初談敞口式盾構(gòu)

王樹棟

（中鐵三局集團(tuán)四公司，北京，102300）

在地鐵市場迅猛發(fā)展的今天，利用機械施工的場面越來越大，特別是地鐵區(qū)間盾構(gòu)法的施工，受其安全、高效的特點得到各施工單位的青睞。但盾構(gòu)的適用性又受地質(zhì)條件的限制，因此盾構(gòu)的選型非常必要。以下就敞口式盾構(gòu)機的適用性、工作原理等闡述一些看法。

1 基本情況分析

①北京西部地區(qū)是以砂礫石/卵石與粉土互層為主，礫石的粒徑在40～60 cm,最大超過1.0 m，地層的最大含砂率約25%～40%。②北京地鐵目前已過渡到以盾構(gòu)法為主，淺埋暗挖法為輔，個別地段采用明挖法的新階段。③北京地鐵已進(jìn)入新一輪建設(shè)高峰，地質(zhì)更為復(fù)雜，盾構(gòu)過卵礫石層存在技術(shù)障礙（刀具磨損和進(jìn)倉換刀頻繁、高成本和安全風(fēng)險問題），在北京乃至國內(nèi)仍沒有得到解決。

2 工法特點及研究敞口式盾構(gòu)的必要性

2.1 淺埋暗挖法

時效性強，工藝銜接要求高，需要大量專業(yè)熟練工種；安全質(zhì)量控制點多，要依賴于經(jīng)驗豐富的專業(yè)隊伍并實行嚴(yán)格的過程控制來保證安全。

2.2 盾構(gòu)法

適應(yīng)于均質(zhì)地層、單一斷面，特點是速度快、質(zhì)量可靠、不需降水。

在以砂、卵石層為主的混合地層，采用的各類土壓平衡盾構(gòu)施工實踐表明：①難以建立、保持土壓平衡、地面沉降失控；②需加入大量膨潤土泥漿，外棄碴土難以處理，污染環(huán)境；③扭矩、推力均增大，易造成超負(fù)荷停機；④刀具、刀盤磨損十分嚴(yán)重；⑤大粒徑卵石無法處理；⑥施工成本增大。

盾構(gòu)無法正常掘進(jìn)，不得已采用欠壓推進(jìn)，從而失去土壓平衡的優(yōu)勢。

2.3 結(jié)論

根據(jù)施工實踐與上述分析，土壓平衡盾構(gòu)難以適應(yīng)砂礫石/砂卵石地層，會帶來安全、工期、成本的諸多問題。但砂礫石/砂卵石地層特性又表明：具有一定超前支護(hù)性能的敞口式盾構(gòu)在有較好的自穩(wěn)能力地層，無水或降水后采用，即有必要又具有一定條件。

3 敞口式盾構(gòu)的適用范圍

主要適用于開挖面有一定自穩(wěn)能力、含水率低或無水的各種圍巖，適用土質(zhì)以洪積層的砂、砂礫、固結(jié)粉砂、黏土和卵礫為主。

4 敞口式盾構(gòu)機的特點

4.1 節(jié)能與良好的經(jīng)濟(jì)性

敞口式盾構(gòu)國產(chǎn)化能力強、制造較簡單、周期短，與土壓平衡盾構(gòu)相比，有較好的經(jīng)濟(jì)性。主要經(jīng)濟(jì)性對比，如表1所示。

表1 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比表

①制造費：因沒有相應(yīng)的動力系統(tǒng)，敞口式盾構(gòu)制造成本約為土壓平衡盾構(gòu)的50%。②進(jìn)出場及吊裝費：敞口式盾構(gòu)比土壓平衡盾構(gòu)重量約輕30%，進(jìn)出場及吊裝費可減少約20%。③端頭加固：敞口式盾構(gòu)不需要對區(qū)間隧道端頭（始發(fā)和到達(dá)）地層進(jìn)行加固，只需對洞門拱部進(jìn)行加固即可，一般費用可節(jié)約50%。④施工用電費：敞口式盾構(gòu)的總功率一般為520～550 kW，需要配備800 kVA變壓器，一般可節(jié)約用電量50%以上，同時可節(jié)約城市臨電設(shè)施配套的費用。⑤輔料、易損件及維修保養(yǎng)費：敞口式盾構(gòu)不需要刀具更換費、主軸承保養(yǎng)維修費、渣土改良費等，費用節(jié)約每延米1 200元左右。⑥碴土處理費：敞口式盾構(gòu)渣土為原土，僅需要計虛方，土壓平衡盾構(gòu)渣土為流塑狀土，出渣量約比敞口式盾構(gòu)渣土增多10%，且有處理難度。⑦土壓式盾構(gòu)新機單價約為4 000~4 500萬元，每延米攤銷約0.6萬~1.0萬元。敞口式盾構(gòu)新機單價約為土壓平衡盾構(gòu)的50%，每延米攤銷約0.4萬～0.6萬元。同時敞口式盾構(gòu)在運輸、洞門端頭加固、施工用電及輔料、易損件等方面比土壓平衡盾構(gòu)都有一定的節(jié)約，其每延米施工造價比土壓平衡盾構(gòu)節(jié)約3 000~5 000元，即8%~10%。⑧在有水地層施工，敞口式盾構(gòu)需要采取降水輔助措施，每延米降水費用約3 000元，接近土壓平衡式盾構(gòu)造價。⑨暗挖法在無水地層造價約單延米2.8萬~3.0萬元；有水地層增加降水費用約3 000元，每延米造價增至3.1萬~3.3萬元。

4.2 較快的進(jìn)度指標(biāo)

敞口式盾構(gòu)在適應(yīng)性地層中有較好的進(jìn)度指標(biāo)，理論進(jìn)度能夠達(dá)到每月300 m。敞口式盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度對比，如表2所示。

敞口式盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)機相比較，其優(yōu)勢是處理大卵石的能力，開挖時兩個作業(yè)面可以同時進(jìn)行；敞口式盾構(gòu)拼裝管片和掌子面開挖可以并行作業(yè)。掘進(jìn)循環(huán)內(nèi)所用時間可控，而且時間少。

表2 掘進(jìn)時間對比表

4.3 靈活的風(fēng)險應(yīng)對能力

①能直接觀察開挖面情況，對異常情況可以直接采取針對性應(yīng)急措施，可人工鑿碎障礙物并取出，如遇到大型障礙物，則用暗挖的辦法通過障礙物后再繼續(xù)掘進(jìn)；②因大型政治活動或其他原因需要停工，只需把擋板打開頂緊開挖面，并在下半斷面與螺旋輸送機隔板之間堆碼沙袋封閉即可；③可方便的轉(zhuǎn)換為礦山法的有效支護(hù)和開挖手段。

4.4 敞口式盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、土壓平衡盾構(gòu)法特點對比

見表3。

表3 敞口式盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、土壓平衡盾構(gòu)法特點對比

5 敞口式盾構(gòu)施工工藝

5.1 施工流程圖

如圖1所示。

圖1 施工流程圖

5.2 掘進(jìn)施工時的注意事項

帽檐和面板抵擋油缸推出時:①帽檐油缸推出時要防止土體的塌方 (緩緩?fù)瞥?；②面板抵擋油缸推出時應(yīng)防止臨時擋板脫落；③掌子面挖成階梯形式，由上部開始依次進(jìn)行挖掘。

第一次挖掘600 mm時:①從上部開始挖掘，完成后使用帽檐對上部土體進(jìn)行支護(hù)；②利用挖掘臂對外周部分徹底挖掘，不要留有挖掘死角；③在挖掘過程中，左右機械臂合理分配挖掘區(qū)域，防止干涉。

第二次挖掘600 mm時:①利用機械臂把土體扒到刮板機上輸送出去；②挖掘同時進(jìn)行同步注漿；③注漿可以使用同步注漿，但因推進(jìn)時間較短，推薦使用管片中心注漿的方式；④隨時關(guān)注推進(jìn)力是否有明顯的大幅上升。

防止塌方:①第二次挖掘完成后，挖掘面必須進(jìn)行徹底的防塌方處理；②遇到容易塌方的地層，必須在挖掘前對前方土體進(jìn)行加固；③可以通過機械臂來防止塌方。

管片拼裝時:①為防止管片拼裝機回轉(zhuǎn)中發(fā)生干涉，必須把刮板輸送機提升；②為迅速拼裝，管片在主機后方按拼裝順序擺放；③拼裝過程中注意防止管片損傷；④管片連接螺栓要預(yù)緊到足夠的扭矩。

總之，敞口式盾構(gòu)適應(yīng)比較特殊的地質(zhì)，在以后的施工過程中我們將繼續(xù)探討和總結(jié)各種經(jīng)驗，為城市軌道交通土建施工提供更好的借鑒。