钢套筒接收工艺对盾构机安全接收与密封性的应用研究

钢套筒接收工艺对盾构机安全接收与密封性的应用研究

翁猛

中国水利水电第十六工程局有限公司，福建省福州市，350000

摘要：本研究围绕福州地铁5号线的盾构机安全接收与密封性进行详细分析，探讨了在复杂地质条件下，钢套筒技术如何确保盾构机的安全接收。福州地铁5号线区间穿越多种复杂地层，使用了土压平衡盾构机，并结合钢套筒技术来完成隧道掘进，有效地控制了地层与地下水压力，降低了施工风险。研究重点在于钢套筒的设计、安装及与盾构机的精确对接，通过严格的施工控制与监测，保证了工程的密封性与结构安全。本研究的成功应用展示了现代隧道施工中技术与实践的有效结合，为未来类似工程提供了重要的参考。

关键词：盾构机安全接收；钢套筒技术；福州地铁5号线；隧道施工；密封性评估

引言：

在城市地铁隧道施工中，盾构机的安全接收和密封性是保障施工成功的关键因素。特别是在复杂地质条件下，如何确保盾构机在接收阶段的安全性与密封性，是工程设计与施工中需重点解决的技术问题。钢套筒作为一种有效的盾构接收技术，通过与洞门钢环的密封连接，形成一个封闭的结构体，极大地增强了接收过程中的安全性和可靠性。此技术不仅可以平衡掌子面前的水土压力，还能有效防止地层水的侵入，从而保护盾构机和隧道结构的完整性。本研究聚焦于钢套筒接收工艺在福州地铁5号线施工中的应用，探讨其在砂层和淤泥质粉土地层中对盾构机安全接收与密封性的具体影响及其效果。

一、福州地铁5号线盾构机安全接收与密封性研究概况

福州地铁5号线浦上大道站至建新南路站区间采用盾构法施工，区间左线长921.15米，右线909.737米，最大坡度25‰，覆土厚度11.43至20.23米。盾构施工区间主要穿越（含泥）中砂<2-5>、粉质黏土<3-1-1>、（含泥）粗中砂<3-3>、（泥质）粉砂<2-4-5>、淤泥<2-4-1>及淤泥夹砂<2-4-4>等复杂地层，并存在地下水，水位埋深0.4至4.1米，年波动幅度达2至3米。盾构推进自建新南路站向浦上大道站，并于里程DK23+485.315处设置联络通道兼泵房。施工需避让地下管线和周边建筑，如小学、住宅、市政道路下的雨污水管、燃气管及电力线路，最小水平间距13.75米，增加了风险。  项目使用海瑞克（S577）和中铁装备（163#）两台土压平衡盾构机，刀盘直径6.48米，开口率36%，最大推力40000千牛，适应液化砂土和高压地下水。钢套筒用于盾构接收，筒体直径6800毫米，外径7040毫米，通过焊接连接洞门钢环与过渡环，确保与盾构机严密贴合【1】。接收时，注砂和注浆平衡水土压力，并采用多重密封系统加固。盾构掘进采用同步注浆、二次注浆和分段监测技术，严控管片错台不超5毫米，环向偏差不超50毫米，避免渗漏和地面沉降。钢套筒提供反力支撑并防止涌水涌砂，3巴压力测试确保密封性能，保障了复杂地层中的安全施工与周边环境的稳定。

图1：盾构始发站施工平面布置图

二、钢套筒设计与盾构机对接技术

（一）钢套筒结构设计 

1. 筒体 

钢套筒整体长度为10,000毫米，外径为7,040毫米，内径为6,800毫米，设计为四段（A1、A2、A3、A4），每段长度为2,500毫米。每段筒体分为上下两半圆结构，以20毫米厚的钢板制造，确保刚度。筒体外围焊接有厚度20毫米、高度120毫米的环向和纵向筋板，筋板间距为550至600毫米，以增强筒体的抗变形能力。每段筒体的连接面采用40毫米厚的圆形法兰，通过M30高强度螺栓连接，每个连接面中间夹有10毫米厚的橡胶垫。筒体底部设有托架，托架与下部筒体焊接为一体，以便支撑盾构机。

2. 过渡环 

钢套筒通过800毫米长的过渡环与盾构机洞门的钢环连接，过渡环的长度可根据接收井的具体长度调整。连接方式为焊接，确保钢套筒与洞门钢环之间的密封性。过渡环的设计保证了盾构机推进时的稳定性，避免漏浆和密封失效。

3. 始发钢环 

钢套筒与盾构反力架之间采用始发钢环连接，钢环长度为400毫米。始发钢环的设计目的是在盾构掘进时将盾构推力均匀传递至反力架，保证盾构机稳定推进。

图2：钢套筒示意图

（二）盾构机与钢套筒的对接技术 

1. 反力架设计与安装 

反力架采用Q235材料的30#H型钢结构，斜撑采用45#工字钢与隧底预埋板焊接固定。预埋板尺寸为1,450×1,100×20毫米，通过50根直径32毫米的螺纹钢焊接连接，确保结构的稳定性。盾构推力按22,000千牛计算，反力架左右各承受5,500千牛的均布载荷。结构最大弯矩为2,354千牛·米，由五根H型钢分两排连接的横梁承受，结构安全系数为1.3，满足施工要求。反力架最大轴向力为5,427.27千牛，安全系数达到1.68，确保安全。 

2. 洞门加固与对接流程 

盾构始发前，对建新南路站和浦上大道站端头井进行Φ850@600三轴搅拌桩加固，桩间搭接250毫米，洞口处采用Φ800旋喷桩加固，确保洞门的稳定性。盾构机进入钢套筒后，与预埋钢板对齐，安装上半圆和下半圆筒体。负环管片在盾构机推进至9环时拼装完成，并在第7环时进行同步注浆，确保负环管片与钢套筒间隙填充密实。钢套筒密封完成后，通过逐级加压检测，最终压力设定为3巴，确保密封性能达到设计要求。

3. 砂层填充与密封处理 

盾构机对接钢套筒后，在筒体内填充回填砂，并采用同步注浆技术，将负环管片与筒体之间的缝隙密封。盾构推进过程中实时监测土仓压力，确保推进过程中土压稳定。盾构掘进段与钢套筒的结合位置设置检测孔，以便进行加压测试，确保筒体与洞门的连接处无漏点。在掘进过程中采用EP2油脂和多层橡胶圈密封，确保施工过程中无漏浆和漏水问题发生。

三、钢套筒接收施工方案

（一）钢套筒安装工艺 

钢套筒安装前，施工团队在基坑内首先确定井口盾体的中心线，确保钢套筒下井时与中心线精准对齐。第一节钢套筒的下半部分放置到位后，两侧法兰之间垫入8毫米厚的橡胶密封垫，以保证密封效果。在安装后续节段时，水平位置和纵向位置必须精准对位，并通过M30高强螺栓固定紧固。每节钢套筒的上下半部分安装完成后，再将过渡连接板与钢套筒对接，并完成螺栓紧固。钢套筒底部采用60°角浇筑厚度为15厘米的砂浆基础，确保其与洞门内的土体紧密结合，防止盾构机刀盘出加固体时出现扎头现象。

（二）钢套筒与洞门环板连接 

钢套筒的过渡连接板与洞门环板焊接时，须先检测两板是否密贴。若环板在预埋过程中存在变形或平面度误差，需通过钢板填充并焊接加固。焊接过程中，上半部分仅焊外侧，下半部分需满焊内外侧，确保连接处的密封性【2】。钢套筒完成安装后，进行压水试验检测密闭性，要求气压达到0.2MPa，并保持12小时内不低于0.18MPa，否则需查找并修复漏点，直至压力测试合格。

（三）盾构机到达接收技术控制 

盾构机推进至接收端前100米和50米时，需复核测量控制点及洞门中线的位置，并调整盾构机测量系统。在最后50环推进过程中，对隧道轴线多次测量复核，确保水平偏差控制在±15毫米，垂直偏差控制在+20至+30毫米之间。在推进过程中，需按环注入60至80公斤盾尾油脂，避免盾尾渗漏。在盾构机进入钢套筒的过程中，推力控制在4,000千牛以下，推进速度不超过5毫米/分钟，密切观察钢套筒顶部压力表读数，并在必要时通过排浆口卸压。

（四）洞门密封及质量检查 

为保证洞门的密封性，盾构机进入洞门后严格按照技术交底执行同步注浆工序。在已成型隧道内，通过管片上的注浆孔向管片外侧注入双液浆，浆液配比为水玻璃：水泥浆=1:1.15，注浆压力控制在0.2至0.25MPa之间。洞门环板与过渡连接板通过烧焊连接，钢套筒法兰端与过渡板采用M24×65（8.8级）螺栓连接。盾构机完全进入钢套筒后，打开车站侧墙上的注浆管和预留球阀，检查排水情况，确保无水流出后，方可拆解钢套筒。盾构机接收过程中，设置监测点实时监控端头围护结构、钢套筒和洞门的变形情况，每日测量2次，发现异常立即处理。

表1：盾构接收阶段推进参数与控制要求

此方案通过精密的钢套筒安装、密封检测和推进参数控制，确保盾构机安全顺利接收，并避免隧道掘进过程中出现渗漏、盾体变形等风险。

四、盾构机接收后的检测与评估

（一）结构完整性检测 

盾构机接收完成后，首先对盾构隧道的结构完整性进行检测。重点检查隧道管片的拼装质量，包括环片接缝的密封性和轴线偏差。环向错台应控制在5毫米以内，环面错台允许偏差为6毫米，隧道轴线平面位置的允许偏差为±50毫米，高程偏差为±50毫米。在检测过程中，还需确认各环管片的接缝处是否存在渗漏现象，并通过壁后注浆孔进行二次补注浆，确保拼装质量达到设计标准。

表2：盾构机接收后的检测与评估数据

（二）设备状态评估 

接收后需对盾构机的机械系统、液压系统和刀盘磨损状况进行全面检查，确保设备状态良好。重点检查刀盘的磨损程度，确保滚刀、撕裂刀的磨损量不超过设计限值。盾构机液压系统的检测包括对推进油缸、盾尾密封刷的完好性及油脂涂覆情况进行评估，确保推进系统无漏油或异常磨损。对刀盘、主轴承和螺旋输送机进行润滑检查，并补充缺失的油脂，保证掘进效率和设备安全。 

（三）隧道周边环境监测 

盾构机接收后的评估还包括隧道周边建筑物及管线的沉降观测。测量点布置在隧道端头墙、地面及周边敏感建筑物上，每天监测2次，确保日沉降量不超过3毫米，累计沉降量控制在15毫米以内。如沉降超标，立即启动二次注浆补强措施。围护结构及洞门密封部位的变形监测也需加强，若发现异常需及时采取应对措施，确保接收过程的安全与稳定。

结语：

通过福州地铁5号线的实际施工案例，钢套筒接收技术在确保盾构机安全接收和提升密封性方面的关键作用得到了有力验证。本项目中钢套筒技术的成功应用，不仅有效应对了复杂地质条件下的盾构接收难题，还显著降低了渗漏风险，保障了隧道施工的稳定性。钢套筒的实践效果证明了其在控制地下水和地层压力方面的高效性，为今后类似工程的技术推广提供了可靠的示范，充分展示了现代隧道施工技术与工程实践的完美结合，对未来复杂地质条件下的地铁隧道施工具有重要的借鉴意义和推广价值。

参考文献：

[1]马灿.地铁叠线隧道盾构机空推通过明挖竖向联络通道的关键技术研究[J].中国新技术新产品,2024,(04):93-95.

[2]卜祯.复杂工况下盾构机超前始发与容缺接收施工技术研究[D].华南理工大学,2022.

[3]邓林涛.地铁盾构钢套筒接收的施工技术[J].建筑安全,2019,34(02):75-77.

[4]崔设梁.地铁盾构密封柔性钢套筒安全接收技术工艺研究[J].建筑安全,2024,39(05):19-23.

[5]胥明,吴招峰,黄逢源,等.盾构穿湖隧道施工风险控制与安全评估[J].矿业工程研究,2024,39(02):42-48.

[6]王超群.城市轨道交通盾构机接收风险、安全措施分析[J].隧道与轨道交通,2023,(01):26-30+57.