盾構(gòu)回填土反壓平衡法接收施工研究

李立銘，王模公

（中鐵三局集團(tuán)有限公司機(jī)械管理部，山西 太原 030001）

0 引 言

盾構(gòu)到達(dá)是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵節(jié)點之一，到達(dá)端頭是事故多發(fā)地段，直接關(guān)系著盾構(gòu)隧道能否順利貫通。盾構(gòu)到達(dá)施工存在極大風(fēng)險，因此關(guān)于風(fēng)險控制技術(shù)的研究非常重要。

1 盾構(gòu)回填土反壓平衡法的背景

福州地鐵某區(qū)間上行線出洞接收段50m（K17＋799～K17＋849）范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為：洞頂為粉質(zhì)粘土，洞身為粉質(zhì)粘土夾細(xì)砂，洞底為淤泥質(zhì)土夾細(xì)砂。接收段加固形式采用Φ650mm三軸攪拌樁＋1排Φ800mm旋噴樁，加固長度為4m。于2012年9月20日始發(fā)，在進(jìn)入接收段50環(huán)后，各項接收準(zhǔn)備工作就緒，地面監(jiān)控測量、地面控制點位聯(lián)測及洞內(nèi)導(dǎo)線復(fù)測均已完成。2013年1月30日凌晨，管片拼裝至891環(huán)時，盾身已進(jìn)入加固體1m。按照盾構(gòu)接收方案，在盾身進(jìn)入加固體時，土倉壓力應(yīng)降為0，由于實際水文地質(zhì)與詳勘結(jié)果有出入，導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)出土口發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，于凌晨5點半停止掘進(jìn)施工，此時，盾構(gòu)機(jī)刀盤距離洞門2.2m。

盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)后，施工單位密切關(guān)注盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，做好洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及洞門土體的巡視工作，加強(qiáng)地表沉降及地下水位的監(jiān)測，并做好應(yīng)急準(zhǔn)備工作，采取了以下措施。

（1）加強(qiáng)注漿。為穩(wěn)定已成型的管片，及時進(jìn)行管片后二次注漿，同時，通過盾尾注漿孔、中盾注漿孔向盾尾及盾身注入雙液漿及膨潤土，確保盾身處于安全、穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）增加降水井、觀測井及回灌井。將降水井增加到11口（其中Φ350口徑5口，Φ500口徑6口），同時增設(shè)了4口水位觀察井。通過2d的降水，地下水位已降至地表下11m左右，繼續(xù)抽水，水位下降不明顯。

采取以上措施后，地下水位仍然處于盾構(gòu)底面以上4.5m左右，盾構(gòu)直接出洞仍存在較大風(fēng)險。為確保順利出洞，擬采用回填土反壓平衡法施工。

2 方案及參數(shù)檢算

（1）超載20kPa，填土高度采用7.5m。

（2）采用單榀可承受彎矩為909kN·m的H700×300×13×24H型鋼，I＝201 000cm4，搭接到兩道中板框架梁：KL2-1（800×1 000），Φ12＠100／200（6），6Φ25，N4Φ20；KL2-2（1 000×1 000），Φ14＠100／200（6），6Φ32，8Φ32，N4Φ20。因 KL2-1形成整體，穩(wěn)定性好，主要驗算KL2-2。

（3）適當(dāng)考慮盾構(gòu)頂推引起的摩擦力，荷載選6 500kN，按最不利彎矩1 115kN·m核算如下：水土核算，頂部荷載為20kPa，底部荷載為101kPa，M1＝460kN·m；水土分算，頂部荷載為20kPa，底部荷載為157kPa，M2＝623kN·m。

（4）盾構(gòu)刀盤出盾圈后，土壓力頂部不超過20kPa，底部不超過137kPa，框架梁最大彎矩為704kN·m，需配置2 503mm2，配置梁為2Φ32，4Φ20，2 865mm2。

（5）在未加入中板400mm的有利條件下，滿足填土要求。

3 工序?qū)嵤┘?xì)則

根據(jù)檢算結(jié)論，制定以下工序?qū)嵤┘?xì)則。

第一步，繼續(xù)抽水，將地下水位維持在地面以下11m處，同時加強(qiáng)水位監(jiān)測，觀測頻率為2h一次。并派專人對抽水量及含砂、含泥情況進(jìn)行巡查。

第二步，采用鋼板及工字鋼對端頭井進(jìn)行圍蔽，端頭井內(nèi)分層回填粘土至中板，利用粘土封閉涌水通道，防止發(fā)生涌水［1-2］。重新建立土壓平衡，按正常掘進(jìn)的方式出洞。端頭井底板處回填C15混凝土，標(biāo)高控制在盾構(gòu)機(jī)底部以下2cm處。支立圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的面板為3cm厚的鋼板，背面設(shè)H700×300×13×24工字鋼的縱向肋條，間距為50 cm，鋼板接縫內(nèi)壁鋪設(shè)塑料布以防接縫滲漏，圍護(hù)結(jié)構(gòu)高度至中板底。

第三步，采用粘土分層回填、夯實，每層厚度控制在30～50cm；填土順序由南到北，南端填土至中板，北端填土至洞門頂以上2m。在填土分層的同時，洞門鋼筋應(yīng)由底部按照1m高度分層切割，鋼筋頭必須逐個處理到位。

第四步，確定掘進(jìn)參數(shù)。

（1）土倉壓力值P的選定。P值與地層土壓力、靜水壓力相平衡，設(shè)刀盤中心地層靜水壓力、土壓力之和為P0，P0＝γh（γ為土體的平均重度，h為刀盤中心至地表的垂直距離），則P＝KP0，K為土的側(cè)向靜止土壓力系數(shù)，由于填土至洞門頂上部2m，所以土倉壓力設(shè)置為0.03～0.05MPa［3-4］。施工時主要控制以下幾個方面：螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)控制為26r·min-1；千斤頂推進(jìn)速度一般控制在6cm·min-1以下；此外，還有兩者的組合控制以及對取土量、超挖量的控制。

（2）出碴量的控制。每環(huán)理論出碴量（實方）為39.7m3，盾構(gòu)推進(jìn)出碴量應(yīng)控制在98%～102%之間，即每環(huán)38.9～40.5m3。

（3）推進(jìn)速度。掘進(jìn)速度及推力的選定以保持土倉壓力為目的，盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的推力主要由下述因素決定：盾構(gòu)外周（盾殼外層板）和土體之間的摩擦阻力或粘附阻力、盾構(gòu)正面阻力、管片和盾殼內(nèi)側(cè)鋼板之間的摩擦阻力以及后配套臺車牽引力等。推進(jìn)速度設(shè)置為4～6mm·min-1。

（4）盾構(gòu)軸線。為保證隧道軸線的方向，建立一套嚴(yán)密的人工測量和自動測量控制系統(tǒng)，嚴(yán)格控制測量的精度，合理布設(shè)洞內(nèi)的測量控制點和導(dǎo)線，根據(jù)工程中的實際情況合理控制測量和復(fù)核的頻率。盾構(gòu)軸線偏離設(shè)計軸線不能超過±50mm，在始發(fā)掘進(jìn)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的各組油缸壓力不大于70bar，盾構(gòu)機(jī)總推力設(shè)置為600～800t，刀盤扭矩保持在15%左右。

（5）推進(jìn)及姿態(tài)控制。要將盾構(gòu)向左轉(zhuǎn)動，A組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂；要將盾構(gòu)向右轉(zhuǎn)動，C組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂；要將盾構(gòu)向上轉(zhuǎn)動，B組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂；要將盾構(gòu)向下轉(zhuǎn)動，D組千斤頂伸長量要大于其他3組千斤頂。根據(jù)盾構(gòu)自動導(dǎo)向系統(tǒng)顯示的盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)動方向，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)刀盤的旋轉(zhuǎn)方向：欲將盾構(gòu)機(jī)順時針轉(zhuǎn)動，刀盤應(yīng)逆時針轉(zhuǎn)動；欲將盾構(gòu)機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動，刀盤應(yīng)順時針轉(zhuǎn)動。

（6）盾尾注漿壓力分析與取值。盾尾注漿壓力主要受地層水土壓力的影響，注漿壓力的設(shè)定以能填滿管片與開挖土層的間隙為原則。注漿壓力的計算參考規(guī)范中的公式，并在施工過程中通過測試和試驗來確定和優(yōu)化參數(shù)。

（7）土體改良。盾構(gòu)機(jī)在刀盤、土倉、螺旋輸送機(jī)設(shè)置了添加劑注入口。添加劑可以減少盾構(gòu)機(jī)的磨損，調(diào)整土倉內(nèi)土體塑性流動性，降低渣土的透水性，減小刀盤扭矩，防止機(jī)器能耗過高因發(fā)熱而發(fā)生故障；還可以降低切削渣土的內(nèi)摩擦力，減少刀盤、螺旋輸送機(jī)的磨損。土體改良使用的添加劑為泡沫，注入添加劑時的初始壓力設(shè)定為0.2～0.4 MPa。泡沫溶液的組成為：泡沫添加劑3%，水97%。泡沫的注入量按開挖方量及碴土實際情況計算確定為300～600L·m-3。

第五步，掘進(jìn)施工。

（1）892環(huán)。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)前，再次對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核，掘進(jìn)中首先采用悶推方式，重新建立土倉壓力至0.05MPa，加強(qiáng)盾尾同步注漿，緩慢掘進(jìn)，密切關(guān)注土倉的情況。

（2）893～894環(huán)。盾構(gòu)推至894環(huán)，土倉頂部壓力逐步降至0，底部壓力逐步降至95kPa。

（3）895～899環(huán)。按設(shè)定速度推進(jìn)，降低盾構(gòu)機(jī)與土摩擦力引起的型鋼受力，加快出土速度，控制土倉壓力。同時推至899環(huán)，在盾尾交接面6m范圍內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)注漿量的控制。

第六步，加強(qiáng)監(jiān)控測量。

（1）對盾構(gòu)接收段100m范圍內(nèi)的地面及管線進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為4次·d-1。

（2）加強(qiáng)對盾構(gòu)接收段后10環(huán)管片的監(jiān)測，監(jiān)測頻率為4次·d-1。

（3）密切關(guān)注盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)及掘進(jìn)參數(shù)。

4 結(jié) 語

盾構(gòu)回填土土壓平衡法接收在福州地鐵隧道施工中首次應(yīng)用成功，結(jié)果也表明，該方法技術(shù)先進(jìn)，施工控制得力，施工組織合理，大大降低了施工風(fēng)險，縮短了工期，直接節(jié)約工程成本約200萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，施工人員的人身安全和場地環(huán)境安全也有保障，同時環(huán)保節(jié)能效益良好，將會有很好的應(yīng)用前景。