（中铁隧道集团二处有限公司,河北 廊坊 065201）

目前国内的地铁隧道建设普遍采用盾构施工,隧道一次成型。盾构法隧道施工过程中,始发和接收是比较重要的环节,针对盾构接收的风险,近几年出现了一种钢套筒法盾构接收工艺。文章依托南昌地铁2 号线4 标红谷中大道站—阳明公园站区间盾构接收工程,详细阐述了泥水盾构在钢套筒内的掘进技术。

1 工程概况

红谷中大道站至阳明公园站区间采用泥水盾构掘进施工,隧道管片外径6.0m,内径5.4m,宽1.2m,衬砌管片分为3 块标准管片（A1、A2、A3）,两块邻接管片（B1、B2）,1 块封顶管片（K 型）。阳明公园站为地下两层站,车站长度为267.79m,有效站台中心里程处底板埋深约为16.27m,车站接收井底板处基坑深17.4m,接收井平面净空长12.5m,宽21.5m。

阳明公园站泥水盾构接收端位于阳明路与象山北路交叉路口处,该处交通流量大,南侧为人行通道和16 层的建筑（江西日报社）；北侧为阳明路和工地房屋。盾构接收端存在线路斜向相交的过街通道,通道深约5.5m,通道结构与车站围护结构最小净距为1.3m,通道为采用明挖法施工的钢筋混凝土箱型结构,如图1 所示。

图1 阳明公园站平面图

根据地勘资料,阳明公园站盾构接收端头井范围内主要地质条件自上而下依次为：4.2m 素填土层、5.5m 淤泥质粉质粘土层、2.9m 粉质粘土层及约4.0m 圆砾层,其中盾构隧道在接收过程中主要穿越圆砾层,如图2 所示。阳明公园站拟建场地距离赣江约700m,地下水位埋深5.5m,地下水水位主要受其影响。

图2 阳明公园站盾构接收端地质纵断面图

2 钢套筒接收的原因和施工难点

盾构隧道在接收过程中主要穿越圆砾层,透水性较强,且地下水较丰富,可能导致盾构隧道施工中发生漏水、漏浆、甚至透水。所以常规情况下接收井端头需要进行三轴搅拌桩加固,但由于加固区存在过街地下通道且周边交通流量大,无法进行施工,所以为了确保盾构接收的安全,经过方案比选采用“玻璃纤维筋连续墙+钢套筒”的施工方法实现盾构顺利接收工作,减少常规施工过程中盾构端头加固、地面管线改迁等大量工作。

在钢套筒内如何控制掘进参数以及如何防止盾构刀盘碰到钢套筒是泥水盾构在钢套筒内掘进的重难点。

3 钢套筒工况

钢套筒筒体部分长10 500mm(含过渡环500mm),内径6 650mm,分4 段,每段又分为上、下两块,筒体材料用25mm 厚的Q235A 钢板,总重约150t 左右,如图3 所示。

图3 钢套筒

钢套筒安装完成后,钢套筒架中心线、线路中心线与洞门中心线重合,整个台面处于同一平面上,高度偏差不大于30mm,前端左线高程偏差不超过20mm,套筒与隧道设计轴线不大于5‰。钢套筒后部采用“反力架+9 根钢管斜撑”支撑,反力架安装中心保证与洞门中心一致,并按普通加固方法进行加固,在钢套筒后端盖和反力架之间采用8 根100t 的液压千斤顶架设,预加反力消除后端盖到洞门的安装间隙,提供总反力为500t。钢套筒侧方采用175H 型钢进行加固,防止横向移动。钢套筒过渡环和洞门环板之间全部密贴并满焊。为防止盾构进入钢套筒后出现低头现象,在钢套筒底部60°范围内浇筑有15cm厚的C15 砂浆导台,导台长度10.3m。钢套筒内填充物主要是水泥砂浆,砂浆配合比为：水泥120kg:粉煤灰100kg:河沙1 300kg,设计强度不大于0.8MPa,实际试块强度2.0MPa。

4 掘进参数控制及分析

4.1 掘进参数控制

1）刀盘转速、转向控制 刀盘转速控制对钢套筒内模拟地层的稳定性影响很大,若转速设定过高,则对钢套筒内的扰动较大；若刀盘转速设定过小,则掘进速度慢,相应风险持续时间就会较长。综合考虑,刀盘转速控制在1.0r/min。当掘进时,刀盘转向需定时换向,防止仓内沉积渣土,造成刀盘扭矩和总推力变大、掘进速度变慢,但换向不宜太过频繁,一环环向1～2 次。

2）刀盘扭矩、掘进速度、总推力控制 按照经验,刀盘扭矩、掘进速度和总推力有着密不可分的关系。在刀盘转速一定的情况下,掘进速度越快,则刀盘贯入度越大,刀盘扭矩会随之增大,反之则减小；而掘进速度又是由总推力的调整来控制。当刀盘扭矩超过设定值时,需减小盾构总推进力,降低掘进速度；当刀盘扭矩在设定范围内或较小时,需严格控制掘进速度,不易过快,当速度持续增大超过设定值时,需减小总推进力来加以调整。

3）泥水参数控制 盾构在钢套筒内掘进时,切口环上部泥水压力控制在1.14～1.18bar,泥水比重控制在1.1～1.18g/cm3,粘度控制在20～23s,流量为700～750m3/h,防止出渣量较大,造成接收端头水土流失。

4）盾构姿态控制 为了防止盾构刀盘与筒体接触,发生危险,盾构水平姿态控制在-10～+10mm,水平趋势控制在-1～+1mm/m,高程姿态控制在-20～-10mm,高程趋势控制在-1～+1mm/m。

4.2 参数分析

盾构切削完连续墙后,刚进入钢套筒时,刀盘转速为1.0rpm,推进速度为10～15mm/min,刀盘扭矩为624～905kNm,总推进力为12 139～12 967kN。当掘进到3m 左右时,其他参数未有较大改变,但总推进力逐渐上升到14 428～14 721kN,此时调整刀盘转速为1.2～1.3rpm,掘进一段时间后,总推进力逐渐下降至9 846kN,然后将刀盘转速调整回1.0rpm,后半段推进速度加快,但控制在10～20mm/min,总推进力保持在8 397～9 742kN。具体掘进参数变化如图4 所示。

图4 掘进参数变化曲线

从图4(a)中可以看出刀盘转速稳定在1.0rpm,推力增大时最高调整到1.3rpm。图4(b)可以看出推进速度相对稳定,总体为10～20mm/min。图4(c)中可以看出刀盘扭矩最大值为1 000kNm,最小值为515kNm,扭矩波动不超过300kNm。图4(d)中可以看出总推力在前半段12 700kNm 逐渐增大,最高达到14 859kN,可能是由于前盾直径大,通过洞门时摩擦力增大导致；当前盾通过后,总推力逐渐减小,最低值为8 397kNm。

5 掘进过程中的监测及限位技术

针对如何防止盾构刀盘碰到钢套筒以及如何确定盾构刀盘是否到达最终位置的问题,常规的预防和监测方法为依靠盾构上的导向系统和钢套筒下方左右两侧设置的油缸和滚轮,而南昌地铁2 号线4 标创新采用了一种盾构钢套筒内掘进的限位报警装置（图5）,能够实时监测盾构在钢套筒内的位置是否超限且当超限时能及时发出警报,解决了不能准确掌握盾构在钢套筒内位置的问题,降低了盾构碰撞钢套筒并使其产生变形进一步造成工程事故的风险[1]。

图5 钢套筒限位报警器

在安装钢套筒时,每节钢套筒的左上、右上、左下、右下四个部位和后端盖的上、下两个部位各设置一个连接管（连接管与钢套筒之间采用焊接的连接方式,即先在钢套筒上割一个检测孔,然后将连接管插进孔内,两侧各留20mm,最后将连接管与钢套筒满焊）；连接管在钢套筒内的一侧连接一个探头（由于钢套筒内径为6 650mm,盾构刀盘直径6 300mm,所以侧方探头长度设置为135mm,为盾构预留±20mm的姿态控制范围,后端盖处的探头长度设置为300mm,用于检测盾构是否到达最终停机位置）,外侧连接一根检测管,检测管上设置一个电接点压力报警器；在检测管的外部出口设置一个手动球阀连接一根气管,用来给检测管提供气压。连接管和检测管均是由DN25 的钢管制成,探头是由DN25 的铸铁管制成；检测管、连接管和探头之间均采用螺纹连接的方式,检测管和探头为外螺纹,连接管为内螺纹。

限位报警装置安装好后,向检测管内加气,当气压达到电接点压力表设定值范围时关闭手动球阀。当盾构在钢套筒内掘进时,若盾构姿态或刀盘到达位置超限,则盾构的刀盘将碰到探头,并将探头损毁。探头损毁后,检测管内气压降低,当低于电接点压力表设定最低压力时,声光报警器将发出警报声,然后施工人员针对报警位置调整盾构的姿态。

6 掘进注意事项

1）在钢套筒内掘进以管片拼装模式掘进。盾构在钢套筒内掘进过程中,要确保与外界联系,密切观察钢套筒顶部的情况,一旦发现变形量超量或有渗漏时,必须立即停止掘进,及时采取补救措施。

2）盾构掘进过程加大测量频率,并复核控制点,确保盾构的姿态正确,在盾构到达前布置监测点,在地面、周围较近建筑物及管线布置沉降观测点。并测量初始值,盾构掘进过程中每天测量2 次,若变形较大,增加测量频率并及时通报项目部采取处理措施。

3）盾构筒体推到位置并完成洞门密封后,在刀盘不转情况下,出空仓内回填物。

4）盾构在钢套筒内推进时,需连续进行管片拼装至盾构完全接收,按照钢套筒安装长度及形式,钢套筒延长接收会比常规接收多拼装2环管片。

7 结论

南昌地铁2 号线4 标项目红谷中大道站至阳明公园站区间盾构接收采用钢套筒接收,盾构在钢套筒内共掘进28h。掘进过程中盾构轴线姿态测量准确,盾构掘进参数控制良好,钢套筒无变形,无渗漏,地面沉降安全可控。通过总结分析,盾构按照文章中的掘进参数控制,在钢套筒内掘进是可行的,且效果良好,钢套筒限位报警装置更好的预防了盾构刀盘碰到钢套筒,为其它类似工程提供了技术支持。