淺析超淺覆土及曲線盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)

王利偉 沈家生

中交三航局廈門分公司盾構(gòu)中心 福建 廈門 361000

1 工程概況

福州軌道交通2號線的蘇洋站～沙堤站區(qū)間盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)從蘇洋明挖段端頭井始發(fā)，盾構(gòu)井西連區(qū)間明挖隧道，東接區(qū)間盾構(gòu)法隧道，其位于R500m的曲線和向下29‰的縱坡上。采用兩臺遼寧三三復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。

隧道襯砌為鋼筋混凝土預(yù)制管片，斷面為圓形，管片外徑6200mm，厚度350mm，環(huán)寬1200mm，每環(huán)分6塊，管片間彎螺栓連接。

始發(fā)段地層從上到下為：雜填土、全風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化石英正長斑巖；前30m為淺覆土段，覆土厚度為4.0～4.3m。

本工程的難點(diǎn)：

（1）盾構(gòu)機(jī)以500m半徑的曲線始發(fā)，盾構(gòu)機(jī)受始發(fā)基座、負(fù)環(huán)管片和反力架等影響，使得盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時只能沿基座直線推進(jìn)，無法擬合設(shè)計線路曲線前進(jìn)，軸線偏差和姿態(tài)精度控制困難，易導(dǎo)致始發(fā)架移動移位失效、簾布橡膠損壞等安全風(fēng)險。

（2）始發(fā)段前30m為4～4.3m的淺覆土地層，盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)施工中易造成地表隆起、沉降甚至塌陷，易導(dǎo)致隧道軸線偏差大，管片拼裝質(zhì)量差等安全質(zhì)量事故。

（3）現(xiàn)場場地有限，和蘇洋站、明挖段場地共用，交叉作業(yè)多。

2 常規(guī)始發(fā)方案

本工程使用的2臺遼寧三三盾構(gòu)機(jī)在曲線段掘進(jìn)，通過推進(jìn)油缸分區(qū)壓力、行程控制，結(jié)合鉸接調(diào)整及開啟超挖刀可以滿足半徑≥R280曲線段掘進(jìn)施工。而在曲線段始發(fā)出洞時，因盾體、始發(fā)架均為直線，即盾頭盾尾的連線在盾頭位置沿曲線切線始發(fā)，且始發(fā)掘進(jìn)前10m為加固區(qū)，將會給盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整帶來困難，隧道軸線偏差最大處達(dá)到113mm，超出規(guī)范要求（-50～+50mm），最后容易導(dǎo)致管片錯臺、破損一系列質(zhì)量問題。

始發(fā)掘進(jìn)前30m為淺覆土段，覆土厚度為4～4.2m，小于盾構(gòu)機(jī)開挖直徑6480mm，為確保施工安全需對地面進(jìn)行加載，采用堆土回填方式。

3 優(yōu)化后的始發(fā)方案

綜合考慮現(xiàn)場條件和各始發(fā)要素，通過計算機(jī)模擬后將常規(guī)始發(fā)方案優(yōu)化為割線始發(fā)；地面淺覆土段采用管片、切割下來的混凝土支撐加載。

（1） 盾構(gòu)機(jī)適用性評價[1]

本標(biāo)段使用的盾構(gòu)機(jī)在選型時設(shè)計為鉸接式盾構(gòu)，由于盾構(gòu)增加了鉸接部分，使盾構(gòu)切口至支撐環(huán)， 支撐環(huán)至盾尾均形成活體，增加了盾構(gòu)的靈敏度，理論 上可實(shí)現(xiàn)最小曲線半徑250m的曲線掘進(jìn)，滿足R=500m曲線施工需要。

本工程使用的盾構(gòu)機(jī)設(shè)計盾尾間隙為40mm，可 以滿足R=500m時盾構(gòu)所需的最小盾尾間隙，滿足曲線始發(fā)要求。

計算盾構(gòu)鉸接油缸角度和油缸行程差A(yù)盾構(gòu)主體鉸接前體長度L =5.09m，刀盤面板寬度為0.78m，鉸接可調(diào)整角度按最大值20°來計算。

計算最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin。Rmin= [(5.09 + 0.78) /2] / sin(1.20/2) = 280.28 m；在500 m曲線半徑軸線上，鉸接角度β= (L1+L2)×180/π×R=（5.09+4.51）×180/(π×500 )=1.1°；L1、分別為鉸接盾構(gòu)的前體和后體，R為曲線半徑，β為盾構(gòu)機(jī)在小曲線上的鉸接角度，此角度小于盾構(gòu)機(jī)自身的最大鉸接角度，滿足要求 。鉸接千斤頂行程差=千斤頂最大行程差×（左右鉸接角度）/最大左右鉸接角度，實(shí)際工程中，鉸接角度通過千斤頂行程差來實(shí)現(xiàn)，固自然滿足本工程要求。

（2）管片適用性評價

管片為寬度為1.2m通用型管片，管片外徑6200mm，厚度350mm，對曲線地段的管片楔形量檢算：

曲線半徑R=500m圓曲線段進(jìn)行檢算：

L1/R1=L2/R2即L1/497.1=L2/502.9得L1=1.011668L2。

內(nèi)，外弧長差值為：△L=L1-L2=0.011668L2。

當(dāng)管片寬度為1.2m，L2≈1.2m時，△L=14mm。

設(shè)計楔形量ΔL'=40mm＞△L=14mm，滿足要求。

4 超淺覆土及小曲線盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)

（1）施工流程

圖1 小曲線始發(fā)施工流程圖

（2）始發(fā)線路確定

盾構(gòu)機(jī)必須在托架上直線掘進(jìn)一小部分，盾構(gòu)機(jī)長度9.62m，始發(fā)導(dǎo)軌約1m左右，即盾構(gòu)機(jī)始發(fā)直線部分最大10.62m，盾構(gòu)機(jī)只能沿直線前進(jìn)10.62m，在脫離了始發(fā)架后，才能根據(jù)自身千斤頂調(diào)節(jié)推進(jìn)方向。而此時，盾構(gòu)已經(jīng)偏離軸線118mm，這個距離超出了施工 規(guī)范要求(-50～ +50 mm)，過大的偏離也不利于盾構(gòu)后階段的糾偏。所以，在曲線半徑較小段始發(fā)施工 時，沿切線始發(fā)滿足不了施工要求，必須沿割線始發(fā)。 假如刀盤中心在隧道中心線上，那么以刀盤中心位置為圓心畫一個半徑9.62m的圓，就能得到 一個與隧道軸線的交點(diǎn)。這個交點(diǎn)的位置就是盾構(gòu)主體脫離始發(fā)架的位置，因此可以沿這條割線始發(fā)推進(jìn)。

因此設(shè)定盾構(gòu)機(jī)在直線掘進(jìn)10.62m后脫離托架，且刀盤中心在隧道中線上，即推進(jìn)過程中盾體偏離隧道中心線最大距離為，符合要求，且可確定∠q：滿足要求。

（3）始發(fā)架、反力架的安裝加固

在始發(fā)線路確定后，要精確定位始發(fā)發(fā)射架與反力架。與直線始發(fā)不同的是，在曲線始發(fā)時盾構(gòu)推進(jìn) 反力與端頭井結(jié)構(gòu)呈一定角度，因此在加固時應(yīng)采取加強(qiáng)措施，可在端頭井頂板環(huán)梁結(jié)構(gòu)、底板端頭井側(cè)壁 植筋預(yù)埋鋼板，反力架支墩與鋼板焊接并加三角板防止側(cè)向位移，同時在始發(fā)架和反力架左右兩側(cè)設(shè)支撐，負(fù)環(huán)管片設(shè)置斜撐，形成剛性固定。

始發(fā)架的高程要比設(shè)計提高約2.5～3cm，以消除盾構(gòu)機(jī)入洞后“栽頭”現(xiàn)象的影響。

（4）始發(fā)階段姿態(tài)控制

①始發(fā)姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時鉸接未開啟，其角度為0，盾構(gòu)機(jī)中 軸線處于隧道設(shè)計軸線外側(cè)，即盾構(gòu)始發(fā)線路的延線上，盾構(gòu)始發(fā)坡度與隧道設(shè)計坡度相同，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，略高于設(shè)計高程。

②盾構(gòu)主體脫離發(fā)射架前姿態(tài)控制。盾構(gòu)主體離開發(fā)射架，沿預(yù)定線路前進(jìn)，必要時可 以對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，但絕不能多調(diào)。在刀盤進(jìn)入洞門加固體時，以慢速、勻速為推進(jìn)原則。經(jīng)計算，始發(fā)段土壓力設(shè)置為0.05MPa，則推進(jìn)加固段時土壓力 由0漸變至0.05MPa。盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在20mm/min以內(nèi)，刀盤的轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.8 r/min。

③盾構(gòu)主體脫離發(fā)射架后姿態(tài)控制。盾構(gòu)機(jī)主體脫離始發(fā)架后，就可以通過調(diào)整推進(jìn)千斤頂推力進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，還可以用鉸接和超挖刀來配合調(diào)整姿態(tài)，以便盾構(gòu)可以盡快沿設(shè)計軸線推進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)在500m的曲線半徑較小軸線段推進(jìn)時，刀盤應(yīng)向內(nèi)超出設(shè)計軸線14mm左右。隧道30環(huán)之前的推進(jìn)，推進(jìn)速度最好慢速，控制在30～40mm/min左右， 刀盤轉(zhuǎn)速1.2r/min以下，土壓力隨著推進(jìn)逐步穩(wěn)定在0.05MPa左右。在此期間對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對推進(jìn)控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

④注漿控制。同步注漿的作用是充填盾構(gòu)機(jī)殼體與管片外弧面間的空隙，以保證地面不會因超挖而沉降。注漿要對稱、均勻，否則會因管片周圍受力不均衡而引起隧道的 變形、甚至使結(jié)構(gòu)受到不平衡壓力而破壞。由于同步注漿采用雙液漿容易引起堵管，使得使得盾 構(gòu)停機(jī)不能連續(xù)推進(jìn)，增大始發(fā)或接收施工中洞門的封堵風(fēng)險，所以，此階段的推進(jìn)中，同步注漿宜采用常規(guī)漿液，從第3環(huán)開始注漿，注漿量從2.7～3.2m3/環(huán)逐步加大到4.5～5.2m3/環(huán)，第7環(huán)開始為5m3/環(huán)左右。漿液稠度9～11cm，注漿壓力控制在0.2Mpa～0.25Mpa。

壁后補(bǔ)注漿采用雙液漿。因?yàn)殡p液漿是瞬凝型漿液，有早期強(qiáng)度高、填充均勻等特性，可以快速充填推進(jìn)或者糾偏引起的壁后空隙，防止地面沉降、隧道管片受外部壓力不均出現(xiàn)變形。水泥漿水灰比為0.9，水泥漿：水玻璃為1:1；二次注漿壓力≤0.3Mpa，流量控制在10～15L/min。

（5）淺覆土段地面加載方案優(yōu)化

按照原施工方案，對于始發(fā)超淺覆土段采用地面堆土壓實(shí)加載方式，共需（6+15+6.5）×2.5×30=2062.5m3。綜合考慮現(xiàn)場情況及成本，后優(yōu)化改為管片、混凝土支撐加載方案，一是解決了現(xiàn)場30環(huán)負(fù)環(huán)管片堆放問題，二是區(qū)間盾構(gòu)隧道始發(fā)后正常掘進(jìn)正是臨近年底，管片等各物資考慮年底生產(chǎn)、運(yùn)輸企業(yè)放假和產(chǎn)能降低等因數(shù)，現(xiàn)場需儲備一定物資量以備快速連續(xù)掘進(jìn)施工。相對于土方回填加載方案，可充分利用已有的1臺25t汽車吊、1輛10t板車，除去零星人工配合費(fèi)用6500元而不必增加其他額外費(fèi)用。管片堆載需要2d時間。

圖2 地面加載照片

5 結(jié)束語

在盾構(gòu)法隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)成功是保證后續(xù)工序正常進(jìn)行的關(guān)鍵，是保證成型隧道的軸線符合設(shè)計要求，滿足隧道建筑界限，確保運(yùn)營后軌道交通行車安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。福州地鐵二號線蘇洋站盾構(gòu)機(jī)超淺覆土曲線始發(fā)的成功，使盾構(gòu)機(jī)得以保證順利出洞，成型隧道軸線偏差≤39mm，管片最大錯臺≤4mm，無滲漏點(diǎn)。攻克了此類施工技術(shù)難題，為以后類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。