任青山
广州地铁集团有限公司 广州 510330
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，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。依托广州地铁3号线东延段番禺客运站—广州新城西站区间盾构工程，对钢套筒密闭始发技术进行研究，实践表明，采用钢套筒密闭始发工艺可以不进行端头加固及降水处理，避免进行征地拆迁、管线迁移等施工。通过采用盾构钢套筒密闭始发施工，为相关地铁盾构始发施工提供了参考和借鉴。
关键词：盾构；钢套筒；密闭；始发
中图分类号：TU354 文献标志码：A 文章编号：
Study on Construction Technology of Shield Steel Sleeve for Metro
Ren Qingshan
（Guangzhou Metro Group Co.，Ltd. Guangzhou 510330，China）
Abstract:Sealing starting scheme of steel sleeve is a specific application of balanced starting construction technology of shield tunneling. This scheme provides water and soil pressure on the balanced face through the sealed steel sleeve, so that the shield tunneling machine can start tunneling in the steel sleeve as in the conventional tunneling state. Based on the shield tunneling project between Panyu passenger station and Guangzhou xincheng west station in the east extension of guangzhou metro line 3, this paper studies the steel sleeve sealing starting technology. The practice shows that the steel sleeve sealing starting technology can avoid the end reinforcement and precipitation treatment, and avoid the construction of land acquisition and demolition, pipeline transfer and so on. By using shield steel sleeve to start the construction, it provides a reference for the relevant subway shield construction.
Key words: shield; Steel sleeve; Airtight; originating
1 引言
近年来国内城市化进程发展迅速，城市交通出行压力日益增大，地铁逐渐成为城市交通出行的重要选择，盾构法因其众多优点已成为一种被广泛应用的施工工法。但是，地铁隧道盾构始发时事故依旧时有发生，为降低盾构始发施工的风险，涌现了多种辅助工法。针对盾构始发端头的复杂地层，国内传统的做法是对地层进行加固，提高地层强度、渗透性等指标，避免盾构在始发掘进的过程中出现地面塌陷、涌水涌砂等事故。但在一些区间施工过程中，受场地条件、建构筑物、管线迁改等因素限制，传统的地层加固方式难以实施或不能保障加固效果，为盾构始发施工埋下了安全隐患。为此，盾构钢套筒平衡始发技术得以在一定范围内推广，该技术可以在破除洞门前为盾构始发建立水土平衡环境，与端头加固始发相比，钢套筒辅助盾构始发具有安全经济、适用性强等优势，本文以广州轨道交通3号线东延段番广区间直径6 m的盾构隧道为对象，对盾构钢套筒始发的关键技术进行了研究，通过钢套筒密闭空间提供平衡掌子面的水土压力，盾构在钢套筒内实现了安全始发施工。
2 工程概况
广州地铁3号线东延段番禺客运站～广州新城西站区间左线起止里程为：ZDK30+932.060~ZDK33+741.820，长2806.507m（含短链3.253m）；右线起止里程为：YDK30+932.060~YDK33+741.820，长2812.92m（含长链3.160m）。该区间出番禺客运站后，由西向东沿亚运大道敷设，先后下穿傍雁路人防通道、雁洲涌支涌桥、雁洲涌桥、南沙港快速路（清河特大桥）、傍江东涌桥、清河立交I匝道、沙涌桥和小龙涌桥，侧穿多处高压电塔等，最后到达广州新城西站。区间隧道最小平曲线半径为900m，线间距13.4m～50.5m。区间隧道整体呈“W”坡，最大纵坡28‰，最小纵坡4‰，隧顶埋深10.5m～20.9m，区间沿线重要的管线有亚运大道大直径污水干管（直径1.6~2.0m）、给水管（直径0.8~1.0m）、雨水管（直径0.8~1.2m）、多条110KV高压电缆、燃气管（直径0.16~0.2m）、光缆等。
盾构始发端头自上而下地质主要为<1-2>素填土、<2-3>淤泥质中粗砂、<2-1A>淤泥、<4N-2>粉质粘土、<4-2B>淤泥质土、<5H-2>砂质黏土、<6H>花岗岩，其中盾构始发洞身范围主要为<4N-2>粉质粘土、<4-2B>淤泥质土、<5H-2>砂质黏土，基底位于<5H-2>砂质黏土，见图1。
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3 设计方案
初步设计阶段，番禺客运站始发端头为左右线贴车站围护结构地连墙一侧采用一排φ600@450旋喷桩、外部采用φ850@600mm三轴搅拌桩进行加固，沿隧道方向长9.4m，隧道边线两侧各3m，总计加固长度10m，加固高度自地面起伸入盾构结构底以下3m，始发阶段隧道埋深约11.9m。见图2、图3。
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盾构始发端头加固场地受限的情况下，端头加固施工效果得不到保障；管线迁改施工工期长、难度大、费用高，且端头加固体凝期长，难以满足工期要求。为解决上述问题，在施工图设计阶段，采用钢套筒密闭始发施工方案进行盾构始发。
4 钢套筒始发原理与施工工艺
在盾构掘进前，在车站盾构始发井内安装钢套筒，盾构机安装在钢套筒内，随后在钢套筒内填充回填物，钢套筒一端与洞门地下连续墙紧密连接，另外一端通过千斤顶与反力架相连，并在钢套筒内部拼装负环管片。盾构机在破除洞门前，可以通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，盾构机在钢套筒内从而实现安全始发掘进。
4.1钢套筒设计
整个钢套筒结构由过渡环、筒体、钢环、反力架和支撑体系等部分组成。钢套筒钢板选择Q235B，板厚δ=20mm，筒体总长11200mm，筒体内径6620mm，分四段，每段又分为上下两半圆。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100mm，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，底部框架承力板厚20mm，筋板厚20mm。框架与下部筒体焊接连成一体，焊接时托架腹板先与筒体焊接，再焊接横向筋板。见图4。
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4.2过渡环安装
在车站洞门环预埋环板的基础上，钢套筒与洞门环板之间设一圈过渡环（厚20mm），过渡连接板的长度可以根据盾构接收井的长度进行调整，该工程过渡环的长度为800mm，洞门环板与过渡环采用焊接连接，若出现过渡环与洞门环板无法密贴，需在空隙处填充钢板并焊接牢固。
4.3钢套筒下部安装
首先在盾构始发井内测量并确定中心线，然后吊装各节钢套筒下部，法兰处用10mm厚橡胶垫片密封，采用M30高强螺栓紧固连接安装。
4.4钢轨安装及盾构机组装
在钢套筒内下方安装钢轨，在靠近洞门处钢轨垫高20mm，在钢套筒底部钢轨之间铺砂并压实，铺砂高度高出钢轨20mm，随后在钢套筒内组装盾构机，待盾构机放上去后进一步压实铺砂。
4.5钢套筒上部安装
盾构机组装完成后，进行钢套筒上部的安装，之后详细检查各环钢套筒连接安装情况及过渡环与洞门环板焊接情况，确保安装效果。
4.6反力架、钢环安装
盾构反力架由框架及支撑体系组成，框架采用加肋型钢制作，支撑体系主要由Ф530钢管构成，钢环（400mm）紧贴反力架安装。盾构掘进时通过反力架及支撑体系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上，支撑与底板预埋件需焊接牢固，确保焊缝质量。
4.7负环拼装
负环管片采用标准环、错缝拼装，利用盾构千斤顶将负环管片推出盾尾与反力架钢环紧密连接。
4.8钢套筒二次填砂
盾构机刀盘推进至洞门连续墙处，切口环、刀盘后面用砂袋填充一周，避免填充砂子进入土仓，通过钢套筒顶部填料口对钢套筒与盾体外侧的间隙进行第二次填砂并将钢套筒填满，在填充过程中加水，使砂子尽可能密实。
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4.9负环背后注浆
为确保钢套筒与负环管片之间间隙的密封，对负环管片通过吊装孔进行背后注浆，采用惰性浆液，从而形成密封止水环。
4.10钢套筒压力测试
在盾构始发前，需对钢套筒进行压力测试，可以通过盾构机刀盘泡沫口加水进行水压力试验，检验钢套筒的密封性能，一般取1.5倍土压初始值进行试验，检查钢套筒环纵向连接处、洞门连接处、反力架处是否有漏水，若漏水需泄压并加快处理，一般测试压力保持4h无变化则证明钢套筒密封良好，具备盾构始发条件。
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5 钢套筒始发施工重点控制分析
5.1切削连续墙
盾构机在切削连续墙混凝土时，推进速度控制在3～5mm/min，扭矩不大于2000kN.m，千斤顶总推力300～600t。通过洞门后，速度可逐步提升至10mm/min，千斤顶总推力逐步调整600～800t，施工过程中根据施工情况及时再对施工参数进行调整。
5.2始发装置变形
在始发过程中，可能引起钢套筒与洞门环板连接处拉裂，钢套筒及反力架变形而影响盾构始发。因此在始发前需严格检查洞门连接处情况，在反力架与环梁之间施加预压力，同时对钢套筒及洞门环板连接处及反力架进行实时监测，对于出现变形量较大的部位及时进行补焊，增加钢肋板及斜撑等，保障各构件连接稳定。
5.3盾构机防扭转
盾构机在切削地连墙时，产生较大扭矩，易引发盾体和钢套筒扭转问题。可以在钢套筒基座两侧及钢套筒上部采用工字钢及槽钢与结构墙连接，同时在负环内侧沿环向同钢环焊接钢板限位，也可将刀盘正转、反转结合，减小盾构机滚动角。
5.4钢套筒密封
钢套筒与洞门环板处设置过渡环，过渡环与洞门环板焊接密封，在过渡环外侧设置加筋肋板。钢套筒每节法兰连接处采用橡胶垫进行密闭处理，避免出现渗漏。在反力架处焊接钢环，负环紧靠在钢环上，并在中间设置密封止水条，确保密封效果。
5.5盾体及管片上浮
在盾构始发掘进时，刀盘喷射泡沫及水等改良渣土，出渣时可能损失部分套筒内填充的惰性浆液，导致钢套筒内含水量增多，顶部出现空位，易引起盾体及管片上浮。在地连墙处掘进时，注入较高浓度的膨润土，补充可能因出渣损失钢套筒内填充的惰性浆液，通过实时监测，必要时对管片间连接槽钢，以控制管片浮动。
6 监测情况
6.1钢套筒变形监测
为掌握盾构始发时钢套筒变形及反力架位移情况，在过渡环与洞门环板连接处、各节钢套筒连接处、反力架处设置百分表。通过实时监测，钢套筒及反力架变形为±0.2mm，满足控制要求。
6.2沉降监测
为掌握盾构始发时对于地面沉降的情况，在始发端头及盾构影响范围内布设监测点实时进行地表沉降监测。通过实时监测，累计最大沉降值为-3.1mm，满足控制要求。
7 结论
（1）该施工工艺可有效降低因盾构始发端头加固条件缺陷和软土不良地质条件而引发的盾构始发安全风险，避免了端头加固范围场地不足或需要迁改管线工作，节约了时间。
（2）盾构始发钢套筒可以循环使用，具有良好的经济效益。
（3）钢套筒的前端、各部件连接处及尾端的密封至关重要，避免出现渗漏，可以完成建压，确保掌子面稳定，保障了始发的安全。
（4）钢套筒密闭始发是采用密闭的钢套筒提供了平衡掌子面的水土压力，实现盾构机在钢套筒内类似在正常掘进状态中的始发，对盾构始发施工具有一定的指导意义，可以推广并深化发展应用。
参考文献
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