白城隧道工程大斷面馬蹄形盾構始發(fā)與接收技術

章龍管,李志剛,譚 江,*

(1.中鐵工程服務有限公司,四川 成都 610083；2.西南交通大學機械工程學院,四川 成都 610031)

0 引言

目前盾構法隧道施工具有安全性高、可靠性高、掘進速度快、機械化程度高等特點，被廣泛應用于城市地鐵、城際鐵路、綜合管廊、公路等設施建設中[1-2]。盾構始發(fā)與接收是盾構法建造隧道的關鍵工序[3]，同時也是施工中的重要風險源，該工序關系到周邊建筑及施工安全[4]。

近年來許多學者對盾構始發(fā)與接收技術開展了研究。康寶生等[5]以南京地鐵項目為依托詳細介紹了土壓平衡盾構始發(fā)與到達施工技術，包括掉頭技術、土體加固方案以及施工難點控制；文獻[6-8]對盾構始發(fā)與到達施工決策相關的基礎與應用問題以及始發(fā)與到達端頭地層加固方法選擇、穩(wěn)定性評價進行了全面研究；石研玉[9]以廣東省天然氣管網(wǎng)南坦海小斷面越江泥水盾構隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬方法對盾構始發(fā)與接收段的加固范圍和安全性進行了研究，提出盾構接收段合理加固范圍；文獻[10-12]對小半徑曲線盾構始發(fā)和到達施工技術展開研究，并在城市軌道交通隧道工程中成功應用，有效規(guī)避了盾構在小半徑曲線內(nèi)施工容易超限，管片容易出現(xiàn)錯臺、漏水等問題；李維龍[13]以石家莊城市軌道交通1號線項目為依托，展開了土壓平衡盾構始發(fā)、到達關鍵施工技術問題分析；文獻[14-15]等對富水圓礫地層的盾構始發(fā)與接收進行研究，解決了該地層始發(fā)與接收時的“涌水、涌砂”難題。

綜上所述，目前國內(nèi)盾構始發(fā)和接收技術的研究成果多是針對常規(guī)的圓形斷面盾構，而針對馬蹄形斷面的盾構始發(fā)接收技術研究尚屬空白，因此非常有必要開展此類異形斷面盾構的始發(fā)和接收技術研究。本文以蒙華鐵路白城隧道為依托，重點總結大斷面馬蹄形盾構始發(fā)與接收關鍵技術，解決相關的施工技術難題。

1 工程概況

蒙華鐵路白城隧道為單洞雙線馬蹄形隧道，首次采用大斷面馬蹄形土壓平衡盾構施工。隧道全長3 345 m，隧道進出口分別有長202.4、99 m的明洞，盾構法隧道長3 043.6 m。白城隧道位于毛烏素沙漠邊緣區(qū)，地表為黃土剝蝕丘陵，沿線地形起伏變化，地面情況復雜，隧道最大埋深為81 m，最小埋深為7 m。

隧道洞身范圍主要以第四系全新統(tǒng)風積層細砂、粉砂，第四系上更新統(tǒng)風積層砂質新黃土為主。隧道進口以細砂為主，隧道出口以粉砂為主[10]。

勘測結果顯示：地表水不發(fā)育，隧道洞身未見地下水，地下水位于隧道洞身以下；周邊未發(fā)現(xiàn)泉、井。雨季部分段含水量增大或出現(xiàn)少量流水。

2 大斷面馬蹄形盾構簡介

白城隧道盾構高10.95 m、寬11.9 m，總長度約為118 m，主機部分長11.07 m，主要參數(shù)見表1。主機部分主要由刀盤、前盾、驅動、中盾、尾盾、管片安裝機和螺旋輸送機組成；后配套部分由連接橋和6節(jié)拖車組成，大斷面馬蹄形土壓平衡盾構如圖1所示。

表1 大斷面馬蹄形盾構主要參數(shù)Table 1 Main parameters of large cross-section horseshoe-shaped shield

圖1 大斷面馬蹄形土壓平衡盾構Fig.1 Large cross-section horseshoe-shaped earth pressure balance shield

為了實現(xiàn)全斷面切削，刀盤選擇馬蹄形斷面創(chuàng)新組合方式，由9個小刀盤和2個攪拌器組成；刀盤布置原則為“前后錯開，左右對稱”。9個刀盤獨自控制，可實現(xiàn)單個轉動、同時轉動以及任何組合轉動模式，同時也具有調(diào)試、掘進和維保模式。若盾構出現(xiàn)滾轉，可以采取多個刀盤同向轉動措施，使盾構得到反向力矩，從而實現(xiàn)滾轉糾偏。

3 大斷面馬蹄形盾構始發(fā)技術

3.1 盾構始發(fā)總體方案概述

白城隧道最初設計采用礦山法施工，進口200 m明洞(明挖暗埋)已經(jīng)開挖完成，進口沒有合適的始發(fā)場地。經(jīng)過多位同行業(yè)專家現(xiàn)場踏勘，一致認為應該在基坑端頭施工始發(fā)井，馬蹄形盾構采用豎井方式始發(fā)。由于馬蹄形盾構高10.95 m，寬11.9 m，前、中、尾盾長度共計11.5 m，考慮到安全距離，豎井尺寸設為16.6 m×17 m。天然氣管道距豎井的吊裝區(qū)域距離不足2 m，施工和盾構吊裝都存在極大安全隱患。天然氣管道與豎井吊裝區(qū)域位置關系如圖2所示。

圖2 天然氣管道與豎井吊裝區(qū)域位置關系(單位：mm)Fig.2 Relationship between gas pipeline and shaft hoisting area (unit:mm)

經(jīng)多次討論，最終決定采用2模(24 m)加強明洞為盾構提供反力的方式始發(fā)。加強明洞作為隧道主體結構在盾構始發(fā)后不需要拆除，這樣不僅不用施工始發(fā)豎井，還減少反力架的制作、拆除費用，減少始發(fā)負環(huán)管片用量。加強明洞在后配套組裝時施工，有效縮短主體施工時間，節(jié)約項目成本，對以后山嶺隧道盾構施工具有較好的借鑒意義。

盾構始發(fā)主要內(nèi)容包括：始發(fā)前場地準備、施作盾構始發(fā)基座、盾構就位、明洞加強段施工、始發(fā)密封裝置設置、管片拼裝定位、盾構試運轉、洞門處理、管片周邊回填、盾構加壓貫入作業(yè)面和試掘進以及盾構試掘進過程中具體的盾構吊卸、組裝、管片安裝等。盾構掘進始發(fā)流程如圖3所示。

圖3 盾構掘進始發(fā)流程Fig.3 Launching flowchart of shield excavation

3.2 始發(fā)基座安設

盾構組裝前，依據(jù)隧道設計軸線、洞門位置、盾構的尺寸及門吊吊裝盲區(qū)反推出始發(fā)基座的空間位置。

始發(fā)基座安裝位置根據(jù)測量放樣基線進行定位施工，基座上的軌道采用實測洞門中心居中對稱放置，基座結構采用C30鋼筋混凝土。始發(fā)基座上的盾構前進導向軌道采用3根120 kg/m的鋼軌組成，底部導軌居中設置，上部設置左右對稱、距中心4.8 m的2根鋼軌。始發(fā)基座全長24 m、寬16 m，始發(fā)基座兩側高3 m。在中盾與盾尾連接處，預留有高700 mm、寬800 mm的盾尾焊接槽，保證中盾與盾尾焊接連接，始發(fā)基座如圖4所示。

圖4 始發(fā)基座Fig.4 Launching base

為防止盾構刀盤下沉，在洞門導洞中鋪設3根120 kg/m的鋼軌作為導洞內(nèi)導軌，導軌與始發(fā)基座導軌通過焊接方式連接，焊接要求牢固。在盾構空推過程中，導軌涂抹潤滑材料以減小摩擦力；同時，在始發(fā)基座的底部均勻鋪設豆礫石，減少盾構進入原狀土后始發(fā)導洞與管片背部間隙的回填時間，保證安全快速的連續(xù)作業(yè)，潤滑劑涂抹及底部回填如圖5所示。

圖5 潤滑劑涂抹及底部回填Fig.5 Lubricant application and bottom backfilling

3.3 反力支撐系統(tǒng)施工

3.3.1 準備工作

根據(jù)現(xiàn)場施工條件及組裝場地布局，盾構的反力由明洞提供，在盾構組裝完成后要進行如下準備：

1)根據(jù)盾構隧道的里程(端頭里程)反算明洞加強段的位置，然后施作明洞仰拱及拱墻。

2)從盾尾向小里程施作24 m拱墻，仰拱全部完成，其中與0環(huán)管片連接處為明洞加強段。

在主機組裝期間，明洞加強段為吊裝區(qū)域，主機組裝完成后再施作該段的主體結構。

3.3.2 明洞加強段加固

明洞加強段為盾構推進時提供所需反力，盾構始發(fā)時，下半部承擔主要推力。明洞和管片兩側回填混凝土至門吊基礎高度，增大摩擦力，保證明洞加強段能夠為盾構推進提供足夠反力。

盾構始發(fā)前，根據(jù)明洞加強段大里程端面的測量結果，確定盾構安裝的里程和姿態(tài)，保證明洞加強段與首環(huán)(0環(huán))管片間距在100 mm以內(nèi)，和管片的內(nèi)弧面錯臺量在15 mm以內(nèi)，并提前預備好該段與管片之間的橡膠密封。在首環(huán)(0環(huán))管片整環(huán)安裝過程中，需在管片內(nèi)部做好支撐加固，防止管片因自重變形。明洞加強段與襯砌管片實際合攏效果見圖6。

(a) 外部

(b) 內(nèi)部圖6 管片與反力明洞合攏Fig.6 Closure drawing of segment and reaction open hole

3.4 洞門密封裝置安裝

施工中采用基坑內(nèi)的始發(fā)方式，在已經(jīng)挖好的基坑內(nèi)施工始發(fā)基座，并在盾構始發(fā)前施作13.5 m的始發(fā)導洞，套拱鋼架內(nèi)半徑6.195 m，在開挖輪廓線外0.155 m，基坑始發(fā)如圖7所示。為保證馬蹄形盾構在通過拱架區(qū)域時保持密封狀態(tài)，始發(fā)導洞大里程與套拱連接，并且在小里程進洞端焊接預埋鋼環(huán)。

圖7 基坑始發(fā)示意Fig.7 Schematic diagram of launching pit

拱架內(nèi)徑12 390 mm，在開挖輪廓線外155 mm，距管片外徑340 mm，管片脫離盾尾之后，將始發(fā)拱架與管片背部之間的間隙用鋼板進行焊接，并同步填充注漿漿液進行密封處理，密封裝置如圖8所示。

圖8 密封裝置Fig.8 Schematic diagram of sealing device

3.5 盾構組裝與調(diào)試

根據(jù)現(xiàn)場工作條件，盾構采用后配套拖車與主機分別組裝、整體調(diào)試的方式。主機組裝如圖9所示，后配套組裝如圖10所示。

圖9 主機組裝Fig.9 Assembly of main shield

圖10 后配套組裝Fig.10 Backup system assembly

盾構組裝場地分成3個區(qū)：吊機放置區(qū)、主機及配件存放區(qū)、后配套拖車存放區(qū)。本盾構采用整體始發(fā)模式，由前向后依次下井組裝，下井順序為：前盾—中盾—尾盾—螺旋輸送機—1#拖車—……—6#拖車。盾體最重件為前盾下部(220 t)，采用1臺260 t履帶吊將盾體從明洞段位置的拖車上起吊，轉體180°后，再由1臺230 t門吊進行吊裝安裝作業(yè)，另1臺100 t汽車吊則在明洞加強段吊裝區(qū)域用于配合頂部盾體翻身。

待盾體全部組裝完畢后，退出所有吊車，施作明洞加強段，同時連接主機及刀盤所有管線。待明洞加強段襯砌完成后，退出模板臺車，將盾構拖車逐節(jié)進洞連接，全部連接后進行調(diào)試。

盾構調(diào)試分為空載調(diào)試和負載調(diào)試。

1)空載調(diào)試。盾構組裝和連接完畢后，即可進行空載調(diào)試，空載調(diào)試的目的主要是檢查設備是否能正常運轉。主要調(diào)試內(nèi)容為：液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)以及各種儀表的校正。電氣部分運行調(diào)試：檢查送電—檢查電機—分系統(tǒng)參數(shù)設置與試運行—整機試運行—再次調(diào)試。液壓部分運行調(diào)試：推進和鉸接系統(tǒng)—螺旋輸送機—管片安裝機—管片吊機和拖車負載調(diào)試。

2)負載調(diào)試?？蛰d調(diào)試完成并證明盾構及其輔助設備滿足初步要求后，即可進行盾構的負載調(diào)試。負載調(diào)試的主要目的是檢查各種管線及密封設備的負載能力，對空載調(diào)試不能完成的調(diào)試項目進一步完善，以使盾構的各個工作系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)達到滿足正常生產(chǎn)要求的工作狀態(tài)。

3.6 始發(fā)段管片拼裝

導臺上管片拼裝數(shù)量根據(jù)始發(fā)場地長度和洞口設計寬度確定。初始管片安裝前，需要確保盾構調(diào)試驗收正常、明洞加強段完成施工作業(yè)以及其他準備工作(洞門加固、管路連接)均已完成，并確保第1環(huán)管片小里程斷面的平整度與隧道軸線的垂直度。

馬蹄形盾構實際盾尾間隙為45 mm，盾尾刷保護板厚20 mm，盾尾總間隙為65 mm，采用2 m長的8#槽鋼(高度80 mm)雙拼后點焊至盾尾內(nèi)弧面，基本與盾尾間隙相吻合，盾尾槽鋼安裝如圖11所示。待盾尾完全進入原狀土后取出，進入正常安裝模式。

圖11 盾尾槽鋼安裝圖Fig.11 Installation of shield tail U-steel

3.7 始發(fā)掘進參數(shù)控制

馬蹄形盾構處于始發(fā)臺時盡量不調(diào)整盾構姿態(tài)，待盾尾離開始發(fā)臺后，通過合理調(diào)節(jié)推進油缸長度來調(diào)整盾構姿態(tài)，必要時通過調(diào)整管片楔形量調(diào)節(jié)，確保盾構逐漸沿隧道設計軸線推進。

盾構掘進中，實行的糾偏原則為“勤糾、量小”，每環(huán)姿態(tài)調(diào)整量不大于6 mm；盾構軸線偏離設計軸線控制在±50 mm。

根據(jù)盾構始發(fā)經(jīng)驗，盾構在始發(fā)基座上空推時，不建立壓力；當?shù)侗P進入原狀地層，土艙壓力逐步建立。隧道最大埋深為81 m，施工過程中不斷調(diào)整完善相關掘進參數(shù)，因深埋隧道的成拱效應，總結出全線盾構土艙壓力控制在0.06～0.08 MPa，地面隆陷控制在-30～+10 mm。

始發(fā)掘進時，需嚴格控制盾構的各組油缸壓力，總推力小于50 000 kN(最大為43 000 kN)，刀盤轉矩小于3 500 kN·m(最大為3 100 kN·m)。

盾構在始發(fā)基座上時推進速度保持15～25 mm/min；進入原狀土前12 m時保持在20～30 mm/min；盾尾完全進入原狀土后推進速度可逐漸提升至25～35 mm/min。

4 大斷面馬蹄形盾構接收技術

4.1 盾構接收概述

本標段盾構在白城隧道出口接收，坡度為3.112‰?？紤]到盾構接收時，在上接收導軌前可能發(fā)生一定的叩頭，要求盾構軸線方向比設計線路方向要高出20 mm，同時接收基座導軌位置比設計高程要低10 mm。

馬蹄形盾構接收主要內(nèi)容包含：接收場地準備、接收端墻及基座施作、接收端墻背后回填加固、洞門處理、管片與鋼環(huán)間隙處理、拆機位置場地硬化、盾構抵達接收基座等。盾構接收施工流程如圖12所示。盾構拆機時具體包含盾構拆解、調(diào)運和裝車倒運等。接收場地主要由出洞端墻，接收基座及吊車、運輸車輛停放的拆機區(qū)域組成，接收場地布置如圖13所示。

圖12 盾構接收施工流程Fig.12 Construction flowchart of shield receiving

圖13 盾構接收場地布置圖Fig.13 Layout of shield receiving site

4.2 接收段測量及監(jiān)控量測

4.2.1 貫通測量

盾構貫通前，嚴格按照規(guī)范要求在距貫通面150 m處進行聯(lián)系測量、線路復測，對洞內(nèi)所有的測量控制點進行一次整體、系統(tǒng)的控制測量復核，并對所有控制點坐標進行精密、準確的平差計算。

在100 m和50 m處進行自動測量導向系統(tǒng)復核測量。盾構到達前最后一次搬站時，充分利用貫通前150 m時的線路復測結果，采用二等控制點的測量辦法精確測量測站、后視點坐標和高程(經(jīng)緯儀、后視棱鏡坐標和高程)，每點的測量不少于8個測回。同時，貫通前50 m，加強管片姿態(tài)監(jiān)測與控制。最終，馬蹄形盾構接收的中心誤差在20 mm以內(nèi)。

4.2.2 到達洞門復核測量

為準確掌握到達洞門施工情況，在盾構貫通前對盾構到達洞門進行復核測量，測量項目包括:洞門中心位置偏差和洞門6個弧度半徑等。

4.2.3 沉降監(jiān)控量測

在盾構接收掘進100 m范圍內(nèi)，根據(jù)線路中線每5 m布設1個沉降監(jiān)測點，每30 m布設1個監(jiān)測斷面，監(jiān)測隧道區(qū)間地表土體沉降，兩側延伸范圍滿足隧道直徑1.5倍放射距離。對已經(jīng)施工完成的接收場地主體結構每日進行2次監(jiān)測，確保盾構接收掘進過程中接收場地結構安全、穩(wěn)定。

4.3 接收基座及端墻安設

盾構接收前，根據(jù)盾構的尺寸、管片超出接收擋墻的距離、隧道設計軸線以及既有仰坡位置，反推出接收基座的空間位置。

接收端墻及接收基座結構采用的混凝土等級為C40，抗?jié)B等級為P10。環(huán)形洞門圈混凝土強度等級為C35，抗?jié)B等級為P12。接收基座上的盾構前進導向軌道采用3根120 kg/m的鋼軌組成，底部導軌居中設置，上部設置左右對稱且距中心4.8 m的2根鋼軌。接收基座全長24 m、寬16 m，接收基座兩側高3 m。在中盾與盾尾連接處，預留有高700 mm，寬800 mm的盾尾割除槽，保證中盾與盾尾分離。

接收端墻及基座縱斷面橫斷面如圖14和圖15所示。

圖14 接收端墻及基座縱斷面結構Fig.14 Structural profile of receiving endwall and base

圖15 接收端墻及基座橫斷面結構(單位：mm)Fig.15 Structural cross-section of receiving endwall and base (unit:mm)

4.4 配套設備及接收準備

盾構在白城隧道出口拆機時采用2臺履帶吊配合主機拆解翻身，履帶吊規(guī)格分別為600 t和300 t。在盾構到達接收基座前，需提前做好拆機場地硬化及履帶吊組裝工作。

4.5 接收掘進參數(shù)控制

盾構進入接收端加固地層后，因地層埋深較淺且加固土體與正常掘進段大有不同，為了更好地掌握盾構的各類參數(shù)，應相應調(diào)整掘進參數(shù)、時時關注施工參數(shù)與地面變形的關系，同時采集、統(tǒng)計和分析推進時的各項技術參數(shù)，確定推進參數(shù)設定范圍。

盾構接近洞門5 m位時應減小推力(推力保持在30 000～35 000 kN)，減小土艙壓力，降低掘進速度(宜控制在5～10 mm/min)，及時通過同步注漿回填飽滿。盾構出洞過程中，更需密切監(jiān)視掘進參數(shù)的變化，一有異常，立即停機。接收段大斷面馬蹄形盾構主要掘進參數(shù)控制如表2所示。

表2 接收段馬蹄形盾構主要掘進參數(shù)控制表Table 2 Main drive control parameters of horseshoe-shaped shield in receiving section

4.6 接收洞門封堵

在盾構出洞前，首先安裝定制尺寸的簾布橡膠板和折頁壓板，保證盾構出洞期間的安全。

當洞門處混凝土鑿除并清理干凈后，繼續(xù)頂推盾構，如圖16所示，在刀盤至基座延伸導軌前停止刀盤旋轉。在盾構推進的過程中，需密切關注盾構姿態(tài)，防止出現(xiàn)“叩頭”現(xiàn)象。

圖16 盾構接收Fig.16 Receiving of shield

當盾尾距離洞口約1.2 m時，盾構停止推進，完成第1次出洞，開始對洞圈進行封堵工序。利用折頁壓板預留的鋼絲繩，將簾布橡膠板和盾尾緊緊包裹，對加固區(qū)內(nèi)的管片外建筑空隙進行注漿處理，在盾尾同步注漿(添加適量速凝劑)，同時在距盾尾3環(huán)處壓注水泥-水玻璃雙液漿，保證管片背后注漿飽滿、回填密實。

4.7 洞門鑿除

當盾構刀盤逐漸靠近洞門時，在端墻預埋鋼環(huán)范圍內(nèi)開設觀察孔，觀察端墻背后土體，根據(jù)觀察結果調(diào)整推進中的平衡壓力值。根據(jù)盾構掘進情況及接收工藝要求確定開始鑿除洞門的時間，以使盾構快速順利接收，減少施工風險。

洞門上下、左右、中部布置5個直徑80 mm的觀察孔，觀察墻背后土體狀況，當?shù)侗P距端墻50 cm時，盾構土艙壓力調(diào)節(jié)至0 。通過風鎬配合人工修鑿的方式，自上而下分5層作業(yè)，采用隨鑿隨清的鑿除工序鑿除鋼環(huán)范圍內(nèi)30 cm厚的素混凝土。洞門鑿除工作連續(xù)施工，縮短作業(yè)時間，減少正面土體的流失量。整個作業(yè)過程中，各項監(jiān)控及安全管理工作由專職安全員進行全過程監(jiān)督，監(jiān)測接收洞門處地面的沉降和土體變化情況，杜絕各項安全隱患。

4.8 盾構接收

盾構接收、洞門封堵完成后，開孔檢查漿液凝固效果，待漿液凝固后，開展盾構接收工序。盾構繼續(xù)向前推進，待盾尾完全離開接收端墻后，立即用簾布橡膠板和折頁壓板將管片外弧面包裹，封閉管片與鋼環(huán)間的縫隙。封閉完成后，立即向洞門鋼環(huán)與管片處的建筑空隙間填充早強漿液，避免管片下沉和水土流失。盾構接收完成如圖17所示。

圖17 盾構接收完成圖Fig.17 Shield after receiving

5 結論與展望

為解決大斷面馬蹄形盾構始發(fā)與接收難點，本文以蒙華鐵路白城隧道工程為依托，對大斷面馬蹄形盾構始發(fā)和接收施工關鍵技術進行研究總結。

1)始發(fā)階段采用加強明洞代替?zhèn)鹘y(tǒng)盾構反力架，降低反力架的制作、拆除費用，減少始發(fā)負環(huán)管片用量，可有效縮短主體施工時間、節(jié)約項目成本。

2)始發(fā)基座的底部均勻鋪設豆礫石，減少盾構進入原狀土后始發(fā)導洞與管片背部間隙的回填時間。

3)始發(fā)階段創(chuàng)新地采用套拱鋼架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的始發(fā)端墻結構，減少了始發(fā)附屬設施工程量，縮短了始發(fā)準備時間。

4)接收階段采用接收基座和端墻相結合的方法，降低了大斷面馬蹄形盾構在軟弱地層接收的安全風險。

本工程大斷面馬蹄形盾構始發(fā)與接收技術，解決了大斷面馬蹄形盾構始發(fā)與接收中多項核心技術難題，為工程的順利施工提供了有力保障，但大斷面馬蹄形盾構施工在推廣運用時需因地制宜，不同環(huán)境面臨不同的施工技術難題及風險，始發(fā)與接收關鍵技術還需進一步研究探索。