地铁盾构钢护筒接收施工技术

【摘要】：依据天津地铁3号线金狮桥站~天津站站区间盾构钢护筒接收工程，通过对超深、富水承压砂层恶劣地层盾构接收施工技术进行概述，阐述了该项新技术适应性强、安全保障效果明显的特性，在类似工程中可广泛推广应用。

【关键词】：地铁地下负四层车站；盾构接收施工；富水承压砂层；钢护筒

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1、前言

就天津市为例，从地铁1号线、轻轨9号线的完成，到地铁2、3号线的全面展开，地下车站从地下二层也开始加深到地下三层、地下四层。也许在地铁建设不断发展的今后将会有更深的车站和区间进行施工，施工难度及风险也越来越大，一旦出现问题后果不可估量。如何解决盾构在恶劣工况下顺利接收、确保施工质量及安全是当前急需解决的一个问题。2011年天津城建隧道股份有限公司在我国首次采用钢护筒盾构接收技术进行天津地铁3号线盾构进天津站地下四层接收施工，并顺利完成埋深超过28m、富水承压砂层中的盾构接收，为盾构接收提供了一个新的思路和施工工艺。

2、工程简介

天津站～金狮桥站区间为地铁3号线进天津站最长最深的一个隧道，区间全长1210m ，到达处中心埋深为25.6m（盾构底深28.7m） 。盾构从金狮桥站始发最后到达天津站，并在地下四层接收，到达段地层超过一半断面处于⑦4粉砂的微承压水层中，具有较高的承压水头，区间盾构接收端头井为天津站车站结构22单元负四层结构井处，底板埋深33.5米。22单元北侧地下有自来水管道和天燃气管道，距结构桩中心最近距离6.4米，最远距离14米，23单元西侧为汇合家园1号楼，高度为10米，西南侧为刑侦支队办公楼，高度为4米。

如果在盾构在此种工况接收过程有较大涌水、涌砂将会导致地面沉降、地面管线建筑物出现事故，如果控制不当，甚至会使整条隧道垮塌，造成严重后果，因此如何保证盾构接收过程的安全意义重大。

3、钢护筒盾构接收施工技术原理

钢护筒盾构接收工法的重点是在接收端头井提前施安装一个大于盾构机外径的拼装式密闭钢结构，并在钢护筒内填入经试配的膨润土粉煤灰砂浆填料，形成一个外延接收体，密闭后以抵抗平衡地下水土压力，最终完成盾构接收。

3.1、钢护筒接收施工技术优点

3.1.1钢护筒采用分节拼装，施工便利，安装时间短，并且可以周转重复使用；

3.1.2通过对钢护筒进行密封处理，可以使盾构接收过程完全密闭，以抵抗后部地下水土压力。

3.1.3通过对钢护筒内填充料的优化提高了钢护筒接收施工的速度及可操作性。

3.1.4对钢护筒结构优化设计，降低钢护筒造价及安装成本。

3.1.5施工安全性好，可在大深度、高水压下进行盾构接收工作。

4、适用范围及钢护筒设计

4.1适用范围

本施工技术适用于超深、富水承压砂层及其它各类地质条件恶劣、埋深较大的盾构接收施工。

4.2钢护筒主要技术参数

钢护筒材料采用16mm厚的钢板，加强肋板采用24mm厚、200mm宽，间距400mm（横向）*500mm（纵向）一道。钢护筒直径为7米，长度为12米（依据盾构机长度及满足盾构拆除需要净空综合计算）。

钢护筒分块可依据吊装设备能力及现场场地条件，本此应用采用每2米一段，每段2块，采用高强螺栓连接，每段钢护筒设注浆孔4个，注浆孔直径50mm，并加装阀门以便泄压及注浆。同时在成型的钢护筒上设3个顶部检查人孔及1个端部出入人孔，检查孔尺寸：顶部600mm*800mm（端部800 mm*1700mm）。

5、施工工艺流程及操作要点

5.1 工艺流程

结合通常的盾构接收工序钢护筒明洞接收工艺流程为：盾构接收端头井土体加固钢护筒基座施工明洞钢护筒定位安装盾构推进至接收端头井地连墙破除钢护筒内填入填料钢护筒封闭盾构穿过加固区进入钢护筒盾尾及管片外双液注浆加固检查止水效果隧道管片与洞门钢圈用钢板焊接封闭钢护筒上半部拆除回填料清理盾构机拆除钢护筒拆除完成全部接收工作。

5.2操作要点

5.2.1钢护筒安装及加固

钢护筒安装前需要在底部提前施做混凝土底座（也可为钢结构底座），并预埋用于固定钢护筒的型钢。加工好的钢护筒片运送至盾构井下，先进行局部分块连接，后进行分段成筒连接。护筒头部与洞门圈钢环预留的螺母孔连接，为加强连接强度及止水效果，钢护筒头部与洞门钢环进行封闭焊接。护筒连接好后，对护筒用H型钢进行支撑加固。

5.2.2钢护筒密封处理

为使钢护筒能够抵抗地下水及后期盾尾注浆压力，各节段所有连接接缝缝处加设遇水膨胀橡胶条（3mm*10mm），并在连接后对钢护筒内部用聚氨酯防水密封胶嵌缝封堵，用以加强止水。所有预留洞口采用钢门板封闭，并加设遇水膨胀橡胶条，预留泄压（注浆）孔要加设阀门。

5.2.3筒内回填材料的选择及填筑

通常所采用的明洞回填材料多为普通粘土、低标号水泥砂浆、低标号混凝土，但使用过程都有一定缺陷。因此施工中通过对回填材料的比选、试配最终确定钢护筒明洞内回填材料为由膨润土、粉煤灰、中砂组成的拌合砂浆。

5.2.4盾构进入钢护筒推进参数控制

正面平衡压力

在盾构接收进入钢护筒的施工过程中，必须严格控制切口平衡土压力，尽量减少土压上下波动的范围。根据埋深及承压水水头压力计算土压设定在120KPa~160Kpa范围内进入加固区，进入钢护筒内土压控制在160Kpa左右。该处土压控制值不宜随意降低，否则会产生出土量过大，引起盾构扎头以及后方承压水窜入刀盘前方，导致盾构无法正常推进。

推进速度及刀盘扭矩

盾构接收施工时，正面土体为加固区，土质较硬，为控制推进轴线和洞门安全，要慢慢磨削土体加固区，使加固区土体充分得到切削，减小对周边土体的扰动，因此推进速度应放慢，均衡施工，推进速度宜控制在5～10mm／min以内，同时刀盘扭矩控制在3000KN·M以内。进入钢护筒填料内可适当提高推进速度，控制在10~20mm/min，刀盘扭矩需控制在2000KN·M以内，降低对钢护筒内填料的扰动。

出土量

理论出土量为38.6m3/环，最高出土量控制在38.5m3/环以内。推进过程中作业班组要注意控制实际出土量及出渣情况，以此判断盾构推进位置及加固区土体加固效果。并及时汇报出土异常等情况。

注水及加泥

推进过程的注水和加泥需根据盾构切削加固土体及进入钢护筒切削拌合砂浆回填料时土压波动、刀盘扭矩、出土情况等而定，添加量也根据现场掘进各个参数变化情况而确定。通常加水、加泥量为5%~10%。

同步注浆控制

由于到达处控制地面变形的难度较高，因此对壁后注浆浆液的使用需进行调整。在到达掘进过程中，在盾尾到达加固区前5m左右时，同步注浆液开始采用水泥、水玻璃双液浆，加强后部封水效果，防止盾构到达过程中水土涌出。注浆期间确保液浆充分填充在管片与土体之间、盾体与土体之间的空隙，根据在掘进期间注浆压力与注浆量等情况判断注浆量是否饱满。浆液配比要求胶凝时间为15～30秒，其强度1小时达0.06Mpa，3小时达0.10 Mpa，28天达2.5 Mpa。实际配比可根据现场实际需求进行适时调整。

盾构机姿态控制

盾构在进入加固区前控制好姿态，保持盾构姿态为抬头方式，减弱在加固地段盾构机磕头现象。通常将盾构姿态控制在轴线上方20mm左右，坡度控制在比设计值大2‰。

6、材料与设备

6.1材料

本工法所使用的主要材料为：膨润土粉煤灰砂浆、聚氨酯止水密封膏、遇水膨胀橡胶止水条等。

施工中通过对回填材料的比选、试配最终确定钢护筒明洞内回填材料为由膨润土、粉煤灰、中砂组成的拌合砂浆。膨润土(Bentonite)按译音,是以蒙脱石为主的含水粘土矿,公学分子式为:Nax(H2O)4 (AI2-xMg0.83) Si4O10) (OH)2,由于它具有特殊的性质。如:膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性等等。回填料中加入膨润土对于加快填料填充速度、增加填料在钢护筒内的和易稳定性以及便于盾构在钢护筒内推进出土等方面起到良好的作用。聚氨酯止水密封膏、遇水膨胀橡胶止水条可以加强钢结构护筒各阶段连接部位的止水承压能力，因此也是该施工技术的重要环节。

6.2设备机具

钢护筒安装完成 连接接缝检查

钢护筒盾构接收法所用到的设备机具主要有：可拼装式钢结构护筒、钢护筒基座、加固用型钢支撑、填充料输送泵、起重机具、焊接设备等。其中钢护筒为主要使用构件，其设计图如下：

横断面 端头面板

7、效益分析

钢护筒盾构接收施工技术应用于埋深大、承压富水砂层等恶劣地质条件下的盾构接收工程具有造价低、安装简便、安全性高、施工工期短、可循环利用等特点，大大降低了漏水、漏砂等不良地质状况发生的几率，缩短了工期，提高了施工安全性。另外因其不受埋深及地质条件的影响，因此可广泛使用于各类地质条件恶劣、难度较大的盾构接收施工。该施工工艺为今后盾构接收施工提供了安全、有效的新方法，大大降低了盾构接收的风险。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。