大直徑盾構(gòu)刀盤改造豎井施工技術(shù)

王振飛，何 峰，賀善寧

(中鐵隧道集團北京地下直徑線項目部，北京 100045)

1 前言

盾構(gòu)機類型決定著盾構(gòu)工程的成敗和工程經(jīng)濟性，其中地質(zhì)條件是決定盾構(gòu)選型最重要的邊界條件［1］，如果在施工過程中地質(zhì)條件發(fā)生了較大的變化，將嚴重影響盾構(gòu)的施工，同時在大直徑盾構(gòu)長距離掘進過程中刀盤、刀具磨損嚴重，都需要對盾構(gòu)刀盤刀具進行改造。

在洞內(nèi)帶壓換刀不能滿足施工需要的情況下，就需要將盾構(gòu)機停在一個合適的位置，在刀盤所處地面位置開挖施工豎井進行刀盤、刀具改造。

2 工程概況

2．1 工程簡介

北京地下直徑線工程為單洞雙線隧道，其中在天寧寺至正義路區(qū)段采用泥水平衡盾構(gòu)施工。

盾構(gòu)機從天寧寺4#豎井始發(fā)向東施工，在盾構(gòu)掘進至DK6+718．2處時，扭矩過大故障停機。根據(jù)帶壓進倉對刀盤前方掌子面地質(zhì)情況及刀具磨損情況觀察、分析，認為由于隧道穿越的地層較之于原地勘察資料變化較大，呈現(xiàn)為非常致密的卵石層。

為使盾構(gòu)機刀具適應(yīng)該工程實際地層情況，需要對盾構(gòu)機刀盤、刀具進行改造。為提供盾構(gòu)刀盤刀具的改造作業(yè)條件，在盾構(gòu)停機刀盤里程DK6+718．2處做一個凈空為14．0 m ×4．5 m 的豎井，在完成刀盤改造及刀具更換后，將豎井進行回填，盾構(gòu)繼續(xù)掘進。

2．2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況

盾構(gòu)停機位置處頂部標高為42．3 m，護城河床底部標高為38．3 m。盾構(gòu)刀盤位置覆土厚度11．5 m。此處范圍內(nèi)地層情況依次為:雜填土0～4 m，砂卵石 4．0 ～9．5，粘土9．5 ～10．5 m，卵石10．5～20 m，砂層20～21 m，砂卵石21～24 m，粘土24～26 m。

該地質(zhì)段主要是孔隙潛水，水位標高為22．3～21．3 m(水位埋深為20～21 m)。含水層主要為卵石層、圓礫層及其所夾砂層。

2．3 豎井周邊情況

豎井位于天寧寺二環(huán)1#匝道橋的北側(cè)，護城河西側(cè)護坡，西側(cè)緊鄰二環(huán)主路，東側(cè)緊靠護城河河道，豎井施工范圍內(nèi)有2條中壓φ300 mm煤氣管線和2條架空熱力管線，施工環(huán)境十分復雜。

豎井周邊環(huán)境、施工平面見圖1、圖2。

圖1 豎井周邊環(huán)境Fig．1 Surrounding environment of vertical shaft

圖2 豎井施工平面圖Fig．2 Construction plan drawing of vertical shaft

3 豎井設(shè)計

3．1 豎井設(shè)計考慮的邊界條件

1)根據(jù)盾構(gòu)刀盤改造所需的空間要求，確定豎井的凈空為14 m×4．5 m(長×寬)。

2)豎井所處地下水位埋深為20～21 m，考慮井位周邊區(qū)域無施做降水井的條件，同時根據(jù)盾構(gòu)刀盤改造要求的豎井深度為進入盾構(gòu)刀盤中心以下2 m，所以確定豎井深度為20．5 m。

3)根據(jù)豎井后期掘進的要求，在豎井上設(shè)置可切削的材料，所以樁體及井壁支護采用玻璃纖維筋材料［2］。

4)由于下部豎井為三邊支護不封閉的異型結(jié)構(gòu)，且需要考慮后期盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)及試推的需要，豎井結(jié)構(gòu)不能支撐在刀盤上，通過剪力墻及閉合角撐來穩(wěn)定豎井結(jié)構(gòu)。

5)考慮后期刀盤轉(zhuǎn)動及試推對豎井結(jié)構(gòu)的影響。

6)豎井回填對盾構(gòu)后期繼續(xù)掘進的考慮。

3．2 豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計［3］

豎井的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 支護參數(shù)表Table 1 Support parameters

圖3 豎井剖面圖(單位:mm)Fig．3 Profile drawing of vertical shaft(unit:mm)

圖4 豎井橫斷面圖(單位:mm)Fig．4 Cross section drawing of vertical shaft(unit:mm)

3．3 盾構(gòu)刀盤改造相關(guān)配套設(shè)計

為了保證盾構(gòu)刀盤上方土體的安全穩(wěn)定，要求從盾構(gòu)停機到豎井開始施工前盾構(gòu)氣壓倉一直處于保壓狀態(tài)，并隨豎井開挖深度逐步梯度降壓，在豎井開挖至刀盤位置壓力降為零。

在豎井施工完畢后，為了減少盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動對豎井下方土體的擾動，主要考慮以下措施:

1)對豎井底部進行基底注漿加固。

2)在豎井底部盾構(gòu)刀盤前方打設(shè)隔離樁，后期樁體采用玻璃纖維筋，以方便盾構(gòu)掘進切削。

3)在刀盤旋轉(zhuǎn)前對刀盤周邊接觸土體進行清理，減小刀盤與土體的接觸面積。

3．4 盾構(gòu)試推及豎井回填

在盾構(gòu)試推前，主要采取以下措施保證試推成功及減小試推對豎井結(jié)構(gòu)安全的影響:

1)采取在盾殼周邊注入膨潤土泥漿的措施減小盾殼與地層的摩阻力。

2)在豎井內(nèi)增加對撐，以穩(wěn)定豎井井壁。

3)施做豎井結(jié)構(gòu)支護時，在豎井井壁與盾構(gòu)機盾殼接觸周邊預留30 cm原狀土緩沖層，同時在盾殼周邊設(shè)置環(huán)向暗梁，以提高結(jié)構(gòu)支護剛度，保證試推時豎井結(jié)構(gòu)安全。

4)盾構(gòu)脫困后，分層拆除型鋼支撐并回填豎井，待回填至刀盤頂部圈梁時，施做一層混凝土蓋板，后回填。

4 豎井施工

4．1 豎井總體施工方案及流程

豎井施工分階段進行，先進行豎井東側(cè)外緣的圍護樁施工，隨后進行鎖口圈及上部豎井開挖施工，在上部豎井施工完成后進行井內(nèi)環(huán)框梁施工，再進行下部豎井(盾構(gòu)機范圍)施工及豎井封底。

豎井結(jié)構(gòu)施工完成后，進行豎井基底注漿加固和豎井底刀盤前方隔離樁及剪力墻施工，隨后進行盾構(gòu)刀盤改造，豎井施工流程詳見圖5。

4．2 豎井施工方法

4．2．1 豎井圍護樁施工

考慮下部豎井開挖過程中的安全，在豎井東側(cè)外設(shè)置1排鉆孔樁，受現(xiàn)場管線影響僅能布設(shè)9根樁，樁徑為 1．0 m，樁間距為 1．3 m，樁長為 26．5 m(進入刀盤下3 m)。由于在河道坡面施工，需搭設(shè)鉆機平臺，采用沖擊鉆鉆機進行施工。

圖5 豎井施工流程圖Fig．5 Construction flowchart of vertical shaft

因在河道邊坡施工，同時地層條件為密實砂卵石，為保證孔壁的穩(wěn)定性，采用泥漿護壁。玻璃纖維筋籠及鋼筋籠采用現(xiàn)場加工制作。

4．2．2 上部豎井施工

上部豎井凈空尺寸14 m×4．5 m，井深10．5 m。

1)鎖口圈施工:鎖口圈梁為1．3 m ×1．0 m(寬×高)，采用現(xiàn)澆C30砼。

2)豎井開挖支護:人工開挖，由上而下逆作施工，分3個小豎井開挖，中部豎井超前南北側(cè)豎井1．5～2 m，碴土由人工裝入吊桶，電動葫蘆提升。在豎井開挖過程中，打設(shè)φ42 mm、L=2 m的注漿導管，間距1．0 m ×0．5 m，梅花形布置，在受管線影響不能設(shè)置鉆孔位的區(qū)域?qū)㈠^桿加密。

豎井井壁土方開挖完成后，架立鋼拱架，鋼拱架豎向間距0．5 m，鋼架內(nèi)外側(cè)雙向梅花形布置φ20 mm連接筋，連接筋環(huán)向間距1．0 m。然后掛鋼筋網(wǎng)，噴射C25混凝土，厚度350 cm。另外為保證豎井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，豎井長邊方向架設(shè)型鋼支撐。

3)環(huán)框梁施工:在上部豎井開挖完畢后，進行豎井中部環(huán)框梁施工，在施做豎井初期支護時預埋φ25 mm錨筋，將環(huán)框梁鋼筋與錨筋形成一個整體，現(xiàn)澆C30商品混凝土，在環(huán)框梁達到設(shè)計強度100%，方可進入下部豎井開挖施工。

4．2．3 下部豎井施工

下部豎井凈空尺寸14 m×4．5 m，井深10 m。

1)豎井開挖支護:人工開挖，由上而下逆作施工，豎井分3個小豎井開挖，土方開挖完成后，架設(shè)玻璃纖維筋格柵采用綁扎搭接，并用扎絲綁扎牢固，噴射C25混凝土，厚度400 cm。

2)鋼支撐架設(shè):在南北側(cè)設(shè)置I22b工字鋼斜撐，斜撐豎向間距為0．5 m(在豎井回填時拆除)。盾構(gòu)切削范圍內(nèi)豎井段采用玻璃纖維格柵+噴射混凝土支護，為加強南北兩側(cè)型鋼斜撐支護，采取每榀玻璃纖維格柵下增加型鋼圈梁與鋼斜撐形成穩(wěn)定的三角形閉合結(jié)構(gòu)。下部豎井支撐見圖6。

圖6 下部豎井支撐圖(單位:mm)Fig．6 Supporting drawing of lower shaft(unit:mm)

為了保證豎井東邊墻的穩(wěn)定，架設(shè)鋼支撐對撐，鋼支撐臨時支撐在盾構(gòu)機刀盤上，待剪力墻回噴后拆除臨時支撐。

3)豎井封底:開挖完成后，在底板綁扎玻璃纖維筋，澆筑C15細石混凝土，厚度為1．0 m。

4)基底注漿:為保證豎井結(jié)構(gòu)安全及減少刀盤轉(zhuǎn)動過程中對土體的擾動，需對豎井底注漿加固。在底板澆筑時預留基底注漿鉆孔的PVC管，采用地質(zhì)鉆機成孔，成孔直徑為φ46 mm孔距為0．8 m，鉆孔深度為9 m。采用后退式注漿?？紤]豎井基底注漿擴散對刀盤的影響，所以基底注漿采用雙液漿，在施工中采用雙控(注漿壓力和單孔注漿量)以控制注漿擴散范圍，以防止?jié){液擴散進入刀盤區(qū)域。

5)豎井井底隔離樁施工:減少刀盤轉(zhuǎn)動對土體的擾動，在豎井井底盾構(gòu)刀盤前方增設(shè)3排玻璃纖維筋隔離樁，樁長為5 m(長度進入刀盤以下1 m)，樁孔橫向孔距為3根/m，排距為0．2 m，采用鉆機成孔φ60 mm，再人工插入φ32 mm玻璃纖維筋。

6)豎井井底樹根樁及剪力墻施工。豎井井底樹根樁施工同隔離樁施工，同時將隔離樁玻璃纖維筋向上延伸接長錨入豎井中部的環(huán)框梁內(nèi)，再回噴剪力墻，拆除支撐在刀盤上的臨時支撐。

5 盾構(gòu)試推配套施工

豎井施工完畢后，清理刀盤周邊接觸土體，旋轉(zhuǎn)刀盤進行盾構(gòu)改造，待刀盤改造完成后，先進行盾構(gòu)空載試推，待盾構(gòu)脫困后，將豎井回填。

盾構(gòu)試推前，先采取措施減小盾殼與地層的摩阻力，在豎井內(nèi)增加對撐。待盾構(gòu)脫困后，分層拆除型鋼支撐并回填豎井，待回填至刀盤頂部圈梁時，施做一層混凝土蓋板，然后將上部豎井回填至地面。

5．1 豎井內(nèi)壁加撐

為減小盾構(gòu)空推脫困時對豎井結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響，保證施工安全。在盾構(gòu)試推前，先將豎井壁兩側(cè)的斜撐換成平行于盾構(gòu)的橫撐，并在盾構(gòu)周邊東西方向增加型鋼對撐。對撐采用I22工字鋼，間距1000 mm。對撐西側(cè)連接在格柵拱架結(jié)構(gòu)上，東側(cè)與I22工字鋼圍檁焊接在一起。

5．2 盾殼壁后注膨潤土

通過中盾預留的注脂孔和超前鉆孔以及同步注漿管壓注膨潤土漿，使膨潤土漿液盡量充填于盾殼外側(cè)空隙，以潤滑盾殼，減小盾構(gòu)推進的摩阻力。

5．3 盾構(gòu)試推

試推前先轉(zhuǎn)動刀盤，然后按推進油缸的位置，逐步分組分梯度加力，油缸分組的原則是:底部8組油缸推力最大，中部12組油缸推力是底部油缸推力的1/2，頂部5組油缸推力是底部油缸推力的1/4，每一梯度控制在1000 t，使盾構(gòu)逐漸掙脫地層束縛力空載脫困。

當達到最大推力盾構(gòu)仍未脫困時，應(yīng)立刻卸載，停10～15 min后再逐漸加力，達到最大推力后再卸載，如此反復幾次。盾構(gòu)脫困后，空載推進的前移距離為30～50 mm。

6 豎井回填

6．1 豎井回填目的

盾構(gòu)試掘進前，為防止泥漿及氣體泄露，并減小地層沉降，保證豎井、周邊建(構(gòu))筑物及地下管線安全，需要先將豎井回填密實，然后才能開始盾構(gòu)掘進。

6．2 豎井下部型鋼支撐拆除

先將豎井南北兩側(cè)的工字鋼斜撐由下向上分層用氣割割除，然后用風鎬將豎井東側(cè)內(nèi)壁上安裝的工字鋼支撐從剪力墻中鑿出，用氣割割除。型鋼拱架及支撐拆除分層高度為1．0 m，待回填砂漿并達到初凝后才能拆除上一層。

6．3 刀盤前方豎井回填

豎井回填，在刀盤前面先用加氣磚砌筑一道磚墻，磚墻厚360 mm，用M5水泥砂漿砌筑。加氣磚應(yīng)緊貼刀盤分層砌筑，每層砌筑高度為1．0 m。然后向磚墻和豎井壁之間的空間內(nèi)填筑M5水泥砂漿。水泥砂漿澆筑時添加速凝劑，以加快砂漿凝固時間。

6．4 澆筑鋼筋混凝土蓋板

盾構(gòu)機進入豎井內(nèi)1．5 m，刀盤前方磚墻砌筑到圈梁底部后，盾構(gòu)機上部磚墻到西側(cè)井壁的空間必須先支模板，然后才能澆筑混凝土。

6．5 豎井上部回填夯實

混凝土蓋板澆筑完畢后養(yǎng)護至3天設(shè)計強度，回填碴土。用電動葫蘆和碴斗將碴土回填到豎井的三個空格內(nèi)，邊回填邊夯實。一直回填至原設(shè)計的護城河護坡位置。

7 結(jié)語

豎井自開始施工以來，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，周邊設(shè)施無異常變化，各項監(jiān)測數(shù)值正常，盾構(gòu)重新順利推進穿過豎井及圍護樁，截至發(fā)稿之日已累計掘進完成1500 m的改造或更換。

從自身豎井結(jié)構(gòu)施工來看，施工方法及措施是可靠的，結(jié)構(gòu)是安全的。在豎井施工過程中充分考慮了盾構(gòu)后期推進的需要，滿足盾構(gòu)施工相關(guān)配套要求，工程得以順利完成。

從豎井自身設(shè)置的條件來看，豎井的設(shè)計施工難度是很大的，如果在地面具備條件的情況下，應(yīng)采取主動設(shè)置豎井或采取地表加固等手段進行盾構(gòu)刀具的改造或更換。

［1］張鳳祥，朱合華，傅德明．盾構(gòu)隧道［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］賀善寧．北京地區(qū)砂卵石地層超深地下連續(xù)墻的設(shè)計與施工［J］．隧道建設(shè)，2007⑷:60 －64．

［3］王夢?。叵鹿こ虦\埋暗挖技術(shù)通論［M］．合肥:安徽教育出版社，2004．