盾構過風井過程解析

杜德平 （合肥市軌道交通建設工程質量安全監(jiān)督站，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

該項目1、5號線盾構區(qū)間通過南側緊鄰高速公路的中間風井多達4次，由于緊鄰高鐵站工程施工導致中間風井負一層北側土方被挖除，且工期緊，盾構機過該中間風井方案的選擇和實施，對項目的盾構安全質量至關重要。為此，借鑒盾構過站、站內掉頭、半環(huán)始發(fā)等施工實例經(jīng)驗，并結合該項目實際情況，經(jīng)過方案比選，最終確定了采用局部半環(huán)與整環(huán)組合拼裝盾構機整體平推通過中間風井的方案。實施前對方案的工藝流程、施工方法、技術要點等細節(jié)進行了詳細分析，過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行了優(yōu)化和論證，最終完成了盾構通過中間風井任務，在安全、質量、工期、成本等方面均達到預期的效果。

2 方案選擇

2.1 方案比選

2.1.1 方案一：整環(huán)拼裝過中間風井

整環(huán)拼裝過中間風井是在盾構到達中間風井后，通過拼裝整環(huán)管片，利用千斤頂提供反力，完成盾構機過站施工。其優(yōu)勢在于二次始發(fā)過程中不需要再次架設反力架裝置，通過拼裝管片后的成型隧道提供反力，隧道整體線型效果好；其不足在于隧道封閉成整體后，不能滿足兩井間定向聯(lián)系測量的要求，無法實現(xiàn)在風井處的垂直運輸，需要較大的人力、物資和機械設備投入。

2.1.2 方案二：半環(huán)拼裝過中間風井

半環(huán)拼裝過中間風井是盾構機到達風井后采用拼裝下半環(huán)管片通過。其優(yōu)勢在于負環(huán)拼裝方便、節(jié)約管片、節(jié)省拼裝時間，同時盾構進入風井后可利用此機會對盾構機進行維修，從而加快施工進度；其不足在于始發(fā)時需在上半環(huán)架設反力支撐系統(tǒng)，與管片連接成為一體，為盾構機前進提供反力。

2.1.3 方案三：安裝反力架拼裝負環(huán)過中間風井

安裝反力架拼裝負環(huán)過中間風井是將通常的到達接收及再次始發(fā)完全重復一次，該方法適用于風井內部空間較大、方便垂直運輸?shù)那樾?，但投入較大、工序較繁、施工周期長。

2.2 利弊分析

①全部采用半環(huán)拼裝，始發(fā)時需要在上半環(huán)架設反力架支撐系統(tǒng)為盾構機提供反力。該項目中間風井寬度為12.3m，風井內施工場地狹小，且過站段處于封閉空間，支撐系統(tǒng)拼裝、架設施工難度較大，同時支撐與管片連接面平整度難以保證。另外支撐鋼管或型鋼需要10m以上長度，在始發(fā)推力作用下，易發(fā)生變形，影響正環(huán)管片的拼裝質量，同時存在較大安全風險。

②隧道通風靠風機向洞內送風，長距離送風對風機設備要求高，且損耗大。當盾構機通過風井后，若將風機移到風井處，在滿足通風需求的同時，又能減少部分管材料的消耗及風機用電損耗。

③該工程中間風井內四周封閉結構吊裝無法進行吊裝作業(yè)，后期管片拆除比較困難，只能通過安裝在負三層結構中預埋件上的倒鏈采用人工進行負環(huán)拆除。

④根據(jù)該項目中間風井洞門與底板相對位置關系及中間風井結構設計的具體情況，盾構在風井內接收采用安裝在通長混凝土導臺上的鋼軌代替常規(guī)的接收鋼托架，安全可靠、施工方便。

2.3 方案確定

經(jīng)過前述分析，本著安全可行、工期可控、節(jié)約成本的原則，該項目最終采用局部半環(huán)拼裝過中間風井方案完成盾構施工。

3 盾構局部半環(huán)拼裝過中間風井施工

3.1 前期準備工作

3.1.1 到達前準備工作

盾構到達時，應確保端頭土體具有足夠的強度及抗?jié)B能力。根據(jù)地質情況，采取適宜的方式對端頭土體進行加固，當?shù)叵滤惠^高的，還需采取必要降水措施，將端頭區(qū)域的地下水位降至隧道底板面以下。該項目在風井主體施工過程中已采用水平袖閥管注漿加固方式對4次過風井的8個端頭進行加固，并在到達前進行抽芯試驗。

3.1.2 澆筑通長混凝土導臺

根據(jù)隧道中心線位置、風井結構尺寸、盾構接收托架尺寸等計算確定通長混凝土導臺尺寸及用于固定鋼導軌的預埋構件的位置。盾構到達前30天完成相關工作，以保證混凝土導臺有足夠的強度。

3.1.3 安裝鋼導軌

為確保盾構順利接收及再次始發(fā)，在通長混凝土導臺上安裝用于代替常規(guī)始發(fā)托架的鋼軌。第一，嚴格安裝設計的高度、斷面尺寸進行混凝土導臺的澆筑，確保導臺結構尺寸及預埋件埋設位置準確可靠；第二，根據(jù)混凝土實際澆筑的效果，確定鋼導軌安裝間距、角度、高度，確保最終接收端鋼導軌中心軸線比隧道設計軸線低10mm～20mm，以便將盾構機順利推上鋼導軌，同樣確保盾構始發(fā)端鋼導軌中心比隧道設計軸線高20mm，以便減小二次始發(fā)時盾構機栽頭對隧道軸線的影響；第三，澆筑混凝土導臺時靠近洞門兩端的位置各留出40cm寬度的范圍降低20cm，安裝鋼導軌時應與風井端墻保持35cm～40cm距離，以方便洞門鋼環(huán)密封圈及橡膠簾布的施工；第四，鋼導軌與預埋件必須焊接牢固、焊縫飽滿。

3.1.4 安裝洞門防涌水密封圈

作為盾構到站階段臨時的防塌方涌水措施，在洞門圈安裝橡膠止水簾布、折葉壓板等組成的密封裝置，并采用鋼絲繩、倒鏈與預埋件拉結的方式固定壓板，待盾構進洞時，逐步收緊，直至盾尾脫出管片后完全收緊。

3.1.5 洞門處圍護結構鑿除

當盾構掘進進入洞門加固體時，必須先進行洞門探孔檢查，探孔檢查無異常情況后，開始進行洞門破除工作。洞門破除由高向低先分層分段進行，先進行圍護結構的一半厚度破除施工，當盾構推進至距離洞門約2m時，快速破除剩余圍護結構混凝土，保留圍護樁的外排鋼筋和保護層，待盾構機刀盤漸進到刮磨外排鋼筋網(wǎng)時停機割除外排鋼筋。洞門處圍護結構的整個鑿除過程應先鑿孔探明端頭區(qū)是否有水，若存在涌水涌砂現(xiàn)象，當立即停止鑿除，進行注漿封堵。

3.1.6 貫通前盾構機掘進控制

在盾構機到達前100m，通過對洞內導線測量、水準測量、管片姿態(tài)測量，明確盾構機中心軸線與隧道設計軸線的關系，并對接收洞門位置進行復核，確定盾構機的貫通姿態(tài)及掘進糾偏計劃。到站前30m要采取輔助措施確保管片環(huán)間縱向連接力，以防盾構掘進推力的減小引起環(huán)間推力不足而影響密封防水效果。到站前6環(huán)要根據(jù)復測結果調整盾構機姿態(tài)，派專人觀察洞門掌子面變形情況，并根據(jù)變形情況及時調整掘進參數(shù)，以確保站端墻的穩(wěn)定和防止地層坍塌。

根據(jù)該項目地質情況等，盾構接近中間風井時，采用半倉式掘進模式慢速推進，減小刀盤轉速及掘進推力，其中推進速度控制在10mm/min～20mm/min以內，推力控制在500t左右，刀盤轉速控制在1rpm～1.2rpm。在即將破洞前，盡量減少土倉內的渣土，使盾構正面及樁體背后土壓力降低到最低值，又減少出洞后人工清渣的工作量。

3.2 局部半環(huán)拼裝過中間風井

3.2.1 盾構機進洞

盾構機刀盤進入風井以后，為了順利地上到鋼導軌上，需在洞門圈內安裝一段導軌，并將其與導臺上鋼導軌連接起來。在鋼軌上預先涂抹潤滑油脂，減少盾體與鋼軌的摩擦力，降低過站空推總推力。

進入風井前6環(huán)的注漿材料配合比及注漿量要進行調整，必要時可通過盾構殼體設置的孔向盾殼外注入水泥~水玻璃雙液漿進行止水，在進洞環(huán)管片脫出盾尾后，及時采用二次注漿填充管片和土體的環(huán)向間隙。

3.2.2 盾構機在風井內空推、檢修維護

盾體上導臺以后，盾構機采用推進油缸在倒臺上推進，不轉動刀盤，正常拼裝負環(huán)管片。當盾構機到達中間風井位置后，由機械、電氣專業(yè)人員對盾體、刀具、盾尾密封刷檢查更換、刀盤耐磨層的補焊、重要設備部件進行維護和檢修，并做好再次始發(fā)前調試工作。

3.2.3 過中間風井管片拼裝

①為便于后期管片拆除，過風井管片拼裝采取通縫拼裝，共需安裝9環(huán)，整環(huán)7環(huán)，半環(huán)2環(huán)。沿盾構掘進方向，在第4環(huán)位置前安裝半環(huán)由16#工字鋼加工成型的鋼環(huán)，拼裝后一側翼板緊貼在第4環(huán)管片上，并采用特制的管片螺栓將鋼環(huán)與管片進行緊固。

②在管片脫離盾殼后，用鋼絲繩和倒鏈拉緊管片，以加強成環(huán)管片的真圓度。

3.2.4 中間風井內始發(fā)

盾構機在導臺上推進的同時安排始發(fā)洞門鑿除，并安裝洞門密封裝置。洞門破除完成后，繼續(xù)推進，按盾構始發(fā)流程再次始發(fā)。

盾構機從風井段再次始發(fā)所用反力由已拼裝好的成型隧道管片提供，始發(fā)推進階段總推力按1600t進行設計，推力增加要遵循漸進的原則，速度應控制在10mm/min～20mm/min以內；為防止盾構機在推進過程中發(fā)生盾體滾動現(xiàn)象，在盾體兩側焊接防滾楔塊。

3.3 負環(huán)管片拆除

3.3.1 負環(huán)管片拆除驗算

拆除負環(huán)管片前，需進行管片受力計算，以滿足僅依靠管片與土體間的摩擦力能夠提供盾構機正常掘進的最大反力，即

F摩=μπDLP≥F推力

式中：μ——管片與土體的磨擦系數(shù)，取μ＝0.3

D——管片外徑，取D ＝6.0m

L——已安裝的管片長度，取L＝54×1.5＝81m

P——作用于管片背面的平均土壓力，P=γ1'h1+γ2′h2…….

γ′——土體有效重度,地下水位以上取天然重度，按以下公式計算：γ′=γw(ds-1)/(1+e)

其中：ds 為土粒比重（參照微膨脹性粘土）；e為孔隙比（參照微膨脹性粘土）。

在該項目中，始發(fā)后的100m盾構區(qū)間平均埋深為17.5m，地下水位為隧道底下1m,γ′取天然重度，取20kN/m3，則P=111.46kN。

故管片提供的摩阻力為：

F摩=0.3×3.14×6.0×81×111.46=51027.72kN>37500 kN（盾構機額定最大推力）。

該項目中間風井至下一車站線路較短，考慮始發(fā)段掘進長度要求，為了減少施工影響，過站負環(huán)的拆除工作在盾構機到達下一車站以后進行。

3.3.2 負環(huán)管片拆除

①鋼環(huán)拆除：盾構過站后，切割取出鋼環(huán)，以便能夠為順利拆除負環(huán)管片提供空間。

②將加固負環(huán)管片保持其穩(wěn)定的鋼絲繩及木楔塊拆除，并將在管片內鋪設的軌道、循環(huán)水管等拆除，注意保護高壓電纜不被損傷。

③負環(huán)管片拆除：半環(huán)及整環(huán)負環(huán)管片采用整體分塊一次性拆除方式。

4 實施效果分析

4.1 成本效益

該項目在初次始發(fā)時采用整環(huán)拼裝始發(fā)，因此有足夠的管片供過風井使用，局部半環(huán)管片拼裝比整環(huán)管片拼裝節(jié)省約1環(huán)管片，雖不及全部半環(huán)管片拼裝方案，卻比其節(jié)省型鋼約70m30#型鋼。

此外，該風井采用局部半環(huán)管片拼裝方案后，剩余隧道在掘進時的空氣流動性完全滿足施工作業(yè)健康要求，故在風管材料、電費方面又有所節(jié)省。

4.2 其它效益

局部半環(huán)拼裝通過中間風井的方案，通過在中間風井適當位置預留垂直提升條件，可以有效縮短物資在隧道內水平運輸距離，既可以節(jié)約能源，又可以降低負環(huán)拆除勞動強度，加快盾構施工進度。

5 結 論

6號風井由于結構內尺寸限制，盾構機通過時大型吊裝設備沒有使用條件，在有限的空間內既要保證盾構機安全通過，又要確保后期過站負環(huán)管片拆穿方便安全，本文提出了一種安全高效的施工方法，可為類似盾構機通過風井或過站提供參考。

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