練 翔

(中鐵十八局集團(tuán) 第四工程有限公司，天津 300350)

雙區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)是目前地鐵隧道工程施工中常用的技術(shù)措施，可有效加快施工進(jìn)度，盡快完成施工任務(wù)，縮短建設(shè)成本,但對施工技術(shù)和施工質(zhì)量有很高的要求，不僅需要對盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行精準(zhǔn)把控，更要切實(shí)做好接收工作，以保證雙區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的質(zhì)量。就目前此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀而言，依然存在局限性，而且難度較大。基于不同地區(qū)地質(zhì)水文條件差異明顯，類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)無法全部借鑒，只能結(jié)合實(shí)際情況，選擇有針對性的技術(shù)和措施，才能更好地保障施工質(zhì)量。

1 工程概述

淥水道站—雙港站區(qū)間右線設(shè)計(jì)起訖里程為DK35+513.487—DK37+080.640，區(qū)間長1 567.153 m；左線設(shè)計(jì)起訖里程為DK35+513.487—DK37+080.640，其中長鏈0.110 m，區(qū)間長1 567.263 m。本段區(qū)間出淥水道站后，沿微山路鋪設(shè)，以R450 m曲線向左偏轉(zhuǎn)，以R450 m曲線向右偏轉(zhuǎn)，以半徑600 m曲線向左偏轉(zhuǎn)，到達(dá)雙港站。本段區(qū)間左右線平行布置，線間距13.2～17.3 m，區(qū)間縱斷面呈V形坡。本段采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間結(jié)構(gòu)型式為圓形單洞單線隧道，下穿環(huán)美公寓臨街商鋪，側(cè)穿環(huán)美公寓7#樓，過外環(huán)輔路、外環(huán)線，下穿外環(huán)河，下穿微山路橋，側(cè)穿郭黃莊單層建筑群，過赤龍街，以及眾多現(xiàn)狀地下管線。盾構(gòu)自雙港站小里程端雙線始發(fā)，淥水道站大里程端雙線接收。淥水道站—雙港站區(qū)間使用2臺盾構(gòu)機(jī)分別從雙港站小里程端左右線始發(fā)，淥水道站大里程端左右線接收，本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)共2次下井2次吊出。淥水道站—雙港站區(qū)間盾構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 淥水道站—雙港站盾構(gòu)區(qū)間籌劃示意圖

2 雙區(qū)間盾構(gòu)施工的要點(diǎn)

在工程里程CK35+512.268—CK36+804.330之間穿越承壓水層，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，需要高度重視承壓水對隧道掘進(jìn)造成的影響，避免發(fā)生涌水而影響開挖面的穩(wěn)定性，從而引發(fā)地面沉降、塌陷等安全問題。為解決不良地質(zhì)條件造成的影響，要避免發(fā)生流砂、管涌等問題，首先要嚴(yán)格控制盾構(gòu)土倉平衡壓力。在施工地面隆起允許的前提下，可略微提升盾構(gòu)機(jī)的正面平衡壓力，促使盾構(gòu)正面的土體能夠形成擠壓疏干效應(yīng)，從而達(dá)到降低土倉內(nèi)部土體的動水壓力，避免螺旋輸送機(jī)中的土體發(fā)生液化[1]。此外，在具體施工中還要嚴(yán)格按照土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)控制，以最大限度保證土倉中的土壓能夠有效平衡水土壓力，避免在刀盤位置形成負(fù)壓區(qū)，致使地下水涌向刀盤。其次，要嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度，最大的推進(jìn)速度不能超過30 mm/min，以降低刀盤扭矩和推力，減少對周圍土體造成的擾動，以保證盾構(gòu)推進(jìn)能夠持續(xù)不斷地進(jìn)行，避免盾構(gòu)長時(shí)間處于擱置狀態(tài)[2]。最后，要嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的糾偏量，盾構(gòu)姿態(tài)變化不能過大，每縱坡變化量不能超過0.2%，水平姿態(tài)糾偏量不能超過3 mm/環(huán)。

3 雙區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)在地鐵隧道工程中的應(yīng)用

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和技術(shù)

在案例工程施工中，采取了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，融合了先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可有效控制刀盤的轉(zhuǎn)速、推進(jìn)的速度和前進(jìn)的方向，同時(shí)將實(shí)際推進(jìn)情況以及各種參數(shù)實(shí)時(shí)反映在計(jì)算機(jī)屏幕上，按照顯示的數(shù)據(jù)，調(diào)整和優(yōu)化施工方案，實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)掘進(jìn)的全過程與實(shí)時(shí)控制。始發(fā)基座采用鋼結(jié)構(gòu)形式，它是盾構(gòu)機(jī)在工作井始發(fā)時(shí)坐落的基座，主要承受盾構(gòu)機(jī)的重力與推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生的摩擦力和扭轉(zhuǎn)力。圖2為始發(fā)基座結(jié)構(gòu)剖面圖。始發(fā)基座分段下井、井下螺栓連接、調(diào)整始發(fā)基座梁及始發(fā)基座中線使其與盾構(gòu)始發(fā)線路重合，距車站端頭洞門鋼環(huán)400 mm后固定其位置。根據(jù)始發(fā)基座安裝高程與端頭井底板高程差，對車站底板進(jìn)行填充C30素混凝土或在基座底部墊型鋼、鋼軌。為防止盾構(gòu)機(jī)出洞后“栽頭”，始發(fā)基座整體比設(shè)計(jì)高程高出20 mm。始發(fā)基座在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)要承受縱向、橫向的推力以及約束盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)的扭矩。在盾構(gòu)始發(fā)之前，在精確測量定位后進(jìn)行加固與支撐。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，還涉及諸多技術(shù)參數(shù)計(jì)算。

圖2 始發(fā)基座結(jié)構(gòu)剖面圖

3.1.1 始發(fā)基座穩(wěn)定性計(jì)算

在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，盾構(gòu)自身形成的重力荷載由軌道承擔(dān)，這就對盾構(gòu)始發(fā)基座的穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求。本工程施工中，盾構(gòu)總重量G為329 t，其中：盾構(gòu)刀盤重量G1=62 t，長度L1=3.375 m；前盾總成重量G2=120 t，L2=2.1 m；中盾重量G3=110 t，長度L3=2.83 m；盾尾重量G4=37 t,長度L4=3.73 m。由上面盾體各部件的重量和長度，可知結(jié)構(gòu)最不利位置在前盾總成，因此只需檢算前盾總成下方的支撐架是否滿足受力要求即可[3]。

將縱梁簡化為等截面壓桿模型進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式(1)中:Iz—縱梁在受力方向的慣性矩,m4；d—Q235鋼板厚度，取0.03 m；l—縱梁與前盾接觸長度，取2.1 m。由歐拉公式計(jì)算縱梁的臨界力：

=9 327 kN

(2)

式(2)中：Fcr—縱梁的彎曲臨界壓力,kN；E—彈性模量，Q235鋼的彈性模量一般取200 GPa；h—縱梁的有效高度，取0.5 m。荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，動載系數(shù)取1.25，則盾構(gòu)前盾總成下方每根鋼軌荷載q：

(3)

假設(shè)鋼軌荷載均勻分布傳遞到支承架縱梁，則縱梁荷載q=429 kN/m,則單根鋼軌所受壓力F：

F=ql=429×2.1=900.9 kN

(4)

F小于縱梁的臨界壓力，所以滿足使用條件。

3.1.2 土倉壓力的設(shè)定

基于土力學(xué)原理，當(dāng)土質(zhì)滲透系數(shù)較大時(shí)，正面水土壓力的理論值采用水土分算：

P0=Pc+Pw=K0(γ′H+q)+rwH

(5)

式(5)中：Pc—土壓力,kN；Pw—水壓力,kN；rw—土的有效內(nèi)摩擦角,°；H—盾構(gòu)工作面中心處深度,m；γ′—土的有效重度,kN/m3；q—地面超載,kN。土質(zhì)滲透系數(shù)較小時(shí)，土倉可以采用水土合算。

P0=K0γH

(6)

式(6)中：γ—土的飽和重度,kN/m3；K0—土的靜止側(cè)壓力系數(shù)。

實(shí)際盾構(gòu)推進(jìn)過程中為了補(bǔ)償后期的沉降，考慮到土倉壓力的波動及衰減，以及為了彌補(bǔ)盾尾沉降損失造成的沉降，一般來說土壓力的設(shè)定要稍高于理論土壓力，但也不宜于過大，過大則使地層產(chǎn)生隆起變形。在地面控制良好的情況下，可以適當(dāng)減小土倉壓力，這樣有利于掘進(jìn)推力、掘進(jìn)速度、刀盤扭矩的控制。

3.1.2 推進(jìn)出土量控制

土壓平衡式盾構(gòu)是以切口環(huán)作為密閉土倉。盾構(gòu)推進(jìn)中切削后的土體進(jìn)入密閉土倉，隨著進(jìn)土量增加建立一定的土壓力，再通過螺旋輸送機(jī)完成排土，而土倉壓力值是通過出土量來控制的。因此，出土量的多少、快慢與設(shè)定的土壓力值密切相關(guān)，可通過計(jì)算每環(huán)理論出土量與實(shí)際每環(huán)出土量相比較，判斷出土量是否正常[4]。

每環(huán)理論出土量(1.5 m環(huán)寬)=π×(6.86/2)2×1.5=55.4 m3/環(huán)；

每環(huán)理論出土量(1.2 m環(huán)寬)=π×(6.86/2)2×1.2=44.4 m3/環(huán)；

實(shí)際出土量由于地下水作用及渣土松散，要比理論出渣量要大。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)方向的控制和調(diào)整

在本工程中，盾構(gòu)機(jī)采用了DDJ自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行全過程的自動監(jiān)測。該控制系統(tǒng)配置了先進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)、自動定位系統(tǒng)、掘進(jìn)程序軟件和顯示器等，可對盾構(gòu)掘進(jìn)全過程進(jìn)行動態(tài)化控制，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正，以保證盾構(gòu)始終在設(shè)計(jì)范圍中運(yùn)行。隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)后視基準(zhǔn)點(diǎn)的前移，為保證施工和精度，需要有專門的人工測量來精確定位。本工程每周至少進(jìn)行兩次人工測量，對自動導(dǎo)向系統(tǒng)的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面復(fù)核，保證盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的位置與姿態(tài)等都滿足設(shè)計(jì)要求[5]。一旦發(fā)現(xiàn)超過允許范圍，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和糾偏。

3.3 小半徑曲線施工

在進(jìn)行小半徑曲線施工中，可采取大楔形量的管片，能夠很好地?cái)M合小半徑曲線，楔形量需要按照管片的種類、寬度、外徑、曲線半徑等合理確定[6]。但在具體施工中，容易受到管片配筋的制約，很多混凝土管片的楔型量通常小于75 mm。楔形量和管片外徑之間的關(guān)系見表1。本工程施工區(qū)間400 m曲線段采用寬度1.2 m管片。

表1 楔形量和管片外徑之間的關(guān)系表

針對小半徑曲線上隧道縱向位移較大，在隧道開挖面后50～60 m范圍，對管片設(shè)置加強(qiáng)肋以增強(qiáng)隧道縱向剛度，控制其縱向位移。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片在承受側(cè)向壓力后將向弧線外側(cè)偏移[7]。為了使隧道軸線最終偏差控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)考慮給隧道預(yù)留一定的偏移量。

4 盾構(gòu)接收技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 盾構(gòu)第一次接收

隧道工程中鋼筋混凝土破除完成，并清除完洞門范圍中的殘?jiān)湍嗤林螅瑧?yīng)及時(shí)推進(jìn)盾構(gòu)施工。盾構(gòu)到地連墻位置時(shí)，盡量不清除渣土，以保證盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的安全性。在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，當(dāng)?shù)侗P脫出加固土體之后，前方?jīng)]有土層，所以推進(jìn)時(shí)沒有出土，每推進(jìn)1.5 m及時(shí)拼裝管片，以縮短施工工序的循環(huán)時(shí)間[8]。洞圈封堵完成之后，及時(shí)利用管片吊裝孔進(jìn)行壁后填充注漿，工程注漿漿液的配合比為1∶1，注漿壓力控制在0.2 MPa左右。隧道內(nèi)注漿時(shí)要綜合考慮漿液是否會沿著盾殼和管片之間的間隙流出，因此，在本工程盾構(gòu)第一次接收時(shí)，在鋼板上、下、左、右四個(gè)位置開設(shè)了注漿孔，在洞圈之外進(jìn)行補(bǔ)壓漿液。具體施工示意圖見圖3。

圖3 盾構(gòu)第一次接收示意圖(mm)

4.2 盾構(gòu)第二次接收

第二次接收可通過盾構(gòu)機(jī)徑向注漿孔和弧形板上注漿孔進(jìn)行全面觀察，在保證注漿效果的基礎(chǔ)上，拆除弧形板，并及時(shí)跟進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)，直到盾構(gòu)機(jī)完全推上接收托架[9]。如果在盾構(gòu)第二次接收時(shí)，依然存在滲漏水現(xiàn)象，進(jìn)壁之后需要及時(shí)開展壁后壓注油溶性聚氨酯，遇水膨脹之后，形成止水塞，封閉隧道縱向滲水通道。而當(dāng)最后一環(huán)脫離盾尾之后，對管片和鋼環(huán)之間的縫隙上填充棉絮，并用木楔子進(jìn)行固定，在管片預(yù)埋鋼管和鋼環(huán)之間焊接上弧形鋼板，最后對到達(dá)段(10環(huán))壓注水泥-水玻璃雙液漿[10]。為了釋放空隙中的空氣和水，同時(shí)在弧形鋼板頂部、底部、兩腰各安裝1×φ50閥門(可用于注漿)，在壓漿的同時(shí)將閥門打開進(jìn)行泄壓、泄水。本工程盾構(gòu)第二次接收示意圖見圖4。

圖4 盾構(gòu)第二次接收示意圖

5 結(jié) 語

在地鐵隧道工程施工中，采取雙區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)，可有效提升施工速度，更好地保障施工質(zhì)量。但雙區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求比較高，需要結(jié)合工程所在區(qū)域的地質(zhì)水文條件選擇針對性的雙區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)與施工參數(shù)，并做好常見地質(zhì)災(zāi)害問題的防治工作，才能更好地保障施工質(zhì)量。此外，盾構(gòu)接收也是雙區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的重點(diǎn)，需要進(jìn)行二次盾構(gòu)接收，以實(shí)現(xiàn)精確對接，保證施工安全，提升施工質(zhì)量和效率。