盾構(gòu)進(jìn)洞洞門加固及始發(fā)進(jìn)洞技術(shù)研究

馬昌元

摘要： 地鐵施工中盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)洞是盾構(gòu)法施工安全及質(zhì)量事故的高發(fā)環(huán)節(jié)，一旦采取的技術(shù)措施不當(dāng)或施工操作失誤，常常發(fā)生洞門土體塌坍、地表沉陷、洞門周邊泥漿及土體涌入井內(nèi)等事故。洞門的加固及盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)洞技術(shù)是確保盾構(gòu)施工安全及質(zhì)量的關(guān)鍵，本文總結(jié)了西安鐵四號(hào)線盾構(gòu)始發(fā)洞門加固及盾構(gòu)始發(fā)、初期掘進(jìn)的技術(shù)措施，為以后此類項(xiàng)目的施工提供參考與借鑒。

Abstract： In subway construction， the shield launching into tunnel is a high risk link of construction safety and quality accidents in shield tunneling method. When the technical measures are taken improperly or the construction operation is wrong， accidents such as tunnel door collapse， surface subsidence， mud and soil into the well often happen. The reinforcement of the tunnel door and the shield launching into tunnel technology are the key to ensure the safety and quality of shield construction In this paper， the technical measures of the initial tunneling door reinforcement and the initial excavation of the shield are summarized， to provide reference for similar projects.

關(guān)鍵詞： 地鐵；盾構(gòu)法；洞門加固；始發(fā)技術(shù)

Key words： subway；shield method；tunnel door reinforcement；initial launching technology

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）35-0114-04

0 引言

目前，我國(guó)城市開始大力進(jìn)行地鐵修筑，以緩解日趨嚴(yán)重的城市交通問題，城市地鐵區(qū)間修筑時(shí)大多采用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工，為了確保安全、按期及優(yōu)質(zhì)完成地鐵修筑任務(wù)，盾構(gòu)的始發(fā)是盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)的最初關(guān)鍵環(huán)節(jié)，盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)進(jìn)洞時(shí)，洞門掘進(jìn)面處于無支撐的開放狀態(tài)，且無支撐的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。如果處理措施稍有不妥，土體、泥漿等就會(huì)涌入工作井，情況嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致洞門坍塌。因此做好始發(fā)端頭的加固工作在盾構(gòu)施工中有著非常重要的意義。所以盾構(gòu)始發(fā)洞門加固及盾構(gòu)初始掘進(jìn)為盾構(gòu)施工中的高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目。

在盾構(gòu)始發(fā)前根據(jù)洞門段地質(zhì)情況、盾構(gòu)機(jī)類型及其它影響因素，對(duì)始發(fā)洞門的加固技術(shù)進(jìn)行研究，并嚴(yán)格施工，確保盾構(gòu)以良好、安全、順利的姿態(tài)始發(fā)及進(jìn)洞，成為盾構(gòu)施工需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵難題。

1 工程概況

本項(xiàng)目為西安地鐵四號(hào)線工程（航天東路站～北客站）土建施工TJSG-12標(biāo)段，施工內(nèi)容包括了2站3區(qū)間。2站為大明宮站、大明宮北站；3區(qū)間為元殿站～大明宮站、明宮站～大明宮北站、大明宮北站～余家寨站。施工范圍如圖1所示。

本文就標(biāo)段施工的含元殿站～大明宮站盾構(gòu)區(qū)間洞門加固及盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)進(jìn)行闡述，為今后類似工程的施工提供參考與借鑒。

2 始發(fā)及到達(dá)洞門加固

進(jìn)洞施工是地鐵盾構(gòu)法施工的難點(diǎn)之一，通常采取的技術(shù)措施是在盾構(gòu)進(jìn)出洞前加固或改良端頭井地層，旨在提高地層穩(wěn)定性。本標(biāo)段盾構(gòu)始發(fā)井地層主要為粉質(zhì)黏土、砂層，參照國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)及類似工程經(jīng)驗(yàn)，可采用攪拌樁+旋噴樁、地面注漿或凍結(jié)法加固地層、止水。

結(jié)合區(qū)間隧道地質(zhì)條件，并充分研究、參考了西安地鐵其它標(biāo)段在洞門加固方面的經(jīng)驗(yàn)及不足之處。端頭加固采用地面注漿方式，并設(shè)置輔助降水井，區(qū)間影響范圍內(nèi)圍護(hù)樁采用玻璃纖維筋。注漿加固范圍為盾構(gòu)隧道洞外周寬3m，沿隧道縱向長(zhǎng)3m，如圖2所示。

車站的盾構(gòu)機(jī)始發(fā)洞門采用單排Φ1000@1250mm素混凝土樁對(duì)一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固處理，如圖3所示。

3 端頭降水

車站盾構(gòu)始發(fā)處降水可利用車站施工時(shí)的降水井進(jìn)行降水，確保水位降至底板以下1m，降水效果利用現(xiàn)場(chǎng)布置的水位觀測(cè)孔進(jìn)行觀測(cè)。

4 洞門鑿除

4.1 洞門鑿除

需要在始發(fā)前將洞門端頭圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑿除。鑿除洞門采用人工風(fēng)鎬開鑿的方法。

為確保洞門加固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，鑿除洞門按3階段進(jìn)行。鑿除次序?yàn)橄壬虾笙隆⑾戎虚g后兩側(cè)。洞門鑿除次序見圖4（左）。第1階段開鑿范圍見圖4（右）；第2階段鑿除剩余混凝土；第3階段迅速鑿除、切割外圍殘留鋼筋混凝土，洞門四周鋼筋要切割平齊，盡可能減少洞門土體無支撐時(shí)間。

第1階段洞門鑿?fù)谠诙軜?gòu)始發(fā)前14d完成；

第2階段洞門鑿?fù)谠诙軜?gòu)始發(fā)前7d完成；endprint

第3階段洞門鑿?fù)谠诙軜?gòu)始發(fā)前1d完成。

4.2 洞門鑿除過程的應(yīng)急措施

①當(dāng)洞門出現(xiàn)異常情況時(shí)，立即使用木板封閉洞口，同時(shí)用鋼管支撐牢固，避免泥土涌入始發(fā)井。并在洞外盡快對(duì)周邊土體實(shí)施注漿加固。

②當(dāng)土體壓力過大，立即用鋼筋網(wǎng)片（預(yù)先準(zhǔn)備的應(yīng)急物資）與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼筋焊接連接，再用鋼管及木板撐牢固，隨后噴錨固定洞門，洞門穩(wěn)固后，在洞外對(duì)周邊土體進(jìn)行注漿加固。同時(shí)對(duì)洞門實(shí)施水平注漿。

5 盾構(gòu)進(jìn)出洞臨時(shí)封閉及防水設(shè)計(jì)

盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，為了避免泥土及漿液從盾構(gòu)面與洞門間的空隙漏出，結(jié)合本項(xiàng)目洞門及盾構(gòu)結(jié)構(gòu)及尺寸特點(diǎn)。沿洞門設(shè)置環(huán)形折葉式密封裝置。洞門密封裝置如圖5所示。沿洞門洞圈預(yù)埋鉆設(shè)有M20螺孔圓環(huán)鋼板A，通過螺栓將橡膠簾布、環(huán)板B（壓緊圓環(huán)板）及折葉壓板安裝在圓環(huán)鋼板A上，采用鋼絲繩把折葉壓板連接成整體。

在洞門鑿除后進(jìn)行洞門密封裝置的安裝，其安裝流程為：洞門圈上預(yù)埋圓環(huán)鋼板A（車站施工時(shí)預(yù)埋）→安設(shè)雙頭螺栓→簾布橡膠板→圓環(huán)壓板→折頁(yè)壓板→墊圈→螺母。

洞門密封裝置施工的關(guān)鍵為預(yù)埋圓環(huán)鋼板A，按圖紙要求嚴(yán)格控制其加工精度，在進(jìn)行車站結(jié)構(gòu)主體施工時(shí)預(yù)埋，要嚴(yán)格控制安裝的位置、垂直度及安裝精度。

6 始發(fā)設(shè)施的安裝

6.1 始發(fā)臺(tái)安裝

始發(fā)臺(tái)安裝前清理干凈基坑，進(jìn)行測(cè)量放線，定出始發(fā)臺(tái)的軸線位置及安裝高度。始發(fā)托架按放樣的軸線位置進(jìn)行安裝，因始發(fā)托架在始發(fā)時(shí)受到要承受盾構(gòu)機(jī)的縱向、橫向推力的作用，同時(shí)還承受盾構(gòu)掘進(jìn)的扭矩。為了確保始發(fā)臺(tái)托架牢固、穩(wěn)定、不移位，在始發(fā)托架兩側(cè)增設(shè)H加固型鋼，始發(fā)托架結(jié)構(gòu)見圖6，加固措施見圖7。

6.2 反力架安裝

盾構(gòu)主機(jī)與后配套連接前安裝反力架，反力架嚴(yán)格按設(shè)計(jì)位置安裝，其端面與盾構(gòu)的中心線軸線垂直。反力架與車站結(jié)構(gòu)上的預(yù)埋鋼構(gòu)焊接牢固，以確保結(jié)構(gòu)安全及提供足夠支撐。反力架加固措施如圖8。

6.3 負(fù)環(huán)安裝、加固措施

6.3.1 負(fù)環(huán)安裝

盾構(gòu)機(jī)依靠負(fù)環(huán)管片提供支撐以進(jìn)洞始發(fā)。本區(qū)間安裝的負(fù)環(huán)管片為7片，以滿足盾構(gòu)的尺寸要求及確保洞門環(huán)梁長(zhǎng)度。見圖9。

負(fù)環(huán)管片為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，使用管片拼裝機(jī)進(jìn)行拼裝。并采取錯(cuò)縫拼裝以避免負(fù)環(huán)管片失圓。

負(fù)環(huán)管片就位前，在盾構(gòu)機(jī)盾尾內(nèi)安設(shè)4～8根厚75mm，寬50mm，長(zhǎng)2000mm的硬質(zhì)方鋼（或角鐵夾方木），當(dāng)盾構(gòu)全部入洞內(nèi)，洞口實(shí)施同同步注漿時(shí)，方拆除硬質(zhì)方鋼。

定位負(fù)7環(huán)第1塊管片前，在負(fù)7環(huán)管片的A2塊內(nèi)弧面畫出其偏移36°（9點(diǎn)位向右，1點(diǎn)位向左）后位于弧底的位置。采用水平尺進(jìn)行拼裝時(shí)的確定。

相鄰B、C管塊的安裝。在盾尾盾殼上焊接吊耳，連接導(dǎo)鏈以控制管塊位置，當(dāng)封頂塊縱插安裝到位后，拆除吊耳、導(dǎo)鏈，將封頂塊與相鄰塊的連接螺栓擰緊。

負(fù)環(huán)管片螺栓及防水。因負(fù)環(huán)管片為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，環(huán)管片僅粘貼縱向丁腈軟木橡膠板及環(huán)向軟木襯墊，從0環(huán)開始，才按設(shè)計(jì)使用防水材料。

由于始發(fā)支座軌道與管片外側(cè)有125mm的空隙（盾構(gòu)始發(fā)臺(tái)的尺寸是按照盾構(gòu)機(jī)的前體6250mm設(shè)計(jì)，管片外徑為6000mm），為了避免負(fù)環(huán)管片全部推出盾尾后下沉，在始發(fā)臺(tái)導(dǎo)軌上用方木楔楔緊而托起負(fù)環(huán)管片。每節(jié)環(huán)管片推出盾尾后，及時(shí)用硬木制作的三角楔子支墊于管片與支撐三角架縱向工字鋼及始發(fā)臺(tái)軌道之間，使管片牢固、均勻承壓在三角架上。每環(huán)管片加墊2個(gè)楔子。

6.3.2 負(fù)環(huán)加固措施

①支墊負(fù)環(huán)管片。在拼裝好第二環(huán)負(fù)環(huán)管片后，讓盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn)，使盾尾密封刷脫離第一環(huán)管片，將150mm×100mm的三角木楔楔進(jìn)負(fù)環(huán)與支撐架之間的空隙內(nèi)，左右兩側(cè)各楔兩個(gè)木楔。

②緊固鋼絲繩。用兩根16m？準(zhǔn)18的鋼絲繩繞過負(fù)環(huán)管片頂部，將繩頭分別留在支撐架左右兩側(cè)，每個(gè)繩頭上穿上緊線器，將緊線器的另一端掛在支撐架的吊耳上，旋轉(zhuǎn)緊線器，將鋼絲繩拉緊。

盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn)，重復(fù)上述1、2步，直至盾尾進(jìn)入洞門后，將負(fù)環(huán)管片全部用鋼絲繩固定。

③安裝負(fù)環(huán)緊固架。先將負(fù)環(huán)緊固架吊入盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)，用M20的螺栓將負(fù)環(huán)緊固架分別與左右支撐架連接在一起，然后吊入縱梁與緊固架用M16的螺栓連接。

④加三角木楔。在縱梁與負(fù)環(huán)管片的空隙內(nèi)楔入300mm×250mm的三角木楔，每環(huán)負(fù)環(huán)管片左右兩側(cè)各楔入兩個(gè)木楔。

7 盾構(gòu)初期掘進(jìn)技術(shù)

7.1 初期掘進(jìn)長(zhǎng)度的確定

本項(xiàng)目設(shè)初定前100m為初期掘進(jìn)長(zhǎng)度。此長(zhǎng)度的設(shè)立考慮了如下2個(gè)方面。①盾構(gòu)機(jī)和后方臺(tái)車的長(zhǎng)度；②管片與土體間的摩擦力要確保盾構(gòu)機(jī)達(dá)到正常掘進(jìn)所需的推力。

7.2 初期掘進(jìn)模式的選擇

根據(jù)地質(zhì)情況和環(huán)境條件，選擇土壓平衡推進(jìn)模式。

7.3 初期掘進(jìn)時(shí)注意事項(xiàng)

①初期掘進(jìn)前充分了解掘進(jìn)段的地質(zhì)情況，根據(jù)具體的土質(zhì)特性確定適合的掘進(jìn)參數(shù)。做好可能出現(xiàn)的各種情況的處理預(yù)案，操作人員隨時(shí)依據(jù)地質(zhì)情況的變化而改變、調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。②根據(jù)計(jì)算設(shè)立盾構(gòu)正面中心土壓初始值，掘進(jìn)期間根據(jù)參數(shù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整設(shè)定的壓力。并隨時(shí)準(zhǔn)備好二次壓漿。③初始盾構(gòu)掘進(jìn)推力小，且管環(huán)片間相互壓緊困難，故影響成環(huán)質(zhì)量，如果管片接縫有誤差，立即用石棉橡膠楔形料調(diào)整至符合要求或用縱向拉桿固定。④設(shè)立土壓平衡狀態(tài)下土倉(cāng)土體壓力，掘出的碴土填充土倉(cāng)時(shí)，及時(shí)運(yùn)行旋輸送機(jī)出土，通過碴土的排放速度來確保土倉(cāng)土體壓力與掘進(jìn)面的水土壓力處于平衡狀態(tài)。⑤最初100環(huán)管片作為后續(xù)掘進(jìn)的基準(zhǔn)，需保持良好真圓度，否則后續(xù)環(huán)管片誤差累積，導(dǎo)致施工難度越來越大，也造成100環(huán)管片損壞，所以初期環(huán)管片安裝要采取如下措施：1）按規(guī)程及安裝順序嚴(yán)格施工；2）同步注漿量足夠；3）管片出露盾尾后立即實(shí)施二次注漿；4）強(qiáng)化管片真圓度的監(jiān)測(cè)工作。采用如下2種方法進(jìn)行測(cè)量：a）丈量弦長(zhǎng)、間距控制法；b）量測(cè)管片也盾尾內(nèi)壁的間隙寬度，如各方向?qū)挾戎祷鞠嗤?，?cè)表明環(huán)管片的真圓度較佳。

7.4 初期掘進(jìn)的控制管理

隧洞盾構(gòu)施工的初期掘進(jìn)是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是施工技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高的環(huán)節(jié)。為了確保盾構(gòu)始發(fā)能夠順利的進(jìn)行，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的各類風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合專家意見，經(jīng)綜合考慮，將盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度指標(biāo)設(shè)定在20～30mm/min，土倉(cāng)壓力設(shè)定為0.06～0.11MPa，注漿壓力設(shè)定為0.15～0.2MPa。并進(jìn)行了初始的掘進(jìn)試驗(yàn)，選取了如下6個(gè)施工管控的參數(shù)指標(biāo)。①土倉(cāng)壓力；②掘進(jìn)速度；③總推力；④排土速度和排土量；⑤刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩；⑥注漿壓力和注漿量。其中土倉(cāng)壓力是主要的管理指標(biāo)。技術(shù)人員時(shí)刻注意地質(zhì)變化情況，及盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的如上參數(shù)，及采取對(duì)對(duì)性的操作控制技術(shù)和處理方法，確保盾機(jī)的正常初始掘進(jìn)。

7.5 負(fù)環(huán)管片、始發(fā)托架和反力架的拆除

盾構(gòu)機(jī)初期掘進(jìn)完成100m后，即可進(jìn)行反力架、負(fù)環(huán)管片及始發(fā)托架的拆除，從而進(jìn)入正常掘進(jìn)階段。

為了防止拆除負(fù)環(huán)管片后，隧洞最外側(cè)的管片聯(lián)結(jié)發(fā)生松馳，故沿隧洞縱向采用將6根[18槽鋼將隧洞最外側(cè)的10環(huán)管片拉緊。

拆除反力架后的支撐鋼管，用千斤頂使反力架與車站主體結(jié)構(gòu)分離約10cm。

負(fù)環(huán)拆除之后拆除上部管片保留鋼軌下管片。

把剩余負(fù)環(huán)片的縱向連接螺栓拆除，吊出始發(fā)井外。

最后拆作反力架、始發(fā)托架，吊出始發(fā)井外。

8 結(jié)束語

盾構(gòu)始發(fā)洞門采用加固方法有效地控制了地表及管線的沉降；盾構(gòu)洞門臨時(shí)封閉采用由橡膠簾布、折形壓板、墊片及螺栓構(gòu)成，有效確保了圍護(hù)結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)外緣界面的密貼，防止了漿液及土體的流出。盾構(gòu)始發(fā)及初期掘進(jìn)采取了一系列的有效措施，從而確保了盾構(gòu)機(jī)的安全順利始發(fā)。

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