淤泥加砂地層泥水盾構(gòu)鋼套筒分體始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

李希宏 ，萬(wàn) 陶 ，賀創(chuàng)波

1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430014

鋼套筒平衡始發(fā)技術(shù)可以在破除洞門前為盾構(gòu)提供水土平衡環(huán)境，與端頭加固法相比，其安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有較大的提高。針對(duì)鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一些研究，例如，伍偉林等[1]通過(guò)研究表明，反力調(diào)節(jié)裝置能提高鋼套筒的密閉性能；李飛等[2]對(duì)盾構(gòu)接收輔助裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究；由于始發(fā)場(chǎng)地條件受限，盾構(gòu)一般采用分體始發(fā)技術(shù)，卜星瑋等[3]提出了解決始發(fā)空間小、盾構(gòu)組裝、始發(fā)與設(shè)備材料垂直運(yùn)輸、人員進(jìn)出困難等問(wèn)題的方法；劉金峰[4]對(duì)武漢軌道交通6號(hào)線馬鐘區(qū)間盾構(gòu)分體始發(fā)施工技術(shù)進(jìn)行了研究。雖然對(duì)泥水盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和泥水盾構(gòu)分體始發(fā)的研究較多，但泥水盾構(gòu)鋼套筒分體始發(fā)的項(xiàng)目比較少，故此類項(xiàng)目具有較好的研究?jī)r(jià)值。

1 工程概述

福州某地鐵區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)端基坑長(zhǎng)度為54.5m，泥水盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度為112m，整體始發(fā)所需長(zhǎng)度為130m，基坑長(zhǎng)度不滿足盾構(gòu)機(jī)整體始發(fā)要求，因此采用分體始發(fā)。根據(jù)基坑長(zhǎng)度始發(fā)時(shí)1～3號(hào)臺(tái)車放置在井下，4～7號(hào)臺(tái)車放在始發(fā)井邊上，3號(hào)臺(tái)車與4號(hào)臺(tái)車之間通過(guò)延長(zhǎng)管路進(jìn)行連接（見圖1）。

圖1 分體始發(fā)連接線纜

區(qū)間采用泥水盾構(gòu)，刀盤直徑為6.5m，盾構(gòu)始發(fā)地層為全斷面淤泥夾砂地層（見圖2），隧道埋深為9.4m，地下水位于地表以下3m附近，基坑緊鄰躍進(jìn)河，地下水補(bǔ)給豐富，始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大，為了降低始發(fā)過(guò)程中涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，采用鋼套筒分體始發(fā)技術(shù)。

圖2 地質(zhì)斷面圖

因?yàn)槭及l(fā)地層為淤泥加砂地層，土體承載能力低，為了防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，所以端頭加固采用Φ800mm@550mm三重管高壓旋噴樁對(duì)隧道穿越范圍內(nèi)地層進(jìn)行加固，縱向4m，寬度至結(jié)構(gòu)線外3m，加固深度為地面至隧道底部以下3m，加固長(zhǎng)度為4m。

2 技術(shù)措施

對(duì)于泥水盾構(gòu)鋼套筒分體始發(fā)而言，其主要的技術(shù)難度為鋼套筒的防滲、鋼套筒內(nèi)填料的密實(shí)性、盾體在鋼套筒內(nèi)的扭轉(zhuǎn)、掘進(jìn)過(guò)程中連接管路的磨損等，以下對(duì)鋼套筒分體始發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 鋼套筒防滲技術(shù)

鋼套筒加工質(zhì)量差精度低、拼裝質(zhì)量不合格、變形超限等會(huì)引起鋼套筒滲漏，影響盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程建壓，滲漏嚴(yán)重時(shí)鋼套筒內(nèi)同步注漿不飽滿，導(dǎo)致始發(fā)階段出現(xiàn)管片上浮、管片錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題?？刹捎靡韵麓胧┙鉀Q鋼套筒滲漏問(wèn)題：（1）在鋼套筒塊間拼縫設(shè)置兩道密封槽，內(nèi)置O型橡膠圈，增加接縫處的密封性。（2）通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，驗(yàn)算鋼套筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支撐強(qiáng)度，防止鋼套筒變形過(guò)大導(dǎo)致拼縫滲漏。（3）側(cè)向支撐焊接在鋼套筒結(jié)構(gòu)主肋板上，避免支撐直接抵筒體結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致鋼套筒局部變形過(guò)大產(chǎn)生滲漏。（4）始發(fā)階段加強(qiáng)鋼套筒的變形監(jiān)測(cè)，變形過(guò)大時(shí)及時(shí)降低盾構(gòu)推力及鋼套筒內(nèi)壓力，并對(duì)鋼套筒進(jìn)行加固。（5）在鋼套筒兩側(cè)各留設(shè)兩排球閥，盾尾脫出后注入少量雙液漿，及時(shí)固定管片。（6）嚴(yán)格按照方案試壓，保壓合格后盾構(gòu)再始發(fā)。（7）做好應(yīng)急預(yù)案，始發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)滲漏時(shí)，及時(shí)對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行焊接或用堵漏王進(jìn)行封堵。

2.2 鋼套筒填料技術(shù)

由于鋼套筒內(nèi)填料不密實(shí)，始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中容易造成水土流失，增大了涌水、涌砂的風(fēng)險(xiǎn)；由于填料不密實(shí)，鋼套筒內(nèi)填料對(duì)盾體的握裹力較小，增大了盾體發(fā)生扭轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，填筑過(guò)程中為保證鋼套筒內(nèi)填料密實(shí)，可采取以下措施：（1）在盾構(gòu)機(jī)下井前，始發(fā)軌道內(nèi)部區(qū)域先填充中砂（見圖3），填充高度按照盾構(gòu)機(jī)的弧面確定，填筑過(guò)程中壓實(shí)中砂，保證底部填料的密實(shí)性。（2）在上部三塊鋼套筒上都設(shè)置填料口（見圖4），便于施工中填料密實(shí)。（3）填料過(guò)程中通過(guò)鋼套筒上設(shè)置的球閥，放出多余注水，多次反復(fù)沖砂放水直至鋼套筒內(nèi)填砂密實(shí)。

圖3 底部填砂

圖4 上部填料口

2.3 盾構(gòu)防扭技術(shù)

盾體扭轉(zhuǎn)角過(guò)大時(shí)，盾體會(huì)帶動(dòng)拼裝機(jī)、連接橋及臺(tái)車出現(xiàn)不同程度的扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致連接橋橫支撐局部扭曲，出現(xiàn)連接橋拉伸油缸基座脫落、皮帶被動(dòng)輪垮塌、管片輕微破損、臺(tái)車下方的軌道扭曲、軌枕傾斜等問(wèn)題。盾體在鋼套筒內(nèi)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，若鋼套筒內(nèi)部不能為盾體提供足夠的握裹力，則盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)不能有效地進(jìn)行扭轉(zhuǎn)角糾偏，因此鋼套筒始發(fā)過(guò)程中盾體的抗扭轉(zhuǎn)特別重要。

為了解決盾構(gòu)機(jī)在鋼套筒內(nèi)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)導(dǎo)軌外側(cè)設(shè)置了2個(gè)防扭塊。

螺紋套筒從盾體外部安裝放入盾體開孔處，固定擋塊從盾體內(nèi)安裝，螺桿旋入螺紋套筒內(nèi)。盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)始發(fā)時(shí)螺桿突出盾體5cm，盾體在即將進(jìn)入土體前旋入盾體內(nèi)旋松螺桿，待螺桿不伸出盾體外，螺紋套筒自動(dòng)掉落。盾體防扭裝置見圖5。

圖5 盾體防扭裝置

2.4 管路布置技術(shù)

分體始發(fā)過(guò)程中，3號(hào)臺(tái)車、4號(hào)臺(tái)車需要通過(guò)管路連接，直至掘進(jìn)60環(huán)（環(huán)寬1.2m）時(shí)才能結(jié)束分體始發(fā)。基坑井深度為18m，線路長(zhǎng)度需要約120m左右，管路長(zhǎng)度長(zhǎng)且復(fù)雜，掘進(jìn)過(guò)程中容易造成管路磨損、打結(jié)等，影響掘進(jìn)效率。為了減少電纜磨損，采取以下措施：（1）4號(hào)臺(tái)車位于始發(fā)井口，管路從4號(hào)臺(tái)車引出，引到中板上，在中板上環(huán)繞一圈，放置到井下，減小了掘進(jìn)過(guò)程中線纜的中磨損。對(duì)堆放在中板上的線纜分類堆放，防止中板作業(yè)損傷管路。（2）泥水管路從始發(fā)井引到中板上，管路順中板布置，從吊裝孔引到3號(hào)臺(tái)車尾部，待始發(fā)結(jié)束后泥水管直接從始發(fā)井接入隧道內(nèi)。（3）管路與墻角、反力架、電葫蘆吊點(diǎn)等的接觸部位添加柔性襯墊，減小管路延伸過(guò)程中磨損。（4）每環(huán)掘進(jìn)前管路延伸時(shí)，隧道內(nèi)同中板協(xié)調(diào)工作，避免生拉硬拽導(dǎo)致管路損壞。

2.5 鋼套筒內(nèi)同步注漿

鋼套筒內(nèi)共設(shè)置10環(huán)，盾構(gòu)在剛套筒內(nèi)掘進(jìn)的過(guò)程中，盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)無(wú)法進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，若管片得不到有效固定，則會(huì)導(dǎo)致管片上浮、管片錯(cuò)臺(tái)、出現(xiàn)裂縫等。若始發(fā)階段同步注漿注入水泥漿，由于填料具有較好的滲透性且始發(fā)階段掘進(jìn)速度較慢，水泥漿容易糊住盾體，造成始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)推力過(guò)大、鋼套筒及反力架變形大等問(wèn)題；始發(fā)結(jié)束后，黏在盾體上的水泥漿不易掉落，會(huì)造成后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)推力過(guò)大、盾構(gòu)姿態(tài)差等系列問(wèn)題[5]。因此，始發(fā)階段建議鋼套筒內(nèi)同步注漿注入惰性漿，防止盾構(gòu)機(jī)被水泥漿糊注。盾尾出鋼套筒前使用惰性漿液，注漿量為4～4.8m3（填充系數(shù)為1～1.2），配比見表1。

表1 惰性漿液配合比 單位：kg

3 分體始發(fā)效果

3.1 工效分析

60環(huán)盾構(gòu)結(jié)束分體始發(fā)，分體始發(fā)階段日平均掘進(jìn)2.1環(huán)（見圖6）；61～100環(huán)，平均日掘進(jìn)2.72環(huán)。整個(gè)始發(fā)階段，掘進(jìn)工效較低，影響工效的主要因素是泥水管路接管、管路延伸、材料運(yùn)輸?shù)取?/p>

圖6 盾構(gòu)工效

3.2 盾構(gòu)土倉(cāng)建壓情況

-5環(huán)開始刀盤破除地連墻，地連墻寬度為80cm，-4環(huán)時(shí)盾構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入加固體，盾構(gòu)機(jī)破除洞門時(shí)泥水倉(cāng)開始建壓，壓力基本與計(jì)算值相符（見圖7），即采用鋼套筒能及早建壓。

圖7 泥水倉(cāng)壓力

在盾構(gòu)破除地連墻后，泥水倉(cāng)開始持續(xù)建壓，壓力基本按照理論計(jì)算值控制，前10環(huán)地層沉降都較小。始發(fā)階段泥水盾構(gòu)提前建壓，有利于地層應(yīng)力平衡，有效控制始發(fā)階段地表的沉降。地表沉降曲線見圖8。25環(huán)以后，地表沉降逐漸增大，主要是因?yàn)槎軜?gòu)通過(guò)泥水站泥漿罐區(qū)域，泥水站運(yùn)行過(guò)程中，由于泥漿罐漿液增加，加大了隧道頂部堆載，導(dǎo)致隧道頂部地表沉降增大。

圖8 地表沉降曲線

3.3 盾體扭轉(zhuǎn)角

抗扭塊安裝在中盾靠近盾尾位置，-5環(huán)開始刀盤磨地連墻，由于抗扭塊與軌道間存在空隙，盾體有小幅的扭轉(zhuǎn)；-3環(huán)時(shí)刀盤的反轉(zhuǎn)、盾體的扭轉(zhuǎn)角有小幅度減小的趨勢(shì)，但是鋼套筒內(nèi)填充不密實(shí)，填料對(duì)盾體的反力有限，刀盤反轉(zhuǎn)沒(méi)有明顯減小盾體的扭轉(zhuǎn)角。

采用抗扭塊時(shí)，盾體扭轉(zhuǎn)角最大為-0.19°，0環(huán)掘進(jìn)結(jié)束后，拆除了抗扭塊，隨后盾體滾動(dòng)角突然增大，增大到0.22°，此時(shí)盾體基本進(jìn)入淤泥加砂地層，通過(guò)刀盤反轉(zhuǎn)，滾動(dòng)角逐步縮?。ㄒ妶D9）。

圖9 盾體扭轉(zhuǎn)角

4 結(jié)論

（1）始發(fā)階段時(shí)，向鋼套筒內(nèi)填充密實(shí)中砂并采用防扭塊，可有效控制盾體的扭轉(zhuǎn)角；向鋼套筒內(nèi)注入惰性漿，可避免水泥漿糊注盾體，不會(huì)造成始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)推力過(guò)大、鋼套筒及反力架變形大等問(wèn)題。

（2）鋼套筒分體始發(fā)克服了場(chǎng)地狹小的問(wèn)題，有效控制了地表沉降，降低了軟弱地層盾構(gòu)始發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）采用鋼套筒分體始發(fā)技術(shù)時(shí)，若盾構(gòu)的掘進(jìn)工效較低，則主要影響因素可能為管線延伸、材料運(yùn)輸以及泥水管延伸，因此應(yīng)從這三個(gè)方面考慮提高盾構(gòu)的掘進(jìn)工效。