1 工程概况

　　太原地铁2号线大南门站—钟楼街站区间以大南门站北端为起点，穿过迎泽大街后沿解放路由南向北敷设至钟楼街站南端。该区间由钟楼街站始发，至大南门站接收，区间左线全长548.713m、右线全长546.233m。盾构始发端隧道拱顶埋深11.65m，进洞段30m范围以2‰的坡度上坡直线进洞。始发区域距离左线隧道外轮廓线西侧11.53m为2栋7层混凝土结构住宅楼，距离右线隧道外轮廓线东侧19.29,17.7m分别为2层砖结构鸿宾楼和2层砖木结构清真古寺。端头加固区埋深3m有在用500雨水管、700污水管各1根及与污水管接驳的1 400mm×1 150mm雨水方涵一处，埋深约1.5m有500(在用)、200(废弃)自来水管各1根。

　　施工区域地层为(2)₂粉质黏土、(2)_3-3黏质粉土、(2)₄粉细砂，在隧道上部和下部不同程度存在液化的砂土层，地下水静止水位约2.800m。粉细砂层呈饱和状态、渗透性好，属透水层，其力学性质具有明显的触变性和流动性，在水动力条件作用下，易产生涌水、涌砂现象，导致施工风险较高。

　　始发端土体原设计采用三重高压旋喷桩加固，因管线影响及地质条件的特殊性使得土体加固范围和效果无法完全达到设计要求。综合考虑区间工程地质条件、土体加固方式、始发端周边环境后，采用国内较为安全的盾构钢套筒始发方案。

　　2 工作原理

　　2.1 盾构钢套筒

　　盾构始发钢套筒由过渡环、筒体1～4、外环、内环、反力架及其支撑体系组成。盾构机始发时上部土压约为0.15MPa，钢套筒设计耐压0.4MPa。钢板采用Q235A，板厚20mm。盾构始发如图1所示。

　　图1 钢套筒始发示意  

　　2.1.1 过渡环

　　钢套筒与洞门预埋环板之间设一过渡环，过渡连接板的长度根据盾构井的长度、套筒定位位置进行调整，过渡环的长度设置为800mm，洞门环板与过渡环采用焊接连接。在过渡环2,3,4,8,9,10点(钟表点位)位置有6个带球阀的观测孔，用作盾构刀盘磨削洞门过程中膨润土或惰性浆液注入口、盾构机进入地层后用作封堵洞门的注浆孔及检查洞门密封质量的检查孔，在过渡环5,7点位置设人形孔用于杂物清理。

　　2.1.2 筒体1～4

　　筒体部分总长10 000mm，直径(内径)6 820mm，分4段，每段长2 500mm并分为上下2个半圆。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150mm，间隔约550mm×600mm，如图2所示。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厚的钢板，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6mm厚橡胶垫。在筒体底部制作底部框架，底部框架承力板、筋板用20mm钢板，框架与下部筒体焊接连成一体，焊接时托架复板先与筒体焊接，再焊接横向筋板，如图3所示。套筒组装完成后用型钢与车站侧墙顶紧防止横向位移。筒体中部右上角设置600进料口，在每段钢套筒底部预留3个2寸注排浆球阀，一旦盾构机有栽头趋势，即可在下部注双液浆回顶。

　　图2 筒体示意  

　　2.1.3 外环与内环

　　施工中不可避免会产生定位误差，为避免定位误差过大可能使负环管片与外环端面接触受力从而使套筒受拉力而受损(过渡环与洞门钢环焊缝脱焊)引发漏水漏砂施工风险，特将内环制作宽400mm、外环制作宽380mm，定位时反力架与内、外环密贴并将反力架与内环超过10mm的间隙用钢板垫实，为保障施工安全，反力架与钢环精度要求环面平整度5mm，使混凝土管片受力均匀。内环的外侧钢板需要机器加工开槽，内、外环之间安装2道橡胶气囊密封，在2道密封中开孔并安装球阀可以注盾尾油脂止水，如图4所示。

　　图3 底部托架示意  

　　图4 钢环示意  

　　2.1.4 反力架及其支撑体系

　　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609钢管、400H型钢构成，盾构掘进时的后座反向力，通过钢支撑传递至主体结构的底板和端墙上，钢支撑焊接在预埋的钢板或植筋后焊接的钢板上，如图5所示。

　　图5 反力架示意  

　　2.2 钢套筒始发施工工艺

　　盾构钢套筒密闭始发施工工艺流程如图6所示。

　　图6 钢套筒始发施工工艺流程 

　　3 钢套筒始发施工技术要点

　　3.1 钢套筒安装

　　为保证盾构顺利始发，钢套筒安装前需对预埋洞门钢环的位置尺寸、高程及始发井位置尺寸、高程进行复核，根据实测数据并结合钢套筒的尺寸综合确定施做始发井垫层及钢套筒实际安装位置。

　　钢套筒一般采用130t汽车式起重机在盾构始发端头分块吊装下井，组装时必须严格控制块间橡胶垫质量，橡胶垫需可靠粘贴并防止其损坏。过渡环与预埋钢环的焊缝沿过渡环一圈内外侧均需满焊，对局部无法与洞门钢环密贴的情况，需在这些空隙处填充钢板并连接牢固，将空隙尽可能堵住，在确定洞门钢环与过渡环全部密贴后将过渡环满焊在洞门钢环上，焊缝必须饱满。为确保焊接质量，用高倍放大镜进行外观质量检查，必要时进行探伤检测。因空间受限焊接质量无法保障的部位需用堵漏灵涂抹，连接螺栓需复紧2次，在钢套筒内将所有接缝用堵漏灵涂抹。

　　外环和内环安装前在接触面涂抹黄油，安装时须确保橡胶气囊密封不受损坏，靠反力架侧端面需齐平，采用千斤顶给反力架施加预应力保证反力架端面与内外环可靠接触，局部不能接触的地方用钢板垫实，反力架可靠加固后将千斤顶卸力取出。

　　3.2 钢套筒内填砂

　　钢套筒内下部50°圆弧内安装2根43kg/m钢轨，钢轨安装加固后吊装盾体前在钢套筒底部2根钢轨之间铺砂并压实，每个位置的铺砂高度应高出相应钢轨高度15mm，待盾构机放去上后，进一步压实，确保底部填砂层提供充足防盾构机扭转的摩擦反力。盾构机主机安装调试完成后拼装负环并将盾构机刀盘推进至掌子面，切口环、刀盘后面采用砂袋进行整环填充形成环箍，能有效止水和保障填充效果，防止填充的砂子及同步注浆浆液进入刀盘及土仓内，对钢套筒下半圆与盾体外侧的间隙进行第2次填砂。第2次填砂好后，安装钢套筒上半圆，套筒全部安装完成后向钢套筒内进行第3次填砂，本次填砂将整个钢套筒填充满，在填充的过程中适当加水并通过钢套筒下部的排水孔排水，起到让砂密实的作用，如图7所示。

　　图7 钢套筒内盾体定位  

　　3.3 始发掘进技术参数

　　负环管片在安装前需用专用管片修补材料对缺棱掉角处进行修补，按照正环管片防水要求设置防水密封，第1环手孔需用堵漏灵封孔，在钢套筒压力测试前需将盾尾刷间的空腔填满(各点静压力不低于2MPa)。通过同步注浆系统注入由膨润土、砂、粉煤灰按一定比例混合的惰性浆液将整个钢套筒填满，对负环管片外侧与钢套筒的间隙进行密封。同时向土仓内注入泥浆观察套筒有无渗漏，一旦发现有渗漏或焊缝脱焊情况，必须马上进行卸压并及时处理，复紧螺栓或重新焊接后再注入泥浆使土仓上部压力达到0.2MPa(钢套筒密封性能检验的压力不小于切口水压，应根据隧道埋深并考虑安全系数综合确定)，钢套筒压力测试合格后盾构开始始发掘进。

　　始发洞门范围内地下连续墙为800mm厚的玻璃纤维筋C35混凝土墙。盾构机切削连续墙时刀盘转速宜>1.2r/min，刀盘扭矩<2 500kN·m，推进速度控制在5mm/min内，千斤顶总推力≤8 000kN，地下连续墙切削过程中严格控制出土量，出土量需同推进速度匹配并在掘进过程中注入膨化好的泥浆，便于混凝土渣顺利携带出，控制螺旋机转速及闸门开度防止喷涌导致土压力大幅波动，上部土压控制在0.12～0.15MPa并根据地面监测情况及时进行调整。地下连续墙切削完成后推进速度可提高至20～30mm/min，过加固区后推进速度可提高至30～50mm/min，千斤顶总推力控制在8 000～15 000kN，刀盘扭矩控制在3 500kN·m内。在掘进过程中保持同步注浆浆液的正常注入，每环注入量约4m³，注浆上部压力控制在0.12～0.15MPa，注浆量与注浆压力双控，在盾尾进入结构墙前注入惰性浆液，盾尾进入结构墙时注入添加水泥的同步注浆浆液，此时盾构机需适当提高掘进速度连续推进，在盾构机掘进20环后，通过过渡环注浆孔及管片吊装孔注双液浆对洞门处前10环管片进行壁后二次注浆加固，确保后期钢套筒拆除及0环管片拆除后后浇环梁施做的施工安全。

　　4 钢套筒始发常见问题处理

　　1)预埋洞门尺寸偏差过大

　　预埋洞门钢环设计内径为6 700mm、宽150mm，钢套筒内径为6 820mm，理论上套筒内侧60mm范围、外侧90mm范围可与预埋钢环可靠焊接。洞门钢环尺寸误差较大、钢套筒定位误差过大将会导致过渡环无法与预埋钢环直接焊接，这时可采用割接200mm×200mm×20mm钢板进行补焊并形成有效封闭体;当误差大到按原定位方案施工时盾构刀盘会与洞门钢环产生干涉，需根据实测数据综合分析调整钢套筒位置及采用方钢或圆钢调整标高，必要时需凿除或割除干涉部位。

　　2)洞门处水流及管片渗漏水处理

　　在钟楼街始发洞门处结构墙和地下连续墙缝隙部位有一股大水流，严重影响过渡环下部区域与预埋钢环的焊接，在盾构机调试完成后，以人仓为通道采用砂袋码筑围堰，用水泵抽排的方式排水并在下部剩余焊缝焊接完成后及时撤出工具、设备、人员后关闭人仓门。或在过渡环底部开孔用钢管(孔径根据水流量选择)引流并在钢管末端安装一蝶阀常开排水便于底部焊接，始发前检验钢套筒密封时关闭蝶阀能有效控制水流并有效保证焊接作业安全及焊接质量。

　　负环管片多次循环使用后局部会有破损，修补不到位、密封条粘贴不可靠、始发时推力不足加之洞门处水流会导致在始发时盾尾脱出管片后会从管片接缝处及破损部位漏水。需在管片拼装前对破损部位及时用快速水泥修补，拼装完后及时复紧管片螺栓，在套筒顶部打开球阀排水并安排专人观察控制阀门开度大小防止泥砂流出，调整浆液配合比增大其稠度，推进过程中保障注浆的同步性，及时填充管片与套筒间的空隙。

　　3)盾构机防扭转控制

　　盾构机切削地下连续墙时产生较大扭矩，防扭转的扭矩主要来自盾构机的自重与钢套筒内填砂之间的摩擦反力，较大的扭矩波动可能造成盾构机盾体和钢套筒整体发生扭转引发施工风险。

　　始发前严格按照三次填砂工艺确保填砂密实，在钢套筒基座两侧每隔2m安装I15号横撑与结构墙顶实，钢套筒上半圆采用[10每隔2m与中板预留洞口顶实。第1环负环拼装后沿管片内侧每隔1.5m与钢套筒内环焊接100mm×100mm×20mm限位钢板。推进过程中严格按掘进指令控制推进速度、刀盘转速和刀盘扭矩，根据滚动角调整刀盘转向防止盾构机滚转。

　　5 结语

　　随着国内城市地铁建设的飞速发展，新建盾构隧道遇到各种不良地层的机率增大，传统端头加固方案受多种条件制约无法保障盾构始发安全，钢套筒密闭始发技术为盾构始发安全提供了可靠保障。虽然其施工工艺相对复杂、钢套筒加工及安拆费用较高，但其施工工期相对于常规始发方案相当并能节省端头加固时间，钢套筒可循环使用，综合经济效益较好，具有较大的提升空间和推广前景。