则继续通过管片注浆孔注浆，直至打开球阀无水流出后，方可割除过渡环并拆解钢套筒。

3 钢套筒盾构始发

3.1 钢套筒及反力架安装

盾构始发钢套筒及反力架的安装与钢套筒接收内容相似，其部分构件重复利用了小里程端盾构接收后拆除的钢套筒构件。

3.2 钢套筒密封性检查及填料

反力架安装完成后，拼装3 个负环，进行密封处理后，通过球阀管路向钢套筒内注水加压的方式进行密封性检查，合格后排水，然后进行填料。第一次填料在套筒封闭之前，两轨道之间回填砂浆，之后套筒前后封端之前在两端填满沙袋，第二次填料在盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面后，添加惰性浆液，确保密实，封上填料口，并连接紧固。

3.3 端头加固及洞门凿除

为确保地下连续墙凿除及盾构始发施工期间的安全，盾构始发端采用2 排C20 混凝土素桩及地表垂直注浆的方法对地层进行加固。混凝土素桩直径为0.8 m，桩间距为1 m，2 排素桩呈梅花形布置。

在盾构隧道范围的地下连续墙采用水下C35 混凝土浇筑（实际强度已达到约55.1 MPa）并采用玻璃纤维筋替代普通钢筋，幅宽为8.0 m、墙厚为1.2 m，地连墙深度为47 m，锚固深度为13 m。

洞门采用人工凿除，凿除施工前先在端墙上按设计尺寸画出洞门轮廓线，将洞门划分为9 部分，凿除时按编号顺序先下后上、先中间后两侧进行作业，凿除深度经与设计人员沟通，确定为整体凿除40 cm，中心鱼尾刀最深位置凿除70 cm。

3.4 盾构始发掘进

3.4.1 始发掘进控制参数

盾构掘进主要由刀盘和土仓压力、排土量和推进速度、螺旋机转速、千斤顶推力、注浆压力与时间、注浆方式与注浆量、浆液性能、盾构线路坡度、盾构姿态和管片拼装偏差等参数控制。

3.4.2 始发掘进控制要点

1）严格控制始发钢套筒、反力架和负环的安装定位精度，保证隧道中心的精度、避免始发支撑系统由于安装偏差而承受过大的侧向力。反力架安装时与理论位置相对应，转动角度一定要符合设计要求，位置误差不能超过10 mm，确保盾构始发姿态与设计线路基本重合。

2）盾构机进入洞门以前，应在洞门预埋钢环内安装2 根导轨，以免盾构机进入洞门过程中出现栽头现象。

3）始发前，检查始发钢套筒及反力架加固效果，在始发过程中，如发现始发钢套筒及反力架出现变形或移位，应立即停机加固。

4）当盾构机进行掘进纠偏时，管片选型应综合考虑盾构机姿态、铰接千斤顶行程、推进千斤顶行程、盾尾间隙等因素，当盾尾间隙过小时，可通过收放铰接进行调整。

4 监测情况分析

4.1 钢套筒盾构接收周边环境监测数据分析

盾构接收端周边主要风险为既有地铁14 号线风道结构，风道距离接收端头水平净距约6 m。2017 年7 月中旬盾构左线完成套筒内接收，风道测点阶段变形在-2.1～+0.2 mm。随后施工单位进行了洞内补偿注浆进行加固，测点呈现上浮，平均阶段变化约+1.5 mm。2017 年8 月底，盾构右线完成套筒内接收，风道结构沉降最终稳定在-2.0～-1.2 mm。

4.2 钢套筒盾构始发周边环境监测数据分析

对盾构始发端头地表沉降进行监测。自2017 年9 月左线负环拼装开始，至2017 年10 月盾构左线始发完成且数据稳定后，地表沉降监测显示累计沉降最大值为-1.7 mm。盾构始发端地表沉降主要发生在盾构右线始发过程中，自2017 年11 月8日至2017 年11 月18 日，盾构右线始发完成，地表沉降累计变形最大值为-8.4 mm，右线始发过程中，测点平均变形速率为-0.53 mm/d；之后监测数据趋于平稳。盾构始发过程中地表沉降无监测预警。

5 结语

采用全密闭钢套筒装置，解决了在深埋富水卵石地层中盾构接收、始发端头加固质量难以保障的施工通病，极大地降低了盾构接收、始发过程中的涌水、涌砂风险。端头无须再进行加固及降水处理，钢套筒部分构件可以重复使用，缩短了施工工期，减少了施工成本，节省了地下水资源。虽然套筒始发顺利完成，指导性方案能够满足现场施工，但在实际施工中，钢套筒密闭系统受钢套筒设计的限制，渗漏处较多。在后续的施工实践中，应在设计思路上加强钢套筒的改进。