反襪套氣彈簧抗風(fēng)險裝置在盾構(gòu)到達(dá)工程中的應(yīng)用

顧沉穎,段創(chuàng)峰,魏林春，趙艷鵬

（1.上海隧道工程股份有限公司，上海200082；2.上海城建（集團(tuán)）公司，上海200122）

0 引言

在盾構(gòu)隧道工程中，對于盾構(gòu)到達(dá)的安全措施，傳統(tǒng)工藝主要采用攪拌樁加固處理，也有采用冰凍法、水中到達(dá)等方式，但由于地下工程的諸多不確定性給盾構(gòu)到達(dá)工程帶來諸多隱患。而在諸如我國上海等軟土地區(qū)，地層中含有大量地下水，土體自立性較差，因此在盾構(gòu)到達(dá)時，極易發(fā)生地下水?dāng)y帶土體顆粒從盾構(gòu)與洞門之間的空隙中進(jìn)入工作井，從而引起地面沉降、隧道塌方等重大事故。為了防止此類事故發(fā)生，一般在基坑內(nèi)盾構(gòu)進(jìn)洞預(yù)留的洞圈位置安裝一圈密封止水墊圈來保證盾構(gòu)進(jìn)洞的安全，洞圈密封墊圈雖有一定的止水作用，但在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞過程中非常容易發(fā)生外翻，損壞等問題，從而導(dǎo)致洞圈漏水、漏泥，而且一旦發(fā)生破壞造成泄漏，現(xiàn)場處理非常困難。

本文在傳統(tǒng)的鉸鏈板裝置的基礎(chǔ)上加裝了一種可以提供恒定壓力的氣彈簧，形成了一種全新的反襪套氣彈簧抗風(fēng)險裝置（以下簡稱反襪套氣彈簧裝置），并成功應(yīng)用于鄭州地鐵某區(qū)間盾構(gòu)到達(dá)工程，為盾構(gòu)到達(dá)工程中的風(fēng)險控制提供了一個新的技術(shù)和思路。

1 工程概況

某工程為鄭州市城市快速軌道交通1號線04合同段，其中七里河站—新鄭州站站區(qū)間隧道是該標(biāo)段的一個組成部分，采用兩臺直徑為Ф6 140 mm鉸接式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)）施工。隧道內(nèi)徑Ф5 400 mm，管片環(huán)寬1.5 m，厚度0.30 m。盾構(gòu)進(jìn)洞處隧道斷面分布于粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂層中，地下水位深度略高于盾構(gòu)進(jìn)洞斷面，隧道頂覆土約10.321 m。盾構(gòu)進(jìn)洞采用深層攪拌樁結(jié)合旋噴樁進(jìn)行加固。

2 氣彈簧反襪套裝置設(shè)計

2.1 氣彈簧反襪套裝置原理

盾構(gòu)進(jìn)洞反襪套裝置的工作原理如圖1所示，裝置主要由氣彈簧、鉸鏈板、鋼墊塊、橡膠簾布等組成。

圖1 氣彈簧反襪套裝置簡圖

氣彈簧反襪套密封裝置在盾構(gòu)到達(dá)之前現(xiàn)場安裝完成。盾構(gòu)機(jī)穿越洞門時擠壓橡膠簾布使其外翻，并推動氣彈簧產(chǎn)生壓縮變形，氣彈簧的反作用力通過鉸鏈板作用于橡膠簾布，使橡膠簾布能夠緊緊壓住盾殼，從而形成穩(wěn)定的密封環(huán)境。鋼套環(huán)通過焊接并與洞圈通過螺栓連接，形成一個整體，具有較大的剛度，可以確保整個裝置的安全運(yùn)行。

盾構(gòu)完成最后一環(huán)管片拼裝后繼續(xù)推進(jìn)直至盾構(gòu)脫出氣彈簧反襪套裝置。此時，橡膠簾布緊緊壓住管片。通過管片注漿孔向外注漿，迅速填充洞門與管片之間的間隙，從而封堵洞門。待漿液凝固擋住動圈內(nèi)泥水后，拆除盾構(gòu)進(jìn)洞反襪套密封裝置，盾構(gòu)進(jìn)洞施工結(jié)束。

在盾構(gòu)到達(dá)過程中，整個密封裝置能夠抵擋巨大的水土壓力，防止洞圈漏泥、漏水，保證盾構(gòu)安全、順利進(jìn)洞。

整套裝置的關(guān)鍵在于氣彈簧的使用，氣彈簧一般由缸筒、活塞（桿）、密封件和外部連接件組成（見圖2）。高壓氮氣或惰性氣體和油液在缸內(nèi)自成回路?；钊系淖枘崾褂袟U腔和無桿腔相通，使兩腔壓力相等。利用兩腔受力面積差和氣體的可壓縮性產(chǎn)生彈力。

圖2 氣彈簧實景

氣彈簧具有結(jié)構(gòu)輕巧，工作行程大；運(yùn)動平穩(wěn)，能起阻尼緩沖作用；在伸縮過程中可以向鉸鏈板提供恒定不變的壓力，并且安裝操作簡便，安全可靠。

2.2 反襪套氣彈簧裝置設(shè)計

反襪套氣彈簧裝置設(shè)計時主要考慮以下幾個問題：

（1）裝置設(shè)計密封壓力：要求裝置能夠承受盾構(gòu)進(jìn)洞加固失效時，地層中的水壓力。

（2）裝置直徑：要求裝置可在盾構(gòu)以最大軸線偏差量進(jìn)洞時順利通過裝置。

（3）氣彈簧選型：根據(jù)上述兩點確定氣彈簧的工作壓力和行程。

（4）橡膠簾布：橡膠簾布的寬度必須與氣彈簧的長度相適應(yīng)，并根據(jù)洞圈螺栓孔的位置進(jìn)行開孔。

（5）鋼環(huán)內(nèi)設(shè)置若干梯形筋板以增加裝置的整體剛度。

（6）裝置分塊：裝置的分塊需考慮運(yùn)輸、安裝、拆解工作。

（7）鋼環(huán)的尺寸必須考慮與基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的干涉情況。

通過上述設(shè)計要求，以及施工過程的要求分析，經(jīng)過論證設(shè)計出盾構(gòu)到達(dá)氣彈簧反襪套裝置如圖3所示。

3 盾構(gòu)到達(dá)準(zhǔn)備施工

3.1 隧道洞圈復(fù)核測量

由于氣彈簧反襪套裝置通過螺栓與洞圈連接而洞圈在制作和安裝的過程中會產(chǎn)生一定的誤差，因此為保證裝置順利安裝，需對以下幾點內(nèi)容進(jìn)行復(fù)核測量：

圖3 氣彈簧反襪套裝置設(shè)計圖

（1）上下兩半部分預(yù)埋洞圈螺栓孔中心與洞門預(yù)制鋼板內(nèi)沿的距離；

（2）預(yù)制鋼環(huán)環(huán)板的寬度；

（3）進(jìn)洞洞圈橫向、縱向直徑與設(shè)計直徑之間的誤差；

（4）螺孔的數(shù)量和間距；

（5）螺孔的深度和螺紋的長度。

3.2 盾構(gòu)姿態(tài)復(fù)核測量

盾構(gòu)貫通前的測量是復(fù)核盾構(gòu)所處的方位、確認(rèn)盾構(gòu)姿態(tài)、評估盾構(gòu)進(jìn)洞時的姿態(tài)和擬定盾構(gòu)進(jìn)洞段的施工軸線、推進(jìn)坡度的控制值和施工方案等的重要依據(jù)，以使盾構(gòu)在此階段的施工中始終按預(yù)定的方案實施，以良好的姿態(tài)進(jìn)洞，在盾構(gòu)接收基座上準(zhǔn)確就位。

此外需對右線隧道盾構(gòu)進(jìn)洞推進(jìn)里程及拼裝環(huán)號進(jìn)行復(fù)核，以確定最后一環(huán)管片精確里程。

3.3 盾構(gòu)接收基座及軌道安放

根據(jù)洞門的確切方位，對盾構(gòu)基座安放位置進(jìn)行準(zhǔn)確放樣?；惭b時按照測量放樣的基線，吊入井下就位拼裝、焊接。基座按平坡安放，基座就位后，進(jìn)行支撐加固加強(qiáng)其整體穩(wěn)定性?；c洞圈內(nèi)襯墻凈距應(yīng)確保進(jìn)洞新型抗風(fēng)險裝置的安裝空間。

為了使盾構(gòu)進(jìn)洞時有良好的導(dǎo)向，在洞圈上安放導(dǎo)向軌。導(dǎo)向軌在洞圈底部放置2根，延伸至進(jìn)洞密封橡膠簾布處（與洞圈內(nèi)襯墻平齊）。盾構(gòu)基座上的兩根導(dǎo)向軌延伸至新型抗風(fēng)險裝置下部鋼環(huán)結(jié)構(gòu)處。

3.4 裝置安裝

裝置安裝的流程如圖4所示。首先搭設(shè)安裝止水裝置的腳手架；洞門保護(hù)層鑿除的同時，洞圈上安裝一圈弧形插板用于封堵洞門；沿洞圈一周72個螺栓孔安裝固定螺栓；將裝置和橡膠簾布吊運(yùn)至井下，整體安裝簾布的同時，在各個分塊裝置上開設(shè)注漿孔用于封堵洞門；上述準(zhǔn)備工作完成后，開始分塊安裝各個分塊，安裝順序自下而上吊裝，先將預(yù)制鋼環(huán)吊裝對準(zhǔn)螺桿到位，安裝特殊墊片及墊圈后，預(yù)緊螺母，然后調(diào)整預(yù)制鋼環(huán)分塊之間的間隙，再用螺栓連接相鄰預(yù)制鋼環(huán)分塊，最后將預(yù)制鋼環(huán)與洞門連接鋼板連接固定。

圖4 裝置安裝流程圖

4 盾構(gòu)到達(dá)施工

盾構(gòu)到達(dá)施工的流程如圖5所示。

4.1 盾構(gòu)推進(jìn)控制措施

盾構(gòu)順利通過襪套，并順利進(jìn)入基座是該工程盾構(gòu)進(jìn)洞最關(guān)鍵的一步，需要對盾構(gòu)推進(jìn)速度、姿態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格綜合控制，直至盾構(gòu)機(jī)中心進(jìn)入軌道。盾構(gòu)通過裝置時推進(jìn)速度控制在10 mm/min，盾構(gòu)軸線偏差控制在±50 mm以內(nèi)。

4.2 盾構(gòu)通過裝置過程及應(yīng)急措施

刀盤通過橡膠簾布時，減慢推進(jìn)速度，觀察簾布是否包裹刀具，若刀具無法通過簾布，在簾布及刀具對應(yīng)位置涂抹黃油，必要時使用撬棍將簾布從刀具上撬離，繼續(xù)進(jìn)行試驗。

圖5 盾構(gòu)進(jìn)洞施工流程圖

刀盤通過簾布5 m時，盾構(gòu)同步注漿管即將通過裝置，此時停止推進(jìn)，用專用工具拆除與盾構(gòu)同步注漿管相對應(yīng)位置處的氣彈簧后盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)直至盾尾通過裝置，鉸鏈板在氣彈簧的作用下擠壓橡膠簾布握裹住最后一環(huán)管片。

盾尾脫出氣彈簧反襪套裝置后立即進(jìn)行洞門封堵（見圖6）。洞門封堵采用雙液漿，通過裝置預(yù)留的注漿孔和隧道管片的壁后注漿孔同時進(jìn)行注漿，應(yīng)嚴(yán)格控制漿液配比以使?jié){液快速硬化。

圖6 洞門封堵方法示意圖

5 應(yīng)用效果

反襪套氣彈簧抗風(fēng)險裝置在鄭州地鐵七里河站—新鄭州站站區(qū)間隧道首次應(yīng)用（見圖7），成功地保證了盾構(gòu)安全進(jìn)洞，解決了盾構(gòu)到達(dá)的難題，并將洞門二次封堵的流程簡化為一次封堵，節(jié)省工期3 d。

但通過試驗，整套裝置也暴露出一些問題，例如：鋼套環(huán)結(jié)構(gòu)件過大過重，由于圈梁的影響，安裝困難；鋼套環(huán)結(jié)構(gòu)件螺栓開圓孔而洞圈螺栓孔精度不高，造成安裝不便等。此類問題尚需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

圖7 反襪套氣彈簧抗風(fēng)險裝置工程應(yīng)用實景

6 結(jié)語

反襪套氣彈簧抗風(fēng)險裝置的應(yīng)用效果較好，具有有以下優(yōu)點：（1）適用性廣，該裝置技術(shù)不受地層條件限制，適用于任何復(fù)雜地層；（2）設(shè)計原理簡單，形式簡潔可靠，可適用于不同直徑的盾構(gòu)；（3）加工時間短，運(yùn)輸便捷；（4）安全可靠，結(jié)實耐用；（5）經(jīng)濟(jì)性高，裝置可重復(fù)多次使用。

盾構(gòu)進(jìn)出洞抗風(fēng)險在盾構(gòu)到達(dá)方面是一項新技術(shù)，在以后的應(yīng)用過程中需要不斷地優(yōu)化和完善。該技術(shù)適應(yīng)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢，在日益廣泛的盾構(gòu)市場中有很大的發(fā)展應(yīng)用空間。

[1]GB50446-2008，盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范［S］.

[2]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.