富水粉土地层盾构割线始发技术

富水粉土地层盾构割线始发技术

吴胜涛

 中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司  江苏无锡 214000

摘要：结合无锡地铁3号线一期工程无锡火车站~山墩凹站盾构区间始发实际案例，对“洞内水平注浆与水平冻结”端头加固方式、洞门圈增焊尾刷密封装置、洞门焊接环板封堵、割线始发等相应措施进行介绍与分析，确保在密闭空间下盾构区间富水软弱地层安全始发。为后续相关类似工程提供参考性借鉴。

关键词：盾构始发；富水地层；端头加固；洞门密封；割线始发

中图分类号: U455

Starting technology of shield line cutting in gouache-rich land layer

WU Shengtao

（Track Traffic Engineering Co．，Ltd．of China Railway No．1 Group，Wu’xi，Jiangsu 214000，China）

Abstract: combined with Wuxi subway line 3 first phase of Wuxi railway station ~ mountain pier concave station shield interval starting actual case, the "hole horizontal grouting and horizontal freezing" end reinforcement, hole door ring welding tail brush sealing device, hole door ring blocking, cutting corresponding measures to introduce and analysis, to ensure that the shield interval in rich weak formation safety.Provide reference reference for subsequent related and similar projects.

Key words: shield start, water-rich formation, end reinforcement, hole door sealing, line cutting start

1 引言

    地铁作为近年国家轨道交通建设的重点内容，运用盾构机进行地铁隧道施工较为普遍，盾构机虽然施工过程可控，施工速度较快，但也存在着一定的风险，主要表现在盾构始发、接收或下穿复杂地质环境时，由于采取措施不当造成的涌水涌砂、区间地面塌陷等[1-5]。然而地铁多修建在市区中心，施工区域周的建构筑物和管线错综复杂，场地施工条件不能满足常规方案要求的例子不胜枚举。本文介绍了无锡地铁3号线一期工程无锡火车站~山墩凹站盾构区间采用“洞内水平注浆与水平冻结”组合加固方法，洞门圈增焊尾刷密封装置、洞门采用环板封堵、割线始发等辅助施工技术，有效降低富水粉土地层盾构割线始发风险。

2 工程概况

2.1 工程简介

无锡火车站～山墩凹站区间沿线下穿华润万家建筑群,下穿石人河和通江大道立交隧道。左线区间起讫里程为ZDK23+651.899～ZDK24+486.900，短链11.255m,区间长度822.899m，右线区间起讫里程为YDK23+652.777～YDK24+486.900,区间长度 834.123m，本区间全长1657.900m。区间建设一座联络通道，联络通道中心里程为YDK24+110.95（ZDK24+091.728），采用冻结法施工。

无锡火车站～山墩凹站区间左、右线采取单台土压平衡盾构进行施工，自山墩凹站西段头始发向无锡火车站掘进进行左线施工；在无锡火车站东端头（封闭空间）完成盾构接收，再进行盾构机及台车后配套调头作业，继而在无锡火车站东端头完成右线二次始发，进行右线掘进施工。

图1 无锡火车站～山墩凹站区间平面布置图

2.2 始发段地质情况

无锡火车站东端头区域自上而下主要涉及的主要土层为：①-1杂填土、③-1粘土、③-2粉质粘土、④-1粘质粉土、④-2粉砂夹粉土、⑤-1粉质粘土及⑥-1粘土。其中，④-1粘质粉土、④2层粘质粉土夹粉砂为微承压水层。盾构机主要位于④-1粘质粉土（2.7m）、④-2粉砂夹粉土（3.04m）及⑤-1粉质粘土层（0.46m）。始发端头地质情况如图2所示。

图2 始发端头地层情况

3 风险分析

无锡火车站接收端头位于兴昌北路正下方，兴昌北路为无锡交通主干道之一（不具备封闭条件），车辆运营繁忙，进出客流量大。南侧距离地墙边线最近的为沪宁城际铁路线，最小水平净距约为29m；东侧距离地墙边线最近为通江立交隧道，距通江立交隧道最近距离约为31m。始发端头井为封闭式结构，端头井顶板覆土已回填，软弱地层盾构始发风险较高，如若出现异常情况，抢险空间及措施受限，影响较大。

始发段为缓和曲线，且初始掘进18.677m即进入R=350m的圆曲线段。若采取常规出洞始发方式（切线始发：在曲线段盾构始发阶段，盾构机中心线保持在线路设计曲线的切线方向掘进），盾构机进入土体之后，盾构机姿态偏差较大且加固内纠偏困难，则成型隧道必然超限。

4 始发方案选择

综合考虑盾构始发环境风险、技术风险等方面，通过多方案比选，决定采用“洞内水平注浆与水平冻结”的组合加固方案。在此方案的基础上，辅以洞门圈增焊尾刷密封装置、洞门采用环板封堵等技术措施，确保盾构安全始发。

另，针对大缓和曲线盾构始发，为规避始发掘进后，成型隧道超限问题，决定采取割线始发技术。

5 始发方案实施

5.1 始发端头加固方案

无锡火车站东端头右线始发“采用洞内水平注浆与水平冻结的组合加固方案”。

因端头地层情况复杂，且地面不具备施工条件，加固施工采用水平双液注浆施工方案，即在洞门周边和洞门底板以上一定高度内布置钻孔，进行双液浆注浆，加固洞体四周，使之形成一道帷幕加固体，从而达到止水加固的目的。

洞门注浆布65个孔，注浆孔成圆形分布，圆形直径1.5米、2.7米、3.9米、5.1米、6.1米，注浆孔布置如图3所示。AZ圈注浆角度与洞门法线成13°放射状布置，孔深8.6m；BZ圈注浆角度与洞门法线成13°深度12m；CZ圈注浆角度与洞门法线成5°深度为5.2m；DZ及EZ圈注浆角度为水平方向，与洞门轴心方向相同，深度为5m。

冻结加固方法采用“杯形”水平冻结加固，外圈加固长度为12m，内圈加固长度2m。

图3 水平注浆管布置平剖面示意图

5.2 托架定位（割线始发）与加固方案

鉴于本区间右线为盾构接收及盾构暗调头后的二次始发施工背景，始发端头井底板为满铺20mm钢板（盾构机调头平移使用），为满足始发盾构机标高，二次始发托架下增设了型钢结构。

本区间右线始发段虽为缓和曲线，但初始掘进18.677m即进入R=350m的圆曲线段。若采取常规出洞始发方式（切线始发），成型隧道必然超限。为避免此类问题发生，减小盾构机与管片之间的相互影响，在盾尾处相对于设计轴线设置预偏移量，使盾构与始发洞门间保持一定偏角进行始发作业（割线始发）。具体方法是将始发托架后端沿线路设计曲线的法线向曲线反方向偏移一定的距离，使盾构机中心线保持在线路设计曲线割线方向掘进。

经分析计算，同时由于受始发井结构条件限制：（1）无锡火车站端头井平面为直角梯形，尺寸为：梯形高度（南北侧端头井的总宽度）为25.2m，梯形上边（北侧端头井长度）长为13.5m，梯形下边（南侧端头井长度）长为14.821m。（2）为保证盾构机桥架及后配套与车站结构侧墙的最小净距2.3m。因此，综合计算各项参数，反推取割线半径R=13.8m。

托架固定方式：对托架周边钢板，首先利用钻机对底板预铺钢板钻孔，然后在混凝土底板相对位置钻孔，孔径≥32mm，并植入Φ22钢筋伸入混凝土底板对钢板进行固定，植筋深度≥400mm，用砂浆填满混凝土孔，植筋完毕后钢板孔与钢筋间进行塞焊，并对焊接处进行打磨找平处理。锚固钢筋间距控制在3米以内，同时保证每块钢板上必须有两个锚固钢筋。另外，将托架下下垫设的H型钢，分别于底板预铺钢板及托架进行焊接固定。托架两侧加固方式如图4所示。

图4 托架加固示意图

5.3 洞门帘布及增设洞门圈尾刷安装

洞门凿除前安装橡胶帘布，橡胶帘布安装时要从洞门顶部开始装起，从上到下依次将洞门预埋钢环板面范围内的螺栓先行穿入橡胶帘布；圆环板加工安装困难时可分段制作，固定板和圆环板焊接一起，固定板与翻板通过销套进行连接成整体进行安装。最后将洞门范围内的螺帽拧紧。

图5 帘布及折页压板尺寸示意图

为加强始发洞门密封性能，在洞门预埋钢环上提前焊接一圈尾刷，用于始发后的止水、止浆装置。增设尾刷焊接位置须考虑以下几个方面：

1）折页压板翻板长280mm，帘布深入理论最大值为480（530-50）mm。

2）确定洞门尾刷焊接位置，需考虑以下几个方面：（1）折页压板翻板弯曲后的长度（约260mm）；（2）帘布的宽度（极限450mm）；（3）副导轨的安装位置（现场安装于洞门尾刷内侧）；（4）始发刀盘转动的空间要求（净宽750mm）。

计算可得，尾刷焊接位置为洞门钢环内：270+102+130=502mm；502+450（极限考虑）=952mm。示意图如图6所示。

图6 始发装置安装示意图

5.4 洞门弧形钢板封堵

盾构始发零环采用背覆钢板管片，即末环管片外圈全周预埋10mm厚钢板。

当盾尾刷一进入延长环板，即一具备圆弧板焊接时，即立刻进行圆弧钢板的焊接。依次使用弧形钢板（6mm钢板）采用焊接方式连接背覆钢板与洞门延长环板，保证洞门的密封，见示意图7。

弧形钢板外边缘与延长环板进行焊接，弧形钢板内弧面与背覆钢管片钢板进行焊接。

图7 弧形钢板焊接示意图

5.5环箍施工

（1）盾构从正4环开始掘进时开始进行同步注浆，注浆时注浆压力控制在0.2MPa以内，正四环掘进完成，保证注入8.5方浆液，必须对注浆压力和注浆量进行严格控制。

（2）此段掘进以注浆为主，需要盾构机掘进速度较慢。

（3）注意观察洞门两侧注浆情况，当洞门出现漏浆时，需及时采用棉纱进行封堵，必要时采用双快水泥及注入聚氨酯进行封堵。

（4）当洞门漏浆比较大时，可以通过径向注浆孔注入聚氨酯进行封堵。

6 施工效果及其他注意事项

6.1 施工效果

通过采取“洞内水平注浆与水平冻结”的组合加固方案，洞门圈增焊尾刷密封装置、洞门采用环板封堵等多重措施辅助，无锡火车站～山墩凹站区间盾构安全始发。经现场巡视记录，始发期间无漏水、漏砂现象；地面各监测数据正常，地表累计最大沉降值为5.3mm。

6.2 其他注意事项

1.始发零环采用全环背覆钢板管片，便于后期封堵钢板焊接；

2.洞口10环管片采用增设注浆孔管片；

3.始发前在刀头和洞门帘布上涂抹黄油，避免刀盘上刀头损害洞门帘布装置；

4.当盾构机穿越冻结加固区过程中时，管片拼装可能出现盾构机冻死的施工环节。因此，在盾构机推进到位后，在所有拼装准备工作准备就绪后方可将推进状态切换至拼装状态，拼装要求由熟练拼装操作工进行操作，以最短时间完成拼装施工。拼装时需解除刀盘连锁，保持刀盘常转状态，避免盾构机冻死；

5.要密切监视端头土体沉降和洞门漏水、砂情况，发生异常，立即启动应急预案。

7 结论

通过无锡火车站～山墩凹站区间盾构安全始发实例，说明采用洞内水平注浆与水平冻结”的组合加固方案，洞门圈增焊尾刷密封装置、洞门采用环板封堵等多重辅助措施能够大大降低盾构始发风险。在周边环境、地层复杂、封闭空间且抢险受限的条件下，可采用该工法完成盾构始发施工。

参考文献:

[1]王江华.盾构小半径割线始发控制技术研究[J]。铁道建筑技术,2020,（01）：146-149.

[2]姜留涛，郭军.地铁隧道小半径曲线段盾构割线始发预偏量控制方法[J]。铁道建筑，2020，60（6）：69-72.

[3]孙延盼,万凯,王涛,等.富水层盾构进洞接收施工技术[J]。江苏建筑,2018,190（3）：64-66.

[4]吴全立,王梦恕,朱磊,等.盾构近始发端头下穿既有地铁线路的综合施工技术研究[J]。现代隧道技术,2016,53（4）：134-141.