盾構(gòu)小半徑割線始發(fā)控制技術(shù)研究

王江華

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 101300）

1 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，城市人口數(shù)量持續(xù)增加，隨之而來的交通嚴(yán)重?fù)矶卢F(xiàn)象在大部分城市亦是屢見不鮮?，F(xiàn)階段國(guó)家大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè)，來逐步緩解城市擁堵現(xiàn)象，由此可見，修建地鐵對(duì)改善城市交通環(huán)境起到不可忽視的作用，也是我國(guó)城市發(fā)展的必經(jīng)之路［1-2］。陳湘生院士也曾提出“建地鐵就是建城市”的發(fā)展理念［3］。然而地鐵多修建在市區(qū)中心，施工區(qū)域周邊的建構(gòu)筑物和管線錯(cuò)綜復(fù)雜，場(chǎng)地施工條件不能滿足常規(guī)方案要求的例子不勝枚舉。本文以南昌市軌道交通3號(hào)線高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間為工程背景，結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于盾構(gòu)隧道施工始發(fā)技術(shù)研究成果及應(yīng)用情況［4-12］，設(shè)計(jì)了盾構(gòu)機(jī)割線始發(fā)的施工技術(shù)，并對(duì)相關(guān)的施工工序及控制要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 工程概況及地質(zhì)

2.1 工程概況

南昌市軌道交通3號(hào)線高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間從梁萬站東端始發(fā)，沿火炬大街東西方向敷設(shè)，后轉(zhuǎn)入高新五路，沿高新五路南北向敷設(shè)至高新停車場(chǎng)盾構(gòu)井。左線區(qū)間隧道長(zhǎng)1 068.393 m，右線區(qū)間隧道長(zhǎng)1 084.907 m，設(shè)計(jì)線路平面圖顯示最小曲線半徑R270 m，而后緊接R350 m反向曲線，區(qū)間線間距8.7～13.62 m。區(qū)間采用“Ⅴ”字型坡設(shè)計(jì)，最大縱坡為9.87‰，隧道上方的覆土厚度平均為5.4～9.85 m，地下水埋深為9.0 m，地下水與贛江水力聯(lián)系較密切，地下水量較豐富。

2.2 工程地質(zhì)

高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間隧道范圍內(nèi)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示主要地層有：①1雜填土、③1粉質(zhì)黏土、③2細(xì)砂、③4粗砂（粗砂層為利用孔資料揭露）、③5礫砂、③6圓礫、③1泥質(zhì)粉砂巖，高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)分布比例如圖1所示。

圖1 高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)分布比例圖

2.3 周邊建構(gòu)筑物及地下管線

高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間始發(fā)井周邊建構(gòu)筑物和地下管線眾多，其中盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需要下穿建筑物主要有3L醫(yī)用制品有限公司聯(lián)合廠房（4層）、江西華星醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中心（7層）、江西銀新實(shí)業(yè)有限公司（3層），建筑物均為擴(kuò)大獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為地表下2.0～4.1 m不等。江西華星醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中心和江西銀新實(shí)業(yè)有限公司地下室與隧道凈距僅2.8 m。出入場(chǎng)線區(qū)間上穿京東大道站至梁萬站左線已完盾構(gòu)隧道，隧道外邊線間距僅為3.14 m；區(qū)間下穿既有涵洞，隧道頂部距涵洞底部間距僅4 m，下穿φ1 800 mm雨污水合流箱涵等市政管線，施工過程中風(fēng)險(xiǎn)較大。

3 技術(shù)控制

3.1 割線始發(fā)設(shè)計(jì)

圖2 割線始發(fā)線性示意

3.2 托架安裝

盾構(gòu)始發(fā)托架采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)形式，安裝時(shí)除考慮其自身中心線坐標(biāo)軸線外，還需放樣出始發(fā)托架上的2條軌道中心線坐標(biāo)，以增強(qiáng)始發(fā)托架定位的準(zhǔn)確性。始發(fā)托架的縱向坡度設(shè)置應(yīng)與明挖段主體結(jié)構(gòu)18.156‰縱坡一致，且與始發(fā)托架的中心線吻合。始發(fā)托架是承受盾構(gòu)機(jī)自重荷載的主要構(gòu)件，而鐵建重工生產(chǎn)的盾構(gòu)自重約500 t，為此明挖段主體結(jié)構(gòu)施工期間已在相位置提前預(yù)埋供始發(fā)托架使用的鋼板，在安裝始發(fā)托架時(shí)，將預(yù)埋鋼板與其焊接牢靠，確保始發(fā)托架在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間的穩(wěn)定性符合要求。

3.3 反力架安裝

高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，由于反力架與割線垂直，致使反力架與明挖段主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻形成相應(yīng)的角度，為保證盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)所需的反力，反力架在設(shè)計(jì)時(shí)增加側(cè)向400 mm的工字鋼斜撐在明挖段結(jié)構(gòu)底板的預(yù)埋鋼板上，四周水平方向均支撐在盾構(gòu)井下臥段底板及側(cè)墻上。在安裝反力架前要求對(duì)隧道軸線進(jìn)行測(cè)量放樣并與割線始發(fā)線型進(jìn)行擬合，做好標(biāo)記標(biāo)識(shí)，安裝完成后對(duì)其偏差值進(jìn)行復(fù)核，重點(diǎn)控制隧道軸線豎直趨勢(shì)與盾構(gòu)姿態(tài)偏差。

3.4 洞門破除

在確認(rèn)加固區(qū)良好、降水符合設(shè)計(jì)要求的情況下，共分3個(gè)階段進(jìn)行洞門破除。首先，破除地連墻背水側(cè)混凝土保護(hù)層，再割除背水側(cè)鋼筋；其次，分層破除剩余的混凝土結(jié)構(gòu)至迎水側(cè)鋼筋；最后，對(duì)剩余的迎水側(cè)鋼筋快速割除，并將盾構(gòu)機(jī)迅速頂至掌子面。洞門破除必須保持連續(xù)作業(yè)，盡量縮短施工時(shí)間，以減少掌子面土體暴露時(shí)間。由于采用割線始發(fā)，盾構(gòu)機(jī)與端頭墻之間會(huì)產(chǎn)生2.12°夾角，為防止盾構(gòu)機(jī)接觸掌子面時(shí)右側(cè)先接觸而造成刀盤啟動(dòng)時(shí)扭矩過大，洞門破除時(shí)前進(jìn)方向右側(cè)迎土側(cè)要比左側(cè)多向內(nèi)破除約22 cm。為防止盾體扭轉(zhuǎn)，須在始發(fā)導(dǎo)軌兩側(cè)的盾構(gòu)殼體上每隔2.0 m采用200 mm工字鋼加焊接防扭裝置，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)將其割除，防止其破壞洞門密封系統(tǒng)。

3.5 負(fù)環(huán)管片安裝

負(fù)環(huán)管片拼裝應(yīng)選擇整環(huán)方式。由于始發(fā)托架軌道與管片外側(cè)有125 mm的空隙（盾構(gòu)始發(fā)托架的尺寸是按照盾構(gòu)機(jī)的前盾6 250 mm設(shè)計(jì)，管片外徑為6 000 mm），外側(cè)底部加設(shè)型鋼支撐防止負(fù)環(huán)管片全部脫出盾尾后下沉，并在始發(fā)托架導(dǎo)軌上用方木楔緊，將負(fù)環(huán)管片托起，保證負(fù)環(huán)管片的穩(wěn)定性。每環(huán)管片脫出盾尾后，在管片外側(cè)應(yīng)及時(shí)用鋼絲繩整環(huán)加固并復(fù)緊螺栓，鋼絲繩底部與始發(fā)托架固定牢靠，防止負(fù)環(huán)管片產(chǎn)生位移，保證負(fù)環(huán)管片的真圓度。

4 姿態(tài)控制

4.1 導(dǎo)軌姿態(tài)控制

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)托架端頭受主體結(jié)構(gòu)預(yù)留洞口、圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻及人防截水槽影響，當(dāng)盾構(gòu)刀盤超過托架后有700 mm距離沒有托架支撐，盾構(gòu)機(jī)因自重會(huì)產(chǎn)生“栽頭”現(xiàn)象，為避免此現(xiàn)象，應(yīng)在700 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)用43鋼軌將始發(fā)托架上的導(dǎo)軌延伸并在導(dǎo)軌下部加焊20 mm工字鋼支撐固定。

4.2 負(fù)環(huán)姿態(tài)控制

盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)托架上拼裝負(fù)環(huán)階段時(shí)，掘進(jìn)區(qū)域?yàn)轭A(yù)先完成的三軸攪拌樁＋高壓旋噴樁加固區(qū)，地層相對(duì)比較穩(wěn)定。此時(shí)盾構(gòu)機(jī)還沒有全部進(jìn)入土體，因此不能自行調(diào)整姿態(tài)，掘進(jìn)方向只能保持直線前行，應(yīng)以低速、低壓、穩(wěn)定為原則，不影響鉸接的前提下前行。應(yīng)及時(shí)復(fù)緊管片螺栓，避免負(fù)環(huán)管片產(chǎn)生位移，影響后續(xù)管片拼裝質(zhì)量。

4.3 曲線段姿態(tài)控制

盾構(gòu)機(jī)盾體完全進(jìn)入土體后，也是正1環(huán)管片的開始，盾構(gòu)機(jī)可以適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)方向，向設(shè)計(jì)軸線靠攏。當(dāng)盾構(gòu)調(diào)整掘進(jìn)方向時(shí)，應(yīng)以調(diào)整主推進(jìn)油缸為主，以調(diào)整鉸接油缸為輔助，緩慢調(diào)節(jié)，穩(wěn)步逐漸向設(shè)計(jì)軸線靠攏。除此之外，還應(yīng)考慮在曲線段掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的盾尾存在離心現(xiàn)象，為此掘進(jìn)方向應(yīng)保持在曲線內(nèi)側(cè)25～35 mm之間為宜。

其中，D為螺旋外徑；d為螺旋軸直徑，S為螺旋節(jié)距。根據(jù)飼料的容重和裝滿系數(shù)可計(jì)算出每圈螺旋輸送的飼料質(zhì)量，從而設(shè)計(jì)出螺旋的合理尺寸。

5 參數(shù)設(shè)定

5.1 土壓力值設(shè)定

高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間始發(fā)端盾構(gòu)機(jī)上部處于細(xì)砂層中，下部處于礫砂層中，隧道頂部埋深7 m。土壓力計(jì)算示意如圖3所示。

圖3 土壓力計(jì)算示意

5.1.1 盾構(gòu)頂部土壓力計(jì)算

土壓與水壓之和為：

式中，P0為地表荷載，取 10 kN/m2；Pe為豎向土壓（kN/m2）；Ps為水壓（kN/m2）；Qe1為盾構(gòu)頂水平土壓力（MPa）；γ 為砂土容重，取19.6 kN/m3；H 為隧道頂部埋深，取7 m；K為土層的靜止側(cè)土壓力，取0.35。

5.1.2 盾構(gòu)中部土壓力計(jì)算

土壓與水壓之和為：

式中，Qe2為盾構(gòu)中部水平土壓力（MPa）。

5.1.3 盾構(gòu)底部土壓力計(jì)算

土壓與水壓之和為：

式中，Qe3為盾構(gòu)中部水平土壓力（MPa）。

5.2 出土量控制

盾構(gòu)出土量計(jì)算應(yīng)考慮土體的松散系數(shù)，始發(fā)期間盾構(gòu)主要在細(xì)砂和礫砂層中掘進(jìn)，故松散率按1.1～1.15倍考慮，則每環(huán)理論出土量為：

即每環(huán)實(shí)際出土量應(yīng)為40.9～42.7 m3。當(dāng)出土量小于限值時(shí)，再次掘進(jìn)時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小土倉(cāng)內(nèi)的壓力設(shè)定值，一般調(diào)整量控制在0.2 bar之內(nèi)，并加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)數(shù)值的變化情況；當(dāng)出土量大于限值時(shí)，應(yīng)立即停止出土，關(guān)閉螺旋輸送機(jī)及閘門，同時(shí)加密地表監(jiān)測(cè)，分析地表沉降數(shù)值和變化速率，如果沉降過大，需加大土倉(cāng)壓力設(shè)定并采取地表徑向注漿等措施，直到地表沉降數(shù)據(jù)控制在設(shè)計(jì)規(guī)范允許的范圍后方可復(fù)推。

5.3 同步注漿量控制

取靜水壓力的1.1～1.2倍，則實(shí)際靜水壓力為L(zhǎng)＝0.12 MPa，注漿壓力為：

下部孔的壓力比上部孔略大（0.5 MPa左右）為0.182～0.194 MPa。每環(huán)理論注漿量為：

始發(fā)期間盾構(gòu)主要在細(xì)砂和礫砂層中掘進(jìn)，計(jì)算擴(kuò)大注漿量時(shí)，考慮2～2.5注漿擴(kuò)大系數(shù)，則實(shí)際注漿量為：

5.4 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置詳見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)

6 結(jié)束語

城市軌道交通工程盾構(gòu)法施工越來越受到人們的推崇，同時(shí)也是常采用的施工工法，但更多時(shí)候受施工場(chǎng)地條件制約，盾構(gòu)機(jī)不能按照常規(guī)方案始發(fā)。南昌市軌道交通3號(hào)線高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間施工期間，在總體技術(shù)控制上嚴(yán)格把關(guān)，控制好每一道工序的施工質(zhì)量，重點(diǎn)對(duì)始發(fā)托架安裝、反力架安裝的精度進(jìn)行反復(fù)校核，對(duì)其加固質(zhì)量進(jìn)行核驗(yàn)，對(duì)割線始發(fā)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)擬合匹配，最終保證盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)。

通過實(shí)踐證實(shí)，盾構(gòu)機(jī)割線始發(fā)在高新停車場(chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間應(yīng)用，不僅提高了盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)速度，減少施工過程中不必要的停機(jī)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，過程中姿態(tài)偏差滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)也驗(yàn)證了方案的可行性，較好地解決了盾構(gòu)機(jī)在特殊環(huán)境下始發(fā)難題，為類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。