增設(shè)豎井及暗挖通道清除侵入盾構(gòu)隧道的錨索障礙物的工程實踐

秦 漢

(中鐵隧道局集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

盾構(gòu)隧道旁穿建筑基坑時，若建筑基坑內(nèi)的錨索侵入到盾構(gòu)隧道內(nèi)，則需要在盾構(gòu)掘進至錨索侵入段前將盾構(gòu)隧道內(nèi)的錨索障礙物清除干凈，以保證盾構(gòu)正常掘進，減少施工風(fēng)險，降低施工成本；這就要求形成一套完整的清除盾構(gòu)隧道內(nèi)錨索障礙物的施工方法，而且這種施工方法要具有投入少、施工方法本身無風(fēng)險及施工方法的使用對周圍環(huán)境影響小等特點。

清除盾構(gòu)隧道內(nèi)錨索障礙物的方法已有一些研究: 喬海洪[1]以石家莊地鐵某盾構(gòu)區(qū)間在施工過程中遇到錨索為例,介紹明挖豎井清除錨索和暗挖隧道后采用全回轉(zhuǎn)套管跟進法拔除錨索的方案；李凱[2]以合肥地鐵2號線原徽商購物廣場北側(cè)錨索拔除為背景，介紹了錨索拔除施工過程中的技術(shù)方案；吳亮[3]以西安地鐵2號線洲際廣場錨索拔除為背景，介紹了洲際廣場錨索拔除過程中的方案比選；林生涼[4]結(jié)合地鐵盾構(gòu)區(qū)間處理錨索障礙物的工程實例，分析了全套管全回轉(zhuǎn)鉆機切索法破除錨索障礙物的施工工藝以及技術(shù)要點與質(zhì)量控制；此外，國內(nèi)近年來還有許多盾構(gòu)隧道錨索障礙物清除方面的研究[5-8]。

以上文獻介紹的施工方法缺乏完整性和系統(tǒng)性且適用性不廣，也沒有解決套管跟進鉆孔時如何保護錨索不受損傷，故這些方法都有局限性，需要進一步改進。

鄭州軌道5號線經(jīng)三路站—未來北路站區(qū)間(以下簡稱經(jīng)—未區(qū)間)盾構(gòu)隧道被鄰近基坑的錨索侵入，根據(jù)前人的施工經(jīng)驗并結(jié)合本工程的實際，提出“豎井、平行通道揭露錨索并提供錨索拔除的空間，可變形剛性套管和滾珠鉆頭鉆孔剝離錨固體與地層黏結(jié)”的錨索障礙物清除的方法，對該方法從錨索的揭露至錨索的拔出每道工序進行介紹，具有系統(tǒng)性和完整性，使用范圍廣，而且避免了鉆孔過程中損傷錨索的現(xiàn)象。

1 工程概況

1.1 錨索侵入段盾構(gòu)隧道概況

經(jīng)—未區(qū)間盾構(gòu)隧道左線在左DK7+137.587～+231.594段被瀚海璞麗中心大廈基坑(以下簡稱鄰近基坑)的錨索入侵，錨索為全長黏結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨索。

該段盾構(gòu)隧道位于城市主干道(黃河路)正下方，地面高程在92.30 m左右；隧道的南側(cè)有河南省衛(wèi)生廳辦公樓及河南省人民醫(yī)院教學(xué)培訓(xùn)中心大樓，北側(cè)為瀚海璞麗中心大廈；黃河路路面至隧道頂部的地層范圍內(nèi)有路燈電纜、雨水管及污水管等管線。

區(qū)間隧道錨索侵入段隧道主要周邊建(構(gòu))筑物如圖1所示，錨索侵入段區(qū)間隧道與管線位置剖面如圖2所示，區(qū)間隧道周邊主要管線如表1所示。

圖1 區(qū)間隧道錨索侵入段隧道主要周邊建(構(gòu))筑物圖(單位: mm)Fig. 1 Main surrounding buildings at anchor rope intrusion section of shield tunnel (unit: mm)

隧道洞身范圍內(nèi)從上至下依次穿越的地層名稱及地質(zhì)特性如表2所示。

隧道埋深約11.45 m，地下水位埋深約8.83 m,整個隧道洞身位于地下水位以下，隧道洞身范圍內(nèi)的地層含有豐富的潛水。

1.2 錨索概況

鄰近基坑錨索的設(shè)計參數(shù)如表3所示。

1.3 錨索與盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系

鄰近基坑錨索的第2層和第3層侵入盾構(gòu)隧道左線。基坑錨索與盾構(gòu)隧道的平面位置關(guān)系如圖3所示。鄰近基坑錨索與區(qū)間盾構(gòu)隧道橫向位置關(guān)系如圖4所示。

2 錨索清除的重點和難點

鄰近基坑錨索侵入?yún)^(qū)間左線隧道的數(shù)量多(約有126根)，長度大(侵入盾構(gòu)隧道的錨索長度為2.95～8.0 m)，錨索清除后盾構(gòu)才能順利通過。

盾構(gòu)開艙帶壓清除錨索的風(fēng)險大，不宜采用。經(jīng)三路站東端頭距離區(qū)間左線隧道錨索侵入段較近(最近處50 m)，選擇從經(jīng)三路站東端頭開洞門，采用礦山法施工區(qū)間隧道至錨索侵入段結(jié)束，在區(qū)間隧道施工時可以將錨索清理掉，盾構(gòu)到達該段后空推通過，礦山法施工受水文、地質(zhì)條件影響，風(fēng)險太大；從黃河路路面明挖開槽清除錨索，地面交通和市政管線受影響，不具備條件；從盾構(gòu)隧道北側(cè)開挖坑槽清除錨索，施工場地不允許，而且有高壓電纜和燃氣管線的制約。

圖2 錨索侵入段區(qū)間隧道與管線位置剖面圖(單位: mm)Fig. 2 Cross-section showing relationship between shield tunnel and pipelines (unit: mm)

表1 區(qū)間隧道周邊主要管線表Table 1 Main surrounding pipelines of tunnel section

表2 隧道洞身范圍內(nèi)穿越地層的巖土力學(xué)值表Table 2 Mechanical parameters of strata crossed by shield tunnel

表3 鄰近基坑錨索設(shè)計參數(shù)表Table 3 Design parameters of anchor rope of adjacent foundation pit

圖3 鄰近基坑錨索與盾構(gòu)隧道平面位置關(guān)系圖(單位: mm)Fig. 3 Plan of layout of anchor ropes of adjacent foundation pit and shield tunnel (unit: mm)

圖4 鄰近基坑錨索與區(qū)間盾構(gòu)隧道橫向位置關(guān)系圖(單位: mm)Fig. 4 Cross-section showing relationship between anchor ropes of adjacent foundation pit and shield tunnel (unit: mm)

在現(xiàn)有的周邊環(huán)境和水文及地質(zhì)條件下，制定合理、可行的錨索清除方案和方法，才能安全地將錨索完全、徹底地清除，以保證盾構(gòu)正常作業(yè)。

3 錨索清除方案的制定

結(jié)合侵入盾構(gòu)隧道錨索的周邊建(構(gòu))筑物、管線分布、場地條件以及工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，擬采用在黃河路與鄰近基坑之間的空地上修建一豎井，豎井開挖到底后向東西2個方向開挖平行通道(通道終止位置與鄰近基坑邊界位置相同)。

通過豎井及通道的開挖揭露錨索，并利用豎井、通道提供的空間采用一定的技術(shù)手段將侵入?yún)^(qū)間隧道的錨索拔出。

目前鄰近基坑上方的建筑物已經(jīng)竣工并投入使用，豎井、通道施工斷開錨索對基坑不會造成影響。

3.1 豎井、平行通道具體位置的選擇

豎井、通道的位置距離盾構(gòu)隧道越近，拔除錨索的長度和難度就越小，拔除的工程量也會減少；豎井、通道與盾構(gòu)隧道的距離越小，則與黃河路的距離越小，豎井、通道施工過程中引起地層的變形對黃河路及黃河路下管線的影響就越大。

綜合考慮黃河路及其下方管線的安全以及黃河路與鄰近基坑之間管線安全的前提下，盡量減少錨索拔除長度的原則，將豎井、通道位置選擇在高壓電纜與燃氣管線之間的空地上。

豎井及通道的位置確定后，根據(jù)設(shè)計圖紙可知，第2層錨索拔除的長度約為13 m，第3層錨索的拔除長度約為15 m。

3.2 豎井、平行通道的結(jié)構(gòu)

豎井及平行通道的設(shè)計施工參數(shù)如表4所示，豎井橫斷面如圖5所示，通道橫斷面如圖6所示。

表4豎井及平行通道施工參數(shù)表

Table 4 Construction parameters of vertical shaft and parallel gallery

名稱支護方式及支護參數(shù)擋水圈C30鋼筋混凝土，高×寬為300mm×300mm鎖口圈梁C30鋼筋混凝土，高×寬為1000mm×1500mm井身 拱部超前注漿小導(dǎo)管，鋼筋鋼架@750mm/500mm；?6．5mm@150mm×150mm單層鋼筋網(wǎng)；工22a橫撐@750mm/500mm；300mm厚C25噴射混凝土洞身 鋼筋鋼架@750mm；?6．5mm@150mm×150mm單層鋼筋網(wǎng)；250mm厚C25噴射混凝土端頭墻 工22a@500mm；?6．5mm@150mm×150mm單層鋼筋網(wǎng)；300mm厚C25噴射混凝土

圖5 豎井橫斷面圖 (單位: mm)Fig. 5 Cross-section of vertical shaft (unit: mm)

圖6 通道橫斷面圖(單位: mm)Fig. 6 Cross-section of parallel gallery (unit: mm)

3.3 管線保護措施及豎井、平行通道回填

為防止豎井、平行通道施工過程中地層變形引起管線的變形，采取了平行通道全斷面深孔注漿加固地層，控制地層變形，并且在施工過程中對管線進行監(jiān)控量測，及時掌握管線的變形情況，對于通道上方的燃氣管線采取懸掛保護的措施。

錨索障礙物清除完成后，按照設(shè)計要求用三七灰土對豎井及平行通道進行回填。

4 錨索障礙物清除的方法和工藝

4.1 錨索障礙物清除方法的選擇

豎井、平行通道施工完成后，將侵入盾構(gòu)隧道的錨索全部揭露，探明了錨索的具體位置和數(shù)量，同時為清除錨索障礙物提供了作業(yè)空間。

目前常用的錨索障礙物清除的方法有直接拔除和剛性套管跟進鉆孔拔除2種。由于本工程涉及的錨索長度大，采用這2種方法拔除錨索的風(fēng)險較大；有一種可變形剛性套管和滾珠鉆頭鉆孔拔除[9]的新方法，適宜拔除長錨索。錨索拔除方法比較如表5所示。

表5 錨索拔除方法比較表Table 5 Comparison among clearing methods of anchor rope

根據(jù)3種方法的優(yōu)缺點，結(jié)合本工程的實際情況，選用可變形剛性套管和滾珠鉆頭鉆孔拔除錨索。

4.2 可變形剛性套管和滾珠鉆頭拔除錨索的工藝

4.2.1 資源配置

變向套管跟進鉆孔拔除錨索的材料有回填注漿用的φ20 mm塑料管，P·O42.5水泥；設(shè)備主要有成套的FDP-6型水平鉆機和2 000 kN穿心式千斤頂。

4.2.2 工藝順序

破除初期支護—綁扎錨索—鉆機就位—調(diào)整鉆機角度—安裝鉆頭及套管—泥漿泵送沖洗液—鉆進—退套管、鉆頭—拔除錨索—注漿回填鉆孔。

4.2.3 施工工藝

4.2.3.1 破除豎井、平行通道初期支護

破除錨索周圍的初期支護，包括噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)及縱向連接筋。豎井和平行通道施工時，鋼架避開了錨索的位置。

破除初期支護采用風(fēng)鎬，鋼筋網(wǎng)和連接筋采用氧氣-乙炔焊切割，破除范圍為錨索周邊30 cm圓周以內(nèi)；初期支護破除后再向地層內(nèi)挖孔50 cm，鉆孔時穩(wěn)定套管和定向。

4.2.3.2 外露錨索的綁扎

豎井和平行通道施工期間，遇到錨索切斷時預(yù)留1 m的外露長度。將外露的錨索用12#鐵絲螺旋形綁扎成整體；防止鉆孔時錨索在套管內(nèi)盤繞并縮進孔內(nèi)，給錨索拔除造成困難。

4.2.3.3 鉆機就位及調(diào)整

鉆機在作業(yè)臺架上就位，就位后調(diào)整鉆機的位置和角度，使鉆機的軸線與錨索的中心線重合。

臺架采用φ48 mm×3.5 mm鋼管搭設(shè)，鋼管之間用扣件連接，頂面成斜面，斜面的角度與錨索的傾角一致(錨索的傾角根據(jù)錨索在豎井或者平行通道兩側(cè)的高差推算)。臺架的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖7所示。

(a) 鉆機臺架側(cè)視圖

(b) 鉆機臺架俯視圖

i表示錨索的傾角。

圖7鉆機臺架的機構(gòu)尺寸圖(單位: mm)

Fig. 7 Dimension of drill framework (unit: mm)

4.2.3.4 安裝鉆頭及套管

調(diào)整好鉆機位置后，安裝鉆頭和套管，鉆頭和套管及套管之間采用變徑接頭插接，并用夾片固定。套管為鑄鐵加工件，外徑為160 mm，內(nèi)徑為120 mm，單根長度為500 mm，鉆頭外徑為250 mm。

套管結(jié)構(gòu)如圖8所示，鉆頭結(jié)構(gòu)如圖9所示，套管、鉆頭裝配情況如圖10所示。

套管結(jié)構(gòu)組成如表6所示。

(a) 套管結(jié)構(gòu)圖

(b) 1-1圖

(c) 2-2圖圖8 套管結(jié)構(gòu)圖(單位: mm)Fig. 8 Structure of drivepipe (unit: mm)

圖9 鉆頭結(jié)構(gòu)圖(單位: mm)Fig. 9 Structure of drill bit (unit: mm)

圖10 套管、鉆頭裝配圖(單位: mm)

Fig. 10 Installation and matching of drivepipe and drill bit (unit: mm)

表6套管結(jié)構(gòu)組成表

Table 6 Components of drivepipe and corresponding parameters

編號名稱材料規(guī)格單位數(shù)量備注①套管 鑄鐵管，壁厚20mm、長500mm根1② 橫向轉(zhuǎn)矩傳遞板 鋼板，高20mm、厚20mm、長50mm塊4 1根套管上數(shù)量③螺栓孔?16m個4 1根套管上數(shù)量④ 縱向轉(zhuǎn)矩傳遞板 鋼板，寬30mm、長50mm、厚20mm塊2 1根套管上數(shù)量⑤夾板 鋼板，寬30mm、長171mm、厚10mm塊2 1根套管上數(shù)量⑥螺栓?16mm個4 1根套管上數(shù)量

4.2.3.5 鉆進

鉆機為FDP-6A型非開挖導(dǎo)向鉆機。由于本次工程場地所限，將FDP-6A型鉆機進行改造，由整體改為分體，由長型改為短小型，以適應(yīng)2.5 m的窄小坑道。

鉆進采用正循環(huán)，一邊鉆進一邊向鉆孔內(nèi)輸送泥漿，使鉆渣及時排出。根據(jù)計算的鉆孔長度，嚴格控制累計進尺，保證鉆孔長度能順利將錨索拔除。鉆進時的壓力由鏈條提供，每鉆進500 mm增加一次套管。

鉆機鉆進如圖11所示，套管接長如圖12所示。

圖11 鉆機鉆進圖Fig. 11 Drill drilling

圖12 套管接長圖Fig. 12 Drivepipe spreading

套管之間采用變徑接頭插接，用夾片連接，螺栓固定，使套管間成為活動連接，鉆進過程中鉆頭遇到阻礙時能產(chǎn)生變向，避免損傷錨索；鉆頭部位有滾珠槽，槽內(nèi)有滾珠，鉆進時將套管內(nèi)壁與錨固體的滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，大大減少了摩擦力，很好地防止了錨固體與套管的纏繞；鉆頭端部做成鋸齒形，方便泥漿的循環(huán)。

4.2.3.6 退套管、鉆頭

鉆孔完成后鉆機停止旋轉(zhuǎn)，向外退套管，通過套管帶出鉆頭；退卸套管時在鉆孔口固定好孔內(nèi)套管，防止套管、鉆頭滑入鉆孔內(nèi)。

套管退出及拆卸如圖13所示。

圖13 套管退出及拆卸圖Fig. 13 Drivepipe drop out and dismantling

4.2.3.7 拔除錨索

1)錨索最大抗拔力計算與確定。錨索最大長度按照15.0 m計算，其中粉質(zhì)黏土層13.5 m、粉砂層1.5 m，錨固體直徑為200 mm。根據(jù)表2中參數(shù)查表4.7.4[10]可知，錨固體在粉質(zhì)黏土和粉砂層的極限黏結(jié)強度標準值均為130 kPa，可按照式(1)對錨索的極限抗拔力進行計算。

Rk=πd∑q標準, ili。

(1)

式中:d為錨索的錨固體直徑，m；li為錨索的錨固段在第i土層中的長度，m；q標準, i為錨固體與第i土層中的極限黏結(jié)強度標準值，kPa。

經(jīng)計算Rk=1.3 MPa。

考慮錨頭的抗拔力，進行了現(xiàn)場試拔后，確定錨索的最大抗拔力為30 MPa(拉力達到30 MPa時錨索會發(fā)生斷裂)。

2)錨索拔除作業(yè)。拔除錨索使用穿心式千斤頂，拔除前在鋼架上焊接一塊20 mm厚鋼板，鋼板為800 mm正方形、中間帶孔。將外露錨索的綁扎鐵絲去掉分散成單根，每根錨索從千斤頂?shù)目變?nèi)穿出，將千斤頂靠緊鋼板、施加壓力開始拔除錨索；最大壓力加至30 MPa(現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù))時，如果錨索沒有松動，停止錨索拔除、重新洗孔。

錨索每次拔出的長度為200 mm，拔出一段后重新安裝千斤頂再進行下一段拔除作業(yè)，直至將錨索全部拔出。錨索拔除如圖14所示，現(xiàn)場拔出的錨索如圖15所示。

4.2.3.8 注漿回填錨孔

每拔除完1根錨索，立即對錨孔進行回填，回填錨孔注水灰質(zhì)量比為1∶1的水泥漿，注漿至孔內(nèi)有水泥漿排出為止。錨索孔注漿回填如圖16所示。

(a) 穿心式千頂斤圖

(b) 錨索拔除全景圖圖14 錨索拔除圖Fig. 14 Anchor rope clearing

圖15 現(xiàn)場拔出的錨索Fig. 15 Anchor ropes cleared

圖16 錨索孔注漿回填圖Fig. 16 Backfill grouting of anchor rope hole

5 實施效果

1)126根錨索拔出了123根(另外3根錨索由于靠近拱部，鉆機沒有操作空間，不具備拔除條件)，拔出的錨索最大長度為16.2 m，最小長度為11.0 m，沒有發(fā)生因錨索受損傷而拔斷的事故； 2)從豎井及通道開始開挖到錨索拔除，直至豎井及通道回填結(jié)束，路面交通運行正常，地下管線正常使用，地表沉降最大值為24 mm(控制指標值為30 mm)，施工安全有保障； 3)施工用的材料是普通的建筑材料，開挖出來的渣土也是普通渣土，對地下水及大氣不會造成污染，環(huán)境保護有保障； 4)盾構(gòu)通過錨索侵入段時，掘進完成95 m長度用時5 d，日平均進度19 m(約13環(huán))，與正常段速度基本一致，周邊建(構(gòu))筑物、地下管線以及地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)異常。

采用本方法施工，完全、徹底地清除了侵入盾構(gòu)隧道的錨索障礙物，盾構(gòu)通過時沒有受到影響，該工序作為本標段的控制性工序?qū)φ麄€標段的工期沒有造成影響。

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

1)采用豎井、平行通道清除錨索的技術(shù)方案占地少，對周邊建(構(gòu))筑物和管線的影響較小，適合在城市繁華地段使用。

2)第2層錨索經(jīng)過試拔試驗，錨索錨固體與地層的黏結(jié)鉆孔剝離時，底端的3～5 m預(yù)留不剝離，用30 MPa的拉力錨索可以拔出。

3)本工程第2層錨索有3根錨索靠近拱部，鉆機沒有操作空間，不具備拔除條件，盾構(gòu)穿過時沿錨索向下的角度方向，通過刀盤的正旋轉(zhuǎn)，邊滾刀可以將錨索撥至盾體外，不影響盾構(gòu)的正常掘進；大量的錨索容易造成刀盤不能正常轉(zhuǎn)動或者堵塞螺旋輸送機，不能依靠盾構(gòu)拔除錨索。

4)使用本技術(shù)拔除錨索，如果錨索拔斷數(shù)量較多，將導(dǎo)致盾構(gòu)無法正常掘進，則需要順著錨索開挖小導(dǎo)洞處理錨索或者盾構(gòu)開艙處理錨索。這2種方法成本高，風(fēng)險大，故采用本技術(shù)拔除錨索時做好施工準備工作，可以杜絕拔斷錨索的事故。

5)本工程使用的錨索拔除技術(shù)對在硬土及以下地層錨索拔除類工程具有推廣和借鑒意義。

6.2 討論

1)豎井、平行通道雖為臨時工程(錨索拔除后回填)，但是使用時間較長，并且在拔除錨索時初期支護要承受30 MPa壓力，施工時必須重視豎井、平行通道的質(zhì)量。

2)錨索施工時有一定的誤差(本工程發(fā)現(xiàn)錨索高度誤差最大為1.0 m),在豎井施工時一定要探明錨索高度的最大誤差，防止平行通道高度不能包容需要拔除的錨索，導(dǎo)致錨索有遺漏，對盾構(gòu)隧道施工造成不必要的麻煩。

3)錨索拔除前先做拔除試驗，為正式施工提供參數(shù)，特別是千斤頂?shù)淖畲罄瘟Α?/p>

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