张中安
(深圳市地铁集团有限公司,广东深圳 518000)
摘 要：对盾构接收端的主要加固措施进行比较,介绍地面加固措施无法施工条件下,深圳地铁某盾构隧道顺利采用钢套筒接收的案例,得出钢套筒接收工艺是一种可减少地面加固措施的洞内接收工艺,具有安全、适应性强、工期短、可重复利用等优点的结论。
关键词：地铁；盾构隧道；钢套筒；盾构接收；端头加固
盾构接收在盾构隧道施工中属于高风险事件，特别在软弱地层和富水地层中，在盾构机破洞后易造成开挖面失稳而发生土体坍塌和涌水的事故[1-5]。目前在软弱地层和富水地层中常用的端头加固措施主要是地面措施，如地面旋喷桩加固、地面降水、采用U形索墙+搅拌桩加固等措施[6-7]。
对于地面管线复杂、交通疏解困难、周边建构筑物影响而无法采取地面加固措施，或对于在较厚填石层等地区，地面施工困难，加固效果欠佳，此时只能采用洞内加固措施。现主要的洞内加固措施有：水平旋喷桩加固[8]，钻注一体化水平注浆加固[9]，冻结法加固[10]等。以上洞内措施均存在提前钻孔施工的工况，钻孔过程可能出现涌水和塌孔。以上洞内措施对于不适合的地层加固效果难保证。洞内加固措施相对地面措施还存在加固费用高、工期较长等劣势。
为克服上述加固措施的缺点，采用最近几年发展起来的钢套筒接收工艺[11-12]，钢套筒具有施工安全、工期短、可重复利用等优点，成为保证盾构安全接收的有效措施。
表1为钢套筒接收工艺和常规接收工艺的对比，从表中可以看出，钢套筒接收具有受地层、外界条件影响小，不占用地面场地，施工工期短，可重复利用等优点。
表1 各种盾构接收工艺对比
项目地面旋喷桩加固U形素墙+搅拌桩加固水平旋喷桩加固钻注一体化水平注浆加固冻结法加固钢套筒接收受地层、外界条件影响较大大较大较大大小占用地面场地较小大无无较大无设备大小较小大较大较小大较大工期较短较长较短较短长短一次性投入较大一般较大较小大较大可重复利用否否否否否是施工精度一般一般较高一般高高
随着地铁建设周边边界条件越来越复杂，替代传统端头加固方法的钢套筒接收工艺最近几年已在国内开始应用，深圳地铁三期7、9号线建设在个别工点也开始尝试采用钢套筒接收盾构。根据深圳地铁的应用情况，钢套筒接收工艺在软弱地层中能起到保证施工安全的作用。
以深圳地铁三期某盾构隧道接收为例，介绍钢套筒接收成功的案例，为后续工程提供借鉴。
本区间盾构接收端隧道埋深约16.5 m，所处地层自上至下依次为素填土，粉质黏土，粗砂，砾质黏性土，全、强、中、微风化花岗岩，盾构隧道处于强、中、微风化花岗岩的上软下硬地层中。
接收端位于十字路口西侧，隧道上方横跨一根埋深约8 m的8.6 m×4 m的雨水箱涵，且上方存在较大给水管、DN200燃气管和通信电力管线。
根据隧道所处地层，盾构出洞位置处于上软下硬地层，且上部存在较厚含水砂层，盾构机掘进过程中保压困难，掘进参数较难控制，出洞风险非常大；而由于地面管线、交通等影响，无法进行地面加固措施。
鉴于该接收部位不具备采取地面加固措施的条件，考虑采用洞内加固措施。
对于上软下硬地层，水平旋喷桩加固、水平注浆加固无法保证隧道安全进洞；冻结法加固需要视土体的含水量多少、水量流速大小确定是否能成功冻结，且冻结法费用高，工期长，并非很好的加固方案。盾构在上软下硬地层姿态控制比较困难，土压平衡难建立，上面的软土容易造成超挖，导致地面严重沉降。为避免地面沉降超限致使雨水箱涵破裂漏水，保证盾构进洞期间压力稳定，并保证盾构破洞过程中洞门圈梁绝对封闭，确定采用接收钢套筒工艺。
采用钢套筒接收盾构机的主要设计原理是在盾构井内施做一能完全包住盾构机机身的钢套筒结构，在钢套筒内模拟出隧道正常开挖的土层压力条件，在盾构破洞门过程中建立起正常掘进的压力，并把洞门环与钢套筒密闭连接，防止出洞过程中水土涌入盾构井，保证盾构接收的安全。
图1 钢套筒接收整体示意
图2 钢套筒立面(单位：mm)
图3 钢套筒现场
接收钢套筒是一端开口的桶状钢结构，整个钢套筒结构分为筒体、后端盖、反力架和加固支撑组成。
(1)筒体
筒体为整个工艺最主要部分，其长度取刀盘到盾尾的长度，对于外径6 300 mm的盾构机，本区间采用长9 900 mm，内径6 500 mm的筒体。钢套筒筒体分为前、中、后三段，每段3 300 mm，每段又分为上下两半圆。筒体外周均匀焊接纵、环向钢肋板，以保证筒体刚度。上下两半圆、两段筒体之间均采用螺栓连接，中间加橡胶垫，保证连接部位的密封性。筒体底部制作钢托架，钢托架与上部筒体焊接连接。托架组装完后，其底部与车站底板预埋件焊接，托架须与车站侧墙顶紧。
钢套筒按能承受接收端2倍土压力设计，经计算本区间选择Q235B、厚16 mm的钢板。
(2)后端盖
后端盖由冠球盖和平面环板组成。冠球盖钢板整体冲压成形，平面环板与冠球盖外缘焊接成整体。平面环板与筒体通过螺栓连接，连接部位中间加橡胶板，以保证气密性。
(3)反力架
反力架由型钢焊接成型，紧贴后盖平面板安装，冠球盖部分不与反力架接触。反力架应与后部车站有可靠连接或顶紧，接收前应先进行预压，没问题后才能正式接收。
(4)筒体与洞门的连接
除了筒体本身的气密性是控制接受成败的关键因素，筒体与洞门连接的气密性也是关键因素之一。设计钢套筒与洞门不直接连接，而是通过中间一过渡连接板连接，过渡连接板与洞门环板采用烧焊连接，与钢套筒通过法兰端采用螺栓连接。
在确定采用钢套筒工艺后，首先应根据采用的盾构机型号设计合适尺寸的钢套筒，钢套筒出厂前应进行试拼装，并检查其气密性。
在盾构到达前，于竖井内组装钢套筒，钢套筒定位应满足精度要求，保证隧道中心线和筒体中心线重合。钢套筒组装完毕后向筒内填砂、加水和封闭钢套筒，期间注意钢套筒和洞门的连接。检查钢套筒的气密性，合格后才能进行接收，否则应对漏气点进行修复处理。
盾构机完全进入钢套筒后，应对盾尾后5环管片进行二次注浆，直至确保隔断端头与钢套筒的水力联系后，排空钢套筒内泥浆，打开加料孔试水，最后拆解钢套筒吊出盾构机。
图4 盾构机到达施工流程
盾构机成功的接收主要取决于钢套筒本身的质量、定位和盾构到达的掘进参数、姿态等。
由于钢套筒内径比盾构刀盘直径仅大200 mm，故钢套筒定位须严格控制底部高程和中心线位置，确保筒体中心线与隧道中心线重合。
钢套筒的气密性关系到盾构接收稳压及接收过程盾构井内的安全。钢套筒组装完成后，应在筒体内加气检查其密封性，若密封性不达标，应找出泄气部位，对其进行修复。钢套筒能承受的压力可按2倍土压力计算，在加气12 h内，气压保持在90%内即为合格。
(1)到达前检查盾构机，调整掘进姿态
盾构到达前，应选择合适位置对盾构机进行停机检查，对刀具进行更换，使盾构机处于最佳状态。到达前30环对盾构机姿态进行复核，确保盾构机沿设计轴线推进进洞。
(2)碰壁前调整掘进参数
在盾构掘进过程中应严格控制土仓压力和出土量，保持开挖面稳定。碰壁前推进速度减小到5 mm/min以下，推力减小到10 000 kN以下，刀盘转速减小到2 rad/min以下。为避免盾构进洞出现“磕头”现象刀盘旋转刮到钢套筒，出洞时盾构机机头应略呈抬头姿势。盾构到达地连墙时，停机向刀盘前注入聚氨酯，填充盾体与地连墙间空隙，防止破洞后地下水进入刀盘前方。
盾构进入钢套筒后，为阻止盾尾后方水进入盾构前方，应在盾尾后5环管片处开始二次注浆，形成注浆封堵环。盾构进入筒体过程中，刀盘应停止转动，并密切观察钢套筒顶部情况，一旦发现变形超限或有渗漏情况，须立即停止掘进采取补救措施。
本工点在未采取其他加固措施的前提下，直接采用钢套筒接收工艺，成功于上软下硬地层中安全接收盾构机。
从最近几年钢套筒接收的成功案例看出，采用该工艺不受地面条件、地层条件的影响，能节省洞外加固措施费用。虽然钢套筒制作精度较高，单个钢套筒的制作费用高，但其具有可循环利用的优势且安全性好，随着该工艺的成熟，其造价也会逐渐降低，钢套筒接收工艺具有较好的推广前景。
参考文献：
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(Group Shenzhen Metro Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)
Abstract： This paper compares the main reinforcement measures for shield reception and introduces a Shenzhen subway shield tunnel received successfully with steel sleeve under the conditions that the ground reinforcement measures can not be implemented. Steel sleeve is a kind of receiving process in the tunnel to reduce the ground reinforcement and characterized by safety, strong adaptability, short construction duration and can be reused.
Key words： Metro; Shield tunnel; Steel sleeve; Shield reception; Shield end reinforcement
中图分类号：U451
文献标识码：B
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.023
文章编号：1004-2954(2016)02-0110-03
作者简介：张中安(1968—)，男，高级工程师，1991年毕业于上海铁道学院铁道工程专业，工学学士，E-mail：309851057@qq.com。
收稿日期：2015-08-17； 修回日期：2015-09-11
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