端头加固可大大降低盾构始发和接收的风险, 但在城市地铁施工中经常会因场地或地层条件限制, 不能实施端头加固或端头加固效果不能满足盾构始发或接收要求。因此, 如何安全、实用、经济地进行盾构始发和接收, 是盾构工程界十分关注的课题。盾构钢套筒平衡始发和接收技术是一项新技术, 可以在破除洞门前为盾构始发建立水土平衡环境, 盾构机在钢套筒内实现安全始发和接收, 与端头加固法相比, 其安全性、可靠性和经济性均有较大幅度提高^[1]。目前国内已有多例工程成功应用了钢套筒始发和接收技术^{[2,3,4,5,6,7,8]}, 已积累了较丰富的工程经验, 但基于土压平衡盾构全套筒始发的工程案例较少, 缺乏必要的工程实践。本文结合北京地铁8号线三期永定门外站—木樨园桥北站区间土压平衡盾构施工实践, 对全套筒密闭始发施工关键技术进行分析。

北京地铁8号线三期永定门外站—木樨园桥北站盾构区间线路基本呈南北走向, 出永定门外站后沿永定门外大街西侧向南敷设到达木樨园桥北站;设计起点里程K35+156.119, 终点里程K35+691.111, 全长534.992m。盾构轴线纵向为单面坡设计, 最大坡度24.17‰, 最小坡度2‰, 隧道拱顶埋深15.3~25.2m。衬砌管片外径6.0m, 内径5.4m, 环宽1.2m, 施工采用错缝拼装, 采用6.26m土压平衡盾构机施工, 盾构始发井采用地下连续墙+内支撑结构支护, 墙厚1.2m, C35混凝土, 盾构范围采用玻璃纤维筋替代普通钢筋。

盾构穿越地层剖面如图1所示。可以看出, 除前150m盾构区间底部存在不连续的 (6) 粉质黏土层薄层外, 其余线路全断面均为 (5) 富水卵石层。地下水位标高19.000m, 盾构机从永定门外站始发时机顶位于水位线以下约4m, 需要带水始发, 水土压力>0.3MPa。盾构始发端头周边环境如图2所示。始发井南侧加固范围内存在热力小室及热力管沟、1 400雨水管、1 600雨水管、联通管线等, 影响端头加固的施作, 设计加固长度为12m, 目前局部只能施工3m, 端头加固范围不能满足盾构始发要求。

根据工程实际条件, 本次盾构始发采用全套筒密闭始发施工技术, 通过向钢套筒密闭空间内填充惰性浆液并加压, 提前建立土仓压力提供平衡掌子面的水土压力。在盾构机穿越玻璃纤维筋地下连续墙过程中, 通过向掌子面注入膨润土等材料持续加压, 始终保持土仓与掌子面的压力平衡, 达到安全始发的目的。

本次盾构为了解决钢套筒与洞门预埋环板开裂、钢套筒变形过大、反力架变形过大及密封等问题, 对钢套筒和反力架等关键部件及密封环节进行了针对性设计。

整个钢套筒结构由过渡环、筒体、反力架等部分组成, 设计耐压为0.5MPa。筒体设计如图3所示。

钢套筒筒体内径6 800mm, 纵向分为5段, 包括4段筒体及1段过渡连接板, 均采用16mm厚的Q235A钢板, 每段筒体的外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体刚度, 筋板厚20mm, 高200mm, 间隔约550mm×600mm;每段筒体长2 560mm (为了拆除盾构机, 其中第2节2m处、第4节1.2m处下部各多加1道法兰) , 过渡连接板长800mm, 总长11 140mm, 每段筒体的端头和上、下两段圆弧接合面均焊接连接法兰, 法兰用30mm厚的Q235A钢, 上、下两段连接处以及两段筒体之间均采用M30×90, 8.8级螺栓连接, 中间加15mm厚橡胶垫, 以保证密封效果。

托架与下部筒体焊接连成一体, 焊接时托架板先与筒体焊接, 再焊接横向筋板及焊接底板和工字钢。托架组装完后, 钢套筒底边与车站底板预埋钢板焊接, 托架须用型钢与车站侧墙顶紧, 钢套筒上部采用槽钢与中板梁对顶, 确保钢套筒稳定。

进料口设置于每节筒体正上部位置, 为DN500圆形孔, 共3个, 封盖、孔壁采用20mm厚钢板制作, 封盖加垫5mm橡胶垫采用法兰螺栓固定。在后端盖平面板上下各设置2个DN200泄料闸门, 并在每节筒体下部设置有4个DN200卸料闸阀。后端盖设置1个人闸门, 用于钢套筒内部人员进行焊接及内部施工作业。

根据结构底板复测结果和套筒的具体尺寸要求, 对底板进行针对性处理, 具体做法为:利用掺和一定比例水泥的级配碎石对底板进行找平, 然后满铺30mm厚钢板, 由于钢套筒中心距离底座为3 686mm, 而线路中心线距离底板3 810mm, 因此必须采用43号钢轨对底板进行垫高 (将盾构机抬高1~2cm) , 铺设前必须对底板平整度进行检查, 对标高进行核对, 保证在钢套筒安装范围内的平面平整度在±5mm之内, 对凸出位置要进行凿除处理, 保证不能有凸点, 必要时需要对底板平面进行填砂处理。

反力架紧靠在地下4层车站混凝土结构上, 一侧中、上部各通过600×300×14×23H型钢双拼焊接做斜支撑, 另一侧通过600×300×14×23H型钢双拼焊接在车站端面上。反力架上部用H型钢与车站预埋钢板连接。反力架形式如图4所示。

1) 前端密封

套筒前端密封做法如图5所示。在钢套筒与洞门环板之间设置过渡连接环板, 环板宽度200mm, 直径与筒体相同, 厚20mm, 与套筒和洞门钢环直接焊接密封, 并进行焊缝质量检测, 确保焊接质量, 此外, 在过渡环外侧设置加筋肋板, 肋板高度150mm, 宽150mm, 厚20mm, 弧向间距600mm。

2) 接缝密封

钢套筒每节法兰连接处采用20mm厚橡胶垫进行密闭处理, 避免出现渗漏情况。由于钢套筒底部作业空间狭窄, 出现渗漏等情况无法进行二次处理。提前在钢套筒内底部20cm填充M15砂浆, 避免套筒底部出现渗漏等异常情况。

3) 套筒尾端密封

钢套筒尾部距离反力架为16cm, 首先在反力架上焊接内径5.4m, 外径6.7m, 厚度2cm的钢环, 通过14cm宽, 2cm厚环板将套筒尾部与反力架上钢环进行焊接密封, 然后将-9环端部靠紧在反力架钢环上, 中间设置密封止水条, 实现套筒尾部密闭, 如图6, 7所示。

盾构机在套筒内始发, 特别是在穿越地下连续墙期间容易出现盾构机扭转现象, 在套筒内很难进行纠正, 在始发阶段应采取措施避免此类现象出现, 具体措施如下。

1) 盾构机推进前用弧形钢板将反力架与钢套筒焊接密封, 焊接完成后, 拼装负环管片, 通过钢套筒预留注浆孔进行惰性浆液注入。

2) 试验确定惰性浆液配合比 (见表1) , 尽量加大浆液中砂含量, 增大对盾体摩擦力, 防止盾构机扭转。

3) 穿越地下连续墙期间, 正转与反转结合, 减小盾构机滚动角, 推力控制在12 000k N以内, 掘进速度≤5mm/min, 转速控制在1~1.5rad/min, 扭矩≤2 000k N·m。

4) 为了保证盾构机在始发过程中套筒稳定, 在盾构机始发之前, 将套筒底部与钢板焊接在一起, 在结构一侧采用I14进行水平支撑, 临空一侧采用I14进行斜向支撑, 角度为45°, 单侧设置5道支撑, 共计10道, 支撑与套筒和底部钢板均进行焊接处理。套筒加固断面如图8所示。

1) 盾构机推力:推力值设定在12 000k N以内。

2) 刀盘转速应控制在1~1.5rad/min。

3) 盾构机掘进速度应设定在1~2mm/min。

4) 刀盘扭矩设定在2 000k N·m以内。

盾构机关键技术参数的设定值, 也是盾构机始发掘进过程中的预警值。如果在掘进过程中某个参数达到预警值, 可能会引起相关系统的施工风险。如推力过大时, 可能造成密封系统的破坏和反力架的失稳, 扭矩过大时可能造成盾构机的滚动扭转。因此, 当某一参数预警时, 必须停止盾构机的掘进, 将预警参数降到设定值范围内再继续推进。

围护结构为宽8.0m、厚1.2m的地下连续墙, 盾构隧道穿越范围内采用玻璃纤维筋替代普通钢筋并浇筑水下C35混凝土 (实际强度已达到55.1MPa左右) 。玻璃纤维筋具有抗拉不抗剪的特性, 可以满足盾构穿越, 但混凝土强度较高, 如果穿越期间掘进参数控制不当, 容易造成严重刀具损伤, 影响后续掘进。针对此情况采取了如下措施。

1) 对刀具配置进行了针对性优化, 在原有刀具基础上, 增设190mm高度先行刀专门切削地下连续墙, 最外周3个轨迹共计14把。

2) 在掘进过程中保持匀速、低速通过, 严格控制盾构穿越期间各项参数, 特别是推力、贯入度、扭矩等, 确保掘进状态良好。

3) 刀盘正转与反转结合, 减小盾构机滚动角。

4) 适当加大膨润土、泡沫以及水的注入量, 充分润滑刀盘及刀具, 减小刀盘磨损。

1) 盾构机、钢套筒验收完成具备始发条件, 此时-9环~-7环安装完成, 如图9所示。

2) 如图10所示, 盾构机掘进完成-5环+1 030mm~+4环+525mm, 视为盾构机完全进入土体, 套筒始发结束, 开始进行正常掘进施工。

为防止盾构始发过程中引起地表沉降, 在始发井南端头及盾构区间影响范围内布设监测点实时监控地表沉降变化。布点范围为小端面中线位置左右偏20m, 大断面中线位置左右偏50m, 前后盾构始发位置往后50m。根据盾构始发完成后监测数据统计, 左线地表累计最大沉降位置为YSG-05-11监测点, 累计沉降值为-0.90mm;右线地表累计沉降最大的点为DB-05-01, 累计沉降值为-0.90mm, 沉降控制满足要求。

为了监测钢套筒结构变形情况与反力架位移情况, 分别在过度环与洞门钢环连接处设置百分表1, 在钢套筒第2, 3节连接处设置百分表2, 反力架横撑处设置百分表3, 始发过程监测结果如表2, 3所示。

根据百分表监测数据分析, 盾构全套筒密闭始发过程中, 钢套筒与反力架变形都在±0.1mm以内, 满足结构变形的使用要求, 盾构始发安全可控。

1) 采用全套筒密闭始发工艺不需要进行端头注浆加固及降水处理, 无需进行征地拆迁、管线改移等施工, 同时避免了富水砂卵石地层中端头注浆加固质量难以保障的施工通病, 安全节能、经济环保, 值得进一步推广与应用。

2) 为了减小盾构钢套筒的振动以及增加对盾构机的握裹力, 应合理填充惰性浆液, 增设管片固定装置, 避免负环管片下沉等现象出现。

3) 应做好套筒前端、尾部及接缝处的密封工作, 管片密封处应进行封堵处理, 避免出现渗、漏浆等情况发生, 导致建压失败, 掌子面失稳。

4) 为了保证全套筒密闭始发顺利进行, 应根据地层及工程条件合理确定施工参数。