城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)法建造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

程永龍，葉 蕾，張付林，王小濤，夏漢庸

（1.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016；2.寧波軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)，城市人口持續(xù)增長，城市地面空間日益匱乏，開發(fā)地下空間、實(shí)現(xiàn)城市功能需求已成城市發(fā)展的新方向。各類地下空間結(jié)構(gòu)的連接通道建設(shè)需求不斷上升。以軌道交通為例，在城市軌道交通建設(shè)中，單線區(qū)間隧道連貫長度大于600m 時(shí)，必須設(shè)聯(lián)絡(luò)通道用作消防疏散[1]，加上公路隧道聯(lián)絡(luò)通道、綜合管廊出線井、深隧排水通道等地下工程，聯(lián)絡(luò)通道的建設(shè)體量十分龐大。

在軟土地層城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)中，為了保證施工安全，多采用冷凍或水平注漿作為加固方法，礦山法進(jìn)行暗挖施工。X.D.Hu 等[2]和Fang Y.S[3]研究了傳統(tǒng)工法面臨的挑戰(zhàn)和安全保障措施，劉軍等[4]應(yīng)用數(shù)值模擬計(jì)算方法研究了盾構(gòu)管片力學(xué)行為。冷凍法雖取得廣泛應(yīng)用，但由于加固工藝的局限性，不僅工期長、成本高，且凍融沉降不易控制，存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。為了解決上述技術(shù)難題，上海隧道股份在南京地鐵盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道實(shí)施了網(wǎng)格式積壓頂管的施工[5]，歐洲和香港相繼在大直徑隧道項(xiàng)目開展了頂管法施工聯(lián)絡(luò)通道的工程探索[6～7]，而在城市地鐵中使用盾構(gòu)法修建聯(lián)絡(luò)通道未見相關(guān)研究報(bào)告。

本文依托寧波城市軌道交通地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目，介紹了城市軌道交通狹小空間內(nèi)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用情況，為軟土地層城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道以及其他旁出工程施工提供了一個(gè)新的技術(shù)參考。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

該城市軌道交通工程鄞南區(qū)間范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，地質(zhì)時(shí)代為第四紀(jì)全新世Q43～上更新世Q31，屬第四系濱海平原沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成。盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目位于盾構(gòu)隧道區(qū)間YCK8+330.000 處，地面為公園綠地，聯(lián)絡(luò)通道埋深17.803m，兩隧道中心距離17.4m。根據(jù)地勘資料，聯(lián)絡(luò)通道主要穿越地層為②2b 層灰色淤泥質(zhì)黏土、③2 層灰色粉質(zhì)黏土、④1 層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及④2 層灰色黏土（圖1）。

圖1 工程地面條件及地質(zhì)狀況

軌道交通主隧道采用外徑?6 200mm、內(nèi)徑?5 500mm 管片，雙線隧道之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道用于緊急情況下人員的疏散逃生。為了便于盾構(gòu)施工，聯(lián)絡(luò)通道采用圓形可拼裝式管片實(shí)現(xiàn)襯砌，管片內(nèi)部空間用于消防疏散。聯(lián)絡(luò)通道管片直徑越大，內(nèi)部空間越大，對消防疏散越有利；但聯(lián)絡(luò)通道直徑越大，主隧道橫向可利用的施工空間越有限，盾構(gòu)法施工時(shí)能布置的主機(jī)長度越短，設(shè)備集成難度越大。綜合考慮疏散空間和主機(jī)布置空間兩方面的需求，管片規(guī)格確定為外徑?3 150mm、內(nèi)徑?2 650mm、環(huán)寬?550mm，成型通道可實(shí)現(xiàn)1 400mm×2 050mm 的消防空間，成型聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)工法聯(lián)絡(luò)通道洞門采用鋼管片洞門，地層加固完成后拆除聯(lián)絡(luò)通道位置洞門管片進(jìn)入施工。盾構(gòu)法為了減少加固時(shí)間和成本的投入，聯(lián)絡(luò)通道位置洞門管片采用環(huán)寬1 500mm 的鋼砼結(jié)合的復(fù)合式管片，6 塊復(fù)合管片拼裝成盾構(gòu)始發(fā)和接收的洞門，洞門開挖區(qū)域?yàn)椴ＡЮw維筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工時(shí)盾構(gòu)刀盤可直接切削通過，洞門周邊區(qū)域?yàn)殇摴芷▓D3、圖4）。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道洞門管片設(shè)計(jì)

圖4 玻璃纖維筋復(fù)合管片

在富水軟弱地層中，主隧道和聯(lián)絡(luò)通道的特殊設(shè)計(jì)，為機(jī)械法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的施工提供了基礎(chǔ)，對于聯(lián)絡(luò)通道的施工的設(shè)備的選擇，盾構(gòu)與頂管均為可行方案。對比盾構(gòu)和頂管的工作原理及施工過程，采用盾構(gòu)法和頂管法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工各有優(yōu)劣，如表1 所示。

表1 盾構(gòu)法與頂管法優(yōu)缺點(diǎn)

盾構(gòu)法在技術(shù)拓展性上優(yōu)于頂管法，可推廣至各類支線管廊工程，是對T 接隧道技術(shù)的重要技術(shù)探索，因此本工程采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工。但基于城市軌道交通隧道狹小的施工空間，聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)機(jī)必須解決以下難題：①高強(qiáng)度弧形混凝土管片切削技術(shù)；②狹小空間內(nèi)始發(fā)和接收技術(shù)；③主隧道管片的穩(wěn)定支護(hù)技術(shù)。

2 聯(lián)絡(luò)通道用盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

聯(lián)絡(luò)通道用盾構(gòu)需從既有城市軌道交通隧道內(nèi)始發(fā)和接收，且集開挖、出渣、支護(hù)等功能于一體，對聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)集成度要求非常高?？紤]聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)機(jī)洞內(nèi)運(yùn)輸及施工配套需求將整機(jī)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，整機(jī)包含主機(jī)、后配套系統(tǒng)及一些輔助施工系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。始發(fā)端設(shè)計(jì)設(shè)備掘進(jìn)所需的配套系統(tǒng)及始發(fā)臺車，接收端設(shè)計(jì)設(shè)備接收所需的配套系統(tǒng)，整機(jī)技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

圖5 聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

表2 技術(shù)指標(biāo)

2.1 適應(yīng)高強(qiáng)度弧形混凝土管片切削的刀盤系統(tǒng)

盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)是在微加固或者不加固條件下進(jìn)行，始發(fā)接收時(shí)洞門管片由盾構(gòu)刀盤直接切削破除。由于管片為弧形高強(qiáng)度玻璃纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)，且進(jìn)出洞時(shí)弧度相反，需要對刀盤和刀具進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

如圖6 所示，不同于常規(guī)盾構(gòu)刀盤，聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)機(jī)刀盤采用錐形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，錐度與主隧道管片內(nèi)徑相仿，始發(fā)時(shí)中心刀具先行接觸掌子面進(jìn)行切削，隨著主機(jī)向前掘進(jìn)，切削軌跡由中心向周邊不斷拓展，在始發(fā)階段主機(jī)缺乏土體包裹的狀態(tài)下能夠有效降低主機(jī)的振動，有利于始發(fā)姿態(tài)的控制。而接收端管片弧度與刀盤錐度相反，為了避免接收時(shí)主機(jī)姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，中心刀具采用反向錐形設(shè)計(jì)，錐度與接收端管片外徑相仿，保證主機(jī)接收姿態(tài)的穩(wěn)定。

圖6 錐形刀盤及中心刀設(shè)計(jì)

聯(lián)絡(luò)通道刀盤在滿足整體剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，設(shè)計(jì)較大開口率，既能夠滿足高強(qiáng)度混凝土的切削需求，又能保證軟土地層渣土流動性。刀具的配置可根據(jù)地層選擇滾刀或者撕裂刀。為了驗(yàn)證錐形刀盤破除管片的能力，進(jìn)行了足尺模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，錐形刀盤的設(shè)計(jì)對主機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定有十分積極的作用，滿足洞門管片的切削需求。后續(xù)的施工經(jīng)驗(yàn)也表明，滾刀破除管片的效率大于撕裂刀，且需要的切削扭矩大大降低。錐形刀盤模擬試驗(yàn)切削效果如圖7 所示。

圖7 錐形刀盤模擬試驗(yàn)切削效果

2.2 狹小空間內(nèi)始發(fā)接收密封系統(tǒng)

聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)始發(fā)或接收破除洞門后，洞門密封必須保證能夠抵抗地下水壓力，否則地下水將夾雜地層中的砂土漏出，導(dǎo)致地層流失，造成地面塌方等事故。因此，富水軟弱地層中進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工始發(fā)與接收端頭的密封設(shè)計(jì)是項(xiàng)目成功的重要保障。

本項(xiàng)目采用半套筒始發(fā)（圖8）和全套筒接收（圖9）技術(shù)，即在始發(fā)及接收洞門外，采用特制鋼套筒與洞門鋼管片連接。始發(fā)套筒內(nèi)設(shè)置多道鋼絲密封刷與主機(jī)盾殼形成封閉的壓力腔。接收套筒采用全封閉的結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)到達(dá)前對接收套筒進(jìn)行介質(zhì)填充，保持壓力平衡。聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)完成，盾構(gòu)到達(dá)指定接收位置時(shí)，對洞門進(jìn)行注漿止水，確保安全后，斷開洞門套筒連接，便可進(jìn)行拆機(jī)撤場。

圖8 始發(fā)半套筒

圖9 接收全套筒

2.3 移動式管片預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)

盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道施工掘進(jìn)過程中，主隧道管片結(jié)構(gòu)是盾構(gòu)掘進(jìn)發(fā)力的主要受力體之一，其受力機(jī)理復(fù)雜，涉及設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地層多體系相互作用，且刀盤切削主隧道洞門管片，主隧道原有受力體系會被削弱。在整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的施工過程中，管片內(nèi)應(yīng)力分布特征隨著施工工序的變化發(fā)生著動態(tài)調(diào)整，直至聯(lián)絡(luò)通道建成才能構(gòu)建新的結(jié)構(gòu)受理體系。為了避免聯(lián)絡(luò)通道施工過程中主隧道發(fā)生過大的變形，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推力進(jìn)行合理分配，同時(shí)強(qiáng)化主隧道的內(nèi)部的支護(hù)，設(shè)計(jì)了移動式管片預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)（圖10）。支撐系統(tǒng)由兩部分組成。

圖10 移動式管片預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)

1）安裝有行走機(jī)構(gòu)的臺車，用于放置主機(jī)和輔助施工裝備，能夠在機(jī)車的牽引下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速移動。

2）用于隧道保護(hù)的支撐環(huán)，支撐系統(tǒng)采用液壓伺服控制，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控隧道變形及支撐壓力的變化，確保主隧道的安全穩(wěn)定。

除上述3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)以外，本項(xiàng)目還針對性的設(shè)計(jì)了狹小空間管片半自動拼裝技術(shù)[7]、主機(jī)姿態(tài)調(diào)整及導(dǎo)向技術(shù)、數(shù)字化施工管控技術(shù)[8]及聯(lián)絡(luò)通道接頭處理技術(shù)等，相關(guān)細(xì)節(jié)已在其他文章中發(fā)表，本文不再詳述。

3 工程應(yīng)用情況

首個(gè)聯(lián)絡(luò)通道工程盾構(gòu)施工用時(shí)18 天，大致可分為3 個(gè)階段：始發(fā)端管片切削階段、土層掘進(jìn)階段和接收端管片切削階段。在始發(fā)和接收時(shí)，高強(qiáng)度管片的切削給設(shè)備帶來了較大挑戰(zhàn)，平均切削扭矩300～350kNm，推進(jìn)速度緩慢。進(jìn)入地層后，扭矩降低，推進(jìn)速度大幅提升，最高日掘進(jìn)4 環(huán)，日進(jìn)度如圖11 所示。掘進(jìn)速度、推力、扭矩等參數(shù)如圖12 所示。

圖11 首個(gè)聯(lián)絡(luò)通道工程日進(jìn)度

圖12 土層中掘進(jìn)參數(shù)時(shí)程曲線

聯(lián)絡(luò)通道施工過程中在地面影響區(qū)域范圍及始發(fā)、接收主隧道管片布置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示，地表最大沉降約22mm，橫剖面沉降槽寬度約60m，始發(fā)、接收主隧道管片不同狀態(tài)下收斂變形量均控制在4mm 以內(nèi)，施工效果整體符合預(yù)期，聯(lián)絡(luò)通道建成效果如圖13 所示。

圖13 聯(lián)絡(luò)通道建成效果

4 結(jié)語

面對地下空間開發(fā)不斷向空間化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢，聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械化施工的需求不斷提升。本文結(jié)合某城市軌道交通聯(lián)絡(luò)通道工程，提出了一種以“微加固、可切削、嚴(yán)密封、強(qiáng)支護(hù)”為基本特征的聯(lián)絡(luò)通道施工工法，并介紹了錐形切削刀盤、始發(fā)接收套筒、移動式預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，工程應(yīng)用效果符合預(yù)期，提高了聯(lián)絡(luò)通道施工的機(jī)械化水平，保障了施工人員的安全。隨著工藝的不斷優(yōu)化，施工時(shí)間正在逐漸縮短，目前可在一周左右完成一條聯(lián)絡(luò)通道的掘進(jìn)，極大地縮短城市軌道交通的建設(shè)周期。該工法在城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程的工程應(yīng)用為其在諸如污水、電力、信息管網(wǎng)等眾多“T 接”地下工程的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)，給地下空間開發(fā)提供了一種新的技術(shù)選項(xiàng)。