引言
盾构始发是盾构法施工隧道中的重要工序之一。盾构始发是通过反力架和负环管片等设备，将盾构推入已加固的端头土体中，并沿着预先设计的线路进行掘进，直至盾构全部进入加固体，最后拆除相关辅助始发设施的一系列过程。根据统计，盾构隧道施工始发及接收引起的工程事故占盾构施工总事故的1/2以上，这些事故的产生往往是盾构始发及接收辅助施工措施采用不当引起的。
富水圆砾地层透水性强，地下水丰富，进行盾构机始发施工时，若加固措施不当或未达到预期加固效果，易造成洞门涌水、涌砂的事故，导致地面塌陷，周边建筑物及管线变形甚至破坏，施工风险较大。
本文结合南宁市轨道交通5号线北湖南路站—虎邱站区间段土压平衡盾构始发工程，对钢套筒密闭始发进行了技术研究，并通过监测数据，验证了该技术的应用效果。
工程概况
南宁市轨道交通5号线北湖南路站—虎邱站区间段（简称北~虎区间段）起点为北湖南路站，终点为虎邱站，左（右）线起讫里程Z（Y）DK25+734.263~Z（Y）DK26-295.963，左线短链2.772m，左线长度为558.928m，右线长度为561.700m，区间总长度为1120.628m。本区间主体工程主要由1个盾构区间隧道段构成，附属工程包括1个联络通道（无废水泵房）和4个洞门。
（1）始发段工程地质与水文情况
隧道主要穿越粉质黏土、粉土、圆砾地层，北—虎区间段内地层主要以圆砾地层为主，占比达47.50%。圆砾地层以砾石为主，少部分卵石，颗粒不均匀系数Cu平均为21.94，属不连续级配。磨圆度较好，以亚圆状为主，部分滚圆状或次棱角状。重型动探实测击数9～36击，平均14.6击，修正后平均击数9.2击。隧道拱顶埋深为9.86~12.32m，始发段隧道穿越圆砾地层（Q3alW2）。
（2）衬砌管片设计
盾构隧道衬砌管片内径5.4m，外径6.0m，管片厚度0.3m，环宽1.5m。每环衬砌由6块管片（3块标准块，2块邻接块，1块封顶块）拼接而成，施工时采用错缝拼装。衬砌采用钢筋混凝土管片，混凝土等级为C50。管片纵、环向接头均采用8.8级M24螺栓连接。
密闭始发施工工艺
富水圆砾地层中盾构机始发时易发生洞门涌水、涌砂的事故，施工风险较大。为减免施工风险，北—湖南区间段盾构始发采用钢套筒密闭始发技术。
（1）端头加固
虎邱站接收端采用准600mm双管旋喷桩，加固长度6m，深入隧道底部泥岩层1m。车站围护结构内、隧道洞周施作2排注浆孔并进行注浆。外、内排注浆孔采用孔径准48mm的PVC管。端头加固应在车站主体基坑土方开挖前或主体结构封顶后进行。在每个端头加固区内设1口降水井，满足条件开始试抽水。观察井内水位是否上升，不上升说明加固效果良好，否则采取注浆堵水后再次抽水，观察水位变化；如此反复直至井内水位不变化。
加固完成后28d，在加固范围的4个角点处进行钻芯取样，每个加固端取样8点，每点取样3组，检测其抗压强度。无侧限抗压强度不小于1MPa，渗透系数小于10~8cm3/s。
（2）钢套筒设计与安装
1）钢套筒设计
盾构机始发时切口水压约为0.21MPa，钢套筒设计耐压0.5MPa。钢板选择Q235B钢材，板厚δ为16mm。整个钢套筒结构由过渡环、筒体、反力架和左右支撑等部分组成。
筒体部分长10900mm，直径（内径）6500mm。分3段，每段又分为上下两半圆。每段筒体的端头和上下两半圆接合面均焊接圆法兰，法兰用24mm厚的A3板，上下两半圆以及两段筒体之间均采用8.8级M24螺栓连接，中间加3mm厚橡胶垫。筒体底部用200mm×200mm工字钢按托架对应的尺寸焊接成为整体。
始发钢套筒筒体
钢套筒与洞门环板之间设1个过渡连接环，洞门环板与过渡连接环采用焊接，钢套筒的法兰端与过渡连接板采用螺栓连接。每段筒体中部设置600mm×600mm进料口，在每段钢套筒底部预留3个6.6cm带球阀注排浆管，共6个等间距布置。
2）过渡环安装
根据现场实测洞门上的预埋钢环板实际平整度，量身定做过渡环，过渡环与钢环板焊接，焊缝沿过渡环一圈内外侧满焊，焊缝必须饱满。如出现过渡环与连接板有些地方无法与洞门环板密贴的情况，需在这些空隙处填充钢板并连接牢固，确保钢环和过渡环连接牢固。
3）钢套筒下半圆安装
开始安装钢套筒之前，首先在盾构吊出井内确定出盾体中心线，确保从地面上吊下来的钢套筒力求一次性放到位，不用再左右移动。
第1节钢套筒的下半部悬挂，钢套筒的中心与预先确定好的井口盾体中心线重合，钢套筒两侧的下半部法兰四周用6mm厚的橡胶垫片密封，第2节的下半部在水平和垂直位置要一致，以保证螺栓孔对位准确，且需用M24高强螺栓紧固连接。
4）钢轨与盾构机安装
在钢套筒下方90°圆弧内平均分布安装2根43kg钢轨，钢轨从钢套筒后端铺设至洞门1m位置，钢轨两侧通长焊接。
为保持盾构机始发时抬头的趋势，靠近洞门端钢轨垫高20mm，盾尾端钢轨不垫高，导轨距洞门长度较大，为避免盾构主机出现“栽头”现象，在始发洞门底部安装洞口始发导轨，安装始发导轨时应在导轨的末端预留足够的空间，以确保导轨不影响刀盘旋转。导轨采用膨胀螺栓配合小压板固定在洞门底部，高度略低于钢套筒内钢轨面。
在钢套筒底部4根钢轨之间铺砂并压实，每个位置的铺砂高度高出相应钢轨的高度15mm，待盾构机放上去后，进一步压实，确保底部砂层提供充足的防盾构机扭转摩擦反力。此步骤为钢套筒始发第一次填砂。
5）钢套筒上半圆安装
盾构主机组装完成后，安装钢套筒上半圆，进行压紧螺栓的调整。检查各部连接处，对每一处连接安装的地方进行检验，确保其连接的完好性，尤其是对于钢套筒的上下半圆和节与节部分之间联结的检查，还要检查过渡连接板与洞门环板之间的焊接，看是否存在着点焊或浮焊，发现有隐患，要及时处理。
6）反力架安装
在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架安装。在安装反力架时，反力架端面与始发台水平轴垂直，以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行。
反向架结构形式安装示意图
（3）负环拼装
1）负环管片环数的确定
根据始发井长度为12.7m，反力架的设置位置，确定负环管片环数为6环。
反力架前端中心里程D为：
式中，D洞门为洞门中心里程。
2）负环拼装
负环管片全部采用标准环，负环管片采取错缝拼装以防止管片失圆，-6环管片封顶块位置定为11点位（封顶块向左偏移18°）。-6~-1环管片按正常管片粘贴软木衬垫及防水条。
在安装第一环负环管片时，首先在盾构机盾尾盾壳下半圆内部安设4根厚度25mm，长度1700mm的圆钢，等盾构机完全进入洞内，洞口开始进行同步注浆时，将圆钢割除。
第一负管片与反力架基准环间采用特殊螺栓连接，管片利用管片拼装机在盾尾内整环拼装后，利用推力千斤顶将管片推出盾尾，并与反力架基准环紧密连接牢固。其他负环管片安装与正常掘进管片拼装相同。
负环管片布置图
（4）钢套筒第二次回填砂
盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面后，向钢套筒内进行第二次填砂，本次填砂将整个钢套筒填充满。在刀盘切口环后方钢套筒内壁设置1道密封装置，避免向筒体内二次回填料的过程中填料串入土仓内，在填充的过程中适当加水，保证砂的密实。
为保证负环管片与钢套筒之间的密封效果，填砂完成后，通过靠近反力架两环管片的吊装孔进行壁后注浆，注浆材料采用惰性浆液，在管片后面形成1道密封防渗环，注浆压力不大于0.3MPa。
（5）始发掘进施工
1）盾构推进参数，在保证盾构正常推进的情况下，掘进参数建议选择总推力小于8000～10000kN，刀盘扭矩小于3000kN•m，掘进速度小于30mm/min（刀盘磨地连墙时速度不大于5mm）。
2）盾构姿态控制，盾构始发时其铰接角度为零，同时由于盾构机刀盘及前体较重，始发过程中易出现盾构机“低头”的情况，盾构机的始发姿态宜适当“抬头”，其坡度比设计坡度略大。
3）刀盘进入地连墙200mm后开仓检查刀具情况，并对刀具进行复紧。
4）盾构机尾部还没有始发进入洞门之前应设置防堵泡沫管，并保证盾尾的油脂注入饱满。
5）一般在正4环完成后封堵洞门。具体位置可通过钢套筒长度、盾体长度、洞门宽度计算。注浆时压力不要过大，可根据计算的注浆量分几次注浆（一般分3次），待下部初凝后，进行中部注浆，中部初凝后，进行上部注浆。注浆过程中要准备好钢板型钢等物料，对漏浆的地方进行封堵。
6）盾构始发阶段施工时，对盾构设备调试、洞门的土体稳定、洞门可能出现的涌泥涌沙和地面监测4个方面要综合考虑，力争快速、安全始发，尽早进行洞门注浆。
（6）洞口注浆
在盾尾完全进入洞内后，进行洞口注浆，同时，利用洞门预埋注浆管和管片增加的径向注浆孔进行洞门密封。浆液不但要求顺利注入，而且要有早期的强度，注浆压力控制在0.15MPa以内。
应用效果评价
富水圆砾地层盾构施工风险大，为确保工程安全，并保护周围环境，需要在施工全过程进行监测，根据监测结果，在施工过程中积极改进施工方法、施工工艺和施工参数，最大限度地减小周边地表、建筑物等的变形。
根据本区间隧道结构形式及周围环境特点，现场监测进行以下项目：
1）沿线受施工影响的周边建筑物沉降；
2）沿线受影响的地表沉降；
3）周围地下管线变形。
沉降监测点布置图
（1）地表沉降监测
盾构始发前15环施工自2019年6月9日开始，5月9日~5月12日完成-3环管片施工，5月13日~6月13日，由于刀具损坏更换刀具暂停施工，6月14日~6月17日完成-3~0环管片施工，6月18日~6月26日完成0~12环施工，6月27日~6月28日二次注浆封堵洞门，6月29日~6月30日完成13~15环施工。
施工前，分别在1、3、7、10、13、17、20、23、27、30环位置处地表设置电子水准仪和铟钢尺监测地表沉降变形。
-3~0环管片施工时，地表变形产生了一定的回弹隆起；0~12环管片施工时地表发生沉降，沉降变化速率较小；封堵洞门时地表产生了较大的变形沉降，封堵完成后地表变形逐渐恢复；0~12环管片施工时，1-13环处变形沉降增量大于17-30环处沉降增量，1-13环最大沉降增量为4.2mm，最大累积变形量为-3.44mm。
（2）周边建筑沉降监测
盾构始发阶段隧道附近大型建筑主要有南宁区种鸡场宿舍和大板住宅楼。由于种鸡场宿舍靠近盾构始发端，其隆起变形波动明显大于大板住宅楼。6月14日~6月30日盾构掘进施工期间，种鸡场宿舍发生了沉降变形，平均累积隆起为2.2mm，单监测点最大累积隆起为4.52mm，最大累积沉降为0.4mm，建筑物发生了微小的倾斜。
（3）管线沉降监测
分别在1、3、7、10、13、17、20、23、27、30环位置处设置管线变形监测点。
（4）应用效果评价
通过对地表沉降、周边建筑物沉降及管线沉降的监测分析，发现沉降变形均控制在规范规定范围内。盾构机始发时未出现洞门涌水、涌砂的事故，无较大施工事故出现。
综上，钢套筒密闭始发技术在富水圆砾地层中应用效果良好，可以为在南宁地区盾构始发施工提供技术参考和实践经验。
结语
1）采用钢套筒密闭始发工艺，通过填砂注浆等施工措施，避免了洞门涌水、涌砂的事故，降低了施工风险。该技术应用效果良好，研究成果可为同类工程提供技术指导与实践经验。
2）负环管片施工时，地表变形产生了一定的回弹隆起；0~12环管片施工时地表发生沉降，沉降变化速率较小；封堵洞门时地表产生了较大的变形沉降，封堵完成后地表变形逐渐恢复。
3）始发掘进施工时，管线变形变化波动较小，管线变形比地表变形和建筑物变形小。