盾構(gòu)法隧道始發(fā)施工關(guān)鍵技術(shù)

吳木懷，周文軍

（中交四航局第一工程有限公司，廣東　廣州　510500）

盾構(gòu)法隧道始發(fā)施工關(guān)鍵技術(shù)

吳木懷，周文軍

（中交四航局第一工程有限公司，廣東廣州510500）

盾構(gòu)施工中，始發(fā)是最大的風(fēng)險(xiǎn)之一。文中結(jié)合珠海城際盾構(gòu)施工實(shí)例，論述了始發(fā)施工中端頭加固、始發(fā)托架及反力架安裝、洞門鑿除、洞門密封裝置、始發(fā)掘進(jìn)控制等工序的關(guān)鍵控制技術(shù)，確保每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)措施的實(shí)施，保障盾構(gòu)始發(fā)施工的安全。

盾構(gòu)隧道；始發(fā)施工；關(guān)鍵技術(shù)

0　引言

在盾構(gòu)施工中，始發(fā)與接收是風(fēng)險(xiǎn)性較大的工序，至目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)多例安全事故，如涌水涌砂、地表沉降、洞門塌陷、始發(fā)架失穩(wěn)、盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞姿態(tài)不當(dāng)?shù)取?/p>

珠海城際金-橫區(qū)間隧道管片外徑8 500 mm，采用直徑8 800 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，隧頂離地面約22 m，端頭采用三軸旋噴樁加固。結(jié)合珠海城際的施工實(shí)例，同時(shí)借鑒行業(yè)先進(jìn)的施工經(jīng)驗(yàn)[1-3]，本文重點(diǎn)闡述盾構(gòu)始發(fā)施工中端頭加固、始發(fā)托架及反力架安裝、洞門鑿除、始發(fā)掘進(jìn)控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1　端頭加固

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)需穿過車站或豎井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通常圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土地連墻或排樁，盾構(gòu)始發(fā)前需鑿除其中的鋼筋，鑿除施工期間，如后側(cè)的土體無法自穩(wěn)或地下水豐富、透水性強(qiáng)就容易發(fā)生涌水，從而導(dǎo)致土體在土壓力及水壓力的共同作用下坍塌。所以在始發(fā)之前必須對墻后土體進(jìn)行改良加固，以提高土層的強(qiáng)度及抗?jié)B性。常用的加固方法分擋墻式，如素混凝土樁、素混凝土墻，主要針對自穩(wěn)能力有限但含水量不大的地層；外包塊體式，如高壓旋噴樁、攪拌樁、注漿加固及凍結(jié)法等，主要針對無自穩(wěn)能力的地層，如淤泥層、砂層、軟塑黏土層等。根據(jù)加固的地點(diǎn)可分為地面加固、井內(nèi)水平加固及洞內(nèi)加固。加固的范圍應(yīng)經(jīng)土體穩(wěn)定性驗(yàn)算確定，可以單獨(dú)采用其中一種或多種結(jié)合使用，必須根據(jù)地質(zhì)情況、覆蓋層厚度（結(jié)合地質(zhì)鉆探及補(bǔ)勘資料及豎井施工時(shí)暴露的地層情況綜合判斷）、地下水、盾構(gòu)類型、地面條件，同時(shí)結(jié)合安全性、經(jīng)濟(jì)性及進(jìn)度要求選用。對加固效果無把握時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行試驗(yàn)。常用端頭加固方法及適應(yīng)性見表1。

表1　 常用端頭加固方法及適應(yīng)性Table 1　Common reinforcement method and adaptability of end head

端頭加固根據(jù)各工法的特點(diǎn)以及加固后的效果檢測情況，往往多種工法結(jié)合使用或補(bǔ)充加固，如廣州地鐵采用在端頭加固范圍四周先施工1排素混凝土樁，再在內(nèi)側(cè)施工攪拌樁，以提高攪拌樁的成樁效果。在加固體與豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)間，如檢測兩者結(jié)合效果不好，須采用注漿補(bǔ)強(qiáng)。另外在端頭隧道的兩側(cè)邊布置降水井，在始發(fā)施工中抽水降低地下水位，但應(yīng)注意地下水降低對周邊沉降的影響。

端頭加固的檢測方法主要采用豎向取芯與水平抽芯相結(jié)合的方式，檢測加固體強(qiáng)度、抗?jié)B性能，觀察水平孔的滲水情況。

2　始發(fā)托架、反力架設(shè)置

始發(fā)托架是盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞前的安裝、滑移平臺，具有承載盾構(gòu)機(jī)的重量、抵抗掘進(jìn)時(shí)的扭矩以及為掘進(jìn)提供導(dǎo)向等姿態(tài)設(shè)置調(diào)整等功能。托架采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，鑒于鋼結(jié)構(gòu)安裝方便、可以周轉(zhuǎn)，所以普遍使用。托架設(shè)計(jì)必須保證具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

始發(fā)托架由若干榀桁架組成，通過軌道梁把桁架連系在一起，形成整體受力結(jié)構(gòu)。托架由鋼構(gòu)廠加工，在現(xiàn)場正式安裝前，必須對托架進(jìn)行試拼裝，檢查各組件的尺寸、精度符合要求后方準(zhǔn)下井安裝。托架設(shè)置于豎井底板（有些底板設(shè)置有墊層）上，與底板預(yù)埋板焊接牢固。為增強(qiáng)側(cè)向抵抗扭力，每間隔2 m采用工字鋼在托架梁與豎井側(cè)墻之間作支撐。托架安裝時(shí)，必須根據(jù)洞門安裝復(fù)測數(shù)據(jù)及盾構(gòu)機(jī)進(jìn)井姿態(tài)，設(shè)置數(shù)據(jù)反算托架的線形與標(biāo)高，并由測量進(jìn)行精確定位。為防止盾構(gòu)栽頭，在托架與洞門間的空隙，采用導(dǎo)軌順接，導(dǎo)軌的支撐必須與托架具有同等的剛度與承載力。

反力架抵抗盾構(gòu)機(jī)始發(fā)推進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的反力，即推進(jìn)千斤頂?shù)目偼屏Γㄇ胺酵馏w的水土壓力、進(jìn)洞盾體與土體的摩擦力、洞外盾體與托架摩阻力與后方臺車的牽拉力。

反力架結(jié)合車站結(jié)構(gòu)設(shè)置（如圖1），設(shè)置支撐與車站的底板、中板及側(cè)墻相連接，背后無結(jié)構(gòu)作支撐的采用斜撐支撐于車站底板上，反力架底部及斜撐與車站底板的預(yù)埋板焊接，其他支撐在車站結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部位預(yù)埋鋼板上，并焊接牢靠。反力架安裝時(shí)分兩部分進(jìn)行，下半部分在托架安裝時(shí)同時(shí)進(jìn)行，上半部分在盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)安裝后吊裝。

3　負(fù)環(huán)的安裝與拆除

珠海城際的負(fù)環(huán)共設(shè)置-9環(huán)，管片外徑8 500 mm，厚度400 mm，長度1 600 mm，由4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊（B塊）、2個(gè)鄰接塊（L塊）和1個(gè)楔形塊（F塊）組成。

負(fù)環(huán)安裝從-9環(huán)開始，因盾尾內(nèi)壁與管片外徑有30 mm的間隙，負(fù)環(huán)拼裝前需要放置1.6 m長φ30 mm的圓鋼或其他型鋼在盾尾下部避開千斤頂撐靴的位置，以支撐負(fù)環(huán)管片，保證盾尾刷不會被負(fù)環(huán)管片破壞。型鋼在靠撐靴位置點(diǎn)焊，負(fù)環(huán)安裝完成后拆除。

圖1　反力架示意圖Fig.1　Schematic diagram of reaction frame

負(fù)環(huán)安裝前，先設(shè)置三角托架支撐負(fù)環(huán)（如圖2所示），選定管片點(diǎn)位，首先，吊放靠下的一塊，再吊放B2（或B3）塊負(fù)環(huán)放置于托架上，使其中心線與托架中心線重合。緊接著對稱拼裝標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊，鄰接塊拼裝完成后，采用鋼板或型鋼制作L形焊接于盾殼，勾住鄰接塊，最后拼裝楔形塊。

圖2　負(fù)環(huán)安裝支撐示意圖Fig.2　Schematic diagram of installation bracing for negative ring support

整個(gè)環(huán)片拼裝完成后，檢查拼裝質(zhì)量，及時(shí)在托架及三角支撐間塞入三角墊塊，并用φ22的鋼絲繩箍緊負(fù)環(huán)，隔一道箍采用手拉葫蘆與托架拉緊。

隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，其對負(fù)環(huán)管片的反力逐漸減少，轉(zhuǎn)而由洞內(nèi)的管片與土體的摩擦力承擔(dān)。此時(shí)始發(fā)掘進(jìn)完成，珠海城際始發(fā)段經(jīng)計(jì)算掘進(jìn)70環(huán)112 m可滿足要求，需要拆除負(fù)環(huán)管片轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)間的掘進(jìn)施工。

負(fù)環(huán)管片的拆除順序及注意事項(xiàng)：

1）緊固相鄰管片，為保證拆除負(fù)環(huán)管片時(shí)相鄰管片失去擠壓力而松動，造成漏水，在負(fù)環(huán)拆除前，對洞內(nèi)相鄰的10環(huán)管片采取緊固措施。即沿管片的螺栓孔縱向布置6道φ25鋼筋或 [14號槽鋼與管片螺栓拉緊，同時(shí)對管片螺栓進(jìn)行二次緊固。

2）拆除負(fù)環(huán)內(nèi)的軌道、管線等物件，并對拆除的管線做好標(biāo)記，方便后面再接回。

3）拆除反力架，割除反力架與車站結(jié)構(gòu)的連接，將反力架吊出或用千斤頂向后頂推，為拆負(fù)環(huán)騰出空間。

4）拆除管片，拆除前應(yīng)檢查各項(xiàng)準(zhǔn)備工作是否到位，吊裝設(shè)備性能良好，人員交底到位。負(fù)環(huán)拆除從-9環(huán)開始到-1環(huán)止，先拆楔形K塊，再拆鄰接L塊，最后依次拆除標(biāo)準(zhǔn)B塊。拆除時(shí)先打通管片吊裝孔，穿入鋼絲繩及銷子固定，龍門吊輕輕拉緊后，方可拆管片連接螺栓，松動管片吊出井外。

4　洞門鑿除

4.1洞門人工鑿除

因盾構(gòu)機(jī)無法直接切除鋼筋，始發(fā)前需人工切除洞門范圍的連續(xù)墻或圍護(hù)樁的鋼筋、H型鋼等。洞門鑿除的范圍以能全部切除鋼筋、型鋼為目標(biāo)，最里側(cè)的保護(hù)層混凝土可以由盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)，施工原則為：分塊鑿除，從上到下，快速完成，做好應(yīng)急。為確保洞門鑿除的安全，在施工前應(yīng)做好以下措施：

1）端頭加固體水平探測，探孔直徑10 cm左右，布置形式為“米”字形，孔數(shù)視隧道直徑大小確定，一般按間距2 m左右布孔，孔深4～6 m，同時(shí)確保不超出加固體。探孔鉆完后，在孔內(nèi)裝入端頭帶閥門的水管，空隙以快凝材料封堵。

觀察水平探孔的情況，如出現(xiàn)成條狀且流速較快的水流或大部分孔都有漏水的情況，水流帶出泥砂的情況更嚴(yán)重，則表明端頭加固體效果不佳，需考慮再次補(bǔ)加強(qiáng)。

2）搭設(shè)腳手架，端頭鑿除時(shí)，必須按照規(guī)范要求進(jìn)行腳手架的搭設(shè)，如鑿除時(shí)盾構(gòu)機(jī)體仍有人員操作時(shí)，應(yīng)掛好安全網(wǎng)，防止落物傷人。

3）端頭降水井及豎井內(nèi)應(yīng)裝好應(yīng)急抽水機(jī)，并有專人值班，出現(xiàn)涌水時(shí)及時(shí)降低水位。

4.2洞門圍護(hù)新型材料應(yīng)用

洞門鑿除及盾構(gòu)機(jī)始發(fā)進(jìn)洞時(shí)，是風(fēng)險(xiǎn)性較高的工序，為了保證施工安全，隨著新材料的發(fā)展應(yīng)用，現(xiàn)在已有不少新工藝、新材料應(yīng)用，避免人工鑿除洞門，轉(zhuǎn)而由盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)，從而大大提高始發(fā)的安全。

1）連續(xù)墻采用玻璃纖維筋代替鋼筋，玻璃纖維筋具有抗拉強(qiáng)度高（可達(dá)550 MPa以上），彈性模量穩(wěn)定，熱應(yīng)力下尺寸穩(wěn)定，可加工成任意形狀，與混凝土結(jié)合性強(qiáng)，易于切割等特點(diǎn)，可由盾構(gòu)刀盤直接切割。玻璃纖維筋經(jīng)濟(jì)性與普通鋼筋差不多，其應(yīng)用越來越廣。

2）采用SEW工法，即使用FFU板材代替洞門范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)FU是一種通過玻璃纖維硬質(zhì)氨基甲酸乙酸樹脂泡沫進(jìn)行強(qiáng)化的輕量耐腐蝕合成材料，具有重量輕、抗彎與抗拉強(qiáng)度高、防水性能好、抗剪切強(qiáng)度低等特點(diǎn)。FFU可以與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼筋籠進(jìn)行焊接。始發(fā)時(shí)，可由盾構(gòu)刀盤直接切除FFU。但因FFU材料造價(jià)比較高，目前國內(nèi)只在廣州地鐵5號線試用過，并未推廣使用。

采用盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)時(shí)，可能會存在刀盤已經(jīng)將圍護(hù)結(jié)構(gòu)切除完，但盾體仍未進(jìn)入止水簾布的情況，這種情況可采取在洞門鋼環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)延長至洞外，止水簾布安裝位置相應(yīng)的移動，另外也可以采用鋼套筒密閉始發(fā)等方法避免洞門鑿除的風(fēng)險(xiǎn)。

5　洞門密封裝置

車站端頭墻施工時(shí)需給盾構(gòu)機(jī)預(yù)留出孔洞，在隧道的軸線位置預(yù)埋洞門鋼環(huán)，洞門鋼環(huán)采用10 mm厚的A3鋼板制作而成，其內(nèi)徑為φ9 200 mm。鋼環(huán)與盾構(gòu)機(jī)殼體有200 mm的空隙、與管片環(huán)外側(cè)有350 mm的間隙。洞門密封裝置就是在鋼環(huán)四周安裝簾布橡膠密封板及可翻折式鋼壓板，防止盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，地下水及同步注漿時(shí)的砂漿外泄。洞門密封裝置由固定環(huán)板、可翻折式壓板、固定螺栓及簾布橡膠板組成（如圖3所示）洞門密封裝置在洞門鑿除完成后開始安裝。

圖3　洞門密封裝置Fig.3　Sealing device for tunnel entrance

為保證起到可靠的密封效果，必須控制以下幾點(diǎn)：

1）固定環(huán)板螺栓孔應(yīng)設(shè)計(jì)成朝圓心的長條形，以便調(diào)節(jié)洞門鋼環(huán)的安裝誤差及施工變形，同時(shí)刀盤進(jìn)洞后，向內(nèi)側(cè)調(diào)整簾布壓板，壓緊盾環(huán)，盾尾通過簾布后，再次調(diào)整壓板，使其壓緊管片環(huán)。

2）洞門鋼環(huán)安裝時(shí)應(yīng)與端墻鋼筋連接固定，內(nèi)側(cè)安裝支撐防止變形，端墻混凝土澆筑時(shí)應(yīng)確保振搗棒不會碰撞洞門，同時(shí)確保四周的混凝土振搗密實(shí)，拆模后應(yīng)檢查鋼環(huán)外周與端墻混凝土的結(jié)合程度，如出現(xiàn)空隙，應(yīng)采用膨脹混凝土堵緊，另外在端墻安裝鋼筋時(shí)，應(yīng)沿洞門鋼環(huán)四周預(yù)埋小鋼管，外側(cè)連接球閥，以備應(yīng)急注漿。

3）止水簾布、刀盤切口環(huán)應(yīng)涂抺黃油，防止刀盤刮傷。

4）注漿時(shí)，應(yīng)有專人觀察洞門四周，如出現(xiàn)漏水或者簾布外鼓，應(yīng)急時(shí)采取應(yīng)急措施。

6　始發(fā)掘進(jìn)控制

為使盾構(gòu)始發(fā)順利進(jìn)行，必須控制好以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制：盾構(gòu)機(jī)全部進(jìn)入洞前，一般不對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，所以始發(fā)前的姿態(tài)設(shè)置非常關(guān)鍵，理想的姿態(tài)是平面與豎向都與設(shè)計(jì)軸線一致，但也須根據(jù)實(shí)際情況作一些調(diào)整。在托架安裝前，必須復(fù)測洞門鋼環(huán)的安裝精度，如出現(xiàn)洞門鋼環(huán)偏差或變形，為不使盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí)破壞簾布，必須對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)作適當(dāng)調(diào)整，但最大調(diào)整量不得超出5 cm。同樣，對于曲線始發(fā)，盾構(gòu)機(jī)必須以直線狀態(tài)進(jìn)洞，完全進(jìn)洞后才慢慢糾正至設(shè)計(jì)軸線。豎向設(shè)置上，為防止盾構(gòu)機(jī)出端頭加固區(qū)時(shí)栽頭，一般比設(shè)計(jì)高2～3 cm。為防止刀盤轉(zhuǎn)動時(shí)盾構(gòu)機(jī)跟著滾動，所以在托架上部的盾體上焊接三角鋼板及塞入三角形的墊木作為防扭轉(zhuǎn)塊。在始發(fā)推進(jìn)過程中，安排專人檢查反力架的變形、防扭轉(zhuǎn)塊是否松動，防扭轉(zhuǎn)塊必須在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞前割除。

2）始發(fā)參數(shù)控制：始發(fā)參數(shù)設(shè)置主要有推力、轉(zhuǎn)速、土倉建壓。始發(fā)推進(jìn)應(yīng)“低速慢推”，一般推力控制在7 000～9 000 kN，最大不得超過反力架設(shè)計(jì)計(jì)算推力，推進(jìn)速度控制不大于10 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速控制不大于1.5 r/min；進(jìn)入加固區(qū)后，可以慢慢建立土倉壓力，出加固區(qū)前，視前方土體設(shè)置，軟土地層土倉壓力必須接近計(jì)算水土壓力。

3）防栽頭措施：盾構(gòu)機(jī)在兩個(gè)位置容易出現(xiàn)栽頭，托架與洞門鋼環(huán)間、端頭加固體與土體間。在托架與洞門間，可以設(shè)置導(dǎo)軌來預(yù)防，注意導(dǎo)軌與托架軌道的連接部位必須平順，標(biāo)高略低3 mm左右，以免劃壞盾構(gòu)機(jī)鉸接；在出端頭加固體時(shí)，通過設(shè)置盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)抬高2～3 cm及調(diào)整底部油缸壓力略大于其他油缸壓力。

4）管片背后注漿：盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入洞門，并且盾尾離止水簾布1 m左右開始進(jìn)行注漿，同步注漿壓力控制在0.2 MPa內(nèi)，漿液應(yīng)為速凝型，一般還須進(jìn)行二次注漿，二次注漿可采用雙液漿。注漿同時(shí)觀察止水簾布及地面是否漏漿。

另外始發(fā)掘進(jìn)前，應(yīng)再次檢查盾構(gòu)機(jī)各部件的連接、運(yùn)行情況，土倉內(nèi)應(yīng)確保無工具遺留，刀盤前洞門鑿除的渣土應(yīng)清除干凈。止水簾布、切口環(huán)應(yīng)涂抺黃油，防止刀盤刮傷，刀盤進(jìn)洞后，調(diào)整簾布壓板，壓緊盾環(huán)。

7　結(jié)語

始發(fā)施工是盾構(gòu)施工控制的關(guān)鍵工序，必須結(jié)合地質(zhì)、地面條件選擇合適的端頭加固方案。托架與反力架設(shè)計(jì)、安裝，洞門臨時(shí)擋土墻的鑿除，負(fù)環(huán)的安裝與拆除以及盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的姿態(tài)設(shè)置，掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置等是始發(fā)施工的關(guān)鍵控制點(diǎn)，確保每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的措施均做到位，才能保障盾構(gòu)始發(fā)的順利進(jìn)行。

[1]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. ZHOU Wen-bo.Construction technology and application of shield tunneling method[M].Beijing:China Building Industry Press，2004.

[2]王力.盾構(gòu)隧道始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)分析與對策[J/0L].城市建設(shè)理論研究：電子版，2015，5（3）[2015-04-27].http：//d.wanfangdata.com. cn/periodical/csjsllyj2015031670. WANG Li.Key technology analysis and countermeasure of shield tunneling[J/OL].Urban Construction Theory Research:Electronic Edition,2015,5(3)[2015-04-27].http://d.wanfangdata.com.cn/ periodical/csjsllyj2015031670.

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Key technology for launching of shield tunnel construction

WU Mu-huai，ZHOU Wen-jun
（The First Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510500,China）

In shield tunneling,launching is one of the biggest risks.Taking Zhuhai Intercity Railway shield construction for example,the paper expounds on the key control technologies such as the reinforcement of the launching end,originating carrier and counter force frame installation,portal removal,portal sealing device,and control of shield originating processes,to ensure the full implementation of each key measure and guarantee the safety of shield launching.

shield tunnel;launching;key technology

U455.43

B

2095-7874（2016）09-0053-05

10.7640/zggwjs201609013

2016-02-24

2016-08-04

吳木懷（1979— ），男，廣東揭陽市人，工程師，土木工程專業(yè)。E-mail：417570131@qq.com