淤泥加砂地层泥水盾构钢套筒分体始发关键技术研究

李希宏 ，万 陶 ，贺创波

1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430014 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430014

钢套筒平衡始发技术可以在破除洞门前为盾构提供水土平衡环境，与端头加固法相比，其安全性、可靠性和经济性有较大的提高。针对钢套筒辅助盾构始发技术，国内学者进行了一些研究，例如，伍伟林等[1]通过研究表明，反力调节装置能提高钢套筒的密闭性能；李飞等[2]对盾构接收辅助装置进行了设计研究；由于始发场地条件受限，盾构一般采用分体始发技术，卜星玮等[3]提出了解决始发空间小、盾构组装、始发与设备材料垂直运输、人员进出困难等问题的方法；刘金峰[4]对武汉轨道交通6号线马钟区间盾构分体始发施工技术进行了研究。虽然对泥水盾构钢套筒始发和泥水盾构分体始发的研究较多，但泥水盾构钢套筒分体始发的项目比较少，故此类项目具有较好的研究价值。

1 工程概述

福州某地铁区间盾构始发端基坑长度为54.5m，泥水盾构机长度为112m，整体始发所需长度为130m，基坑长度不满足盾构机整体始发要求，因此采用分体始发。根据基坑长度始发时1～3号台车放置在井下，4～7号台车放在始发井边上，3号台车与4号台车之间通过延长管路进行连接（见图1）。

图1 分体始发连接线缆

区间采用泥水盾构，刀盘直径为6.5m，盾构始发地层为全断面淤泥夹砂地层（见图2），隧道埋深为9.4m，地下水位于地表以下3m附近，基坑紧邻跃进河，地下水补给丰富，始发风险较大，为了降低始发过程中涌水涌砂风险，采用钢套筒分体始发技术。

图2 地质断面图

因为始发地层为淤泥加砂地层，土体承载能力低，为了防止盾构机始发时出现栽头现象，所以端头加固采用Φ800mm@550mm三重管高压旋喷桩对隧道穿越范围内地层进行加固，纵向4m，宽度至结构线外3m，加固深度为地面至隧道底部以下3m，加固长度为4m。

2 技术措施

对于泥水盾构钢套筒分体始发而言，其主要的技术难度为钢套筒的防渗、钢套筒内填料的密实性、盾体在钢套筒内的扭转、掘进过程中连接管路的磨损等，以下对钢套筒分体始发过程中的关键技术进行研究。

2.1 钢套筒防渗技术

钢套筒加工质量差精度低、拼装质量不合格、变形超限等会引起钢套筒渗漏，影响盾构始发过程建压，渗漏严重时钢套筒内同步注浆不饱满，导致始发阶段出现管片上浮、管片错台等问题。可采用以下措施解决钢套筒渗漏问题：（1）在钢套筒块间拼缝设置两道密封槽，内置O型橡胶圈，增加接缝处的密封性。（2）通过理论计算和数值模拟，验算钢套筒结构强度和支撑强度，防止钢套筒变形过大导致拼缝渗漏。（3）侧向支撑焊接在钢套筒结构主肋板上，避免支撑直接抵筒体结构上导致钢套筒局部变形过大产生渗漏。（4）始发阶段加强钢套筒的变形监测，变形过大时及时降低盾构推力及钢套筒内压力，并对钢套筒进行加固。（5）在钢套筒两侧各留设两排球阀，盾尾脱出后注入少量双液浆，及时固定管片。（6）严格按照方案试压，保压合格后盾构再始发。（7）做好应急预案，始发过程中出现渗漏时，及时对渗漏点进行焊接或用堵漏王进行封堵。

2.2 钢套筒填料技术

由于钢套筒内填料不密实，始发掘进过程中容易造成水土流失，增大了涌水、涌砂的风险；由于填料不密实，钢套筒内填料对盾体的握裹力较小，增大了盾体发生扭转的风险。因此，填筑过程中为保证钢套筒内填料密实，可采取以下措施：（1）在盾构机下井前，始发轨道内部区域先填充中砂（见图3），填充高度按照盾构机的弧面确定，填筑过程中压实中砂，保证底部填料的密实性。（2）在上部三块钢套筒上都设置填料口（见图4），便于施工中填料密实。（3）填料过程中通过钢套筒上设置的球阀，放出多余注水，多次反复冲砂放水直至钢套筒内填砂密实。

图3 底部填砂

图4 上部填料口

2.3 盾构防扭技术

盾体扭转角过大时，盾体会带动拼装机、连接桥及台车出现不同程度的扭转变形，导致连接桥横支撑局部扭曲，出现连接桥拉伸油缸基座脱落、皮带被动轮垮塌、管片轻微破损、台车下方的轨道扭曲、轨枕倾斜等问题。盾体在钢套筒内始发掘进时，若钢套筒内部不能为盾体提供足够的握裹力，则盾构在钢套筒内不能有效地进行扭转角纠偏，因此钢套筒始发过程中盾体的抗扭转特别重要。

为了解决盾构机在钢套筒内的扭转问题，在盾构机始发导轨外侧设置了2个防扭块。

螺纹套筒从盾体外部安装放入盾体开孔处，固定挡块从盾体内安装，螺杆旋入螺纹套筒内。盾构在钢套筒内始发时螺杆突出盾体5cm，盾体在即将进入土体前旋入盾体内旋松螺杆，待螺杆不伸出盾体外，螺纹套筒自动掉落。盾体防扭装置见图5。

图5 盾体防扭装置

2.4 管路布置技术

分体始发过程中，3号台车、4号台车需要通过管路连接，直至掘进60环（环宽1.2m）时才能结束分体始发。基坑井深度为18m，线路长度需要约120m左右，管路长度长且复杂，掘进过程中容易造成管路磨损、打结等，影响掘进效率。为了减少电缆磨损，采取以下措施：（1）4号台车位于始发井口，管路从4号台车引出，引到中板上，在中板上环绕一圈，放置到井下，减小了掘进过程中线缆的中磨损。对堆放在中板上的线缆分类堆放，防止中板作业损伤管路。（2）泥水管路从始发井引到中板上，管路顺中板布置，从吊装孔引到3号台车尾部，待始发结束后泥水管直接从始发井接入隧道内。（3）管路与墙角、反力架、电葫芦吊点等的接触部位添加柔性衬垫，减小管路延伸过程中磨损。（4）每环掘进前管路延伸时，隧道内同中板协调工作，避免生拉硬拽导致管路损坏。

2.5 钢套筒内同步注浆

钢套筒内共设置10环，盾构在刚套筒内掘进的过程中，盾构在钢套筒内无法进行姿态调整，若管片得不到有效固定，则会导致管片上浮、管片错台、出现裂缝等。若始发阶段同步注浆注入水泥浆，由于填料具有较好的渗透性且始发阶段掘进速度较慢，水泥浆容易糊住盾体，造成始发掘进过程中盾构推力过大、钢套筒及反力架变形大等问题；始发结束后，黏在盾体上的水泥浆不易掉落，会造成后续掘进过程中盾构推力过大、盾构姿态差等系列问题[5]。因此，始发阶段建议钢套筒内同步注浆注入惰性浆，防止盾构机被水泥浆糊注。盾尾出钢套筒前使用惰性浆液，注浆量为4～4.8m3（填充系数为1～1.2），配比见表1。

表1 惰性浆液配合比 单位：kg

3 分体始发效果

3.1 工效分析

60环盾构结束分体始发，分体始发阶段日平均掘进2.1环（见图6）；61～100环，平均日掘进2.72环。整个始发阶段，掘进工效较低，影响工效的主要因素是泥水管路接管、管路延伸、材料运输等。

图6 盾构工效

3.2 盾构土仓建压情况

-5环开始刀盘破除地连墙，地连墙宽度为80cm，-4环时盾构已经进入加固体，盾构机破除洞门时泥水仓开始建压，压力基本与计算值相符（见图7），即采用钢套筒能及早建压。

图7 泥水仓压力

在盾构破除地连墙后，泥水仓开始持续建压，压力基本按照理论计算值控制，前10环地层沉降都较小。始发阶段泥水盾构提前建压，有利于地层应力平衡，有效控制始发阶段地表的沉降。地表沉降曲线见图8。25环以后，地表沉降逐渐增大，主要是因为盾构通过泥水站泥浆罐区域，泥水站运行过程中，由于泥浆罐浆液增加，加大了隧道顶部堆载，导致隧道顶部地表沉降增大。

图8 地表沉降曲线

3.3 盾体扭转角

抗扭块安装在中盾靠近盾尾位置，-5环开始刀盘磨地连墙，由于抗扭块与轨道间存在空隙，盾体有小幅的扭转；-3环时刀盘的反转、盾体的扭转角有小幅度减小的趋势，但是钢套筒内填充不密实，填料对盾体的反力有限，刀盘反转没有明显减小盾体的扭转角。

采用抗扭块时，盾体扭转角最大为-0.19°，0环掘进结束后，拆除了抗扭块，随后盾体滚动角突然增大，增大到0.22°，此时盾体基本进入淤泥加砂地层，通过刀盘反转，滚动角逐步缩小（见图9）。

图9 盾体扭转角

4 结论

（1）始发阶段时，向钢套筒内填充密实中砂并采用防扭块，可有效控制盾体的扭转角；向钢套筒内注入惰性浆，可避免水泥浆糊注盾体，不会造成始发掘进过程中盾构推力过大、钢套筒及反力架变形大等问题。

（2）钢套筒分体始发克服了场地狭小的问题，有效控制了地表沉降，降低了软弱地层盾构始发的风险。

（3）采用钢套筒分体始发技术时，若盾构的掘进工效较低，则主要影响因素可能为管线延伸、材料运输以及泥水管延伸，因此应从这三个方面考虑提高盾构的掘进工效。