常用盾構土中接收施工工藝適用性分析

王傳富

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

1 概況

目前，隨著城市地鐵隧道及公路隧道發(fā)展速度的加快，盾構施工遇到的土層和環(huán)境條件也越來越復雜，且隨著隧道長度的增長，盾構隧道的埋深也向著不斷加深的趨勢發(fā)展。目前越來越多的盾構進出洞的土層涉及承壓含水層，在水動力的作用下，盾構的進出洞施工容易引發(fā)透水事故。在針對盾構進洞的風險控制工藝上，通常采用明洞接收及鋼套筒接收等土中盾構進洞施工工藝，來控制盾構的進洞風險。

本文就明洞接收與鋼套筒接收這2種工藝的優(yōu)缺點、應用場景進行分析比較，試探索今后施工的合適應用范圍。

2 鋼套筒接收工藝

接收鋼套筒是一端開口的筒狀結構，整個鋼套筒由1個過渡連接環(huán)、4個筒體（具體視盾構機長度及端頭井尺寸設定）、1個后蓋板、3根后靠以及左、右工字鋼支撐等組成（圖1）。

圖1 鋼套筒盾構接收布置示意

鋼套筒需根據(jù)盾構接收洞圈尺寸、法蘭孔位置、端頭井尺寸，提前在工廠內(nèi)加工完成，于盾構接收前在端頭井內(nèi)進行組裝，各部件之間采用螺栓進行連接。筒體各部件之間密封采用橡膠密封墊，并且筒體連接前在內(nèi)壁上涂抹快速水泥，起到內(nèi)側密封作用。鋼套筒組裝完成后，需通過氣壓、水壓等方式進行密封性檢查，檢查焊接位置、螺栓連接位置的密封性是否達到要求。施工人員于安裝完成后在鋼套筒內(nèi)進行洞門鑿除工作，完成混凝土鑿除和外排鋼筋割除后，通過預留孔向鋼套筒內(nèi)進行填料，并實施盾構進洞。最后拆除鋼套筒，盾構機吊裝退場。

3 明洞接收工藝

明洞結構采用鋼筋混凝土結構，利用端頭井一側內(nèi)襯墻，再施作兩面?zhèn)葔Α?塊頂板，形成1個封閉的鋼筋混凝土箱體，頂部預留2個預留孔，作為施工人員進出通道、凍結管排管通道及內(nèi)部填充的澆筑窗口（圖2、圖3）。明洞結構墻體、頂板的厚度及配筋需滿足盾構機進洞的推力要求。明洞結構需在盾構進洞前施工完成，墻體、頂板與車站結構連接位置，應在車站結構施工時預留接駁器，若接駁器失效，也可采用植筋形式進行鋼筋連接。

圖2 明洞結構布置立面示意

圖3 明洞結構布置剖面示意

施工人員在明洞結構施工完成后，于明洞結構內(nèi)進行洞門鑿除，鑿除下來的混凝土碎塊可直接堆放在明洞結構內(nèi)，作為明洞內(nèi)砂漿回填墊層，防止盾構機接收時出現(xiàn)磕頭現(xiàn)象。明洞內(nèi)可填充砂漿或泡沫混凝土，填充完畢后將頂部預留孔封閉，實施盾構進洞施工。待盾構機完全推進到位后，最后將明洞結構及盾構周邊砂漿鑿除，完成進洞作業(yè)。

4 2種盾構接收工藝的比較分析

2種施工工藝從本質(zhì)上來說均為土中進洞施工工藝，在風險地層實施盾構進洞時能夠起到盾構機在全封閉狀態(tài)下接收的施工工藝，但兩者在盾構進洞前的準備工作、施工周期、對端頭井空間的要求、施工經(jīng)濟性等大相徑庭，也決定了2種工藝的適用性各不相同，以下嘗試從不同因素對2種施工工藝進行比較分析。

4.1 施工周期分析

4.1.1 施工準備工作

明洞接收工藝因明洞結構全部采用鋼筋混凝土結構，結構施工必須等待盾構接收端頭井結構全部完成后方可進場施工，準備工作需進行鋼筋工程、模板排架工程、混凝土分次澆筑工程、模板排架拆除工程，從端頭井結構完成至開始洞門鑿除工作需要約2個月。

鋼套筒接收工藝可提前根據(jù)端頭井洞門洞圈尺寸、端頭井結構尺寸在廠內(nèi)進行鋼套筒鋼結構加工，端頭井完成后可立即進場安裝，部件較少且安裝簡單、快速，約1周時間可具備洞門鑿除條件，對工期影響較小。

4.1.2 拆除工作

由于明洞結構是利用車站結構制作成一個箱體結構，其內(nèi)部砂漿填充量遠遠大于鋼套筒的內(nèi)部砂漿填充量，盾構接收完成進行拆除工作時，不僅需將明洞結構本身的鋼筋混凝土結構進行鑿除，還需將結構內(nèi)硬化的砂漿進行鑿除，方可進行盾構吊裝工作。且由于端頭井與盾構機的相對位置關系，造成整個鑿除工作無法完全采用機械鑿除，部分部位的鑿除工作必須采用人工進行鑿除，鑿除下來的混凝土及砂漿廢料也需吊運出場，工作面小，鑿除效率低，大大增加了作業(yè)時間，盾構接收完成至盾構吊裝退場需要約1.5個月。而鋼套筒僅需拆除上半部殼體，即可進行盾構吊裝退場，與常規(guī)施工周期相差無幾。

4.2 施工空間適用性分析

4.2.1 結構空間的適用性

明洞接收工藝的選擇應考慮明洞結構在車站端頭井內(nèi)的可行性，因明洞結構尺寸較大，應提前判斷明洞結構墻體及頂板與車站梁、柱、板等是否相互影響，會不會導致無法進行明洞結構制作。

鋼套筒接收工藝因為結構占地面積小，鋼套筒直徑尺寸與洞圈大小一致，基本不受端頭井空間尺寸限制。

4.2.2 與凍結加固工藝相結合的適用性

采用明洞接收工藝，若同時結合水平凍結工藝，外圈及內(nèi)圈的凍結管均被包裹在明洞結構內(nèi)，且大量的凍結去回路管須從明洞結構穿過連接至凍結站。穿墻管的防水及回填質(zhì)量直接會影響盾構進洞的風險控制。

采用鋼套筒接收工藝，通常情況下鋼套筒尺寸與洞門圈尺寸一致，只有內(nèi)圈的凍結管位于鋼套筒內(nèi)，外圈凍結管位于鋼套筒外側，在內(nèi)圈凍結管拔除后，一并封閉回填，回填材料不會影響外圈凍結管的冷凍效果。

4.3 施工經(jīng)濟性分析

對于明洞接收工藝，由于目前市面上存在多種不同直徑的盾構機及洞圈尺寸，相對于鋼套筒，明洞可以根據(jù)現(xiàn)場情況因地制宜，但采用鋼筋混凝土結構也意味著每次施工均需重新制作明洞結構，無法周轉使用。對于鋼套筒接收工藝，由于其為裝配式結構，可以提前根據(jù)工況要求進行加工生產(chǎn)，到達現(xiàn)場后直接進行拼裝后即可使用。且由于是裝配式結構也可以進行重復利用?？梢坏┒軜嫏C直徑、洞圈直徑發(fā)生變化，原有的鋼套筒則無法使用，必須重新加工。所以從施工經(jīng)濟性角度來說，2種工藝各有利弊。

4.4 施工效果分析

4.4.1 推進軸線影響

采用明洞接收工藝時，因明洞結構將整個端頭井包裹形成一個封閉空間，并采用砂漿回填代替常規(guī)鋼質(zhì)接收架的作用，防止因測量誤差致使接收架的擺放不到位，導致盾構機刀盤啃食導軌，最終無法進行正常進洞。

另外，明洞結構相對鋼套筒內(nèi)腔體積要大得多，且已回填密實，整個進洞過程與常規(guī)盾構推進無異，操作相對較簡易，不用擔心因盾構機糾偏或軸線偏差而導致盾構刀盤及盾構機本體與筒體啃食或摩擦，明洞結構更適用于曲線段的進洞工況。

采用鋼套筒接收工藝時，鋼套筒下方仍需安裝接收架，測量精度要求高，在確保盾構機與鋼套筒同心的狀態(tài)下，盾構機與鋼套筒單邊間隙只有17 cm，另考慮外置同步注漿管的厚度，理論最小的間隙小于10 cm，盾構機進入鋼套筒后基本沒有糾偏的余量，所以鋼套筒接收工藝不適宜應用于曲線段進洞工況。

4.4.2 結構密封性

明洞結構采用現(xiàn)澆混凝土形式與車站側墻共同形成一個密閉結構，并加以回填砂漿，雙道介質(zhì)保護下，能有效避免盾構進洞過程中產(chǎn)生透水事故。

鋼套筒為預制構件組裝結構，結構組裝形式采用螺栓連接，雖已采用橡膠密封墊及涂抹快速水泥作密封處理，但其密封性是明顯要弱于明洞結構。

4.4.3 對盾構推進的次生影響

對于2種施工工藝來說，施工的核心問題是進行回填后，使盾構機在土中完成進洞施工作業(yè)。在核心問題上能夠量化的區(qū)別是回填材料的消耗量，通常選擇強度緩慢增長的膠凝材料，類似砂漿作為回填材料，該種材料的特點為隨著強度的增長逐步釋放水化熱，砂漿的溫度會逐步提高，溫度過高對盾構進洞施工有以下不利影響：若有凍結加固，砂漿溫度過高會破壞凍結加固體，使凍結加固失去有效性；溫度過高也會造成盾構機溫度過高，造成進洞期間設備發(fā)生故障，無法連續(xù)作業(yè)。

根據(jù)上述情況分析，鋼套筒內(nèi)腔體積要遠遠小于明洞內(nèi)腔體積，同樣水化熱的影響也要小于明洞結構。

5 結語

對于目前常用的土中進洞施工工藝，明洞接收工藝與鋼套筒接收工藝都有其各自的優(yōu)點及缺點，通過對施工周期、施工空間適用性、施工經(jīng)濟性及施工效果這4個方面進行分析，總結了其各自的適用要求，為后續(xù)復雜地層下實施盾構進洞，如何選取最有利的土中進洞工藝提供了參考。