砂卵石地层盾构钢套筒接收施工技术研究

交通运输研究TRANSPORTRESEARCHVol.5No.3Jun.2019李谷阳，孙梓栗，李晟，等.砂卵石地层盾构钢套筒接收施工技术研究[J].交通运输研究，2019，5（3）：72-LIGY,SUNZL,LIC,etal.ConstructionTechnologyofShieldSteelSleeveReceivinginSandyCobbleStratum[J].Trans-portResearch,2019,5(3):72-78.

DOI：10.16503/j.cnki.2095-9931.2019.03.010

砂卵石地层盾构钢套筒接收施工技术研究

李谷阳1，孙梓栗2，李晟1，黄杉1，徐前卫2

（1.中铁五局集团电务工程有限公司，湖南长沙410205；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

摘要：依托北京地铁8号线天桥站—永定门外站区间隧道工程，对砂卵石地层中盾构法施工的钢套筒接收技术开展了相关研究。首先，分析了该工程中盾构接收的难点；然后，对“钢套筒+玻璃纤维筋地连墙”接收方案进行了论述，主要包括钢套筒设计、钢套筒安装及接收准备、盾构接收施工以及洞门封堵注浆等施工环节的关键技术；最后，对钢套筒接收工法的优缺点及经济性进行了比较分析。工程实践表明，本工程中采用的施工控制技术有效确保了盾构接收施工的安全，缩短了施工工期，降低了施工成本。

关键词：砂卵石地层；隧道工程；盾构接收；钢套筒；掘进中图分类号：U455.4

文献标识码：B

文章编号：2095-9931（2019）03-0072-07

ConstructionTechnologyofShieldSteelSleeveReceivingin

SandyCobbleStratum

LIGu-yang1,SUNZi-li2,LICheng1,HUANGShan1,XUQian-wei2

(1.TheElectricityEngineeringCo.,Ltd.underCRECNo.5Group,Changsha410205,China;2.KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,

Shanghai201804,China)

Abstract：BasedontheintervaltunnelprojectfromTianqiaoStationtoYongdingmenwaiStationofBeijingMetroLine8,aseriesofresearchaboutthesteelsleevereceivingtechnologyforshieldtunnel-inginsandycobblestratumwerecarriedout.Firstly,thedifficultiesencounteredintheshieldreceivingprocesswereanalyzed.Subsequently,theshieldreceivingschemecombiningthesteelsleevewithfiber-glassreinforcedconcretediaphragmwallwasdiscussed,whichmainlyincludedthefollowingkeytech-nologiessuchassteelsleevedesign,steelsleeveinstallation,shieldreceivingpreparation,shieldreceiv-

收稿日期：2019-04-12

基金项目：国家自然科学基金项目（41672360）

作者简介：李谷阳（1975—），男，湖南湘乡人，工程师，主要从事隧道与地下工程建设与管理工作。

E-mail:767223941@qq.com

通讯作者：徐前卫（1973—），男，安徽巢湖人，博士，副教授，研究方向为隧道与地下工程、路基工程、

边坡工程。

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交通运输研究

Vol.5No.3李谷阳，等：砂卵石地层盾构钢套筒接收施工技术研究

ingconstructionandconstructionofsealinggroutingforcavedoors.Finally,theadvantagesanddisad-vantagesaswellastheeconomicalefficiencyofthesteelsleevereceivingconstructionmethodwerecomparedandanalyzed.Theengineeringpracticeshowsthattheconstructioncontroltechnologiesad-optedinthisprojectcouldeffectivelyensurethesafetyoftheshieldreceivingconstruction,shortentheconstructionperiodandreducetheconstructioncost.

Keywords：sandycobblestratum;tunnelengineering;shieldreceivingtechnology;steelsleeve;

tunneling

0引言

盾构接收是盾构隧道施工中非常重要的环节。确保盾构以正确的姿态接收并防止出现地层坍塌等事故，是盾构接收施工的重点[1-2]。目前，盾构接收施工所采取的安全措施主要包括端部加固、深井到达、冷冻等[3-6]。然而，上述方法均需要对盾构到达处的地层进行加固施工，不仅难以保证加固质量，同时还存在很大的风险[6]。相对而言，在水位较高的砂卵石地层中施工时，盾构到达会对地层产生较大的扰动，易发生突水、涌水等事故[7-9]。因此，在工程中采用钢套筒工艺辅助接收技术，可有效保证盾构机接收过程的安全，同时可缩短施工工期、节约成本[10]。

钢套筒接收技术在日本等盾构施工技术先进的国家使用较早，我国引入盾构隧道施工的时间还不长。国内学者结合隧道工程建设实践，对钢套筒辅助始发和接收技术开展了一些研究，例如：郭家驹[11]通过增加封堵墙和采用钢套接收技术，确保了杭州地铁盾构的平稳安全接收；王健[12]介绍了盾构接收辅助装置钢套筒的设计原理和组成，并在此基础上提出了改进措施；胡爽子[13]分析了钢套管接收技术在施工中的优缺点；陆鹏程[14]采用数值模拟方法分析了钢套结构的安全性，并结合工程实例提出了相应的施工控制措施；陈锋[15]论述了富水地层有限空间内盾构钢套筒接收施工方法。

综上所述，目前对于钢套筒接收技术的研究主要集中于施工工艺与原理，而与地层结合得较少，尤其对于砂卵石地层中钢套筒接收的研究更为有限，因此仍需积累工程经验，继续深入研究。

1工程概况

1.1

周边环境

北京地铁8号线三期05标段天桥站—永定门外站区间盾构隧道，起点里程K33+381.442，终点里程K35+007.942，全长1626.5m。根据天桥站—永定门外站盾构施工图以及05标施工组织要求，本区间配置两台盾构机。第一台盾构机在完成从天桥站到区间风井左右线掘进任务以及从区间风井到永定门外站左线掘进任务后，在永定门外站吊出解体；第二台盾构机在完成从区间风井到永定门外站的右线掘进任务后，在永定门外站拆除。永定门外站接收端的地连墙外皮与14号线永定门外站东南风道（采用PBA工法施工）初支结构外皮净距离为7.2m，距离06标段配电箱7.8m。周围环境平面如图1所示。

图1永定门外站接收端周边环境平面图（单位：m）

1.2工程地质

区间拟建线路在地质构造单元上处于丰台凹

陷，地貌单元位于金沟河古道及漯水古道交替冲

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洪积影响形成的阶地及其间台地上。地层纵断面如图2所示。地勘资料显示，永定门外站拱底深31.7m水土压力达，地下水深0.3MPa22.5m。隧道周围为富含水的卵石层，高于拱底约9.2m，最大夹粉质黏土层，隧道上部为卵石⑤层，下部为粉质黏土⑥层。各土层的物理力学指标如表1所示。根据设计图纸及地勘报告，天桥站—区间风井盾构隧道洞身范围内无地下水。

①杂填土

①2粉土填土

③2粉土

2

③14号线永定门外站风道14号线永定门外站主体

③粉质黏土③3粉砂|细砂

④④粉质黏土

2粉土

⑤2细砂|中砂

④粉质黏土

⑤卵石

⑦2细砂|中砂

⑦卵石

图2永定门外站接收端地质纵断面图表1

土层物理力学参数表

地

厚度渗透压缩层名称/m（/kN·m重度黏聚力摩擦-3）/kPa角/°①①

4.9（/系数m·d模量-1）杂填土0.616.58.0

-/MPa2粉土填土③-5.4-

3粉砂～细砂1.119.70.0粉质黏土③③

2.919.88.010.02.019.58.66.00.044.05.53粉砂～细砂粉质黏土⑤④6.419.823.30.0

30.06.00.044.09.42细砂～中砂

⑤1.4

19.120.021.70.030.032.5卵石⑥11.720.20.011.9粉质黏土1.619.322.5

0.030.040.08.8120.06.0

47.5⑦卵石

-21.50.045.0200.00.011.945.01.3重难点分析

永定门外站盾构接收部位水土压力最大处达0.3MPa，接收端地层渗透性好，渗透系数为

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交通运输研究

200m/d号线东南风道的影响，永定门外站盾构接收端头，容易发生涌水、涌砂风险，且受地铁14

不满足加固和降水条件。因此，当盾构进入端头井时，考虑采用钢套筒接收的施工方案。

由于钢套筒开口端与洞门预埋钢环连接，盾构在接收前不具备破除接收洞门的条件，可采用玻璃纤维筋代替热轧钢筋作为洞门范围内的配筋措施，即在接收过程中，盾构刀盘直接切入墙内，随后进入钢套筒。盾构机进入钢套筒时，仍有部分盾体位于正在运营的地铁14号线永定门外站下

方，该车站为特级风险源，盾体与既有车站结构间的净距离仅为0.8m，接收环境相对复杂。

盾构机在接收前，需完成1200m砂卵石地层

掘进，且中途无任何换刀条件，因此必须合理优化刀具配置方案，保证盾构机在完成长距离砂卵石地层掘进后安全顺利穿越地连墙并进入钢套筒。

盾构机均使用外置同步注浆管，该管路凸出盾体外壳约12cm，比盾构刀盘的开挖直径大10.5cm控制极为不利，须提前采取措施避免接收过程中。该外置注浆管路的存在对盾构接收姿态外置注浆管路被卡死。

2盾构接收施工

综上所述，永定门外站盾构接收端头不满足加固和降水条件，因此拟采用密闭钢套筒接收作为永定门外站盾构接收方案，具体施工工艺流程及关键技术如下文所述。2.1

盾构接收施工流程

钢套筒接收过程如下页图3所示，接收模型如下页图4所示。2.2

钢套筒设计

根据永定门外站盾构接收井结构尺寸和盾构机尺寸，设计钢套筒总长度为11.1m，其中过渡环长度为0.5m，筒体长度为10m（分为4节，每节长度为2.5m，由上、下两部分组成），受力架长度为0.6m。设计钢套筒内径为6.78m，外径为7.14m，设计耐压强度为0.5MPa。钢套筒的纵向截面如下页图5所示。钢套筒内部结构如下页图6所示。

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车站围护结构玻璃纤维筋连续墙施工

车站基坑开挖和底板结构施工

洞门钢环安装

车站主体结构

钢套筒及反力架安装

掘进参数的调整

钢套筒回填及验收

掘进方向的控制

盾构切除地下连续墙

盾构进入钢套筒

接收洞门密封注浆及验收

钢套筒及盾构机解体

完成盾构接收

图3钢套筒接收工艺流程图

图4钢套筒接收模型

800

负三层中板

600

600

010000

060753受

受F609钢支撑筒体（传力架）上半部分

力力柱

柱

线路中心线

过

渡筒体（传力架）下半部分

环

0973600

00001满铺2mm厚钢板41100312500

1图5钢套筒设计纵剖面图（单位：mm）

李谷阳，等：砂卵石地层盾构钢套筒接收施工技术研究

图6钢套筒内部结构图

钢套筒由20mm厚的Q235A钢板加工而成。筋板厚15mm，高150mm，间隔约550mm×600mm；每个筒体的末端和上下弧形接头焊接在法兰上，法兰由24mm厚的Q235A钢制成。上下接头和两个气缸通过M30*90的8.8级螺栓连接。在横向多节套筒连接处使用3cm厚的EPDM弹性垫圈，在纵向连接处使用3mm厚的橡胶垫，以确保密封效果。其防水设计如图7所示。在过渡环的2点钟、4点钟、8点钟和10点钟位置（观察点）共设有4个观察孔（带球阀），以检查孔的密封效果。

图7钢套筒防水构造

2.3

钢套筒安装及接收准备（1）钢套筒下井安装及固定

为了方便钢套筒的安装及移动，在钢套筒下

井前，需在盾构接收井铺设2cm厚的钢板，钢板

间采用段焊焊接。在钢套筒安装之前，需在地面对各节钢套筒进行试拼装，确保其真圆度满足接收要求。然后，对接收井中钢板面标高进行复核，在确认无误差之后，在钢板上对钢套筒的中

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心线进行放线。在钢套筒定位时，要求钢套框架中心线与线路中心线重叠，且误差不大于1cm。

钢套筒定位好以后，采用Ⅰ20工字钢将钢套筒与车站底板、侧墙（上翻梁）及中板顶紧，以避免当护罩进入钢套时钢套发生横向移动或扭曲。钢套筒的固定如图8所示。

图8钢套筒固定

（2）钢套筒密封性检查

在出厂前，需对钢套筒的真圆度、焊缝、密封质量等进行严格的监造管理，并进行厂内验收。组装钢壳后，用水填充钢套管以检查其密封性，如不合格应及时修复，然后再次进行压力测试，直至合格。

图9所示为密封性检查试验现场。试验所用的介质为水，试验压力约为0.3MPa，需维持2h，且压力下降不超过5%。

图9钢套筒密封性检查

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（3）填料

钢套筒检查完成后，向钢套筒内填料。填入的材料应具备环保、强度低（5MPa以下）、流动性好、填入速度快等特点。可采用惰性浆液（掺入少量水泥）加水玻璃填充钢套筒。其中，惰性浆液配比为水泥∶粉煤灰∶水=100∶600∶700（质量比），浆液与水玻璃体积比为12∶1。2.4

盾构接收施工控制

在盾构机到达接收井100m之前，需测量盾构轴线，并根据接收孔中心测量结果，有计划地开展纠正工作，严格按照“小量、多次”的原则校正偏差，从而将盾构的水平姿态偏差值控制在±15mm内，垂直姿态偏差值控制在10～20mm。在最后的50m推进过程中，需严格检查盾构姿态及管片姿态，以确保隧道轴线能准确对正，盾构机能安全进入洞门。具体的盾构接收控制措施分为以下三个阶段。

（1）第一阶段：盾构接收前10m掘进推力及推进速度：在盾构机刀盘进入永定门外站接收端头玻璃纤维筋地连墙前10m时，降低推力和推进速度，以减小对地连墙和地层的扰动。推力应控制在10000kN以下，推进速度应控制在10~20mm/min。

盾构姿态：在刀盘切削地连墙前，必须将前盾、中盾和盾尾调整成一条直线，防止盾体在后续穿越地连墙的过程中被卡；合理设置盾构推进系统各分区的油压，保证盾构姿态始终处于设定范围内，同时，确保每环的水平、垂直姿态偏差值不超过6mm；为防止盾构机进入钢套筒后发生整盾构垂直姿态，使盾构机呈抬头姿势进入钢套筒，前端垂直姿态比后端宜高10~20mm；盾构机进入钢套筒掘进过程中，安排专人在接收井进行值班巡视，通过观察有无异常现象或声音来判断盾构机是否与钢套筒发生刮蹭，进一步验证盾构姿态控制的合理性；严格控制盾构姿态，将盾构机水平姿态偏差值控制在±15mm以内，垂直姿态偏差值控制在10～20mm。

土仓压力：根据永定门外站接收端的地质和

“栽头”现象，在盾构机进入钢套筒前，提前调Vol.5No.3

水文条件，上部筒仓的压力控制在1.0~1.2bar。

（2）第二阶段：盾构机切削地下连续墙在切削玻璃纤维地连墙的过程中，盾构机刀具应遵循“低推力，低扭矩，低穿透力”的原则，提前降低盾构推力、推进速度和刀盘转速。

掘进参数：推力控制在8000kN以下，千斤顶推进速度控制在2~3mm/min，刀盘转速控制在1.2~1.3r/min盾构机切削地连墙的过程中，盾构司机应随

，刀盘扭矩控制在1000~2000kN·m。

时关注推力和刀盘扭矩的变化，一旦发生突然增大或减小的情况，应立即停止推进，待查明原因后方可恢复推进。

（3）第三阶段：进入钢套筒内掘进

推力及推进速度：推力尽量控制在12000kN以下，推进速度控制在10～20mm/min，在保证速度的前提下，尽量减小推力。

姿态控制：以实际测量的钢套筒安装中心线为准来进行盾构机姿态控制，要求盾构水平姿态和垂直姿态偏差值均控制在±20mm以内。

土仓压力：以不低于接收端头的水压力为设定原则。

同步注浆：注浆以压力控制为主，压力控制在0.5~1.0bar，并防止浆液进入盾构机土仓内。

盾构机在钢套筒内掘进过程中，一旦发现变形、泄漏或异常声音，必须立即停止掘进并采取补救措施。在将盾构机推到预定位置并关闭孔门后，清空土仓中的渣土。2.5

洞门封堵注浆施工

在盾构机完全进入钢套筒后，为进一步保证盾构机完全进入钢套筒内后的洞门密封注浆效果，最后10环管片的二次注浆孔增加至16个/环，避免出现注浆盲区。二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆。双液浆的配合比为水∶水泥=1∶1（质量比），水泥浆∶水玻璃=1∶1（体积比），二次注浆的压力控制在3~5bar。

洞门封堵注浆完成后，须对最后10环管片的注浆孔位进行开孔检查，确认没有水和砂流出后，方可拆除钢套筒，并拆解盾构机运出。

李谷阳，等：砂卵石地层盾构钢套筒接收施工技术研究

3工法分析

3.1

应用效果

运用本工法进行了复杂条件下的盾构接收施工，有效保证了区间隧道的顺利贯通和既有地铁线路的运营安全，施工进度快、效果好，既解决了在既有地铁线路下方进行盾构接收的技术难题，又降低了施工成本，保证了施工安全，满足了节能减排的要求，经济效益和社会效益明显，在国内类似施工项目中推广前景广阔。3.2

经济效益

钢套筒接收施工工法通过优化钢套筒自身密封性能设计，再辅以玻璃纤维筋地下连续墙围护结构，可使盾构接收前无需进行洞门凿除作业，极大地规避了施工风险。同时，盾构接收施工均在充满填充物的密闭钢套筒中进行，有效保证了盾构接收施工的安全和既有地铁线路的正常运营，同时节约了大量的地下水资源，总成本节约了200万元左右，总工期缩短了20d左右，经济效益显著。3.3

优缺点分析

通过对本工程中“钢套筒+玻璃纤维筋地连墙”接收工法实施效果的总结，得出该工法优缺点如下。

优点：①施工安全性高；②适用性广，可减少征地和管线改迁；③较常规接收方式绿色环保；④一般含水地层中接收时无需采取降水措施。

缺点：①由于盾构接收是在封闭的环境中进行，对测量精度要求极高，一旦测量偏差过大，可能造成较大事故；②盾构机拆解工期较常规接收方式长。

4结语

本文以北京地铁8号线三期05标天桥站—永定门外站盾构接收为例，首先分析了本工程中盾构接收施工的难点，然后重点分析了钢套筒接收施工中的几项关键技术：钢套筒设计、钢套筒安装及接收准备、盾构接收施工以及洞门封堵注浆施工。经实践检验，以上施工控制措施的实施，

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有效确保了盾构接收的施工安全和地铁线路的运营安全，缩短了施工工期，节约了施工成本，可为其他砂卵石地层盾构接收工程提供一定的参考。参考文献

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