富水砂层地质大直径钢套筒辅助泥水平衡盾构 始发接收、调平及平移转体施工工法
1前言
大直径泥水盾构始发和接收为盾构隧道掘进施工关键的环节之一，且一直是盾构施工的一大重难点，具有施工组织复杂、技术难度较大的特点；在大直径公路隧道建设中，为节约工程造价，在工期满足要求的前提下多采用单台盾构机掘进双线或多线，因此，盾构机整体平移转体的应用也越来越多.盾构机顺利平移、转体是确保盾构能够二次始发的关键环节，也是占用工期较长、难度系数高的环节.
常规盾构始发和接收通常采用旋喷桩加固技术、垂直冻结技术、降水井降水技术等，但在富水砂性地层中，地层加固、冻结和降水均难以做到完全阻隔地下水，并且存在施工周期长、费用高的缺点.在无大型起重设备及机械、盾构接收工作井空间受限因素影响下，现场无法采用传统的分体吊装法、整体吊装法对盾构机进行平移和转体，常规的基座移位法也存在所需推力大、摩擦阻力大的缺点.
针对上述盾构始发、接收、平移转体施工过程中存在的缺点，中交二航局第三工程有限公司开展了大直径泥水平衡盾构密闭钢套筒施工技术研究，形成了富水砂层地质大直径泥水平衡盾构密闭钢套筒成套施工技术和方法，并成功应用于孟加拉卡纳普里河底隧道S2段项目.该套施工方法安全可靠，保证了盾构机的顺利始发、接收及平移转体施工，取得了良好的经济效益和社会效益，对类似工程具有一定参考作用.
成果中的“一种辅助盾构机平移和转体的装置”荣获国家实用新型专利、“用体的装置及其施工方法”两项发明己公布.
2工法特点
2.0.1本工法采用大直径密闭钢套筒辅助盾构机完成在富水砂层地质条件下的始发及接收，相较于常规的洞门滑动密封装置，大幅降低了盾构在富水粉细砂层中掘进时洞门涌水、涌砂的风险，且可灵活拆解、易建立压力平衡，施工过程安全性高，大直径钢套筒的应用在国内外尚属首次：
2.0.2钢套筒结构形式简单、受力性能良好、功能多、可多次重复利用、适用性强，可满足盾构始发、接收、平移、转体多功能要求：
2.0.3本工法提供一种新型钢球基座协同钢套筒辅助盾构机平移和转体的装置，可形成多点支撑，压力分布均匀，结构形式新颖；
2.0.4本工法所述新型钢球基座，施工摩擦阻力小，效率高，可实现狭小工作井空间盾构机原位180°转体，适用范围广，可操作性高；
2.0.5采用本工法可以确保大直径顺利安全完成始发、接收、平移及转体，节约了工期，降低施工成本，具有明显的经济效益.
3适用范围
本工法适用于富水砂层地质条件下的大直径泥水平衡盾构机始发与接收以及受限空间的盾构机及钢套筒整体平移、转体施工.
4工艺原理
4.0.1钢套筒主要由延长钢环、多个套筒分块、一体化基座、导轨、端盖圆环、端盖平头封板及反力架支撑体系组成.
4.0.2钢套筒始发过程中同步进行钢套筒及盾构机组装、套筒填砂.盾构始发过程中一体化基座配置20根250t液压油缸用于调整盾构机始发姿态：盾构导轨为盾构掘进作导向：一体化基座下部设置工作槽便于盾体焊接，同时设置盾构防扭块：反力架支撑体系配合端盖圆环（圆环内配置40组60t油缸）为盾构掘进提供反力：套筒分块上设置泄压孔（注浆孔）便于套筒泄压或者注浆，套筒分筒与洞门的密封.钢套筒、盾构机、负环管片、洞门墙体形成密封后进行二次注水填砂建立初始水土压力，随后封闭钢套筒通过盾构机泥水循环建立与地层的泥水平衡，盾构机推进切削地连墙开始进行盾构始发.
4.0.3钢套筒接收过程与盾构始发基本相同，不同之处在于：安装平底封盖用于钢套筒自身密封，钢套筒填料口安装连通器用于调节及监测套筒内水压.盾构机破除洞门地连墙后，停止转动刀盘，盾构机沿接收导轨缓慢爬升进入钢套筒，到达指定位置后停机完成接收.
4.0.4钢套筒辅助盾构始发和接收全过程，采用自动化监测设备对钢套筒结构及反力架支撑体系应力和变形进行实时监测预警.
4.0.5单台盾构进行双线掘进施工，必须经过平移、转体进行二次始发.完成第一次盾构接收后，通过钢套筒一体化基座、新型钢球组基座和液压系统完成盾构机在工作井内的平移及原位转体施工.为达到盾构机平移、转体施工目的，在钢套筒一体化基座内设计安装液压油缸，通过油缸的伸缩作用实现钢套筒姿态的调整，使钢套筒由接收坡度状态转为下落触地，使得48个钢球组与工作并底板接触，并在液压油缸的推动下克服工作井底板与转体钢球之间的摩擦阻力产生相对位移，实现钢套筒与盾构机整体平移、转体至指定始发位置.
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工工艺流程如下图5.1-1.
图5.1-1盾构机始发、接收、平移转体施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1钢套筒及支撑系统设计
1钢套筒结构设计
钢套筒结构由延长钢环、密闭筒体、套筒一体化托架、端盖圆环、平底封盖、卸料口、进气口、泄压口、人行门和辅助固定装置组成.
钢套筒筒体长度根据盾构负环环数与盾构机整机长度进行设计，筒体长14400mm，后端盖厚600mm，延长钢环宽度上口为480mm、下口为953mm：钢套筒外径为12990mm、内径为12590mm，盾构机与套筒单侧间隙为235mm，盾构导轨材料为150方钢.
钢套筒纵向分为4段，各分段钢套筒环向分为90°底部基座块和9块30°分块扇块，分块筒身材料为20mm厚钢板.各分块由定位装置迅速定位，环缝、纵缝均采用焊接连成整体.每段筒体的外周焊接环纵向筋板以保证筒体刚度，筋板厚20mm、高180mm，布置间距为340*540mm.每段筒体的端头和上下两块接合面均采用法兰连接，法兰盘由100mm厚的钢板制成，法兰盘间布置2道0型橡胶圈，并采用M30螺栓连接.底部一体化基座纵向分为四块，基座框架承力板和筋板均为20mm厚钢板.延长钢环环向预留注浆孔，注浆孔按15°/孔环形分布，可用于盾构始发与接收过程中注入聚氨酯砂浆/双液浆形成初期密封.
受盾构设备切口环、支撑环、盾尾环环向分块角度制约，钢套筒底部一体化基座以90°进行分块.根据盾构机切口环、支撑环、盾尾环焊接空间要求，在钢套筒一体化基座预留300mm宽工作槽，两道工作槽中心距靠近延长钢环套筒筒体边缘的距离分别为6275mm、8725mm：盾构机切口环和支撑环、支撑环和盾尾环采用内法兰和X型焊缝连接，焊缝检测可在工作槽内完成，同时可焊接盾体防扭块.
图5.2.1-1钢套筒结构图
图5.2.1-2工作槽位置示意图
2钢套筒功能设计
钢套筒主要用于辅助盾构的始发和接收，钢套筒A端为开形式，通过延长钢环与洞门预埋钢环焊接相连，供盾构机进出地层.在始发阶段，钢套筒B端套筒筒身与负环管片形成密闭空间，筒体内填料注水与地层水土压力建立平衡关系，辅助盾构机完成始发：在接收阶段，将钢套筒B端采用平板式盖板进行密封，使钢套筒本身形成密闭容器，实现钢套筒从盾构机始发到接收的功能转换；
