长曲线隧道中间风井无加固条件下钢套筒接收技术

胡高鹏，阚宝存，艾 鹏，侯振华，衣绍彦

(1.北京市轨道交通建没管理有限公司，北京 100182；2.北京建工土木工程有限公司，北京 100000；3.中国铁建二十局集团有限公司，陕西 西安 700000；4.北京市建设工程安全质量监督总站，北京 100161）

随着轨道交通建设的发展，轨道交通线路建设愈发密集，新修建的隧道由于征地拆迁、线路交叉、临近重要市政设施等因素，不具备充裕的盾构接收场地。盾构安全到达接收是盾构施工的重要工序，常规的盾构接收方法中端头加固方法如渗透注浆、高压旋喷注浆、深层搅拌、冻结、素混凝土墙、钻孔桩、水平注浆及降水无法施工时，如何安全、实用、经济地解决端头不加固情况下盾构接收需求，成为城市轨道交通建设中一个很重要的课题。当盾构接收时受场地、周边构筑物、管线等环境影响无法加固或加固强度、止水无法保证时，需采用其它接收措施，钢套筒接收技术应运而生。赵立峰分析总结了南京地铁3 号线地层加固+冻结+钢套筒技术[1]；张中安分析深圳地铁盾构隧道钢套筒接收工艺及优势[2]；陈珊东探讨了钢套筒在土压平衡盾构接收的适用性及优缺点[3]；贺卫国探讨了地面局部封闭条件下钢套筒接收技术[4]；钢套筒接收安全、经济、行之有效。

1 工程概况

北京地铁17 号线某盾构区间长4557.248m，区间最小转弯半径600m，区间最大坡度+20‰，盾构从勇士营站始发，下穿北五环路、南水北调干渠后到达中间风井，在风井调试检修后再次始发，最终到达暗挖接收井接收。

风井围护结构采用地连墙，主体结构为3 层钢筋混凝土框架结构，两端接盾构区间于风井大里程端接收，空推过风井，于小里程端二次始发。风井范围内除中间轨排井是敞开结构，接收端头封闭仅留1.5m×2m 的预留孔洞，风井位于京承高速东侧高尔夫球场外围绿地内，场地狭小无法进行接收端头加固和降水施工，需在未加固、无降水且无接收吊装井口条件下实现盾构接收。

2 钢套筒设计

2.1 钢套筒主体结构设计

钢套筒总长11460mm，内径6950mm，外径7190mm，共4 节每节长2500mm，过渡环800mm，端盖630mm。每节又分成上下2 个半圆（图1）。筒体采用20mm 厚Q235B 钢板整体卷制而成，设计耐压0.5MPa。在钢套筒筒体外侧焊接横、纵向筋板增强筒体刚度，筋板厚20mm，高140mm，间隔600×600mm。钢套筒各节筒体的端头和上下两半圆接合面均焊接圆法兰，法兰采用40mm 厚Q235 钢板制作，筒体各节之间的连接均采用M27、8.8 级高强螺栓连接紧固，中间加10mm 厚橡胶垫和2mm 厚的遇水膨胀止水胶垫。在各标准节套筒顶部设置2 个外置式吊耳，1 个∅700mm 加料口，底部设置2 个∅100mm带球阀注排浆管。

图1 接收钢套筒示意图

后端盖由上下两个半圆端盖制成，端盖纵向长度为630mm，端盖面板由两块30mm 厚的半圆面Q235B 钢板组成，中间焊接法兰，其面板外侧有横纵多组型钢加力支撑，在支撑交汇处焊接有9 块40mm×800×800mm 的反力架传力钢板。端盖与标准节端头法兰之间用M27、8.8 级螺栓连接，后端盖具体形状见图2。

图2 钢套筒后端盖示意图

2.2 钢套筒支撑系统设计

支撑系统由后方钢管反力支撑、套筒底部托架支撑、工字钢横向钢撑和工字钢顶部支撑组成。各支撑组合保证盾构接收掘进进入钢套筒内部时，钢套筒不在盾构推力和压力作用下发生形变和位移。

2.2.1 反力支撑

钢管反力支撑用于给钢套筒整体提供反力，保证钢套筒在盾构进入套筒内时不在推力作用下发生纵向变位，反力支撑采用9 根∅530mm 钢管支撑，两端设置传力底座，钢管支撑下部的传力底座与风井结构底板预埋件之间焊接固定。反力支撑见图3。

图3 钢套筒后端盖反力支撑示意图

2.2.2 底部托架支撑

钢套筒底部托架支撑分3 块制作，每块均与筒体底部焊接固定构成一体。先将托架板与筒体进行焊接，再焊接托架板之间的横向筋板、底板和工字钢。托架组装完成后与钢套筒标准节下半部分焊接成整体，钢套筒组装完成后将钢套筒底部托架与满铺钢板之间焊接连接，同时利用型钢将托架与风井侧墙顶紧。

2.2.3 横向钢撑和顶部支撑

在钢套筒各标准节的底部托架处利用型钢支撑在风井侧墙结构上，保证钢套筒在盾构接收时不因水平受力发生偏移。采用175H 型钢分2排布设在托架两端，纵向间距1.5m。风井侧墙需埋设钢板保证侧墙具有足够刚度，埋设高度500mm。在套筒各标准节两侧合适位置安装顶部支撑，撑在风井中板结构上，保证钢套筒在接收时不因向上的力发生变位，见图4、图5。

图4 钢套筒支撑安装平面图

图5 钢套筒支撑安装纵向图

3 接收工艺流程

3.1 套筒安装前准备

采用C30 高50cm 素混凝土回填轨排井至接收洞门范围内底板处高度，在底板沿隧道中心线方向铺设3cm 厚10m×2m 钢板，左右线各6 张，钢板铺好后焊成整体，与底板预留钢筋焊接连接。

3.2 接收要求及工艺流程

钢套筒辅助接收施工是将钢套筒与接收洞门预埋钢环焊接连接形成密闭环境，远离洞门一端设置一圆形端盖，用反力架和钢支撑撑在风井结构上，确保钢套筒不会在盾构推力作用下发生位移。钢套筒安装时必须确保整体的密封性和耐压性。安装后在钢套筒内凿除洞门内风井围护结构地连墙，在钢套筒内回填盾构同步注浆浆液，并利用水压使得套筒内压力达到0.2MPa，而后将盾构土压平衡模式直接掘进到钢套筒内，并确保盾尾补浆填充密实，盾体整体进入套筒且盾尾刷脱离二衬结构墙后，在洞门管片处注入双液浆等材料制作止水环箍，防止洞门后方的水土涌进钢套筒内引起地面沉降、塌陷等安全事故。待浆液凝固后，断开钢套筒与洞门之间的连接，平移盾构和钢套筒，拆解并吊出钢套筒，见图6。

图6 钢套筒接收方案示意图

具体流程为：钢套筒通过轨排井分节吊装下井→在轨排井处组装完成→平移至接收洞门位置→根据接收轴线调整套筒角度→将套筒与预埋钢环焊接连接→安装套筒反力系统→套筒内打设砂浆基座→套筒水压试验→回填同步注浆料→盾构接收掘进→注浆封堵洞门→断开套筒与洞门连接及反力支撑→整体平移盾构和套筒至轨排井口→拆除钢套筒，完成接收。

3.2.1 钢套筒主体部分连接

为确保钢套筒整体密封性，在各节套筒连接法兰之间放置10mm 厚密封橡胶垫，密封垫内侧再放置20×10mm 厚遇水膨胀止水胶条，在螺栓紧固力作用下起到密封作用。

3.2.2 筒体与洞门环板的连接

根据测量定位将钢套筒推进至指定位置后，将钢套筒与预埋的洞门环板之间采用钢板进行焊接连接，在两者连接处加焊一圈厚20mm、宽200mm 的环形钢板，使得套筒形成密闭空间，此处焊缝需做磁粉探伤试验，确保焊缝等级达到二级，见图7。

图7 钢套筒与洞门环板连接示意图

3.2.3 套筒密封性、位移检测

在套筒下部安装压力表，筒体内加水至中部接缝以上1m 处，检查钢套筒各标准节之间、过渡环与洞门之间的密封质量，然后再次加水直至满足要求（最大水压达到2bar，并稳压24h）。检查各连接处有无漏水、反力架支撑各焊缝有无脱焊等现象。

试水、加压测试前，在套筒与洞门环板连接处安装位移监测报警器，套筒端盖处安装百分表，加压过程中一旦发现应变超标或位移过大，必须立即泄压、分析原因并采取措施。洞门环板与套筒连接处允许变形量≤2mm，端盖底部受压力最大，允许变形量≤5mm。

3.2.4 砂浆基座

为避免刀盘出洞门时前端栽头，在套筒底部3m 范围内浇筑15cm 厚C20 素混凝土垫层，垫层伸入洞门内与地连墙相接。

3.2.5 回填同步注浆料

检查完毕后，向套筒内回填具有良好流动性和填充性的加强型盾构同步注浆料，见表1，并继续往填料管中加水直至套筒压力为2bar，确保为盾构接收掘进创造土压平衡环境。

表1 同步注浆干料配比

3.2.6 盾构接收掘进阶段

确定接收轴线：因在R=600m 小曲线上接收，盾构进入套筒后不能转弯，不能按常规直线方式接收，盾构推进方向需根据接收洞门中线、套筒中心线和隧道中心线重新确定。接收洞门与风井地连墙夹角87.58°，若根据隧道中心线进行接收，则刀盘出洞7m 后无法继续向前推进；若根据洞门中线进行接收，则盾构出洞后成型隧道偏差-67mm，超出允许值，因此选定洞门中线延长线与隧道中线交点与接收钢环背土面一侧中点连线作为新的接收轴线，此时盾构接收后成型隧道偏差-32mm，满足规范要求。

在接收掘进过程中通过提前计算的DTA 数据对盾构在套筒的位置实时进行监测，盾构掘进时保持垂直姿态不变，水平姿态靠近-40mm 推进，当盾构掘进至指定位置后，最后一环管片成型隧道偏差-32mm，刀盘水平偏差-120mm，此时刀盘距离钢套筒筒体约30mm，满足盾构后续平移出钢套筒的需求，接收轴线与设计中心线偏差。见图8。

图8 盾构接收轴线确定

接收掘进分刀盘顶桩前、刀盘磨除地下连续墙和盾构整体进入钢套筒3 个阶段。

1）刀盘顶桩前掘进 盾构在推进最后50环过程中，根据定向测量和联系测量成果以及盾构出洞轴线设计，对盾构姿态进行微调，姿态调整过程中严格按照少量多次原则进行，使盾构姿态控制在水平+20mm 以内，垂直方向+20～+30mm，确保盾构按照接收轴线顺利进入钢套筒，到达前25 环对盾构姿态进行复核，确保盾构沿指定轴线进入钢套筒，需注意：①盾构在接收掘进过程中，及时超量压注盾尾油脂，防止盾尾渗漏，压注量70～80kg/环；②隧道后15环采用多孔管片，掘进完成后及时壁后注浆，确保管片后方土体注浆效果。

2）刀盘磨除地下连续墙 安装套筒前已凿除背土面地连墙，保留迎土面40cm 厚的玻璃纤维筋地连墙依靠刀盘磨除，需注意：①接收掘进参数：推速＜10mm/min，推力＜4000kN；②刀盘转速＜1.0rpm；姿态控制：为防止出洞后盾构载头，要求盾构前盾姿态高于轴线2～3cm，呈略抬头高于设计轴线姿态出洞；③当破除洞口剩余40cm 厚地连墙时依靠钢套筒内土体背压，在刀盘旋转时将地连墙磨碎，之后将土仓压力加压至1.8bar 左右，混凝土块顺利进入土仓。

3）盾构进入套筒 最后一环管片拼装后停机，及时在盾尾后方管片进行二次注浆制作闭水环箍，止水环箍达到预想效果后启动盾构，盾构整体进入钢套筒。为确保盾尾完全脱离二衬结构墙需增加1 环工作环，将盾构推到距离端盖50cm 后停机。需注意：①推进参数：推速＜5mm/min，推力＜3000kN；②盾构进入钢套筒时采用管片拼装模式掘进，刀盘转速＜1.0rpm，刀盘转动前要与套筒外部联系，确认人员及设备安全，测量监测人员就位后，才能进行掘进模式；③在套筒内掘进过程中，盾构司机与套筒外观察人员需保持密切联系，一旦发现套筒变形超量或有渗漏时，立即停止掘进，及时对钢套筒采取补救措施；④盾构姿态控制：以实际的盾构接收轴线为准，控制盾构推进姿态和拼装管片选型。提前将盾构进入套筒内的轴线DTA 数据输入导向系统，每向前推进一环需及时复核盾构姿态与接收轴线之间的偏差，核算盾构刀盘与钢套筒筒体之间的距离，测量盾尾间隙选择合适的管片排布方式，控制盾构进套筒时的姿态，降低成型隧道与设计轴线之间的偏差。

3.2.7 注浆封堵

盾构磨除地连墙至盾构完全进入钢套筒全过程中，需要及时在每环补充双液注浆，制作止水环箍，尤其是当盾尾通过二衬结构墙后，要及时在多孔管片上进行二次注浆，为了方便注浆需在管片拼装时安装注浆阀门，在盾构完全进入套筒后，立刻对盾尾与洞门结构位置加注双液浆封堵，注浆量为管片与洞门和隧道间隙的150%～180%。注浆时注意观察套筒内压力变化情况。

双液浆配比=水玻璃∶水泥浆=1 ∶1，水泥浆配比为1 ∶1，注浆压力为0.2～0.25MPa。

3.2.8 洞门处理

盾构接收掘进过程中，为确保洞门密封质量，采取以下措施：①盾构接收掘进时，做好同步注浆，填充好施工间隙；②在主隧道掘进的最后15 环每环加注双液浆，制作止水环箍，封堵开挖土体与管片外壳之间渗水通道；③盾尾进入套筒后，在已成型隧道内，利用多孔管片预留注浆孔向管片外侧再次注入双液浆，注浆时观察钢套筒是否有漏浆、形变等情况，如有漏浆或形变过大，立即停止注浆；④最后一环管片为特殊制作的管片，在管片外侧预埋钢板，待钢套筒拆除后，立即将钢板与洞门钢环之间用弧形钢板焊接，预防后期洞门位置发生渗漏。

3.2.9 判断洞门密封效果并泄压

盾构全部进入钢套筒后，使用螺旋出土降低土仓和套筒内压力，等待24h 后，通过观察土仓压力是否回升，或通过土仓闸门观察判断洞门是否有渗漏水现象。此时打开管片上预留注浆孔的球阀、钢套筒过渡板上预留的注浆管，观察钢套筒内是否出水，若水量较大，则继续通过预留注浆管、注浆孔注浆，直至打开球阀无水流出后，方可进行下一步施工。钢套筒拆除前在确保土仓压力无变化时，利用套筒尾端的泄压阀进行泄压，以保障安全拆除套筒。

3.2.10 钢套筒和盾构整体平移

洞门封堵完成后，割除套筒过渡环与洞门钢环之间的连接钢板，拆除反力支撑，割除横向支撑，利用盾构推进油缸将套筒及盾构向前顶进一段距离，再安装液压泵站进行平移，平移采用2组100T 的液压泵站同时进行，在钢套筒基座上安装液压泵站，断开盾体与后配套之间的连接，通过液压泵站将钢套筒及盾体平移至轨排井口。

3.2.11 钢套筒拆除

钢套筒拆除顺序：后端盖拆除→筒体4、3、2、1 的上块拆除→过渡连接块上半部分拆除→盾构平移→筒体4、3、2、1 的下块拆除→过渡连接块下半部分拆除→场地清理。

4 结语

在端头封闭且无加固条件的中间风井采用钢套筒辅助接收工艺成功完成了盾构接收施工，并提出了小半径曲线上接收轴线的确定原则，证明钢套筒辅助接收施工在无吊装条件、无加固条件下是可行的，本文对钢套筒接收施工的重点和施工工艺进行了梳理，为后续类似工程施工提供了宝贵的经验。