地下綜合管廊盾構(gòu)法施工技術(shù)分析

方興杰 孫 旻 冉岸綠

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

1 概述

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的大部分城市普遍存在因各種市政管線(xiàn)的維修和改遷，重復(fù)開(kāi)挖城市道路而形成的“道路拉鏈”現(xiàn)象，造成經(jīng)濟(jì)和人力的浪費(fèi)，為此的道路施工更是造成交通堵塞、居民出行不便的原因之一［1-3］。管廊的建造有效的解決了城市高速發(fā)展而造成的“道路拉鏈”及“蛛網(wǎng)式”架空線(xiàn)等問(wèn)題。目前，綜合管廊的建造有明挖法施工和暗挖法施工兩大類(lèi)，暗挖法施工以頂管和盾構(gòu)為主［4-6］。本文以沈陽(yáng)綜合管廊項(xiàng)目為工程背景，分析綜合管廊盾構(gòu)法施工中存在的技術(shù)難題，提出盾構(gòu)分體始發(fā)、空推過(guò)節(jié)點(diǎn)井、錨索處理、小半徑掘進(jìn)、先盾后井等施工技術(shù)，為施工的順利進(jìn)行提供保障。

2 工程概況

沈陽(yáng)市地下綜合管廊(南運(yùn)河段)PPP項(xiàng)目是首個(gè)在舊城區(qū)建造的盾構(gòu)管廊，全長(zhǎng)約12.8 km，管廊結(jié)構(gòu)為內(nèi)直徑D=5.4 m的盾構(gòu)隧道。圖1為管廊平面布置圖。本工程劃分為7個(gè)盾構(gòu)區(qū)段，共設(shè)29個(gè)節(jié)點(diǎn)井，其中7個(gè)盾構(gòu)井，22個(gè)工藝井。經(jīng)地質(zhì)勘探，盾構(gòu)區(qū)間地層主要由第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)黏性土、砂類(lèi)土及碎石類(lèi)土組成。盾構(gòu)區(qū)間隧道施工范圍內(nèi)所處地層主要由圓礫層、礫砂層及粉細(xì)砂層組成，地質(zhì)軟硬不均。地下水為第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水。潛水主要賦存在第四系全新統(tǒng)沖積、沖洪積及第四系上更新統(tǒng)沖洪積地層中，是影響地下管廊盾構(gòu)施工的主要地下水。

3 盾構(gòu)管廊施工難點(diǎn)分析

1)老城區(qū)的盾構(gòu)機(jī)始發(fā)。

本管廊工程經(jīng)過(guò)的地區(qū)為城市的已有建筑物區(qū)，沿線(xiàn)施工條件極為復(fù)雜，場(chǎng)地狹窄，盾構(gòu)始發(fā)豎井縱向長(zhǎng)度約50 m，本工程采用的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)由6節(jié)后配套臺(tái)車(chē)組成，總長(zhǎng)約80 m，始發(fā)豎井不能滿(mǎn)足盾構(gòu)整體始發(fā)要求。而且缺少掘進(jìn)參數(shù)試驗(yàn)條件，使始發(fā)期間的施工控制難度增加，國(guó)內(nèi)類(lèi)似條件下施工的情況較為少見(jiàn)。

圖1 管廊平面布置圖

2)盾構(gòu)機(jī)高效過(guò)節(jié)點(diǎn)井。

綜合管廊沿線(xiàn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)井較多，導(dǎo)致盾構(gòu)施工需進(jìn)行多次接收及始發(fā)工作，明顯的加大了盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，且對(duì)于施工進(jìn)度影響較大。盾構(gòu)過(guò)節(jié)點(diǎn)井，需多次穿越加固區(qū)及磨圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁，對(duì)刀具配置要求高。盾構(gòu)區(qū)間大部分節(jié)點(diǎn)井先施作并封頂，盾構(gòu)在封閉節(jié)點(diǎn)井空推通過(guò)，過(guò)節(jié)點(diǎn)井管片拆除難度大。部分節(jié)點(diǎn)井位于曲線(xiàn)段，盾構(gòu)在導(dǎo)臺(tái)空推過(guò)節(jié)井二次始發(fā)姿態(tài)難以控制。

3)盾構(gòu)過(guò)錨索施工區(qū)。

運(yùn)用盾構(gòu)法修建綜合管廊將不可避免地下穿、側(cè)穿大型建筑物。而北方地區(qū)的房建工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)大多采用樁錨形式，由于規(guī)劃的地域差、時(shí)間的不同原因，其設(shè)計(jì)未考慮到錨索與新建管廊工程的關(guān)系。加上城市建筑物密集，部分管廊區(qū)間不可避免地穿越既有錨索區(qū)域，給盾構(gòu)施工帶來(lái)了諸多不利。盾構(gòu)刀盤(pán)被錨索纏繞，使盾構(gòu)無(wú)法正常施工，增大了施工風(fēng)險(xiǎn);若錨索數(shù)量眾多，則要多次開(kāi)倉(cāng)取出纏繞的錨索，大大增加了施工成本和施工風(fēng)險(xiǎn)。

4)富水礫砂地層盾構(gòu)小半徑掘進(jìn)施工。

盾構(gòu)區(qū)間左線(xiàn)于里程左K0+346.6～左K0+638.2盾構(gòu)以305 m小半徑曲線(xiàn)過(guò)河段施工。過(guò)河段施工時(shí)地下水位高，礫砂層粗骨料直徑大且數(shù)量多，礫砂層地層結(jié)構(gòu)松散，礫石含量高，地層自穩(wěn)性差，地下水豐富。盾構(gòu)刀盤(pán)、刀具及螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重，出渣控制難度大，地表沉降控制難度大。小曲率半徑的盾構(gòu)施工為了使隧道軸線(xiàn)與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)相吻合，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中需要進(jìn)行連續(xù)糾偏。曲線(xiàn)半徑越小，越難擬合，掘進(jìn)軸線(xiàn)控制比較困難。常見(jiàn)隧道軸線(xiàn)偏離、管片錯(cuò)臺(tái)和崩裂、管片上浮和扭轉(zhuǎn)、滲漏水等質(zhì)量問(wèn)題。

5)盾構(gòu)和節(jié)點(diǎn)井的施工順序。

在城市地下綜合管廊施工過(guò)程中，多數(shù)沿市政道路敷設(shè)，節(jié)點(diǎn)井占用馬路及路旁綠化帶，施工場(chǎng)地范圍內(nèi)市政管線(xiàn)眾多，交通導(dǎo)改、管線(xiàn)遷改、樹(shù)木改移難度大，時(shí)間長(zhǎng)，影響節(jié)點(diǎn)井基坑與主體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)展。由于節(jié)點(diǎn)井處交通繁忙的道路，而基坑施工同時(shí)又不能阻斷交通，井位地面管線(xiàn)極其復(fù)雜，前期改移工作難度很大，嚴(yán)重制約著區(qū)間盾構(gòu)施工。若按傳統(tǒng)工序等節(jié)點(diǎn)井施工完成后再進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工，整個(gè)工程將無(wú)法在約定工期內(nèi)完成。

4 地下綜合管廊盾構(gòu)法施工措施

1)已建城區(qū)的盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)技術(shù)。

由于場(chǎng)地條件的限制，盾構(gòu)機(jī)不能整體從節(jié)點(diǎn)井始發(fā)，所以采用盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)，即盾體和部分后配套設(shè)施分離，盾體掘進(jìn)后達(dá)到一定的長(zhǎng)度，后配套實(shí)施全部下井，再以整體始發(fā)的模式進(jìn)行掘進(jìn)施工。通過(guò)分體始發(fā)設(shè)備改造及經(jīng)濟(jì)性分析、分體始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)的控制，高效的解決了盾構(gòu)分體始發(fā)的施工技術(shù)，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)設(shè)備布置圖

2)盾構(gòu)機(jī)空推高效過(guò)節(jié)點(diǎn)井。

圖3 盾構(gòu)過(guò)點(diǎn)井型鋼管片結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)節(jié)點(diǎn)井多、管片拆除困難等問(wèn)題，采取盾構(gòu)空推過(guò)節(jié)點(diǎn)井，鋼導(dǎo)臺(tái)接收盾構(gòu)機(jī)，全拼混凝土管片中增加鋼管片，便于盾構(gòu)過(guò)節(jié)點(diǎn)井后快速拆除井內(nèi)混凝土管片。導(dǎo)臺(tái)采用H400×400型鋼加工，鋼管片采用H175×175型鋼和20 mm厚Q235B鋼板焊接而成，鋼管片拆除后可重復(fù)使用。圖3為盾構(gòu)過(guò)點(diǎn)井型鋼管片結(jié)構(gòu)圖。

3)盾構(gòu)過(guò)錨索施工區(qū)施工技術(shù)。

針對(duì)盾構(gòu)管廊區(qū)間和錨索的沖突，提出開(kāi)挖豎井加橫通道作業(yè)面礦山法施工，采用洞內(nèi)張拉法、鉆進(jìn)套取法拔除錨索的方法。即先開(kāi)挖豎井作為下一步施工的通道。然后，在豎井開(kāi)挖到設(shè)計(jì)位置后進(jìn)行封底，沿與盾構(gòu)中心平行的方向向一側(cè)進(jìn)行開(kāi)挖橫通道，開(kāi)挖長(zhǎng)度約30 m。橫通道貫通后進(jìn)行錨索的拔除。最后，錨索拔除完成后對(duì)橫通道及豎井進(jìn)行密實(shí)回填。錨索拔出后盾構(gòu)機(jī)通過(guò)，該技術(shù)保證盾構(gòu)的順利掘進(jìn)。

4)富水礫砂地層盾構(gòu)小半徑掘進(jìn)施工技術(shù)。

根據(jù)富水礫砂盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合盾構(gòu)始發(fā)前100 m掘進(jìn)情況，優(yōu)化盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)、土壓力控制、出土量控制、控制注漿質(zhì)量、強(qiáng)化渣土改良。提出富水地層小半徑盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的控制、盾構(gòu)掘進(jìn)控制、管片選型及拼裝、成型隧道管片質(zhì)量的控制參數(shù)和方法，有效的保證盾構(gòu)掘進(jìn)的順利施工。

5)先盾構(gòu)井施工技術(shù)。

針對(duì)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)井和盾構(gòu)的施工順序，解決制約工期的難題，采取“先盾后井”工藝施工，即節(jié)點(diǎn)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)井，待區(qū)段貫通后再進(jìn)行節(jié)點(diǎn)井開(kāi)挖等后續(xù)施工。通過(guò)對(duì)“先盾后井”施工工序的合理安排、內(nèi)支撐體系選擇、吊腳樁的處理、土方開(kāi)挖的研究，解決了先盾后井的施工難題。提出管片縱向約束力替代措施和豎向力的抵消措施，安全地拆除管片。

5 結(jié)語(yǔ)

1)地下綜合管廊盾構(gòu)法施工中，老城區(qū)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、盾構(gòu)機(jī)過(guò)節(jié)點(diǎn)井、錨索施工區(qū)、富水地層小半徑掘進(jìn)、盾構(gòu)和節(jié)點(diǎn)井的施工順序等技術(shù)難題，增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)和難度，必須采用合理的施工措施。針對(duì)沈陽(yáng)綜合管廊工程，提出盾構(gòu)分體始發(fā)、空推過(guò)節(jié)點(diǎn)井、錨索處理、小半徑掘進(jìn)、先盾后井等施工技術(shù)，保證盾構(gòu)管廊的安全施工。

2)盾構(gòu)分體始發(fā)解決舊城區(qū)盾構(gòu)始發(fā)場(chǎng)地條件的制約，設(shè)備的改造為類(lèi)似工程提供依據(jù)。

3)盾構(gòu)法綜合管廊有效的解決了老城區(qū)管線(xiàn)的問(wèn)題，沈陽(yáng)管廊項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)盾構(gòu)管廊的首次施工，為管廊的建設(shè)提供借鑒。