李成云
中铁一局集团城市轨道交通有限公司 江苏无锡 214000
摘 要：钢套筒密闭始发方案是盾构平衡始发施工技术的一种具体应用。不同于传统地层加固的盾构始发方式，该方案通过密闭钢套筒提供平衡掌子面的水土压力，使得盾构机在钢套筒内如同常规掘进状态始发掘进。杭州地铁9号线某区间盾构工程，始发端地层为典型的承压水富水软弱地层，在施工过程中因始发端头地面条件限制情况，在本地区内首次采用了盾构钢套筒密闭始发施工方案，实施效果良好，为盾构始发施工的投资、工期、场地、安全等问题提供了新的思路，可为后续同类工程提供参考。
关键词：土压平衡盾构；钢套筒始发；微加固；刚度、保压密闭性
1 前言
近年来，随着我国经济建设的高速发展和城市化建设步伐的加快，许多城市都面临着日益严重的交通问题，大力发展城市轨道交通，构筑多层次立体化的城市交通格局已经成为众多城市的必然选择。其中地下轨道交通以其安全、准时、快捷、运量大等优点成为解决城市交通拥挤的重要手段。
盾构法施工作为当前城市轨道交通建设成熟的主要工法，在各类地层条件下得到了广泛应用。但是随着线网的密度加大，受规划限制及地面和地下构筑物等条件的制约，地质条件、地面环境复杂工况已成为地铁建设过程难以避免的因素，规划建设的盾构隧道始发（接收）端头必然出现不能按照常规的形式进行预加固处理的情况，且地质、周边环境条件往往比较复杂。如果施工预处理及始发施工控制不力，则会对邻近建构筑物产生附加内力和附加变形，就可能产生开裂或者变形，影响工程环境的安全。如何采取有效的措施控制地表沉降值在安全范围内，最大程度的降低隧道施工对建筑物或既有管线的影响已成为轨道交通工程建设中一个迫切解决的问题。
因此，本文基于典型的杭州淤泥质富水砂性软土地层、无地面预处理条件且周边环境复杂的工况，首例采用“钢套筒+微加固”的方案组织安全盾构始发，系统的解决了施工面临难题，对后续同类工况的施工具有一定的借鉴意义。
2 钢套筒应用的特点及问题
盾构钢套筒始发技术已经被应用于全国的地铁盾构隧道建设中。但在大部分工程中，钢套筒辅助技术是在端头加固难以确保盾构安全始发和接收时联合端头加固工艺被应用于盾构始发和接收工程中。通过调研盾构钢套简始发和接收工程情况，发现目前钢套筒应用中存在的主要问题如下：
1)钢套筒刚度不足导致钢套筒在应用过程中变形量过大，可循环使用次数偏低；
2)钢套筒与洞门预埋环板连接处开裂，钢套筒和反力架变形过大引起结构破坏；
3)钢套筒的密闭性差，各连接部位出现渗漏水现象，导致土舱无法维持自身需要的压力而引起掌子面塌陷；
4)钢套筒的保压性不良，难以维持钢套筒筒内压力的稳定。
3 工作原理
密闭钢套筒平衡始发依据平衡始发原理，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，使盾构机破除洞门前即已建立了水土平衡的环境，始发等同于常规掘进，从而避免了盾构机始发过程中因为欠压或渗漏而出现塌方的情况。从直径和长度进行设计，通过把直径与长度设计成比盾构略长的钢套筒与洞口密闭连接，盾构机安装在钢套筒内，然后在钢套筒内填充回填物，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，盾构在钢套筒内实现安全始发掘进进入前方土体，最终使盾构能够正常掘进施工。
4 施工操作要点
4.1 隧道洞门处围护结构设计及端头地层微加固
洞门范围内围护结构设计采用“玻璃纤维筋”可利用盾构机刀盘的刀具直接进行洞门破除，实现快速出洞，规避了人工凿除洞门的风险。再对洞门后方因围护结构施工及基坑开挖期间扰动后存在缺陷的地层加以微改良处理，可采用一般的高压旋喷技术。
4.2 洞门预埋钢环及安装
在始发井端头内衬结构施工时，预埋洞门钢环；洞门预埋钢环加工时严格控制构件的加工精度以保证正常使用；在预埋时严格控制安装精度：洞门中心安装位置、垂直度等；盾构机在吊装下井前，需对地面导线、高程进行联系测量，并对洞门钢环中心（洞门施工水平/垂直控制偏差±50mm）、结构（满足图纸净空尺寸要求）进行复测，托架安装将根据洞门复测实际结果进行控制，预埋钢环制作精度内径允差±5mm，安装误差±10mm。
4.3 钢套筒安装
（1）钢套筒为组焊件，分别用钢套筒结构t=16、t=20、t=40钢板加工而成，凡在对接部位均采用坡口焊接，焊缝高度≥对接钢板厚度的一半，螺栓连接部位所有空直径均为Φ=32mm，采用M30×120 8.8级高强螺栓连接。采用Q235材质钢板辅助法兰筋板、支撑连接板、内支撑、纵筋板（筋板）进行各组件支撑和连接，能够保证套筒整体刚度，并能减少使用过程中的变形。
（2）洞门检查
钢套筒安装前需对洞门预埋环板进行检查。为防止盾构始发时刀盘切削到连续墙钢筋或工字钢接头，造成刀盘损坏，对洞门圆周一周凿除连续墙的混凝土保护层，露出玻璃纤维筋，确认洞门范围不存在钢筋。
（3）安装过渡环
过渡环与预埋环板通过焊接连接，焊缝沿过渡环一圈内侧点焊，并在内侧贴遇水膨胀止水条，在过渡环与预埋环板焊接的外侧涂抹聚氨酯加强防水，并加焊槽钢进行补强。如出现过渡环与预埋环板有些地方出现较大空隙，需在这些空隙处填充钢板并连接牢固，务必将空隙尽可能地堵住。
（3）安装钢套筒下半圆和反力架
①在开始安装钢套筒之前，首先在基坑里确定出井口盾体中心线，也就是钢套筒的安装位置，使从地面上吊下来的钢套筒力求一次性放到位，不用再左右移动。
②吊下第一节钢套筒的下半段，使钢套筒的中心与事先确定好的井口盾体中心线重合。
③钢套筒与过渡环采用螺栓连接。
④反力架的安装与常规盾构始发反力架安装一致。
（4）安装定位钢轨、洞门导轨，并填料
在钢套筒下方60°圆弧内平均分布安装2根43#钢轨，钢轨从钢套筒后端铺设至洞门围护结构2m位置，钢轨每隔50cm采用压板焊接固定，压板焊接在钢套筒筒体上。根据盾构机标高，在洞门下部安装2根导轨，靠近盾构机端制作成斜坡。
为确保底部砂层提供充足的防盾构机扭转摩擦反力，在钢套筒底部2根钢轨之间铺砂并压实，每个位置的铺砂高度高出相应钢轨的高度15mm，待盾构机放上去后，进一步压实。另外，为防止填料流入洞门，保证盾构周圈填料的密实度，在首节钢套筒中部焊接一道反向止浆板（可采用废旧盾尾刷）。
（5）钢套筒内安装盾构机
在钢套筒内安装盾构机主体，并与连接桥和后配套台车连接。
（6）安装钢套筒上半圆
钢套筒上半圆安装好后，调整压紧螺栓，检验连接安装部位，确保其连接完好性，尤其是钢套筒的上下半圆、节与节部分之间连接，还要检查过渡连接板与洞门环板之间的连接情况，看是否存在脱开的现象，发现有隐患，要及时处理。
（7）安装负环、盾构机刀盘推进至洞门掌子面
钢套筒、反力架安装完毕，盾构机调试完成后，安装负环、盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面但不切削掌子面。第一环负环在盾尾内拼装成型后，通过千斤顶整体向后顶推至紧贴加强环梁，管片与加强环梁之间采用螺栓连接，接缝采用丁晴橡胶密封垫密封。
（8）第二次钢套筒内填料
盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面后，向钢套筒内进行第二次填料（材料采用粗砂）。在填料过程中适当加水，并通过钢套筒下部的排水孔排出，以保证砂的密实。
（9）压力测试
①渗漏检测
从加水孔向套筒内加水，至压力达到3bar时停止加水，加水过程中检查各连接部位有无漏水，若出现漏水或脱焊情况，必须马上泄压并及时处理，处理后再进行压力测试，直至压力稳定在3bar并未发现漏水点方可确认钢套筒的的密封性。
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②位移检测
在盾构机组装过程中在钢套筒前方、反力架后方、侧方共布置5个百分表，主要是测试钢套筒及有无变形，以及钢套筒环向连接位置的位移等。
在试水、加压测试前，在钢套筒与洞门环板连接的部位分区域安装应变片，在钢套筒表面安装百分表，量程在3~5mm,可控制变形量或位移量精度在0.5mm左右。在加压过程中，一旦发现应变超标或位移过大,必须立即进行卸压、分析原因并采取解决措施。
（10）负环管片壁后注浆
在盾构机刀盘贴近洞门掌子面后，通过靠近反力架两环管片的吊装孔进行壁后注浆，注浆材料采用可硬性浆液，在管片后面形成一道密封防渗环。
5 实施情况
通过借鉴以往其他城市的盾构钢套筒始发施工经验，加以优化设计，本工法在杭州地铁9号线临平站~邱山大街站区间得以实施，安全顺利完成了2台盾构机的始发工作，钢套筒回填密闭性、保压效果良好，在钢套筒密闭空间内盾构“破桩”期间仓压便可达到理论值，有效的保证了建压始发的钢套筒核心原理，使掌子面自始至终压力平衡，始发过程中地面沉降累计量＜5mm。为盾构复杂条件下始发的顺利进行提供了安全保障，规避了地面条件的限制，极大地降低了盾构始发的安全风险。
6 结论与讨论
钢套筒辅助盾构始发和接收时，钢套筒刚度、密闭性、保压性以及施工参数的控制是盾构安全始发和接收收的关键。通过对无端头加固条件下的钢套筒始发和接收技术进行研究，得出以下结论：
1)改进钢套筒采用1节过渡环+4节钢套筒+1节密封加强环梁进行设计，采用钢板辅助法兰筋板、支撑连接板、内支撑、纵筋板（筋板）进行各组件支撑和连接，施工更加便利，整体性更强，刚度更大；
2) 洞门处及盾尾处的密封采用加强反力架一次性加力并定位，采用焊缝探伤监测和耐压试验检查接缝密封性，取消了传统反力调节装置所带来的施工复杂性和设备性能风险；个法兰连接面通过T型密封条（配合密封胶）进行密封，能有效减少钢套简与洞门环板连接处以及钢套筒拼装缝处的变形和位移，提高钢套筒的密闭性能。
通过采用改进的盾构钢套筒始发和接收技术，在无端头加固的条件下，成功的完成了土压平衡盾构钢套筒始发。
作者简介：李成云（1988），男，大学本科，工程师，目前主要从事城市轨道交通工程施工及管理工作，电子邮箱：517271468@qq.com。