大直徑盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)處理新技術(shù)

孫太石 陳世明

（西安市地下鐵道有限公司，710018，西安∥第一作者，高級(jí)工程師）

1 工程概況

北京鐵路地下直徑線ZJX－2標(biāo)工程全長(zhǎng)6 282m，其中盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)5 227m。全線共設(shè)4座施工豎井，位于DK6＋795.6的4#井為盾構(gòu)始發(fā)井。盾構(gòu)隧道采用φ11.97m泥水平衡盾構(gòu)施工。盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑為10.5m，管片外徑為11.6m。

盾構(gòu)始發(fā)井深31m，形狀為17m×15m（設(shè)計(jì)凈空尺寸）的矩形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1 000mm厚地下連續(xù)墻，內(nèi)襯為1 000mm厚的鋼筋混凝土。

2 工程地質(zhì)水文條件

根據(jù)地質(zhì)勘探情況分析，盾構(gòu)始發(fā)井所處地層自上而下可分為人工堆積層、第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積層和第四紀(jì)晚更新統(tǒng)沖洪積層等三大類。其中，人工堆積層為素填土、雜填土，埋深在0～4.85m；第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積層為細(xì)砂、圓礫、卵石，埋深在4.85～14.7m；第四紀(jì)晚更新統(tǒng)沖洪積層為卵石、圓礫、細(xì)砂、卵礫石等，埋深在14.7～40.0m。隧道斷面主要為卵石土。具體地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)橫斷面圖

本地質(zhì)段主要是孔隙潛水，水位標(biāo)高為＋21.3～＋21.7（水位埋深為23.13～24.31m）。含水層主要為卵石層、圓礫層及其所夾砂層。涌水量為37 200m3／d。

3 傳統(tǒng)施工技術(shù)介紹

盾構(gòu)破除洞門(mén)和端頭地層加固是保證盾構(gòu)始發(fā)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法是：在做始發(fā)豎井的地下連續(xù)墻維護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，始發(fā)洞門(mén)處的連續(xù)墻不做特殊處理，鋼筋籠仍采用普通鋼筋，混凝土的選擇也可不做特殊要求；盾構(gòu)始發(fā)時(shí)人工分區(qū)分塊破除洞門(mén)混凝土。人工破除洞門(mén)混凝土?xí)r一般分區(qū)分塊進(jìn)行，邊破除混凝土邊割除鋼筋籠，并及時(shí)噴射纖維混凝土作為臨時(shí)堵頭墻，保持連續(xù)墻外側(cè)土體的穩(wěn)定。洞門(mén)混凝土破除采用人工開(kāi)鑿的方法，不僅作業(yè)環(huán)境極其艱苦，同時(shí)由于墻體的開(kāi)鑿破壞及土體的暴露，易出現(xiàn)土體塌方，危險(xiǎn)性較大（特別是大深度情形下）。

4 NOMST工法

4.1 NOMST工法概述

NOMST （Novel Material Shield—cuttable Tunnel—Wall System），即盾構(gòu)直接掘削新型材料墻體的方式。把盾構(gòu)機(jī)要穿過(guò)的擋土墻上的相應(yīng)部位用NOMST材料（多指NOMST的型材或現(xiàn)澆）制作，使通常的盾構(gòu)機(jī)的切削刀具可直接切削該NOMST，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)直接進(jìn)、出洞的施工方法稱之為NOMST工法。

本工程盾構(gòu)始發(fā)破除洞門(mén)采用NOMST工法。始發(fā)豎井地下連續(xù)墻開(kāi)洞處的鋼筋籠全部采用玻璃纖維筋，混凝土采用以石灰石為粗骨料的細(xì)石混凝土，抗壓強(qiáng)度為C20等級(jí)。盾構(gòu)始發(fā)時(shí)利用盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)直接切削連續(xù)墻一次性進(jìn)洞。由于盾構(gòu)直徑較大（直徑為11.97m），側(cè)土壓力很大，而玻璃纖維筋與普通鋼筋接頭處抗拉強(qiáng)度較低，只有普通鋼筋抗拉強(qiáng)度的10%，為此，在始發(fā)端頭區(qū)施做2排素混凝土樁，以保證始發(fā)豎井開(kāi)挖的安全性。

4.2 混凝土粗骨料選擇

混凝土的可掘削性和強(qiáng)度完全取決于粗骨料和加強(qiáng)筋的性能（材質(zhì)和尺寸）。以天然砂石為粗骨材的混凝土，其強(qiáng)度一般均大于40MPa，通常的盾構(gòu)刀具是無(wú)法直接掘削的。因此，必須尋找新的可掘削性的粗骨材，但又不能使混凝土的強(qiáng)度下降得過(guò)多。根據(jù)刀具磨損的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)科研的調(diào)研，盾構(gòu)開(kāi)挖巖層，刀具磨損主要受巖石石英含量的影響。由于盾構(gòu)切削混凝土?xí)r的進(jìn)刀量主要受混凝土的粗骨料的影響，因此可選擇同水泥化學(xué)成分類似的石灰石材料做骨料。石灰石壓碎指標(biāo)值明顯偏低，且該粗骨料混凝土結(jié)構(gòu)性能單一，對(duì)增大進(jìn)刀量及減小刀具磨損都很有利。從掘削性和價(jià)格方面考慮，選擇石灰石做粗骨料較為恰當(dāng)。

4.3 加強(qiáng)筋選擇

通?；炷林械募訌?qiáng)筋為鋼筋。顯然，盾構(gòu)的刀具無(wú)法掘削鋼筋，故必須尋求新的材料制作加強(qiáng)筋。新的加強(qiáng)筋必須是盾構(gòu)刀具易于掘斷的材料。使用新的加強(qiáng)筋時(shí)，應(yīng)保證混凝土結(jié)構(gòu)的剛性、抗壓強(qiáng)度、黏接強(qiáng)度等物理特性。由試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，炭素纖維筋和玻璃纖維筋的強(qiáng)度及掘削性均較好，是兩者兼顧的加強(qiáng)筋材。由于碳素纖維筋的價(jià)格遠(yuǎn)高于玻璃纖維筋，因此本工程選擇玻璃纖維筋替代洞口連續(xù)墻的普通鋼筋。玻璃纖維筋的力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 玻璃纖維筋的力學(xué)性能指標(biāo)

5 盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)處地下連續(xù)墻施工技術(shù)

5.1 總體施工方案

地下連續(xù)墻深41m，厚1m。盾構(gòu)開(kāi)洞口范圍內(nèi)有3幅（總寬12.6m）地下連續(xù)墻。連續(xù)墻開(kāi)洞處鋼筋籠全部采用玻璃纖維筋（開(kāi)挖輪廓線左右各0.3m，上下各1.5m范圍內(nèi)）。每幅槽孔的鋼筋籠均分為上、中、下三節(jié)加工，分節(jié)下放鋼筋籠，接頭處采用“U”型卡連接牢固。用泥漿下直升導(dǎo)管法澆筑混凝土，洞口上下各3m范圍內(nèi)全部采用以石灰石為粗骨料的細(xì)石混凝土，且混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，其余范圍采用C30混凝土。

5.2 槽孔開(kāi)挖

地下連續(xù)墻槽孔開(kāi)挖采用旋挖鉆機(jī)配合液壓抓斗成槽。

5.3 鋼筋籠加工

地下連續(xù)墻鋼筋籠長(zhǎng)41m。鋼筋籠分三節(jié)加工吊裝。底部一節(jié)為普通鋼筋籠，長(zhǎng)11.545m；洞門(mén)部分采用玻璃纖維筋籠，長(zhǎng)16.97m；洞門(mén)頂部一節(jié)為普通鋼筋籠，長(zhǎng)16.485m。鋼筋籠主筋接頭均搭接1m。玻璃纖維主筋和普通鋼筋主筋之間采用“U”型卡連接，玻璃纖維箍筋之間采用細(xì)鐵絲綁扎。玻璃纖維筋籠配筋如圖2所示。

圖2 玻璃纖維筋籠配筋圖

5.4 鋼筋籠吊裝

由于碳素纖維鋼筋的抗剪切強(qiáng)度很低，故鋼筋籠屬于柔性結(jié)構(gòu)。在起吊之前，必須在鋼筋籠內(nèi)外兩側(cè)安裝“井”字型鋼管骨架進(jìn)行加固，防止吊裝過(guò)程中玻璃纖維筋受剪切斷裂。加固使用的鋼架在鋼筋籠下放過(guò)程中逐步拆除。鋼筋籠加固如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)開(kāi)洞段鋼筋籠加固示意圖

如果在起吊過(guò)程中發(fā)生吊點(diǎn)脫落或加固鋼架變形致使起吊無(wú)法繼續(xù)時(shí)，必須將鋼筋籠放回平臺(tái)，重新加固后再繼續(xù)起吊。鋼筋籠吊裝見(jiàn)圖4所示。

圖4 盾構(gòu)開(kāi)洞處鋼筋籠吊裝

5.5 混凝土澆筑

混凝土采用泥漿下直升導(dǎo)管法澆筑?；炷了涠瓤刂圃?20mm，并優(yōu)化配合比，保證混凝土的擴(kuò)散度。必須控制好C30和C20兩種強(qiáng)度混凝土界面的高度。

6 始發(fā)端頭處理措施

由于玻璃纖維筋與普通鋼筋接頭處抗拉力強(qiáng)度較低，只有普通鋼筋抗拉強(qiáng)度的10%，而在始發(fā)洞門(mén)處的地下連續(xù)墻采用C20混凝土，因此，為保證4號(hào)豎井開(kāi)挖的安全性，在始發(fā)洞門(mén)前端施做2排素樁。素樁長(zhǎng)34.62m（豎井開(kāi)挖深度為31.62m），樁徑為1.0m，樁間距為2.0m，成梅花型布置，共計(jì)19根素樁（見(jiàn)圖5）。素樁采用M10砂漿灌注。

7 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)破除是保證盾構(gòu)始發(fā)順利進(jìn)行的重要措施。針對(duì)北京卵石土地層，本工程采用盾構(gòu)直接掘削玻璃纖維筋連續(xù)墻的方式，縮短了盾構(gòu)始發(fā)工期，提高了盾構(gòu)始發(fā)的安全性，也為類似工程采用新工藝新材料提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

圖5 端頭加固區(qū)素混凝土樁平面布置圖

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