特拉維夫淺埋微間距盾構(gòu)雙線始發(fā)技術(shù)研究

安宏斌 懷平生 白曉嶺 漆偉強 孫子越

摘 要：以色列特拉維夫“紅線輕軌”工程東標段盾構(gòu)雙線從 Depot 車站始發(fā)到 EM Hamoshavot 車站接收，盾構(gòu)始發(fā)間距僅為 0.69m，拱頂埋深約5m。針對此淺埋微間距隧道盾構(gòu)始發(fā)施工，從洞門密封、地下連續(xù)墻與中隔墻澆筑、推力計算、降水等關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，洞門密封環(huán)和 Bullflex 止?jié){袋技術(shù)有效解決了洞門密封的問題，中隔墻的設(shè)置可以防止后行隧道對先行隧道產(chǎn)生不利影響;合理計算并設(shè)定盾構(gòu)掘進參數(shù)，可有效降低淺埋隧道在掘進過程中引起的地表變形。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;盾構(gòu);淺埋;微間距隧道;雙線始發(fā)

中圖分類號：U455.43

1 工程概況

以色列特拉維夫紅線5號、6號線，從Depot車站始發(fā)至EM Hamoshavot車站接收，采用2臺土壓平衡盾構(gòu)施工。盾構(gòu)開挖直徑7.55 m，管片外徑為7.2 m，內(nèi)徑為6.5 m，管片寬為1.5 m和1.2 m（用于小曲線半徑），管片混凝土強度為B60。盾構(gòu)隧道穿越黏土、粉砂，地質(zhì)條件較差。始發(fā)段地下水位絕對標高為4.9 m，全線位于地下水位以下。盾構(gòu)始發(fā)段平行隧道水平間距為0.69 m，拱頂埋深為5 m（圖1）。

2 工程特點、難點

由于本工程特殊的地質(zhì)與水文條件，狹窄的隧道水平間距的限制以及拱頂埋深僅為5 m的超淺埋情況存在，工程具有以下特點及難點。

（1）盾構(gòu)始發(fā)段地下水位較高，盾構(gòu)完全處于水位線以下進行始發(fā)，需排除地下水對盾構(gòu)始發(fā)的影響，保證始發(fā)施工安全順利地進行。

（2）由于周邊環(huán)境因素限制，5號線與6號線水平設(shè)計間距較小，僅為0.69 m，需減少后行盾構(gòu)施工對先行隧道產(chǎn)生的不利影響，避免先行隧道發(fā)生管片錯臺、滲水漏水等安全隱患。

（3）在始發(fā)期間，盾構(gòu)姿態(tài)在控制上存在難度，需避免泥土通過盾殼與洞口之間的間隙涌向臨空開挖面，減少盾尾注漿漿體的流失（即洞口的密封問題）。

（4）始發(fā)區(qū)間隧道拱頂埋深僅為5 m，屬于超淺埋隧道，這使得在盾構(gòu)推力設(shè)置不精確時容易造成地表的沉降與隆起，需要全面且準確地分析計算推力的組成與大小。

3 盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)方案

3.1 地下連續(xù)墻及隧道中隔墻設(shè)計

3.1.1 地下連續(xù)墻澆筑

以色列水資源匱乏，而盾構(gòu)始發(fā)段處地下水豐富，采用常規(guī)降水方法造價高昂且需要長時間持續(xù)降水直至盾構(gòu)駛出始發(fā)加固段。因此，本工程采取構(gòu)造密封井的方法，通過豎直方向上的四面混凝土墻與底部不透水層構(gòu)成隔離地下水的立方柱狀井，達到一次降水后始發(fā)端保持干燥的目的，同時也可以防止隧道掘進開始時水土突然涌入（圖2a）。

密封井由平行于隧道軸線的北、南、中3道連續(xù)墻和垂直于隧道軸線的東西2道連續(xù)墻組成。密封井與隧道軸線平行的外墻深26 m，直接穿過砂層（圖2b）。根據(jù)實際施工情況，需要對垂直于軸線構(gòu)筑的連續(xù)墻進行加固。始發(fā)段近端設(shè)置3道0.6 m厚的連續(xù)墻，遠端設(shè)置2道0.8 m厚的連續(xù)墻。連續(xù)墻加固能夠提高連續(xù)墻自身剛度，同時增強初始段襯砌管片的同步注漿效果。

在盾構(gòu)始發(fā)施工開始前，密封井內(nèi)的地下水位將通過內(nèi)部的排水井下降到隧底下方約1 m的位置。當(dāng)盾構(gòu)完全進入密封井，并完成管片拼裝和密封圈安裝后，可以停止降水工作，盾構(gòu)可以繼續(xù)掘進。

3.1.2 隧道中隔墻設(shè)計

考慮到始發(fā)區(qū)段隧道水平間距較小，后行隧道的掘進會改變先行隧道的應(yīng)力分布而造成管片錯臺、滲水漏水等工程事故，設(shè)計中在始發(fā)區(qū)段2條隧道間設(shè)置1道厚度為0.6 m的緩沖中隔墻以減少該不良影響。中隔墻在密封井中為15.71 m，延伸出井外13.99 m。在中隔墻末端處與隧道襯砌外緣間距為3 m，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，此時先行隧道與后行隧道之間互相影響的程度在規(guī)范允許的可控范圍之內(nèi)。

3.2 洞口密封與Bullflex止?jié){帶的應(yīng)用

先行盾構(gòu)始發(fā)成功后將停止降水，密封井內(nèi)水位上升，洞口密封的質(zhì)量決定了盾構(gòu)始發(fā)過程中能否規(guī)避涌水、涌砂事故。國內(nèi)通常做法是將由簾布橡膠、扇形壓板等組成的洞門密封裝置預(yù)裝在洞門鋼環(huán)，當(dāng)盾構(gòu)始發(fā)推進時，扇形壓板擠壓簾布橡膠使其緊貼盾構(gòu)外殼實現(xiàn)密封。但是該項密封技術(shù)的安裝相對復(fù)雜，且由于相互獨立的扇形壓板對簾布橡膠的壓力并不相等，導(dǎo)致泥土、地下水以及盾尾注漿漿液從密封薄弱處流失。

本工程借鑒了歐洲普遍采用的Bullflex密封技術(shù)，也被稱為止?jié){袋密封技術(shù)。止?jié){袋為圓環(huán)形管狀結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為防曬抗高溫的高強抗磨纖維，這保證了止?jié){袋能夠在漿液凝結(jié)并且與盾殼摩擦的過程中不發(fā)生破損。止?jié){袋外側(cè)分布有間隔合理、均勻布置的注漿孔，使其密封效果更加顯著。此外，止?jié){袋密封技術(shù)需要對洞門鋼環(huán)進行改進，洞門鋼環(huán)內(nèi)側(cè)需要預(yù)先布置注漿口并根據(jù)定位孔焊接定位銷。在盾構(gòu)始發(fā)工作開始之前，施工人員通過定位孔與定位銷使止?jié){袋精準安裝在洞門鋼環(huán)上。在盾構(gòu)推進過程中，通過向Bullflex止?jié){袋內(nèi)注入高強砂漿使其體積均勻膨脹，以達到充填洞門與盾構(gòu)之間環(huán)形間隙的密封目的，如圖3所示。

洞門鋼環(huán)由4道弧形鋼板組成，通過銷釘固定于墻面，隨后向鋼環(huán)與墻體間的空隙澆筑早強水泥砂漿完成密封，由于5號線和6號線之間水平距離的限制，洞門環(huán)第4部分采用了直線化處理。止?jié){袋則通過定位孔焊接在洞門鋼環(huán)的定位銷實現(xiàn)精準固定，如圖4所示。

由于在Depot處的5號和6號隧道之間水平間距僅為0.69 m，因此，在始發(fā)過程中先拆卸第1條管線（6號線）的密封環(huán)，然后才能安裝第3條管線（5號線）的密封環(huán)，如圖5所示。

3.3 盾構(gòu)推力計算

根據(jù)朗肯土壓力的理論，若盾構(gòu)推力設(shè)置過小，會引起盾構(gòu)前方地表產(chǎn)生沉降，若推力設(shè)置過大，則會引起地表隆起。在本工程中，隧道拱頂埋深最淺僅為5m，按照TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，其為超淺埋隧道。因此，在如此工程背景下，準確分析盾構(gòu)推力組成與大小，決定了盾構(gòu)始發(fā)施工能否順利進行。

3.3.1 盾構(gòu)推力構(gòu)成

盾構(gòu)所需推力F理論上應(yīng)由4項分力組合計算而成：

F = Fc + Fs + Ff +? F? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，F(xiàn)c為滾刀和刮刀破碎土體或混凝土所需的掘進推力;Fs為開挖面支撐壓力;Ff為土體與盾殼之間的摩擦力;? F為由盾構(gòu)與后配套設(shè)備牽引以及安全儲備所產(chǎn)生的水平力。

盾構(gòu)推力F作用在管片襯砌上，并通過剪切力將其傳遞到周圍土體，在靠近始發(fā)洞口的區(qū)域盾構(gòu)推力F必須傳遞到安裝在洞口的反力架上。盾構(gòu)推力F計算截面1-1、2-2、3-3如圖6所示。

3.3.2 掘進推力計算

在盾構(gòu)始發(fā)突破混凝土連續(xù)墻的過程中，掘進推力Fc需要超過約為40MPa的混凝土抗壓強度，為此19把雙刃盤形滾刀需要各自承擔(dān)約120 kN的載荷，由此得到掘進推力Fc為120×19×2 = 4560kN。合理的掘進推力取值，既可以保證刀盤順利突破混凝土，又能避免推力過大造成盾構(gòu)始發(fā)事故。刀盤突破混凝土連續(xù)墻之后，盾構(gòu)掘進推力Fc需要使刀具能夠克服土體產(chǎn)生的被動土壓力，隧道拱頂土體埋深為5 m時所需盾構(gòu)掘進推力Fc約為768 kN，埋深為10 m時所需盾構(gòu)掘進推力Fc約為1 200 kN。

3.3.3 開挖面支撐壓力計算

在盾構(gòu)突破混凝土連續(xù)墻之后，盾構(gòu)必須設(shè)置開挖面支撐壓力Fs，以平衡作用在開挖面上的靜止土壓力σ0，達到穩(wěn)定開挖面并限制地表沉降或隆起的目的。開挖面支撐壓力Fs可通過公式（2）求得：

Fs= S×σ0

σ0 = K0×γ×h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式（2）中，S為盾構(gòu)截面面積;K0為靜止土壓力系數(shù);γ為上覆土體有效重度;h為上覆土體厚度。

為了方便計算，取隧道中心線上靜止土壓力來計算開挖面支撐壓力Fs。計算得到圖6中計算截面1-1和2-2的開挖面支撐壓力Fs分別為4 690 kN和4 989 kN。當(dāng)降水工作結(jié)束或始發(fā)完成后，須考慮靜止土壓力與水壓的共同作用，此時開挖面支撐壓力Fs如表1所示。

3.3.4 摩擦阻力計算

出于安全考慮，假定土體沿整個圓周與盾構(gòu)接觸，且作用在盾構(gòu)上的土體壓力等于隧道軸線上覆土層的重力（盾構(gòu)自重引起摩擦力較小，可以忽略），摩擦阻力Ff理論數(shù)值應(yīng)通過公式（3）計算求得：

Ff = μ×γ×h×π×d×l? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式（3）中，μ為摩擦系數(shù)，盾殼鋼材與黏土接觸面的摩擦系數(shù)為0.2;γ為上覆土體有效重度;d為盾構(gòu)截面直徑;l為隧道軸線方向上盾構(gòu)前部與土體的接觸長度。

通過計算，盾構(gòu)每推進1 m所需克服的摩擦阻力Ff約613～796kN。盾構(gòu)穿越混凝土連續(xù)墻時，由于挖掘輪廓是穩(wěn)定的，所以由上覆土層引起的摩擦力為0。而當(dāng)盾構(gòu)掘進突破地下連續(xù)墻時，摩擦力開始出現(xiàn)。此外，連續(xù)墻附近土體由于混凝土澆筑影響強度有一定提高，此時摩擦阻力Ff較理論計算值有所增加。

在盾構(gòu)推進至計算截面2-2時，如果同步注漿凝固達到止水標準，則停止人工降水，此時地下水位恢復(fù)為5 m，否則將繼續(xù)進行人工降水。盾構(gòu)前部長度l取值10 m時，盾構(gòu)需要克服的摩擦阻力Ff計算結(jié)果見表2。

3.3.5 盾構(gòu)推力計算

盾構(gòu)推力F理論計算值由上述3種類型的分力合并而成，計算結(jié)果如表3所示。值得注意的是，當(dāng)襯砌管片與土體接觸長度達到12 m時，需考慮襯砌管片與土體兩者之間的剪力。該剪力將抵消一部分推力，在盾構(gòu)離開始發(fā)段后，盾構(gòu)推力完全由管片與土體間的剪力抵消。

圖7為施工現(xiàn)場管片拼裝前30環(huán)內(nèi)，盾構(gòu)推力的監(jiān)測結(jié)果。對比表3推力計算結(jié)果，例如第1～第5環(huán)推力計算結(jié)果相比監(jiān)測結(jié)果較低，驗證了前文提出的連續(xù)墻周邊土體由于混凝土澆筑出現(xiàn)強度提高現(xiàn)象，需要提高推力數(shù)值的設(shè)置;而在第10環(huán)推力計算值為12484kN，實際監(jiān)測值13 895 kN，兩者誤差在接受范圍之內(nèi);并且在第30環(huán)推力計算結(jié)果14 741 kN與實測結(jié)果15 121 kN十分接近。上述情況說明通過理論計算值對反力架進行設(shè)計是可靠的，能夠保證始發(fā)工作的安全順利進行。

根據(jù)盾構(gòu)推力理論計算并考慮安全儲備及實際情況，反力架的設(shè)計水平承載力最少為15 000 kN，這樣才能滿足盾構(gòu)始發(fā)過程的要求。

4 結(jié)論

（1）在水資源緊缺的以色列地區(qū)進行盾構(gòu)始發(fā)，通過采用構(gòu)造地下連續(xù)墻并設(shè)計排水井降低地下水位，極大地減少了水資源的浪費，節(jié)約了排水費用，更加綠色環(huán)保。

（2）盾構(gòu)始發(fā)過程中，洞口密封至關(guān)重要。本次盾構(gòu)始發(fā)工程驗證了Bullflex止?jié){袋方便良好的密封性能，中隔墻的設(shè)計也減小了后行盾構(gòu)對先行盾構(gòu)隧道管片的不利影響，效果顯著。

（3）推力的合理計算為盾構(gòu)始發(fā)提供了重要參考，在此基礎(chǔ)上進行的反力架設(shè)計可確保盾構(gòu)始發(fā)過程中受力的平衡與穩(wěn)定，并為以后的盾構(gòu)始發(fā)工程提供了參考和借鑒。

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收稿日期 2019-06-10

責(zé)任編輯 朱開明

Study on double track launching technology of Tel Aviv shallow buried micro distance shield

An Hongbin， Huai Pingsheng， Bai Xiaoling， et al.

Abstract： In the east section of the Red Line Light Rail project in Tel Aviv， Israel， the shield starts from the depot station on double track to the EM Hamoshavot Station， the launching distance of the shield starts only 0.69 m， and the buried depth of the arch is about 5 m. In view of the shield launching in the shallow micro distance tunnel， this paper systematically studies the key technologies such as the tunnel portal sealing， the grouting of the diaphragm wall and the middle partition wall， the calculation of the thrust， and the dewatering. The results show that the sealing ring and the Bullflex grout bag technology effectively solves the problem of the sealing of the tunnel portal， and the setting of the middle partition wall prevents the adverse effect of the later tunnel on the first part of tunnel， the reasonable calculation and setting of the shield tunneling parameters effectively reduces the surface deformation caused by the shallow tunnel in the tunneling.

Keywords： urban rail transit， shield， shallow burying， micro spacing tunnel， launching on double tracks