小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工始發(fā)技術(shù)

黃志堂 張燕明 周偉 鄭子源 吳迪

摘 要：盾構(gòu)進(jìn)出洞施工為盾構(gòu)隧道施工的關(guān)鍵，也是盾構(gòu)施工的重難點(diǎn)。小半徑、大縱坡、淺覆土盾構(gòu)始發(fā)的情況更加大了盾構(gòu)始發(fā)的技術(shù)難度，如何采取安全可靠的技術(shù)措施以保證盾構(gòu)始發(fā)的施工質(zhì)量，是需要研究的關(guān)鍵課題。本文以工程實(shí)例作為研究對(duì)象，通過端頭加固、割線始發(fā)、堆載反壓和洞門密封等技術(shù)，有效解決了盾構(gòu)始發(fā)存在的管片上浮、隧道滲漏水、地表沉降隆起大、管片姿態(tài)偏移超限和隧道成型效果難以控制等問題，既保證了施工過程的順利進(jìn)行，也保證了隧道的成型質(zhì)量，對(duì)今后類似工程施工具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：小半徑曲線;淺覆土;端頭加固;割線始發(fā)：洞門密封

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）22-0111-03

Starting Technique of Shield Tunneling in Curved Tunnel with Small Radius

HUANG Zhitang1 ZHANG Yanming1 ZHOU Wei1 ZHENG Ziyuan1 WU Di2

Abstract： Shield tunneling in and out of the tunnel is the key to shield tunnel construction， but also the key point of shield construction.The initiation of shield with small radius， large longitudinal slope and shallow covering soil makes it more difficult for shield to start. How to adopt safe and reliable technical measures to ensure the construction quality of shield is a key subject that needs to be studied. In this paper， the engineering example was taken as the research object. Through the technology of end reinforcement， secant initiation， surcharge backpressure and tunnel door sealing， the problems of segment floating， tunnel leakage， large surface settlement uplift， excessive segment attitude deviation and difficult control of tunnel forming effect were effectively solved. This not only guarantees the smooth progress of the construction process， but also guarantees the quality of tunnel formation， which has important reference significance for similar projects in the future.

Keywords： small radius curve;shallow overburden soil;end reinforcement;slitting start;portal seal

自2009年鄭州市開始規(guī)劃建設(shè)城市軌道交通項(xiàng)目以來(lái)，鄭州市已有四條地鐵線路建成并投入運(yùn)營(yíng)，且仍有其他數(shù)條線路在加緊建設(shè)當(dāng)中。地鐵線路由于大都建設(shè)在市區(qū)，而市區(qū)的地下情況又較為復(fù)雜，因此，出現(xiàn)了許多小半徑、大縱坡、淺覆土的隧道，大大增加了地鐵線路規(guī)劃和建設(shè)的難度。同時(shí)，盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)又為盾構(gòu)施工過程中的重要一環(huán)。本文就小半徑、大縱坡、淺覆土工況下的盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)進(jìn)行研究，介紹了施工中的技術(shù)特點(diǎn)和存在的問題，并提出了問題的解決方案，以期為今后類似工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

鄭州市軌道交通3號(hào)線一期土建工程一工區(qū)賈魯河出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間起點(diǎn)為賈魯河出入場(chǎng)，終點(diǎn)為新柳路站盾構(gòu)井[1]。出入場(chǎng)線起點(diǎn)里程為右（左）CR-K0+073.825，終點(diǎn)里程為左CR-K1+603.216，右CR-K1+590.150。左線長(zhǎng)度1 526.379m，右線長(zhǎng)度1 516.429m。其中左CR-K0+073.825～左CR-K1+206.767，右CR-K0+073.825～右CR-K1+198.368為盾構(gòu)區(qū)間。左線盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)度為1 132.942m，右線盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)度為1 124.543m。出入場(chǎng)線區(qū)間左線始發(fā)段為豎向線型為32.386‰下坡，平面型為R305m，右線始發(fā)段為豎向線型33.284‰，平面線型R300m。左右線接收段均為直線型。賈魯河出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間總平面圖如圖1所示。

2 工程與水文地質(zhì)概況

本場(chǎng)區(qū)的地層自上而下依次是人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層、第四系上更新沖洪積層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層。場(chǎng)區(qū)沿線鄰近的地表水體主要為賈魯河，在本區(qū)段已被改造，河道經(jīng)硬化，與地下水基本無(wú)水力聯(lián)系，地下水類型為潛水。地下水主要賦存于約30m以上粉土、粉砂、細(xì)砂層中。靜止穩(wěn)定水位埋深9.2～9.8m，靜止穩(wěn)定水位標(biāo)高81.4～82.5m[2]。

3 工程難點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)技術(shù)本就受到諸多因素影響，而小半徑大縱坡曲線的盾構(gòu)始發(fā)容易出現(xiàn)管片姿態(tài)偏移超限，管片姿態(tài)與隧道成型效果難以控制，引起盾尾卡殼、管片破損和隧道滲漏水等情況;也會(huì)給地層造成更大的擾動(dòng)，容易使土體的沉降和隆起更為嚴(yán)重，再加上淺覆土的工況影響，導(dǎo)致管片上下受力不均勻，容易上浮，并且造成地面塌陷，更不利于盾構(gòu)的軸線控制[3]。

4 解決方案

4.1 端頭加固

盾構(gòu)始發(fā)端頭井埋深約5m，覆土層較薄，且小半徑大縱坡盾構(gòu)施工對(duì)地層擾動(dòng)大，固本工程始發(fā)端頭井采用Φ850@600三軸攪拌樁+Φ800@500三重管高壓旋噴樁加固?？拷軜?gòu)井端頭攪拌樁與圍護(hù)接縫處采用1排Φ800@500三重管旋噴樁加固。加固前，應(yīng)在加固區(qū)兩側(cè)各1m處布置備用降水井，降水井深度達(dá)到加固區(qū)底部以下5m，具體方案根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作降水專項(xiàng)方案。盾構(gòu)開挖輪廓外3m范圍內(nèi)土體確定為Φ850@600三軸攪拌樁，靠近盾構(gòu)井端頭攪拌樁與圍護(hù)接縫處采用1排Φ800@500三重管旋噴樁加固以隔斷滲水通道。攪拌轉(zhuǎn)與旋噴樁施工前應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行試樁，確定施工參數(shù)。Φ850@600三軸攪拌樁水泥滲入量應(yīng)在施工前根據(jù)地層類型進(jìn)行滲入量的強(qiáng)度及其他參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，攪拌樁實(shí)樁水泥摻量建議值取20%，空樁水泥摻量建議值取7%，空轉(zhuǎn)范圍為盾構(gòu)隧道輪廓頂部3m至地面高度;旋噴樁采用強(qiáng)度等級(jí)42.5級(jí)及以上的普通硅酸鹽水泥，水灰比0.8～1.2，且保證注漿壓力大于20MPa。為改善水泥漿液性能，根據(jù)水泥土特點(diǎn)，通過室內(nèi)配比試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可加入適量的外加劑和摻和料。端頭井加固長(zhǎng)度為8m，加固寬度為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外邊線每側(cè)3m，豎向?yàn)槎軜?gòu)隧道結(jié)構(gòu)外邊線上下各3m[4]。

4.2 割線始發(fā)

在小半徑曲線上始發(fā)，始發(fā)方向尤為重要。盾構(gòu)始發(fā)方向有三種，即直線始發(fā)、切線始發(fā)和割線始發(fā)[5]。對(duì)于小半徑曲線隧道的始發(fā)方向，由于盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)托架和加固區(qū)內(nèi)無(wú)法調(diào)節(jié)姿態(tài)，同時(shí)為保證反力架、始發(fā)托架以及負(fù)環(huán)管片的穩(wěn)定，運(yùn)用割線始發(fā)的方式最為合適。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)洞后的加固范圍內(nèi)，只能沿直線方向推進(jìn)，待盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)10m推出加固區(qū)后再調(diào)整姿態(tài)。為了使盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞前10m的姿態(tài)偏差最小，滿足隧道的成型質(zhì)量，為后續(xù)的盾構(gòu)施工打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)，本工程采用割線始發(fā)。以洞門中心作為原點(diǎn)畫一個(gè)半徑為10m的圓，將該圓與設(shè)計(jì)掘進(jìn)線路的交點(diǎn)和洞門中心相連的線段作為割線始發(fā)的實(shí)際推進(jìn)線路。以300m的曲線半徑為例，通過CAD軟件模擬可以得出：割線始發(fā)后，盾構(gòu)機(jī)剛進(jìn)洞時(shí)，計(jì)劃掘進(jìn)線路和實(shí)際線路的偏差為零，繼續(xù)沿割線方向推進(jìn)，兩者之間的偏差不斷增大，推出加固區(qū)時(shí)達(dá)到最大值41mm，即向設(shè)計(jì)方向內(nèi)側(cè)偏移了41mm，可以滿足規(guī)范要求。而且此時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)剛好與設(shè)計(jì)線路重合，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，能夠有效減小姿態(tài)調(diào)節(jié)的變化量[6]。割線始發(fā)示意圖如圖2所示。

4.3 堆載反壓

盾構(gòu)始發(fā)段覆土厚度為5m，小于一倍洞徑。考慮到始發(fā)段覆土較薄，無(wú)法抵消隧道的上浮力，在大縱坡曲線始發(fā)的情況下，管片從盾尾脫出后容易上浮，破壞隧道的成型質(zhì)量，并引起管片破損。為了保證隧道的成型質(zhì)量，本工程決定在淺覆土地段50m范圍內(nèi)使用地面沙袋堆載反壓的方法來(lái)控制管片的上浮力，使隧道上方覆土的總厚度大于一倍洞徑，以中和管片上浮力，沙袋可以循環(huán)使用，且環(huán)保無(wú)污染。

4.4 洞門密封

由于洞門與盾構(gòu)（或襯砌）存在建筑空隙，易造成水土流失，因此，必須在洞門口安裝始發(fā)止水裝置。始發(fā)裝置包括簾布橡膠板、扇形圓環(huán)板、連接螺栓、螺母和墊圈。

為了使盾構(gòu)機(jī)在離開托架后過端墻時(shí)不發(fā)生叩頭現(xiàn)象，在洞門破除完成后，可在洞門圈底部鋪設(shè)河砂及水泥混合物，以進(jìn)行底部止水，并支撐盾體平穩(wěn)進(jìn)入土體。

為了防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)土體或水從間隙處流失，車站內(nèi)襯墻施工時(shí)在洞圈預(yù)埋環(huán)狀鋼板，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前在洞圈安裝橡膠簾布環(huán)狀板、壓板等組成的密封裝置，作為盾構(gòu)始發(fā)施工階段臨時(shí)的防水措施，端頭井洞門上預(yù)留有72個(gè)螺栓孔。在安裝前，應(yīng)測(cè)量螺孔的位置偏差，若發(fā)現(xiàn)偏差過大，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整簾布橡膠板上孔的位置，同時(shí)，用鋼絲刷和絲錐逐個(gè)清理螺孔內(nèi)螺紋，在其內(nèi)側(cè)均勻地涂上黃油。安裝時(shí)，先安裝簾布橡膠板，后安裝圓形扇形板，壓板螺栓應(yīng)盡可能擰緊，使簾布橡膠板緊貼洞門，然后將扇形板向洞內(nèi)翻入，防止盾構(gòu)始發(fā)后同步注漿漿液泄漏。

本區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)端圍護(hù)樁采用鋼筋混凝土施工工藝，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)進(jìn)行洞門鑿出施工。賈魯河出入場(chǎng)明挖段盾構(gòu)井內(nèi)襯墻施工時(shí)在洞圈預(yù)埋環(huán)狀鋼板，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前在洞門鋼環(huán)上采用由橡膠簾布環(huán)狀板、壓板等組成的密封裝置，作為盾構(gòu)始發(fā)施工階段洞門封堵措施。

對(duì)于小半徑曲線隧道盾構(gòu)始發(fā)的情況較為少見，盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)又是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵，本文就小半徑、大縱坡、淺覆土的盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)進(jìn)行了探究，并進(jìn)行工程實(shí)例探討。研究表明，通過端頭加固、割線始發(fā)、堆載反壓和洞門密封等技術(shù)，可以有效解決盾構(gòu)始發(fā)存在的管片上浮、洞門滲漏、地表沉降隆起大、管片姿態(tài)偏移超限和隧道成型效果難以控制等問題，既保證了施工過程的順利進(jìn)行，也保證了隧道的成型質(zhì)量，對(duì)今后類似的工程施工具有重要借鑒意義。

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