盾构钢套筒接收技术在有水地层近距离下穿及邻近既有线等复杂工况中的应用研究

曹彦华 刘超 张卫亮 陶文骏

摘  要：盾构钢套筒接收技术在有水地层近距离下穿及邻近既有线等复杂工况中的应用研究主要探讨该技术在解决施工中的挑战和保证施工安全方面的效果。研究发现，盾构钢套筒接收技术能够有效应对有水地层近距离下穿施工中的水压、水流等问题，保证施工安全。在邻近既有线等复杂工况中，该技术需要充分考虑既有线的稳定性和安全性，确保施工过程不对其造成损害。合理的施工布置和控制措施能够确保施工的安全性和效率。

关键词：盾构钢套筒接收技术；有水地层近距离下穿；邻近既有线；钢套筒；盾构机

中图分类号：U455.43      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）08-0174-04

Abstract： Research on the application of shield steel sleeve receiving technology in complex working conditions such as water stratum and adjacent existing lines mainly discusses the effect of this technology in solving the challenges in construction and ensuring construction safety. It is found that the receiving technology of shield steel sleeve can effectively deal with the problems of water pressure and water flow in the construction of water stratum in short distance， and ensure the safety of construction. In the complex working conditions such as adjacent to the existing line， this technology needs to fully consider the stability and safety of the existing line to ensure that the construction process will not cause damage to it. Reasonable construction layout and control measures can ensure the safety and efficiency of construction.

Keywords： shield steel sleeve receiving technology; water stratum penetrating at short distance; adjacent to existing line; steel sleeve; shield machine

随着城市化进程的加快，地下空间的利用需求不断增加。盾构作为一种高效、安全、环保的地下隧道掘进方法，在城市地下工程中得到了广泛应用。然而，在有水地层近距离下穿及邻近既有线等复杂工况中，盾构施工面临着一系列技术难题和风险。因此，研究盾构钢套筒接收技术在这些复杂工况中的应用具有重要意义。

本研究的背景是针对北京地铁16号线丰益桥南站-丰台站区间盾构在丰台站东端头近距离下穿既有地铁10号线及水下邻近既有线接收工程，解决盾构施工中的技术难题和风险，提高施工效率和施工质量，确保既有地铁运营安全。研究的目的是探索盾构钢套筒接收技术在有水地层近距离下穿及邻近既有线等复杂工况中的应用，提出相应的解决方案和技术路线，为实际工程提供参考和指导。

1  盾构钢套筒接收技术的理论基础

作为一种刚性构造，钢套筒具备承受地层在垂直和水平方向上的压力的能力，以降低其對盾构机的影响。由于地质条件的特殊性，盾构机在进出洞过程中常会遇到复杂情况，如大直径钢管桩与土相互作用以及围岩扰动、邻近建构筑物、含水地层始发及接收等问题，这使得钢套筒成为解决这些问题的关键手段之一。因为钢套筒的存在，地层得到了可靠的支撑，保证盾构机土仓压力稳定，从而有效地避免了地层塌方和失稳，进而保障了施工的安全性。为了提高盾构隧道掘进速度和质量，需要对钢套筒进行精确设计与加工，以便于更好地为工程施工服务。借助钢套筒的引导，盾构机得以在地层中向前推进，从而确保施工过程的精准性和稳定性。钢套筒接收整体示意图如图1所示。

2  盾构隧道穿越既有线结构的施工方案

2.1  洞内注浆加固

在盾构机掘进过程中，通过在隧道周围地层进行注浆，加固地层，提高地层的稳定性和承载能力。注浆材料通常为水泥浆或聚合物浆料，通过注浆加固，可以减小地层沉降的幅度。注浆加固的优点是施工简便、效果明显，能够有效地控制地层的沉降。

2.2  注入克泥效

由于开挖直径大于盾构机盾体外径，且盾构机前盾外径比中盾和盾尾外径都大，同步注浆是在盾尾最后边随掘进充填盾尾外径和管片外径之间的空隙，刀盘开挖至盾构机尾部约9 m距离的施工间隙始终没有及时填充，为了解决这种情况，在盾构机刀盘进入地铁区间及影响范围时，通过盾构机前盾体预留的径向孔注入高黏度塑性的胶化体，即克泥效，对盾体前行起到润滑减阻和及时填充支护的作用。克泥效工法是将高浓度的类似牙膏状的高黏度塑性胶化体装入和盾尾油脂桶一样的桶内，采用和盾尾油脂泵一样的设备通过加装2根管路压入到盾构机中前盾顶部的11、1点钟位置。注入克泥效可有效防止同步注浆浆液填充之前盾体上部土体的下沉，克泥效的注入与掘进同步进行。

2.3  二次补浆

在盾构机掘进完成后，为了进一步巩固地层，防止沉降和既有线结构上浮，可以进行二次补浆。二次补浆是指在盾构机出洞后，在隧道周围地层进行再次注浆，填充可能存在的空隙，增加地层的密实度和稳定性。二次补浆的优点是能够进一步加固地层，提高地层的穩定性和承载能力。

二次补注浆浆液采用水泥、水玻璃双液浆，水玻璃用水1∶1稀释（具体比例根据现场所需初凝时间进行配比），水泥浆水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃浆体积比1∶1。为了在管片脱出盾尾后及时进行二次注浆补注，提前在盾尾内的管片吊装孔上安装50 mm球阀，在管片脱离盾尾4～6环时进行二次注浆；注浆的点位为隧道顶部10～2点钟位置，注浆点位交替进行；注浆量以注浆压力控制在0.2～0.3 MPa以内进行注入，避免使10号线结构上浮，影响地铁10号线运营安全。

通过采取洞内注浆加固、克泥效和二次补浆等方式，可以有效控制盾构隧道穿越既有线结构过程中的沉降，同时避免既有线结构的上浮，确保地铁运营的安全性和稳定性。这些措施可以提高施工过程中的地层稳定性，减小对既有线结构的影响，保证隧道施工和地铁运营的顺利进行。

3  有水地层下穿及邻近既有线钢套筒接收方案

3.1  钢套筒接收方案设计

为了确保钢套筒长度和直径的准确性，必须对水地层的特性、厚度及水位等地质条件信息进行深入研究。为确保钢套筒在受到地下水压力和其他外部力的情况下仍能保持稳定，必须选用具备足够强度和抗腐蚀性的钢材。为确保钢套筒施工的质量和效率，应根据具体情况选择最适宜的施工方式，如预制拼装、直接推进等。为确保钢套筒与既有线结构的安全连接，必须精心构思连接方式，包括但不限于螺栓连接、焊接等，以确保连接的稳定性和可靠性。为确保钢套筒的稳定性，必须根据地质条件和盾构机的推进情况，制定相应的支撑措施，包括但不限于注浆、灌浆等，以确保其结构的稳定性。为确保钢套筒接收过程中既有线结构的稳定性，实施了一系列沉降控制措施，包括安装沉降监测系统、控制推进速度等，以确保结构的稳定性和可靠性。盾构机钢套筒安装如图2所示。在钢套筒接收方案的设计中，必须全面考虑施工过程中的安全因素，包括但不限于防止水和泥浆渗入、避免泥浆喷射等，以确保施工过程的安全可靠性。

3.2  盾构邻近既有线接收的主要阶段

3.2.1  钢套筒施工阶段

为了确保盾构机在推进过程中的安全和稳定，采用了逐段安装钢套筒的策略，从而形成了一种暂时性的支撑结构。这种临时支护结构主要是对已完成施工部分进行加固处理。这类暂时性地支撑结构主要是为了加强已经完成施工的部分，能够有效地减少或消除由于土体变形引起的管片错台现象，并保证既有铁路线路不发生位移及沉降，使其正常使用。为确保钢套筒与既有线结构的紧密联结，必须采用恰当的联结方式，如螺栓联接、焊接等，以确保联结的稳定性和可靠性。

3.2.2  盾构机穿越既有线结构阶段

在进行既有线结构穿越时，必须确保与周遭环境保持恰当的距离，以避免对其造成任何形式的破坏或伤害。通过对盾构机位置和姿态进行监测和调整，根据实际情况灵活调整推进速度和施工参数，以确保在已有线路结构中实现安全穿越。

3.2.3  钢套筒接收阶段

在穿越既有线结构后，盾构机进行了接收钢套筒的操作。同时，还应该采取一些必要的技术控制措施来保障盾构机和钢套筒之间的正常工作关系，包括控制掘进过程中对既有隧道产生的影响以及及时更换损坏部件等。为确保钢套筒与既有线结构之间的紧密衔接，以确保结构的稳定性和安全性，必须进行连接操作。在进行盾构邻近既有线接收的主要阶段时，需特别留意保持与既有线结构的安全距离，实时监测盾构机的位置和姿态，灵活调整盾构机的推进速度和施工参数，以确保钢套筒与既有线结构的紧密连接。

3.3  盾构出洞前后的封闭注浆措施

3.3.1  出洞前的封闭注浆

在盾构机洞口形成之前，需对钢套筒进行注浆封闭，以确保其完全隔离于地下水之中，避免水渗入。目前常用的注浆方法有水玻璃浆液、水泥－砂浆液、膨润土浆液和粉煤灰浆液。为确保施工过程的稳定性和安全性，必须精选适宜的注浆材料，如水泥浆、聚合物浆等，以达到最佳的注浆效果和封闭性能。

3.3.2  出洞后的封闭注浆

经过盾构机出洞后，实施了一项封闭注浆的措施，以防止地下水和泥浆渗入，从而实现了洞口的完全封闭。目前常用的注浆材料有水泥、石灰等无机胶浆液或水泥砂浆，也有用化学浆液的情况。目前广泛采用的注浆材料包括无机胶浆液、水泥砂浆以及化学浆液等。为确保洞口的稳定性和密封性，我们应当选用具有卓越封闭性和耐久性的注浆材料，以保障施工过程中的稳定性和安全性。

3.3.3  注浆施工方式

为确保注浆材料在需要封闭的区域充分渗透，必须根据具体情况精心规划注浆孔的布局，以确保其充分发挥作用。通过分析影响钻孔孔壁稳定性因素，确定了不同地层中注浆材料在孔内流动时所需的最小注入量。通过对影响钻孔孔壁稳定性的因素进行深入分析，确定了在不同地层中，注浆材料在孔内流动所需的最小注入量。同时提出，由于浆液扩散半径有限，因此，要尽可能提高注浆强度。为确保注浆材料充分填充空隙并形成稳定的封闭层，必须实施精准的注浆压力和流量控制措施，以确保施工过程中的稳定性和安全性。

3.3.4  注浆质量监测

为确保施工过程的安全性和可靠性，安装了一套实时监测注浆质量和效果的注浆质量监测系统，以保障封闭层的品质和稳定性。在现场施工时，由于受地质条件及环境等因素影响，导致注浆不均匀，甚至出现漏浆现象。由于地质条件和环境等多种因素的影响，现场施工中的注浆过程存在着不均匀甚至漏浆的问题。

3.4  盾构钢套筒接收的主要沉降控制措施

3.4.1  沉降监测系统

为了监测地表沉降情况，建议在既有线结构周围和盾构施工区域内设置监测站点。通过分析得到了各测点处沉降量與时间之间的关系曲线。为了确保实时监测和记录沉降数据的准确性和可靠性，我们需要精心挑选监测设备，如沉降仪、测量仪等，以确保数据的精准性和可靠性。

3.4.2  沉降预测和模拟

通过运用地质勘探和资料分析技术，对盾构施工对地下和地表沉降的影响进行预测和模拟，以期深入探究其本质。建立一套预测沉降的模型，以预测在不同的施工阶段和条件下沉降量和分布情况的变化趋势。

3.4.3  推进速度控制

通过综合分析沉降预测模型和实际监测数据，实现对盾构机推进速度的高精度控制，从而有效控制沉降量和分布。在研究过程中发现，由于受到土体特性、地质条件以及掘进工艺等因素的影响，导致不同地层之间存在较大差异，从而产生了一系列复杂变化。为了控制盾构机的沉降效应，必须根据实际情况对施工参数进行调整，其中包括但不限于推力和刀盘转速等参数，以确保施工过程的稳定性和安全性。

4  盾构钢套筒接收技术在有水地层近距离下穿施工中的应用效果分析案例

在北京地铁16号线丰益桥南站-丰台站区间盾构近距离下穿既有地铁10号线及水下邻近既有线接收工程的施工中，区间结构位于地铁10号线下方，竖向最小净距仅2.35 m，接收端距离地铁10号线区间结构最近仅10 m，不满足盾构出洞注浆加固长度，且本施工区段盾构区间全部位于地下水位以下，为保证盾构接收及地铁10号线运营安全，采用钢套筒接收。

施工布置方面，首先进行了地质勘探工作，以了解地下水情况和地质条件。在设计和安装阶段，施工方针对地下水问题采用了水封分隔的装置。该装置包括在盾构机前部和尾部设置了水封门，以防止地下水进入施工区域。此外，还在施工区域周围设置了排水井和泵站，作为应急抽排水。

施工实施效果分析方面，盾构钢套筒接收技术有效地控制了地下水的流动，减少了水压对盾构机的影响，提高了施工的稳定性和安全性。通过水封装置的设置，成功地阻止了地下水进入施工区域，减少了地面沉降和地面塌陷的风险。采用盾构钢套筒接收技术，施工效率得到提高，减少了施工时间和成本。此外，施工过程中的排水措施有效保护了地下水资源，减少了对环境的污染和破坏。盾构接收完成后呈现图如图3所示。

通过采用盾构钢套筒接收技术，北京地铁16号线在有水地层下穿既有地铁的施工中成功解决了盾构接收问题。这些措施不仅提高了施工的稳定性和安全性，减少了地面沉降和地面塌陷的风险，确保了既有地铁的安全运营。同时，施工效率得到了提高，施工时间和成本也大大降低。此外，通过排水措施的实施，还有效保护了地下水资源，减少了对环境的影响。这些经验和技术在今后的地铁施工中将具有重要的参考价值。

5  结论与展望

盾构钢套筒接收技术在有水地层近距离下穿施工中能够有效应对水压、水流等问题，保证施工安全。在邻近既有地铁线路等复杂工况中，盾构钢套筒接收技术需要充分考虑既有线的稳定性和安全性，确保施工过程不对既有线造成损害。合理地施工布置和控制措施能够确保施工的安全性和效率。钢套筒的设计和施工质量对于接收效果起着关键作用，需要加强质量监测和检验。盾构钢套筒接收技术在有水地层近距离下穿及邻近既有线等复杂工况中具有较好的应用效果，为施工提供了可靠的解决方案。

盾构钢套筒接收技术在有水地层近距离下穿及邻近既有线等复杂工况中的应用研究具有重要意义。未来的研究应继续改进和完善该技术，以满足更高要求的工程需求，并加强技术交流与合作，推动该技术的发展和应用。

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