盾構(gòu)穿越地鐵隧道與地下道路合建段施工技術(shù)研究

晁飛洋

(中鐵十八局集團第三工程有限公司 ，河北 涿州 072750)

1 工程概況

濟南市CBD市政配套工程(軌道交通預留)土建二標歷下廣場站—綢帶公園站區(qū)間與地下環(huán)路合建節(jié)點位于濟南CBD中央綠軸與橫十路交叉點下方，盾構(gòu)區(qū)間下穿橫十路地下環(huán)路。

盾構(gòu)區(qū)間管片頂部與地下環(huán)路底板結(jié)構(gòu)豎向最小間距670 mm，采用地下環(huán)路與盾構(gòu)區(qū)間交叉節(jié)點明挖合建施工，合建節(jié)點兼做聯(lián)絡通道；合建節(jié)點內(nèi)凈結(jié)構(gòu)尺寸22.4 m×36.572 m，周邊地下空間開放地段，無重要建構(gòu)筑物。隧道穿越地層圍巖等級為Ⅲ～Ⅵ級，無地表水穿過。地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造

地下環(huán)路與盾構(gòu)區(qū)間交叉節(jié)點里程SK0+796.249—SK0+832.821，盾構(gòu)空推下穿地下環(huán)路長36.572 m，南北為28‰下坡。

2 下穿合建節(jié)點施工方案確定

2.1 盾構(gòu)下穿地下環(huán)路方案比選

方案1:盾構(gòu)整機過站、整環(huán)拼裝負環(huán)管片始發(fā)。盾構(gòu)接收后空推到始發(fā)端頭，采用整機始發(fā)方式，根據(jù)實際空間結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)位于環(huán)路下方，難以安裝反力架，同時由于負環(huán)與環(huán)路底部空間狹小，負環(huán)管片的拆除難度大，風險高。

方案2:盾構(gòu)整機過站、半環(huán)拼裝負環(huán)管片始發(fā)。盾構(gòu)接收后空推到始發(fā)端頭，采用整機始發(fā)方式，根據(jù)實際空間結(jié)構(gòu)，安裝反力架，負環(huán)管片拼裝下半環(huán)，上半環(huán)采用鋼支撐代替管片，可方便負環(huán)拆除；但反力架安拆仍受空間限制，裝拆難度大，同時半環(huán)拼裝穩(wěn)定性較差，難以滿足硬巖地層盾構(gòu)始發(fā)反力、扭矩要求。

以上2個方案皆需要在狹小空間安裝反力架，受上部空間限制，安拆難度大、風險高。整環(huán)拼裝負環(huán)時，管片頂部空間0.6 m，每塊管片質(zhì)量約4 t，既不方便安裝手拉葫蘆，也不便于負環(huán)管片的拆卸，拆除風險很高；采用半環(huán)拼裝管片時，仍需至少安裝1個整環(huán)，且半環(huán)負環(huán)管片穩(wěn)定性較差，盾構(gòu)二次始發(fā)風險較大。

采用方案:通過對盾構(gòu)空推、二次始發(fā)的風險分析，基于多次方案比選，提出采用混凝土導臺、整環(huán)拼裝、空推通過合建節(jié)點方案。為了方便負環(huán)拆除安全，在接收端設計鋼構(gòu)軸向間隙可調(diào)管片，在拆除負環(huán)管片時，可方便卸除負環(huán)管片間的內(nèi)力，便于負環(huán)的吊出；在井口處管片常規(guī)方法吊出負環(huán)管片，在環(huán)路下部的管片采用分組拖拉方式，由電瓶車拖拉到井口位置，依次拆卸吊出。

2.2 負環(huán)管片拆除方法

鋼構(gòu)負環(huán)管片由六塊組成，每塊的弧長等同于對應混凝土管片，以方便于狹小空間的安裝，整環(huán)制作完成后按對應管片尺寸分割，分割間隙50～100 mm[1]。鋼構(gòu)負環(huán)拼裝如圖2所示。

圖2 鋼構(gòu)負環(huán)拼裝

鋼構(gòu)管片分為A1、A2、A3、L1、L2、K(標準塊1、標準塊2、標準塊3、臨結(jié)塊1、臨結(jié)塊2、封頂塊K)，A1′、A2′、A3′、L1′、L2′、K′；其中A1、A1′，A2、A2′，A3、A3′，L1、L1′，L2、L2′，K、K′相互對應，其尺寸對應于相應混凝土管片的斷面尺寸，圖3所示為鋼構(gòu)負環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖3 鋼構(gòu)負環(huán)結(jié)構(gòu)

鋼構(gòu)管片連接孔與混凝土管片相同，A1、A2、A3、L1、L2、K上焊接H型鋼支座，每個螺栓孔處焊接兩個H型鋼支座，其凈間距L200 mm，其腹板上加工有2個連接孔；其中一個為精加工孔用于穿錐銷、另一個孔為螺栓孔。A1′、A2′、A3′、L1′、L2′、K′上對應A1、A2、A3、L1、L2、K上的H型鋼支座每處焊接2個支撐耳板，其長度低于H型鋼20～40 mm，其上與H型鋼銷孔對應處為精加工銷孔，與之對應的螺孔處為長螺孔，其長孔中心距位30 mm。連接耳板與H型鋼裝配焊接。

對應混凝土管片上先安裝A1、A2、A3、L1、L2、K，再對應連接安裝的A1′、A2′、A3′、L1′、L2′、K′，負環(huán)安裝時穿入銷孔的錐銷定位并承受軸向荷載的部分剪力；螺栓孔穿入螺栓并緊固，其螺栓緊固后的摩擦力與錐銷剪力共同抵消負環(huán)管片間的軸向應力。

在負環(huán)管片拆卸時，先依次送高強度螺栓，再依次拆除錐銷，軸向移動A1′、A2′、A3′、L1′、L2′、K′對應環(huán)片，這樣在金屬自制管片與混凝土管片間可形成20～30 mm的間隙。逐片拆除自制金屬環(huán)片后逐片、逐環(huán)拆除混凝土管片。

井口處管片拆除完成后，用電瓶車遷移分組管片，5環(huán)一組整體移動到井口處。利用管片連接螺栓安裝拖拉板，在拖拉板上掛鋼絲繩，拖拉板安裝于負環(huán)管片支撐鋼軌附近的管片連接螺栓處，用3根鋼絲繩拖拉管片，2根4 m鋼絲繩連接管片拖拉板，1根長26 m鋼絲繩(滿足空推長度)與2根4 m鋼絲繩用卡環(huán)連接。

2.3 混凝土導臺設計與施工

2.3.1 結(jié)構(gòu)預埋件預埋

在南側(cè)合建節(jié)點底板預埋鋼板，盾構(gòu)下穿地下環(huán)路時，拼裝管片將落于砼導臺上，砼導臺部分配筋與預埋鋼板焊接，以此增加砼導臺穩(wěn)定性[2]。軌道區(qū)間底板預埋件平面布置見圖4。

圖4 軌道區(qū)間底板預埋件平面布置(單位：mm)

將預埋鋼板與錨固鋼筋進行牢固焊接，鋼筋型號Φ28 mm，錨固鋼筋長250 mm，錨固長128 mm。

2.3.2 導臺整體設計

左線導臺里程為SK0+803.837—SK0+840.408，右線導臺里程為SK0+796.249—SK0+832.841。通過現(xiàn)場實測洞門中心標高與設計標高對比，實際標高低于設計標高2.5 cm。因此，南側(cè)砼導臺按盾體安放在導軌上時，中心與實際標高相同；北側(cè)砼導臺按盾體安放在導軌上時，中心比設計標高高2 cm。鋼導軌通過與預埋于導臺內(nèi)的預埋件焊接固定于砼導臺上，導臺采用C30混凝土澆筑?；炷翆_尺寸：長36.572 m，寬5 m、高1.059 m(可根據(jù)現(xiàn)場實際地面進行調(diào)整，保證規(guī)定標高符合設計)。混凝土導臺結(jié)構(gòu)設計如圖5所示。

圖5 導臺結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.3.3 鋼筋混凝土導臺配筋

鋼筋混凝土導臺總長36.572 m，主筋接頭相互錯開，箍筋Φ8 mm@600 mm光圓鋼筋。鋼筋混凝土導臺配筋設計如圖6所示[3]。

圖6 鋼筋混凝土導臺配筋設計(單位：mm)

2.3.4 導臺預埋件預埋

導臺預埋件為鋪設鋼軌提供焊接點，導臺兩側(cè)分別預埋鋼板，預埋件間距為0.5 m，單線埋件共計150個。

2.3.5 導臺及導軌施工

砼導臺施工前先進行地下環(huán)路區(qū)間底板回填，南側(cè)回填至標高65.299 m，北側(cè)回填至標高64.274 m，按由南向北28‰回填(方案顯示高程及坡度按照設計圖提供數(shù)據(jù)進行反算)；鋼導軌定位要準確，導軌頂面要平順，鋼軌與導臺預埋鋼板焊接牢固；如果在拆模時發(fā)現(xiàn)導臺不夠平整，則必須對它進行修整以達到設計要求。為防止盾構(gòu)機接收、始發(fā)時出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，盾構(gòu)機進洞時導臺導軌標高比理論值降低20 mm，而在出洞前導臺導軌標高比理論值提高20 mm；預埋鋼板標高必須進行嚴格控制，標高偏差控制在+3 mm，水平偏差5 mm，傾斜角度偏差(0°，-0.3°)。導軌安裝前必須對預埋鋼板進行標高復核，并對預埋鋼板進行調(diào)整(對低的鋼板使用鋼板墊高)，保證兩導軌同一截面標高相同，且同一側(cè)軌道連接平整，為同一坡度[4]。

2.4 端頭加固與洞門止水密封

目前盾構(gòu)進出洞端頭加固方法常見的有深層攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結(jié)加固法、三軸攪拌樁和素混疑土鉆孔灌注樁，此項目選取高壓旋噴樁和三軸攪拌樁結(jié)合的加固方案。加固相關(guān)要求：

(1)加固土體無側(cè)限在28 d時間范圍內(nèi)，抗壓強度不小于0.8 MPa。

(2)滲透系數(shù)不大于1.0×10-8cm/s。

(3)三軸攪拌樁樁體搭接長度不小于25 cm，樁體垂直度偏差小于1/220。

(4)檢測加固效果的時候，取樣孔必須到達加固區(qū)底部，完成檢測以后，將取樣孔進行注漿密實處理。

加固具體方案：當沉井下沉之后，等到地基基本穩(wěn)定的時候，在距離洞門60 cm范圍之外11.4 m、超過隧道頂部3.0 m、沉井底部1.0 m以下的土層，選取?85 cm密排相互咬合25 cm三軸攪拌樁采用18%水泥含量強加固施作。針對已經(jīng)被擾動的土層，選取三軸攪拌樁通過采用18%水泥含量強加固施作，靠近洞口前60 cm范圍選取60 cm高壓旋噴樁對隧道進行加固，確保洞門地下連續(xù)墻和加固段能夠緊密固結(jié)，保證盾構(gòu)機安全接收和始發(fā)。

洞門止水密封采用止水簾布，盾構(gòu)始發(fā)防水裝置結(jié)構(gòu)示意圖和簾布橡膠板尺寸見圖7和圖8。盾構(gòu)接收洞門止水密封和始發(fā)相同。

圖7 盾構(gòu)始發(fā)防水裝置結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖8 簾布橡膠板尺寸(單位：mm)

3 盾構(gòu)下穿地下環(huán)路施工技術(shù)

3.1 盾構(gòu)接收準備工作

(1)以導臺導軌延伸對應的位置設置導軌位置，導軌采用P43鋼軌[4]。

(2)在盾構(gòu)機接收前完成洞門密封裝置，洞門密封簾布裝置的具體保護措施另行施作。

(3)在盾構(gòu)機推上導臺前，由測量人員進一步復核砼導臺鋼軌標高，確保盾構(gòu)機順利推上砼導臺。

(4)為保證近洞口10環(huán)管片的穩(wěn)定，在環(huán)與環(huán)管片之間2點、6點、10點、14點處采用14#b槽鋼將管片拉緊，見圖9。槽鋼上焊接掛件，掛件與管片螺栓連接。

圖9 拉緊裝置結(jié)構(gòu)

3.2 盾構(gòu)接收注意事項

(1)最后7環(huán)管片推進時，同步注漿配比采用水泥用量更大的配比。

(2)在盾尾進入洞門圈后停止推進，在洞內(nèi)注雙液漿填充洞門圈，封閉洞門。注漿過程中需密切關(guān)注洞門圈密封裝置情況，出現(xiàn)漏漿先停止注漿及時進行處理，處理好后再進行注漿。洞門封堵完后，繼續(xù)推進。

(3)刀盤出洞露出后及時清理碴土以免破壞止水簾布。

(4)一些工序和復測數(shù)據(jù)確認無誤后可將盾構(gòu)推上導臺。盾構(gòu)推進過程中必須密切關(guān)注導臺及導軌的情況，一旦出現(xiàn)變形等異常情況，應及時停止推進并進行處理。

3.3 盾構(gòu)管片拼裝

管片拼裝順序為由南向北，拼裝完一環(huán)管片后，使用盾構(gòu)機推進模式進行空推前移。第2環(huán)與第3環(huán)之間拼裝鋼構(gòu)管片。第2環(huán)、第3環(huán)使用鋼構(gòu)封頂塊，拼裝點位分別為9點、11點，其余管片拼裝點位都為1點，如圖10所示。

圖10 地下環(huán)路段整環(huán)管片拼裝

鋼構(gòu)管片安裝步驟：在第2環(huán)混凝土管片上，先安裝A1、A2、A3、L1、L2、K，再對應連接安裝A1′、A2′、A3′、L1′、L2′、K′，安裝時穿入錐銷定位并承受軸向荷載的部分剪力；螺栓孔穿入螺栓并緊固，其螺栓緊固后的摩擦力與錐銷剪力共同抵消負環(huán)管片間的軸向應力。

鋼構(gòu)封頂塊安裝步驟：先安裝小端面弧形板，再安裝兩側(cè)槽鋼，最后安裝大端面弧形板，管片間連接使用特制管片螺栓，鋼構(gòu)管片間的連接使用高強度螺栓。

3.4 地下環(huán)路管片支撐及加固

為了提供盾構(gòu)機二次始發(fā)的反力，保證二次始發(fā)的第“零”環(huán)管片定位準確，有效控制二次始發(fā)時管片的錯臺量，必須做好管片支撐措施。管片固定主要為兩側(cè)固定和環(huán)管片間的固定等兩部分，管片支撐分為底部支撐、兩側(cè)支撐、整環(huán)管片固定、兩環(huán)管片間的固定等部分[5]。圖11為負環(huán)管片支撐加固情況。

圖11 負環(huán)管片支撐加固

3.4.1 底部支撐

當管片脫出盾尾后，導臺鋼軌與管片之間存在間隙，利用可移動式支撐進行支撐，防止管片下沉，可移動支撐放置部位為每環(huán)的中心位置及與下環(huán)連接的位置。

可移動支撐安裝步驟：將槽鋼扣于導臺鋼軌上，將鋼三角楔使用錘子打入槽鋼與管片間的縫隙，電焊工將鋼三角楔與槽鋼焊接在一起；在地下環(huán)路段兩側(cè)設置三腳架，三腳架使用10#工字鋼加工而成，管片脫出盾尾后在管片與三腳架橫撐之間打入木楔子，放置部位為每環(huán)的中心位置及與下環(huán)連接的位置，管片頂部使用一根18#工字鋼豎向支撐在管片頂部，支撐位置為管片間連接處，兩側(cè)分別使用一根18#工字鋼橫向支撐，支撐位置為管片間連接處。

3.4.2 整環(huán)固定

為了防止管片上浮，管片脫出盾尾一半后，立即用?20 mm以上的鋼絲繩環(huán)向拉緊管片，防止管片向上偏移，鋼絲繩通過拉緊螺絲拉緊。

3.4.3 兩環(huán)管片間的固定

及時擰緊管片與管片間的連接螺絲，且做到拼裝緊固，脫出盾尾緊固，脫出盾尾3環(huán)后緊固。

3.5 盾構(gòu)在地下環(huán)路段內(nèi)推進

盾構(gòu)機推上砼導臺后屏蔽刀盤空推前進，推進時使用下半部分油缸作用在已拼裝好的管片上(B、C組)，推進速度控制在10～20 mm/min以內(nèi)；為防止盾構(gòu)機在地下環(huán)路段推進過程中旋轉(zhuǎn)，在盾體兩側(cè)加焊防扭鋼板，管片拼裝過程中刀盤前焊接防盾構(gòu)前移裝置；每環(huán)管片在脫離盾尾超過一半后，及時墊塞楔形方木塞緊，管片與導臺導軌間的空隙可用細砂填充；盾構(gòu)姿態(tài)由于導臺在澆筑時已確定，則盾構(gòu)姿態(tài)應與導臺一致。

3.6 地下環(huán)路段二次始發(fā)

區(qū)間左右線盾構(gòu)機從地下環(huán)路段再次始發(fā)，反力由整環(huán)管片提供(正常掘進的模式)。始發(fā)前由測量班組進行洞門復核，確定具體中心偏差值；洞門安裝止水簾布、折頁板，安裝洞門小導軌；地下環(huán)路段內(nèi)和出洞后6環(huán)千斤頂總推力應控制在1 800 t以內(nèi)，速度控制在15～20 mm/min以內(nèi)；推進過程中，千斤頂推力的調(diào)節(jié)應平穩(wěn)，防止推力突變；為防止盾構(gòu)機推進過程中盾體滾動，在盾體上焊接防扭塊。每環(huán)管片脫出盾尾超過管環(huán)寬度一半時，在管環(huán)底部及時塞楔形方木并灌砂回填管環(huán)與導臺間的空隙；做好注漿工作，防止進入洞門后的最初幾環(huán)管片下沉，必要時注雙液漿，加強出洞期間地面沉降的監(jiān)測。

3.7 地下環(huán)路管片拆除

區(qū)間左右線盾構(gòu)機二次始發(fā)進洞后100～120 m，組織拆除地下環(huán)路段管片。管片拆除方法：吊裝井口段采用130 t吊車配合拆除+地下環(huán)路結(jié)構(gòu)段分組平移+先平移后拆除。

4 監(jiān)控測量

4.1 地面沉降監(jiān)測

(1)盾構(gòu)機距洞口100～150 m位置的時候，順著左右地面隧道中線位置，每間隔15 m設置一個監(jiān)測斷面，并在地下環(huán)路提升井口地面適當位置增設監(jiān)測斷面。

(2)測量頻率：對于盾構(gòu)機前100 m初值測量頻率為1次/d，盾構(gòu)機前后20 m里程測量頻率為2次/d，加強盾構(gòu)機出洞過程監(jiān)控。

4.2 隧道主控導線及水準測量

在貫通前100 m和50 m處，對隧道高程、主控導線分別進行兩次復核，以確保支架和盾構(gòu)機姿態(tài)測量的準確性。

4.3 門環(huán)復驗

對地下環(huán)路入口環(huán)中心的三維坐標和內(nèi)徑實施精密校核和測量，確定入口環(huán)中心的水平和垂直偏移值位置，并對盾構(gòu)機滑動導軌的中心和標高進行精密測量。

5 結(jié)束語

本文采取的施工方案規(guī)避了半環(huán)管片穩(wěn)定性較差、盾構(gòu)二次始發(fā)風險較大的弊端，降低了盾構(gòu)二次始發(fā)、管片安裝拆卸難度和風險，實踐證明技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理、工期可控、風險可控。