中铁七局集团西安铁路工程有限公司 陕西西安 710000
摘要：盾构始发是盾构施工过程中的重要环节，其施工风险较整个盾构掘进过程而言较高，对技术水平要求高。目前，国内常规的盾构始发方式主要是以水平、垂直注浆、施作旋喷桩以及冷冻法施工对始发端头地层进行加固，并利用降水井对始发端头进行降水，这些方法在太原地铁施工过程中均有采用。
但在部分区间施工过程中，由于工期、周边建筑物及地下管线的影响，盾构始发前无法进行始发降水及注浆等工序或传统的注浆加固无法确保加固效果，而冷冻法施工则存在着工期长、费用高的缺点。针对以上问题，中铁七局集团有限公司在太原地铁2号线210标段施工过程中采用了钢套筒密闭始发施工技术，这是太原富水粉细砂层中首次采用该技术。
关键词：盾构；钢套筒；无降水；始发
1 工程概况
1.1 工程基本情况
太原市轨道交通2号线一期工程土建施工SGTJ-210标为一站三区间，分别为缉虎营站、府西街站～缉虎营站区间、钟楼街站～府西街站区间、大南门站～钟楼街站区间。根据前两个区间的施工经验，一般的端头注浆加固措施在富水粉细砂层无法达到理想的加固效果，再加上大南门站～钟楼街站区间由于周边建筑物较多，无法提前进行降水作业，盾构始发存在较大风险。为确保盾构安全、顺利进行，避免始发过程涌水涌砂导致的地层沉降对周边建筑物造成不利的影响，项目部决定采用钢套筒密闭始发。
太原轨道交通2号线210标段大南门站～钟楼街站区间采用直径6.41m土压平衡盾构机施工。根据钻探揭示，本区间地层分布较为稳定，均为第四系（Q）地层覆盖。始发端头地层自上而下依次为杂填土（层高6.89m）、黏质粉土（0.78m）、粉质黏土（6.43m）、粉细砂（9.4m）。区间范围内局部地层存在液化，液化等级轻微～中等，且区间ZDK23+901～ZDK24+003.353范围液化土层位于区间结构基底部分；饱和砂土的液化会导致地层下沉、结构地基基础破坏等，对区间结构产生不利影响。该区间地下水为第四系松散层孔隙潜水，位于<1-1>杂填土，埋深1.4～4.1m。
1.2 始发方案设计
原计划盾构始发采用旋喷桩加固+水平垂直注浆加固，但由于该地区盾构穿越地层以粉细砂为主，且含水量较高，旋喷桩及水平垂直注浆浆液难以凝聚，注浆效果难以保证，始发时极易发生喷涌现象；同时，杂填土土层较厚，土质松散，喷涌一旦发生，就会产生难以控制的地表沉降。
因此，该区间施工前改用钢套筒密闭始发方案，即在盾构始发井内安装钢套筒，盾构机安装在钢套筒内，然后在钢套筒内填充惰性浆液及砂浆等回填物，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，保证洞门内外水土压力平衡，最终确保盾构机在钢套筒内实现安全始发掘进。
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盾构密闭始发结构示意图
2 钢套筒设计
整个钢套筒结构由过渡环、筒体、环梁、反力架和左右支撑等部分组成。
2.1 主体结构设计
本区间采用的钢套筒筒体部分长10000mm，直径（内径）6710mm。分四段，每段又分为上下两半圆。筒体材料用20mm厚的钢板。每段筒体的外周焊接纵、环向筋板以保证筒体刚度，筋板厚20mm，高150mm，间隔约550*600mm。每段筒体的端头和上下两半圆接合面均焊接圆法兰，法兰用40mm厚的钢板，上下两半圆以及两段筒体之间均采用M30、8.8级螺栓连接，中间加10mm厚橡胶垫。在筒体底部制作底部框架，底部框架分四件制作。底部框架承力板用20mm板，筋板用20mm板。框架与下部筒体焊接连成一体，焊接时托架复板先与筒体焊接，再焊接横向筋板。
2.2 支撑结构设计
反力架由框架及支撑体系组成，框架采用800加肋型钢制作，支撑体系主要由Ф609钢管、400H型钢构成，盾构掘进时的后座反向力，通过钢支撑传递至主体结构的底板和侧墙上，钢支撑焊接在预埋的钢板或植筋钢板上。
2.3 环梁设计
环梁宽60cm，分为内侧环梁1及外侧环梁2，始发前安装橡胶密封。始发时由两道钢环、负环管片及钢套筒提供密封空间环境，保证水土压力平衡。
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3 施工方案及效果
钢套筒密闭始发流程如下图：
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3.1 盾构始发施工参数
始发时应严格控制平衡始发推进参数。为控制推进轴线和保护刀盘，推进速度不宜过快。控制钢套筒内盾构的掘进参数。盾构在钢套筒内掘进时，应严格控制掘进速度、土舱压力及推力等重要参数。
1）盾构机总推力<12000kN
2）刀盘切削玻璃纤维筋时，转速应控制在0.3-0.5r/min；通过洞门后转速<0.9r/min
3）刀盘切削玻璃纤维筋时，掘进速度应控制在3-5mm/min；通过洞门后掘进速度逐步提升至10-20mm/min
4）刀盘扭矩不超过2000kN•m
5）土仓内上部土压控制在1.3bar。
在刀盘抵达掌子面前，停止推进，向钢套筒内填充膨润土、砂、粉煤灰、水的混合惰性浆液。通过盾构机预置的膨润土管路，向刀盘土仓内填充膨润土浆液，在刀盘进入土体前，提前建立土仓压力，压力应控制与常规推进时相同，保证土体压力平衡。
3.2 应用效果评价
在盾构机始发过程中对附近地表、管线及建筑物进行严密监测，以端头50米范围内的地表、管线及建筑物观测点为重点监测对象。盾构机于2019年4月8日穿透地连墙正式开始区间掘进，于2019年4月13日封闭洞门。下图为始发过程中地表、管线及附近建筑物最大沉降点沉降值曲线。
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整个盾构始发过程中，地面虽然出现了一定程度的隆起或沉降，但累计总沉降值均控制在±30mm内，整个始发工作安全可控，说明盾构钢套筒可以在无端头加固、降水的情况下确保盾构机安全始发。
结论：
钢套筒辅助盾构始发时，通过将传统开放式的洞门以钢套筒进行密封，使得钢套筒内部的渣土向原状土地层提供反压，有效阻止了盾构始发的洞门水土流失，降低了始发的安全风险。
通过钢套筒在太原富水粉细砂层的成功应用，证明了钢套筒在该种地层条件下无加固、无降水盾构始发实施方案的可行性。
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