0 引言

　　盾构接收是盾构施工的一项重大风险点。为保障盾构接收施工安全，需对接收端头土体进行加固，诸如旋喷桩、搅拌桩等常规的加固方法在富水砂层中的加固质量无法达到预期的效果，特别是受场地条件限制无法对接收端头进行加固。在富水砂层地质条件下按常规盾构接收方案无法避免涌水涌砂情况出现，盾构钢套筒接收方案能很好解决这一难题，有效将盾构接收风险降低到可控范围。

　　1 工程概况

　　太原地铁2号线210标包含大南门站—钟楼街站、钟楼街站—府西街站、府西街站—缉虎营站3个盾构区间，盾构机在大南门站、钟楼街站、府西街站三处接收端头接收。

　　大南门站盾构接收端地层自上而下依次为杂填土、黏质粉土、粉质黏土、中砂，地下水静水位埋深约2.8m。隧道拱顶埋深约17.2m，洞门处地层位于中砂层。钟楼街站盾构接收端地层自上而下依次为杂填土、黏质粉土、粉质黏土、粉细砂，地下水静水位埋深约4.8m。隧道拱顶埋深约12.9m，左线洞门处地层位于黏质粉土、粉质黏土层，右线洞门处位于粉细砂层。府西街站盾构接收端地层自上而下依次为杂填土、素填土、黏质粉土、粉质黏土、中砂(粉细砂)、黏质粉土、粉细砂，地下水静水位埋深约2.7m。隧道拱顶埋深约10m，左线洞门处地层位于黏质粉土、中砂层，右线洞门处位于粉细砂层。

　　大南门接收端头受无法改移管线及施工场地等多种因素影响，盾构到达前未采取加固措施;钟楼街接收端头和府西街接收端头采用三重高压旋喷桩加固，但受端头内未改移管线影响，端头加固不完全、不可靠。盾构接收洞门处粉细砂、中砂地层均属于透水地层，具有明显的触变性和流动性，稳定性差，地下水位高，盾构接收过程中容易产生涌水、涌砂现象且接收端头周边距建筑物近、所处地段敏感，盾构接收风险极高，盾构接收采用盾构钢套筒接收方案。

　　2 工作原理

　　钢套筒辅助盾构进洞工艺主要基于水土压力平衡的理念，以小空间换取大空间、循环利用为核心，为盾构进洞提供了新的技术和思路，成功克服了盾构在进洞过程中受加固空间局限制约的进洞。钢套筒通过分块制作、现场组装形成一个整体后，与洞门预埋钢环焊接，在钢套筒内填充泥砂，从而模拟盾构在原状地层中掘进，盾构机直接采取掘进模式切削洞门进入钢套筒，保障盾构机在土压平衡状态下到达和通过洞门，规避接收洞门第一时间暴露为洞门封堵赢得时间。盾构机完全进入套筒后(盾尾出结构墙)，通过在洞门管片处注入双液浆、聚氨酯、丙烯酸盐等材料封堵洞门，从而有效防止涌水、涌砂等现象的发生，消除盾构出洞的施工安全隐患，实现盾构安全接收。

　　2.1 盾构钢套筒

　　盾构接收钢套筒由过渡环、筒体1～4、后端盖板及反力支撑体系组成，盾构钢套筒接收如图1所示。

　　图1 盾构钢套筒接收示意  

　　钢套筒与洞门预埋环板之间设长度为800mm过渡环，分上下半圆并采用加橡胶垫螺栓连接，洞门环板与过渡环采用焊接连接。在过渡环设置6个带球阀的观测孔，用作盾构机停机到位后封堵洞门的注浆孔及检查洞门密封质量的检查孔。

　　工程采用盾构机直径为6 410mm、盾体长约9 300mm，盾构洞门预埋钢环内径为6 700mm、外径为7 000mm，为使盾构机完全进入盾构钢套筒内并与预埋钢环可靠焊接，筒体部分设计总长10 000mm，直径(内径)6 820mm。筒体分4段，每段长2 500mm并分为上下两个半圆。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与下部筒体焊接连成一体，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2中部设置600填料口安装填料管。

　　后端盖板分上下半圆，盖板上下半圆间和盖板与筒体间采用加橡胶垫螺栓连接方式。采用3根反力柱及609圆管支撑的组合方式组成反力支撑系统，盾构在钢套筒内掘进时的土压力，通过端盖、反力柱、钢支撑传递至主体结构的底板及中板横梁上，钢管支撑焊接在预埋的钢板或植筋钢板上。

　　2.2 钢套筒接收施工工艺

　　盾构钢套筒接收施工工艺流程如图2所示。

　　图2 盾构钢套筒接收施工工艺流程  

　　3 钢套筒接收施工技术要点

　　3.1 钢套筒安装、垫层施工、密封性检查及填料

　　钢套筒安装前对预埋洞门钢环的位置尺寸、高程及接收井位置尺寸、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垫层的厚度并确定钢套筒安装位置。垫层施工应确保垫层平整，防止因垫层标高偏差过大引发钢套筒受力不均。

　　钢套筒安装按照先下半圆后上半圆、由洞门处向车站内方向安装过渡环及筒体、安装后端盖、安装加固反力支撑的顺序安装钢套筒。钢套筒安装时必须可靠粘贴块间橡胶垫并防止损坏;过渡环与预埋钢环的焊缝沿过渡环一圈内外侧满焊，对局部地方无法与洞门钢环密贴的情况，需在这些空隙处填充钢板并焊接牢固，因空间受限焊接薄弱部位需用堵漏灵涂抹;所有连接螺栓需复紧2次，在钢套筒内将所有接缝用堵漏灵涂抹;反力支撑的直撑与底边的空隙用钢板垫实，斜撑在底板预埋件上可靠焊接。为了防止盾构机进入钢套筒内产生低头，钢套筒安装完毕后在套筒底部及预留洞门60°范围施做150mm厚(根据情况调整)C20混凝土垫层，如图3所示。在预埋钢环和端盖中心位置安装两处位移检测装置，用于钢套筒密闭性试验和盾构进入钢套筒过程中钢套筒位移的监测。

　　钢套筒的密闭性能检查，采用气体为试验介质，试验压力为1.15倍切口环压力，试验时应缓慢升压，当压力升至试验压力的50%时，如未发现异常或泄漏，继续按试验压力的10%逐级升压，每级稳压3min，直至试验压力。在试验压力下稳压10min，再将压力降至设计压力，采用发泡剂检验无泄漏为合格。试验中如有泄漏应立即停止加压并采取泄压措施后处理渗漏部位，再按前述试验过程进行加压试验。

　　图3 钢套筒内垫层施工  

　　密闭试验合格后对钢套筒进行泄压，再将盾构掘进出的渣土(主要是砂土，流动性与和易性较好)填入钢套筒内，填料过程中需将钢套筒顶部的阀门打开排气，确保填满后关闭阀门。套筒内填料约400m³，常在填料口旁边用砂袋堆码长×宽×高约6m×4m×1m的围堰用于临时储存倒运的渣土，用75挖机填料。

　　3.2 接收掘进技术参数

　　钢套筒接收掘进分为刀盘到达地下连续墙前的掘进、刀盘切削地下连续墙掘进、盾构机进入钢套筒掘进3个阶段，准确把握接收掘进各阶段的施工控制重点，制定合理的掘进参数是钢套筒接收方案成功运用的关键。

　　1)刀盘到达地下连续墙前掘进

　　当盾构到达接收工作井100m时对盾构机姿态进行测量，根据预埋洞门钢环、钢套筒实际尺寸和安装位置综合确定盾构出洞姿态并逐步调整，保证盾构机刀盘及盾体进入钢套筒过程中的界限要求满足盾体与预留洞门和钢套筒净空尺寸偏差，掘进参数按照正常掘进阶段参数掘进。当盾构到达接收工作井10m内复核盾尾内拼装的管片坐标，结合油缸行程、盾构机结构尺寸、地下连续墙位置推算刀盘接触地下连续墙的位置(掘进环号及油缸行程)，并利用导向系统的坐标数据校核。刀盘到达地下连续墙前掘进过程中通过控制螺机闸门的开口度、螺机转速与推进速度的匹配性并结合计量的方式严格控制出土量。推进速度<20mm/min，刀盘转速1～1.2r/min，刀盘扭矩<3 500kN·m，土压力根据隧道埋深及地质特征确定(部分端头未经加固不能按常规出洞方案降低土压值)。原则上总推力<15 000kN，推力过大时应根据刀盘扭矩、推进速度、土压力值、地层特性综合判断推力值是否合理，不可盲目为控制推力而降低土压值引发地面沉降;掘进中根据掘进速度严格控制同步注浆速度，注浆量加大到理论空隙量的2倍以上，调整浆液配合比，增大水泥掺量及浆液稠度，上部注浆压力不低于0.15MPa，选用黏性较高的盾尾油脂，加大盾尾油脂注入量，确保盾尾密封良好不漏浆。加强管片螺栓复紧不少于3次。

　　2)刀盘切削地下连续墙掘进

　　刀盘鱼尾刀刀尖距地下连续墙300mm时，控制推进速度<5mm/min。刀盘转速1.2～1.5r/min;刀盘扭矩、土压力、总推力、同步注浆、管片螺栓复紧按上述刀盘到达地下连续墙前掘进的参数控制。刀盘切削地下连续墙的过程中安排专人在接收井套筒处观察钢套筒有无异常情况，建立地面监控室、盾构机操作室，接收井处联络畅通，及时反馈处理异常情况。掘进时向土仓添加膨化效果良好的膨润土以利于切削的混凝土渣顺利带出。控制螺机闸门开口度及螺机转速控制出土量，避免喷涌造成土压大幅波动引起地表沉降。刀盘扭矩、总推力明显降低、推进速度突然上升时可以判断刀盘将地下连续墙磨透，需控制推进速度<30mm/min，这时刀盘扭矩会降低至1 000kN·m以内，推力降低至8 000kN以内，降低刀盘转速在0.6r/min以内，土压值稳定在0.08～0.12MPa，停机土压保持在0.1MPa以上。

　　3)盾构机进入钢套筒掘进

　　刀盘完全进入钢套筒掘进时，刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力、土压值按上述磨透地下连续墙后参数控制，推进速度<70mm/min，按正常掘进状态控制出土量，出土量需同推进速度匹配。在不影响出渣的情况下不添加改良剂并严禁加气，在推进过程中可以打开钢套筒顶部阀门一定开度排水，并在停机时待水全部排除后关闭。同步注浆、管片螺栓复紧按上述刀盘到达地下连续墙前掘进的参数控制。拼装最后一环管片(出结构墙位置)通过下部拼装3片管片推进至露出1～2道盾尾刷(最后1道盾尾刷确保压在最后1环管片上)土仓压力保到0.1MPa以上后停机，在套筒过渡环及洞内管片开孔注浆封堵洞门。

　　3.3 洞门封堵注浆及钢套筒拆除

　　接收端地层为富水砂层，地下水位高并具有一定的承压性。地层未经过有效加固的情况下，盾构推进过程中易形成水砂通道，注浆质量控制尤为重要。为了可靠阻断水砂通道，在靠近接收洞门拼装10环多孔管片，采用注浆管注水泥-水玻璃双液浆施做环箍，加固范围为同步注浆层外500mm，如图4所示，同时填充管片与地下连续墙及车站结构之间的空隙封堵洞门。

　　图4 管片壁后注浆加固示意  

　　注浆分3个阶段进行。第1阶段在盾构机到达停机位后，利用钢套筒过渡环上预留的注浆孔自下而上两侧交替或采用同步方式注浆，注浆过程中需在洞内安排专人盯控盾尾有无漏浆及土仓压力的变化情况并与注浆现场建立通讯联络，一旦发现盾尾漏浆或土仓压力大幅波动，需暂停注浆，排查原因并调整注浆参数，注浆过程中可将钢套筒顶部球阀打开一定开度排水，注浆压力≤0.3MPa。第2阶段利用管片预留注浆孔对最后10环管片注双液浆，使其与同步注浆浆液混合，在短时间凝固及补充同步注浆的不足，浆液凝固后形成止水塞封闭隧道纵向渗水通道，注浆时控制注浆压力≤0.3MPa并对隧道管片进行收敛监测，发现异常及时停止注浆并调整注浆参数。第3阶段从管片注浆孔打设注浆花管至同步注浆层外500mm，进一步扩大径向注浆范围，注浆同样采用双液浆，注浆过程中采用注浆量与注浆压力双控原则，采用多次少量注入，每孔每次注入量控制在200～400L，注浆压力≤0.3MPa。待注浆完成12h后检查注浆效果，若有水砂流出，需继续对薄弱位置进行补注浆。

　　施工中水泥-水玻璃双液浆应分别配制水泥浆和水玻璃浆，按水泥浆与水玻璃浆1∶1～1∶0.6(体积比)用双液注浆泵泵送，在混合器中混合后注入。水泥浆采用强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥和水拌制，水泥浆水灰比0.8～1;水玻璃浆液宜选用模数2.8～3.3，浓度35°Be'以上的水玻璃稀释而成，水玻璃的稀释宜采用边加水边搅拌边用波美计测量的方法进行;注浆施工前对浆液配合比参数进行室内试验和现场试验。

　　洞内通过管片开孔检查确认注浆效果后，还需通过钢套筒过渡环预留的注浆口进行检查并打开钢套筒顶部的阀门确认无水砂流出。确认注浆达到要求后将刀盘前方的土体排空，同时割除过渡环并随割随焊扇形钢板，扇形钢板外弧需与预埋钢环可靠焊接且内弧应与管片外弧密贴。扇形板焊接完成后按拆除钢套筒后部支撑及端盖→拆除钢套筒及过渡环上半圆→盾构机盾尾与最后一环管片分离→盾构机及桥架拆除→钢套筒及过渡环下半圆拆除的顺序，拆除钢套筒及盾构机后及时施做后浇洞门环梁。

　　4 钢套筒接收常见问题控制措施

　　1)施工偏差累积

　　钢套筒接收方案在整个接收过程中，盾构机在钢套筒内，相比常规接收方案不能直观地看到刀盘相对于接收洞门的位置偏差，施工偏差累积可能导致盾构机不能安全顺利出洞，因此该方案对施工测量及复核提出较高要求。施工偏差主要由洞门钢环定位、钢套筒定位及盾构机出洞姿态3个施工环节累积。洞门钢环常因施工原因产生较大的位置偏差及变形失圆，预埋洞门钢环时需测量定位准确，钢环与结构环梁的锚固筋数量及锚固质量控制符合设计要求，结构预留洞门的模板及支撑体系需进行验算，并严格按照方案控制好混凝土浇筑质量。钢套筒安装前(盾构机距离接收洞门50～100m)需再次进行接收端与始发端的联系测量，按联系测量成果对盾构机当前姿态进行复核，必要时需采取陀螺仪定向方式复核隧道内施工控制导线，对接收洞门的实际位置尺寸、钢套筒的实际尺寸及接收端底板标高进行复核，根据复核数据综合拟定钢套筒的定位位置、控制高程及盾构机出洞姿态并对钢套筒最终安装后位置进行复核。按洞门钢环实际测量数据、钢套筒定位复核数据修正盾构机出洞姿态并在刀盘磨削地下连续墙前调整到位。在盾构机安全进入钢套筒前的过程中，需严格控制盾构机姿态并在接收端安排专人盯控钢套筒有无异常及刀盘剐蹭钢套筒的情况，有异常时需根据现场情况及时调整掘进参数。

　　2)钢套筒内填料

　　钢套筒内填料工序是盾构机钢套筒内安全接收的重要保障，一方面增强土压平衡盾构施工的整体保压性能，另一方面加大了盾构机在钢套筒内施工期间底部承载力有效防止盾构机“栽头”。填料应以密实度高、流塑性好且能由盾构机螺旋输送机和皮带输送机顺利带出的物料为主。本工程采用盾构掘进的渣土作填料，为让填料顺利从料管进入钢套筒，保障填料密实饱满，应在填充过程中适当加水。

　　始发车站施工中的建筑垃圾常倾倒至渣坑中，较大的混凝土块、毛毡、方木及冬季施工时冻土块会堵塞填料管，影响填料施工效率和质量，严重时需割除填料管处理堵塞物，大的块状物填入钢套筒内将引发盾构机在钢套筒内掘进时刀盘扭矩跳动较大、蹭碰钢套筒及螺机卡塞等不良后果。因此应尽量避免大的块状物、毛毡、方木等杂物运输至填料现场，现场填料时需对杂物进行筛选。冬季施工注意控制填料时机，采用必要的防冻措施避免渣土上冻无法填入。

　　填料时，泥砂会在高差作用下对钢套筒局部产生较大的冲击力，同时填料过快会在密闭的钢套筒内产生压力，严重情况下会破坏钢套筒。钢套筒安装需选用合格的高强螺栓，对钢套筒安装及加固质量验收合格后再填料;在填料过程中需安排专人在安全区域观察钢套筒有无异常变化;严格控制挖机填料速度，宜在上斗料完全进入钢套筒内再进行下一斗填料;填料前需打开钢套筒顶部所有阀门排气并在填料到一定高度时排水，在埋深较大的车站为确保填料施工安全宜将钢套筒顶部的方形盖板拆除，加大排气、排水量。填料至钢套筒顶部阀门处或方形孔处开始冒泥时，关闭阀门及上紧方形孔盖板，继续少量填料至填料口上端目测液面可见，宜留4m高度不填。

　　3)盾构机钢套筒内掘进参数设置

　　盾构机钢套筒内掘进参数设置主要包括:刀盘磨削完地下连续墙后总推力、刀盘扭矩、刀盘转速的调整和设置盾构机在钢套筒内掘进时的合理土压力值。

　　盾构机刀盘磨削完地下连续墙进入预留洞门至盾构机在钢套筒内停机到位的过程中，开挖直径与盾体外径及盾构管片外径的差值导致在未采取封堵注浆措施前会形成渗水通道。盾构机在钢套筒内掘进的土压值设置首先应保障刀盘前方满仓实土压，综合考虑接收端地质情况及隧道埋深以达到抵御渗水流砂通道形成，防止地层损失导致地面沉降即最低土压值;其次过高的土压值会造成作用在钢套筒端盖及其支撑体系上的作用力增大，对支撑体系产生破坏变形、钢套筒受内应力变形或损坏密封产生渗漏泄压、泥水顺着填料管上升溢出污染周边环境，应综合上述因素确定最高土压值。渣土填料是经改过良后的渣土，掘进中应防止泡沫注入影响土仓实土压的建立。掘进中控制螺机转速及闸门开口度使排土量与掘进速度匹配防止超排，严格控制土仓压力在控制范围内，经施工实践证明，盾构机在钢套筒内掘进中土仓压力宜控制在0.06～0.12MPa，停机土压宜保至0.1～0.12MPa。

　　总推力应结合土仓压力值及反力支撑系统的承受力确定，常按≤8 000kN控制。在刀具磨损严重的情况下由于开挖直径减小，盾体通过磨削地下连续墙的孔洞时会产生较大阻力，推力明显增大属正常现象，但需防止姿态控制不准确刀盘剐蹭钢套筒产生附加力，因对掘进中的推力数据变化情况和掘进中有无异响准确判断。

　　刀盘在磨削完地下连续墙后刀盘扭矩较小，但有时因填入杂物、磨削洞门掉落的混凝土块、地下连续墙可能存在的桁架钢筋未割除、刀盘剐蹭钢套筒等情况的影响，刀盘扭矩会偏大并出现波动，需准确分析判断刀盘扭矩数据的合理性，不可盲目调整掘进相关参数。

　　5 结语

　　在富水砂层地层端头加固质量存在缺陷或未加固的条件下，成功应用盾构钢套筒接收并辅以注浆封堵洞门的施工方案，有效避免了洞门涌水、涌砂施工安全隐患，实现了盾构机安全接收。相比通常采用的钢套筒配合冷冻法进行盾构接收方案，盾构钢套筒接收辅以注浆封堵洞门的方案在成本节约、工期优化、减小对周边环境的影响方面具有突出的优势。