基于地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道施工技術(shù)的分析

【摘要】隨著我國城市的快速發(fā)展，城市交通問題日益突出，地鐵的修筑對(duì)于提高城市交通便利有著重大意義。地鐵盾構(gòu)是城市地鐵施工中一種重要的施工技術(shù)，是進(jìn)行地面下暗挖隧洞的一種施工方法。本文重點(diǎn)對(duì)地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道的施工技術(shù)與控制要點(diǎn)進(jìn)行了簡要分析，為地鐵盾構(gòu)穿越風(fēng)道施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】地鐵盾構(gòu)；穿越；暗挖風(fēng)道；施工技術(shù)

近年來，為緩解城市交通擁堵的狀況，我國眾多城市開始大規(guī)模地修建地鐵。地鐵隧道大多會(huì)穿越一座城市的中心區(qū)域，因此，施工場地越來越多地設(shè)在繁華的市中心地區(qū)。由于城市有密集的建筑物、街道、各種管道網(wǎng)，對(duì)施工安全、施工環(huán)境的要求較高，而盾構(gòu)法因其獨(dú)特的優(yōu)勢，成為城市地鐵施工工程的最優(yōu)選擇，被廣泛地運(yùn)用于地鐵各區(qū)間的隧道修筑。采用盾構(gòu)法穿越暗挖風(fēng)道進(jìn)行施工，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地面無擾動(dòng)、少擾動(dòng)的地下作業(yè)。

1、地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道工程概述

地鐵站的修筑工程主要包括對(duì)側(cè)式站臺(tái)、出入口、人行道、風(fēng)道和集散廳的修建[1]。地鐵風(fēng)道又包括排風(fēng)道、隧道通風(fēng)道和車站新風(fēng)道，一般集中設(shè)置于車站兩端，以便安裝、管理和維修。而在地鐵修筑時(shí)，一般會(huì)先修筑好車站集散廳和暗挖風(fēng)道，在盾構(gòu)穿越風(fēng)道之前對(duì)風(fēng)道兩側(cè)一定范圍內(nèi)的地層，采用注漿的方式進(jìn)行加固，以便盾構(gòu)井能夠安全開展工作。

以某地地鐵穿越機(jī)場下的雙層暗挖風(fēng)道為例，分析運(yùn)用盾構(gòu)法穿越暗挖風(fēng)道的施工技術(shù)。此機(jī)場所需修筑地鐵隧道總長為4102m，盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑為5400m，外徑為6000m，具體數(shù)據(jù)，如圖1所示。

該次工程計(jì)劃中，按照幾個(gè)斷面開挖導(dǎo)洞利用盾構(gòu)施工，其暗挖風(fēng)道與盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系，如圖2所示[2]。

整個(gè)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)三次始發(fā)、三次到達(dá)，利用過站法依次穿越風(fēng)道和風(fēng)井，完成施工工作。

上述機(jī)場地鐵盾構(gòu)在工程實(shí)施過程中，除通常的盾構(gòu)接收、二次始發(fā)、負(fù)環(huán)拆除等較難工序之外，還出現(xiàn)了新的問題，比如盾構(gòu)機(jī)直徑與風(fēng)井大小要嚴(yán)密計(jì)算，這關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)的出洞姿態(tài)。若是大小并不契合，在風(fēng)道內(nèi)調(diào)整盾構(gòu)并不現(xiàn)實(shí)。而在盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)道環(huán)梁的變形狀況和所受應(yīng)力的大小，注意施工安全。另外，風(fēng)道內(nèi)拆除負(fù)環(huán)也有一定的危險(xiǎn)性。

2、地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道對(duì)風(fēng)道的影響分析

2.1風(fēng)道變形分析

地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道的施工中，風(fēng)道將會(huì)遭受重大的影響。在盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道之前，空間位移總量一般會(huì)隨著施工環(huán)數(shù)的增多而增大，其中，風(fēng)道的最大變形一般發(fā)生在環(huán)梁的頂部，而非風(fēng)道的頂部，即相較于風(fēng)道頂部，土倉壓力的增加對(duì)環(huán)梁的變形影響較大。

在地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道之前，風(fēng)道的變形主要集中于左環(huán)梁及其附近，地鐵盾構(gòu)在施工過程中越靠近左環(huán)梁，風(fēng)道變形的幅度也就越大；在地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道之后，風(fēng)道左環(huán)梁附近的變形基本保持不變，而右環(huán)梁附近的變形開始逐漸增大；在地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道一定距離之后，整個(gè)風(fēng)道的變形情況基本趨于穩(wěn)定。

2.2受力分析

在地鐵盾構(gòu)推進(jìn)暗挖風(fēng)道時(shí)，風(fēng)道所受的最大應(yīng)力主要發(fā)生在環(huán)梁之上。風(fēng)道左、右兩邊的環(huán)梁應(yīng)力，在盾構(gòu)穿越風(fēng)道的過程中發(fā)生了急劇變化，其中，左環(huán)梁所受壓力要比右環(huán)梁更大。因此，在工程實(shí)施規(guī)劃的設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)暗挖風(fēng)道環(huán)梁部位的修筑工作，確保受力能力。在地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道的施工過程中，要注意對(duì)土倉壓力的調(diào)整。

土壓平衡盾構(gòu)在穿越暗挖風(fēng)道的過程中，會(huì)影響風(fēng)道變形，而這種變形又主要集中在風(fēng)道環(huán)梁上。其中，左、右環(huán)梁變形主要就是在地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道前、后完成的，所影響風(fēng)道的最大應(yīng)力其實(shí)也發(fā)生在環(huán)梁之上。實(shí)際上，在盾構(gòu)穿越風(fēng)道過程中，左、右環(huán)梁的應(yīng)力都會(huì)發(fā)生急劇的變化。而土倉壓力的增大，又能夠?qū)ψ蟓h(huán)梁的變形和應(yīng)力大小造成更為劇烈的影響，并且，這兩個(gè)位置所受的影響均較風(fēng)道其他位置大的。因此，從技術(shù)上分析，建議在工程實(shí)施設(shè)計(jì)中對(duì)暗挖風(fēng)道的環(huán)梁部位進(jìn)行加強(qiáng)處理，而在具體的施工過程中，建議適時(shí)調(diào)整土倉壓力，確保風(fēng)道安全。

3、地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道施工的技術(shù)控制重點(diǎn)

3.1盾構(gòu)接受的重點(diǎn)分析

3.1.1明確貫通測量。地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道的施工過程中，在盾構(gòu)到達(dá)盾構(gòu)井之前，要注意進(jìn)行貫通測量。貫通測量結(jié)束后，應(yīng)根據(jù)測量結(jié)果選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)，逐漸放慢掘進(jìn)速度，嚴(yán)格控制土壓，以確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)和軸線偏差在可接受范圍之內(nèi)。

3.1.2控制掘進(jìn)姿態(tài)。盾構(gòu)過渡段掘進(jìn)過程中，土倉壓力和掘進(jìn)速度應(yīng)與正常段掘進(jìn)保持一致，按常規(guī)控制進(jìn)行管理。在此段施工中，重點(diǎn)在于調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的進(jìn)出姿態(tài)，使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向與原設(shè)計(jì)軸線方向盡量保持一致，控制在出洞前的一定距離內(nèi)。另外，掘進(jìn)時(shí)的還應(yīng)注意軸線的水平偏差、高程偏差、盾構(gòu)機(jī)中心線前后偏差等具體數(shù)據(jù)，確保正常施工。

3.1.3重視土體加固。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入土體加固區(qū)后，要控制好土倉頂部的壓力，避免因土壓過高導(dǎo)致洞口土體進(jìn)入風(fēng)道。將同步注漿改為使用速凝漿液的方式[3]。在進(jìn)入土體加固區(qū)之前，還應(yīng)注意觀察洞口狀況，及時(shí)將洞口破除預(yù)留的鋼格柵切除。安排專人在推進(jìn)時(shí)觀測出洞口，始終與盾構(gòu)機(jī)司機(jī)保持聯(lián)系，以便及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

3.1.4注意清理洞口。距離洞口三至四米時(shí)，開挖時(shí)的最小土壓已不再具有參考價(jià)值，因此，只能在開挖過程中根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整，確保壓力最小。次階段收尾應(yīng)保持緩慢速度平穩(wěn)掘進(jìn)。在掘進(jìn)過程中，盡管對(duì)洞口噴射了混凝土，但仍有可能崩塌，因此，還應(yīng)密切注視洞口的情況。如果洞口土體出現(xiàn)銷量的坍塌，則要適當(dāng)加快掘進(jìn)速度，使刀盤盡快進(jìn)入混凝土洞門并進(jìn)行處理。如果出現(xiàn)大面積塌方，則必須立即停機(jī)，采取緊急處理措施。

3.1.5重視出洞處理。為了更精確的指導(dǎo)施工，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入風(fēng)道露出刀盤后，一般會(huì)停機(jī)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的中線進(jìn)行測量定位，并處理洞口，弄清進(jìn)入風(fēng)道的土體，然后根據(jù)測量結(jié)果來安裝盾構(gòu)機(jī)的接受機(jī)座。安裝完機(jī)座之后，將盾構(gòu)機(jī)管片拼接好繼續(xù)前進(jìn)。在此過程中，刀盤經(jīng)過洞口鋼環(huán)之后，要停下施工進(jìn)程并對(duì)盾構(gòu)機(jī)和混凝土之間的空隙進(jìn)行處理。然后繼續(xù)推進(jìn)，直至刀盤到達(dá)風(fēng)道中間位置后對(duì)刀盤進(jìn)行檢修。要注意避免盾構(gòu)機(jī)上方土體塌落，造成空洞，引起隧道土體下沉。

3.2地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道施工中的二次始發(fā)控制

二次始發(fā)初始掘進(jìn)按照通常狀態(tài)控制，注意在安裝開口環(huán)鋼支撐之前，不能使用千斤頂。盾構(gòu)始發(fā)前也要再次確認(rèn)洞口范圍內(nèi)的環(huán)境——是否有鋼筋、鋼板等遺留雜物。刀盤過土體加固區(qū)時(shí)，掘進(jìn)土壓以降低土壓力值以便進(jìn)行控制?？芍苯永秘?fù)環(huán)管片和風(fēng)道一側(cè)已成形的隧道為二次始發(fā)提供反作用力。接著便可進(jìn)行負(fù)環(huán)拆除。

4、地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道施工中的過站技術(shù)分析

風(fēng)道穿越主要有兩大類，一為盾構(gòu)先穿越風(fēng)道結(jié)構(gòu)，后施做；一為風(fēng)道結(jié)構(gòu)先施做，盾構(gòu)后穿越。前者便于盾構(gòu)施工，但盾構(gòu)一經(jīng)穿越，已經(jīng)拼裝成形的隧道將處于風(fēng)道下部，此時(shí)風(fēng)道開挖，則會(huì)逐步將混凝土管片破除，對(duì)施工造成巨大的安全威脅，風(fēng)險(xiǎn)極大，且無法利用風(fēng)道對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行檢修；后者便于風(fēng)道暗挖的施工工作，雖然盾構(gòu)姿態(tài)較難控制，但施工風(fēng)險(xiǎn)仍處于可控制的范圍之內(nèi)，并且能夠在風(fēng)道內(nèi)對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行檢修。上述例子中的機(jī)場地鐵建筑就采用了過站法，這主要是很據(jù)當(dāng)?shù)赝翆犹攸c(diǎn)，出于安全考慮而得出的結(jié)果。

盾構(gòu)隧道和風(fēng)道地板之間會(huì)存在一定程度上的高差，而盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道時(shí)需將這個(gè)高差填平。這個(gè)過程的主要施工方法主要有三種，其優(yōu)劣比較如表1所示。

由于盾構(gòu)機(jī)自身重量已重達(dá)上百頓，因此，在選擇合適的材料對(duì)高差進(jìn)行填平的問題上，要根據(jù)實(shí)際情況慎重抉擇。如，若用砂子回填，盾構(gòu)機(jī)固然可以穿越風(fēng)道，但穿越時(shí)將有可能不能利用螺旋輸送機(jī)運(yùn)土出洞，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)容易改變，盾尾密封刷檢修和刀盤檢修的難度也相應(yīng)增大，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)；如以混凝土澆筑槽形基座，雖有利于盾構(gòu)機(jī)檢修，但對(duì)于填充盾構(gòu)機(jī)的管片和混凝土基座之間的空隙而言，難度加大，容易造成管片碎裂，增加穿越過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

5、地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道施工中的新技術(shù)

5.1盾構(gòu)機(jī)井下調(diào)頭技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)可利用盾構(gòu)井實(shí)現(xiàn)調(diào)頭。如在某市地鐵1號(hào)線位于市中心，由于場地限制，無法建造地面盾構(gòu)始發(fā)井，只能在隧道區(qū)間中部設(shè)一單線始發(fā)井。因此，便需要修筑另一條隧道輔助完成工程的實(shí)施。在盾構(gòu)機(jī)入站之后，平移回轉(zhuǎn)便能夠掉頭到另一隧道上實(shí)現(xiàn)站內(nèi)始發(fā)：利用后配套設(shè)備臺(tái)車在距離始發(fā)端位置100m處實(shí)現(xiàn)外調(diào)頭，經(jīng)過組裝，再始發(fā)。期間通過人字形軌道進(jìn)行道岔換向和水平運(yùn)輸，并利用原有的升降井進(jìn)行垂直吊裝作業(yè)，完成盾構(gòu)調(diào)頭。

5.2暗挖隧道內(nèi)始發(fā)到達(dá)技術(shù)

在盾構(gòu)法的實(shí)施過程中，并不一定需要通過暗挖風(fēng)道的方式達(dá)到修筑地鐵隧道的方式，利用某些既有的隧道也可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并且節(jié)約施工時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。例如，某市盾構(gòu)區(qū)間與車站分界處有一段暗挖隧道，因此無法使用原有的始發(fā)托架進(jìn)行接收和始發(fā)。在改進(jìn)過程中，施工利用了預(yù)埋鋼軌作為盾構(gòu)托架的方式。在盾構(gòu)接收后，組織拼裝下部分管片以頂移進(jìn)站。始發(fā)時(shí)，將盾構(gòu)頂移至混凝土導(dǎo)臺(tái)，并于盾尾處施做反力環(huán)，通過預(yù)埋鋼筋與暗挖隧道的襯砌連接，足以提供1200t以上的反力結(jié)構(gòu)，之后注漿填充管片與暗挖隧道之間的空隙，將反力環(huán)與管片連接嵌縫，反力環(huán)結(jié)構(gòu)后期兼做洞門結(jié)構(gòu)，做成完全能夠?yàn)槭及l(fā)提供動(dòng)力的改組隧道[4]。

綜上所述，地鐵盾構(gòu)是城市地鐵施工中一項(xiàng)重要的施工技術(shù)，是在地面下暗挖隧洞的一種施工方法。在地鐵盾構(gòu)穿越暗挖風(fēng)道時(shí)，應(yīng)從盾構(gòu)機(jī)的施工所需要求出發(fā)，考慮施工技術(shù)難點(diǎn)，認(rèn)識(shí)到盾構(gòu)機(jī)機(jī)體笨重，而施工空間狹小，穿越風(fēng)道過程中盾構(gòu)姿態(tài)難以掌握的客觀事實(shí)，在確保施工安全、工程質(zhì)量的前提下，選擇成熟可靠、安全性高且易于操作的施工方法，盡量縮點(diǎn)施工時(shí)間，規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。