花崗巖地層大直徑盾構(gòu)長距離空推技術(shù)難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)

周 智

（中鐵建華南建設(shè)有限公司 廣州 510006）

0 引言

隨著城市地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵隧道的直徑和埋深在不斷地加大，這給城市地鐵隧道施工提出了新的挑戰(zhàn)。不僅如此，隨著埋深增加，地層的性質(zhì)發(fā)生改變，由土層或者強(qiáng)、中風(fēng)化的巖層逐漸變成了微風(fēng)化巖層等硬度和完整性較大的地層。在這種條件下，采用盾構(gòu)機(jī)難以在硬巖地層中掘進(jìn)，只能采用礦山法施工，或者是礦山法+盾構(gòu)機(jī)空推拼裝管片的方式通過，國內(nèi)外已有相當(dāng)數(shù)量的盾構(gòu)空推相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道［1-3］。

所謂盾構(gòu)空推技術(shù)，就是盾構(gòu)機(jī)往前頂推前進(jìn)，伴隨盾尾拼裝管片，但盾構(gòu)機(jī)前方不存在需要開挖的土體，是一個(gè)空洞或者臨空面，故名為空推。盾構(gòu)空推技術(shù)，在盾構(gòu)機(jī)完成區(qū)間隧道開挖，通過車站段并進(jìn)行二次始發(fā)的情況下較為常見［4］，我國的重慶地鐵［5］就有過相關(guān)實(shí)踐。這種情況下，一般是因?yàn)槭及l(fā)井口附近難以滿足盾構(gòu)吊裝需求，需要盾構(gòu)機(jī)運(yùn)動(dòng)到前方滿足條件的井口，所以需要進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)空推過站。在另外一些情況下，如盾構(gòu)機(jī)前方地層硬度過大無法進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，也需要靈活調(diào)節(jié)施工方式，采用空推通過暗挖隧道［6］，再進(jìn)行二次始發(fā)。我國的城市地鐵建設(shè)經(jīng)過多年的發(fā)展，也多次遇到過類似的情況，并在長沙地鐵［7］、廣州地鐵六號(hào)線［8］、某城市地鐵［9］中成功地采用了盾構(gòu)空推工法。這些報(bào)道中，盾構(gòu)隧道的直徑多為地鐵隧道中常見的6 m 左右直徑，屬于常規(guī)直徑盾構(gòu)。在盾構(gòu)空推施工中，盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)軌跡對(duì)施工質(zhì)量和安全至關(guān)重要，需要特別加以關(guān)注和控制。趙志龍等人［10］研究了長春地鐵2號(hào)線某標(biāo)段中采用的鋼板+導(dǎo)軌的控制方式并得到了相關(guān)啟示，李昌峰等人［11］在實(shí)際工程中，利用鋼板滑動(dòng)法，解決了盾構(gòu)空推過站中遇到的問題。此外，還有利用構(gòu)造軌道的方法［1］，幫助控制空推盾構(gòu)機(jī)的軌跡的相關(guān)報(bào)道。

在前人的研究中可見，目前隨著城市地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，所遇到硬巖地層逐步增多，采用盾構(gòu)空推通過礦山法隧道這一方式通過硬巖地層已經(jīng)較為常見。但另一方面，隨著盾構(gòu)隧道直徑的增加，礦山法隧道的內(nèi)輪廓也在加大，盾構(gòu)管片外徑和礦山法隧道內(nèi)輪廓之間的空間也在加大，難以填充的縫隙將影響管片施工質(zhì)量。此外，由于盾構(gòu)空推通過礦山法隧道時(shí)，周圍地層無法對(duì)盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生有效約束，這便給盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)過程中的姿態(tài)控制和線路控制提出技術(shù)難題。因此，本文將基于花崗巖地層中的大直徑盾構(gòu)空推中可能的技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)性地提出一些解決方案。在此基礎(chǔ)上，本文通過對(duì)具體案例進(jìn)行剖析，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)以供類似工程參考。

1 大直徑盾構(gòu)空推主要技術(shù)難點(diǎn)

在盾構(gòu)空推過程中，由于盾構(gòu)機(jī)的作業(yè)面是由礦山法開挖后，在圍巖表面噴錨或者噴射混凝土所形成，因此其表面必定凹凸不平，甚至有一些地方有較大的起伏，如圖1 所示。在這種情況下，盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)，其姿態(tài)必定受到作業(yè)面表面的不平整所影響，甚至產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。另一方面，如圖1所示，由于大直徑盾構(gòu)機(jī)（φ8 800 mm）自身的外徑較大，空推所需要的礦山法初支內(nèi)徑必然比較大。這樣一來，不可避免地在管片拼裝完成后，由于孔隙存在和填充不及時(shí)，引起管片變形，影響施工質(zhì)量。此外，由于空推段盾構(gòu)機(jī)前方面臨著臨空面，與常規(guī)推進(jìn)時(shí)所處工況不同，盾構(gòu)機(jī)頂推力和姿態(tài)控制等難度必定增加。在本文中，筆者基于地鐵隧道大直徑盾構(gòu)空推相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出大直徑盾構(gòu)空推所面臨的3 大技術(shù)難點(diǎn)：盾構(gòu)機(jī)軌跡把控難，拼裝管片易變形，盾構(gòu)機(jī)控制難，現(xiàn)對(duì)上述三大難點(diǎn)展開論述如下：

圖1 大直徑盾構(gòu)空推主要難題示意Fig.1 Schematic Diagram of Main Problems of Air Thrust of Large Diameter Shield

1.1 空推中盾構(gòu)機(jī)軌跡難把控

大直徑盾構(gòu)機(jī)在通過空推段時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)的外徑小于初支的內(nèi)徑，加上初支施工過程中造成的初支外表面凹凸不平，極易引起盾構(gòu)機(jī)在初支輪廓內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、移位等現(xiàn)象，如圖2所示?？芍?，在平面內(nèi)，由于初支內(nèi)表面的不平順，引起盾構(gòu)機(jī)盾尾千斤頂與管片之間接觸應(yīng)力的不均勻，容易造成盾構(gòu)機(jī)在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。此外，由于盾構(gòu)機(jī)與隧道初支輪廓之間空隙的存在，以及頂推力的不均勻分布，也容易引起大直徑盾構(gòu)機(jī)在空推過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至使得盾構(gòu)機(jī)軸線偏離設(shè)計(jì)軸線。這樣一來，大直徑盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)的軌跡將在空推施工中逐漸偏轉(zhuǎn)，且越來越難以把控，影響后續(xù)管片拼裝的準(zhǔn)確性和工程質(zhì)量。

圖2 大直徑盾構(gòu)機(jī)空推過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)Fig.2 The Large Diameter Shield Machine Deflects in the Course of Empty Pushing

1.2 空推中拼裝管片易變形

由圖1可知，在大直徑空推過程中，還伴隨著盾尾前進(jìn)和管片拼裝。在這一過程中，由于管片外徑和初支內(nèi)輪廓存在著較大的縫隙。如果這一縫隙無法及時(shí)填充，將會(huì)引起拼裝后的管片變形，并帶動(dòng)已經(jīng)拼裝好的鄰近管片發(fā)生變形。此外，管片變形和1.1 節(jié)所述的盾尾頂推力不均勻分布是相互作用的，不均勻的頂推力分布加速的管片變形，管片變形又進(jìn)一步地惡化了頂推力不均勻分布的趨勢(shì)。而在大直徑盾構(gòu)空推過程中，由于管片直徑較大，連接更加復(fù)雜，局部的變形極其容易引起整體的變形和管片移位，影響施工質(zhì)量。因此，如何控制大直徑盾構(gòu)空推過程中的管片變形也是大直徑盾構(gòu)空推過程中所面臨的難題之一，對(duì)施工質(zhì)量有著重大影響。

1.3 空推中盾構(gòu)機(jī)控制難

大直徑盾構(gòu)機(jī)相比6 m左右直徑的常規(guī)盾構(gòu)機(jī)而言，其體量、重量、控制難度本身就有十分顯著的提升。在盾構(gòu)空推過程中，經(jīng)過上兩節(jié)的論述，可以發(fā)現(xiàn)盾尾的頂推力和盾尾管片的變形相互影響，加大了盾構(gòu)機(jī)的控制難度。這一問題可以從盾構(gòu)空推過程中，前面、側(cè)面是臨空面，而后面則是容易擾動(dòng)的新裝管片，使得大直徑盾構(gòu)機(jī)在空推過程中缺少有效約束來反映。大直徑盾構(gòu)機(jī)空推過程中，前面、側(cè)面（除底面接觸外）都沒有與初支接觸，難以形成有效的自由度限制，使得盾構(gòu)機(jī)可以向這些方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)一步地，不均勻的頂推力分布也加劇了盾構(gòu)機(jī)的偏轉(zhuǎn)。如此一來，盾構(gòu)機(jī)的控制將更加困難，特別是對(duì)于盾構(gòu)機(jī)頂推力的控制，因?yàn)樵诖笾睆蕉軜?gòu)空推過程中，也只有通過控制頂推力這一影響因素來控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和前進(jìn)方向了。而大直徑盾構(gòu)機(jī)本身的體量、重量等級(jí)，顯著地增加了其姿態(tài)的控制難度。

2 主要應(yīng)對(duì)思路

在本節(jié)中，根據(jù)大直徑盾構(gòu)空推所面臨的主要技術(shù)難題，筆者將結(jié)合相關(guān)項(xiàng)目的管理經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)性地提出一些應(yīng)對(duì)的思路和方法。針對(duì)大直徑盾構(gòu)機(jī)空推過程中軌跡把控難這一問題，提出了通過加強(qiáng)測(cè)量放線精度和預(yù)設(shè)線路限制這一方案，來控制大直徑盾構(gòu)機(jī)的軌跡。針對(duì)大直徑盾構(gòu)機(jī)空推拼裝管片易變形這一難點(diǎn)，本文提出快速填充初支與管片間隙這一措施。針對(duì)盾構(gòu)機(jī)控制難，采用不間斷數(shù)據(jù)采集結(jié)合數(shù)據(jù)分析，并據(jù)此對(duì)大直徑盾構(gòu)機(jī)的頂推力進(jìn)行精確控制的方案來解決這一難題。

2.1 加強(qiáng)測(cè)量放線精度和預(yù)設(shè)線路限制

從第1 節(jié)的討論中可以發(fā)現(xiàn)，大盾構(gòu)機(jī)在空推過程中，其軌跡難以把控的主要原因有：初支襯砌的平順性較差，以及盾構(gòu)機(jī)僅底面受到初支約束，側(cè)面和正面缺少有效限制導(dǎo)致其易發(fā)生軌跡波動(dòng)。對(duì)于軌跡容易波動(dòng)這一問題，最為常規(guī)的解決方案便是通過加強(qiáng)測(cè)量，加密測(cè)量間距，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)大直徑盾構(gòu)機(jī)的軌跡波動(dòng)，及時(shí)糾偏。此外，還需加強(qiáng)放線精度，通過結(jié)合加密測(cè)量間距，更方便快捷地校核空推過程中大直徑盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際軌跡與預(yù)設(shè)軌跡的差異，及時(shí)糾偏。

筆者的經(jīng)驗(yàn)表明，僅僅是加密測(cè)量和提升放線精度，并不能從根本上解決上述兩大原因引起的大直徑盾構(gòu)機(jī)軌跡變動(dòng)。因此，還需從提升盾構(gòu)機(jī)通過底面的平順性和增加盾構(gòu)機(jī)側(cè)向約束的方式，如安裝側(cè)面導(dǎo)軌、在初支表面進(jìn)行平順處理等方式，提升盾構(gòu)機(jī)軌跡的準(zhǔn)確和可控性。

2.2 快速填充初支與管片間隙

筆者的經(jīng)驗(yàn)，和第1節(jié)的討論均可表明，盾構(gòu)管片的變形主要原因是側(cè)向有效約束的缺乏，以及盾構(gòu)頂推力的不均勻分布。所謂側(cè)向有效約束的缺乏，實(shí)際上是由于大直徑盾構(gòu)管片的外輪廓與初支內(nèi)輪廓之間的較大縫隙未能及時(shí)填充和固定所引起的。而盾構(gòu)頂推力的不均勻，在一定程度上也是因?yàn)槲茨芗皶r(shí)填充縫隙，所引起的管片下沉和變形所造成的。

因此，根據(jù)筆者的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，快速填充初支和管片之間的較大縫隙，并保證填充的密實(shí)度和堅(jiān)固性對(duì)于減少管片變形，提升施工質(zhì)量是十分有益的。所謂快速，其前提條件是填充介質(zhì)的流量足夠大，在管片拼裝完成后，可以在較短的時(shí)間內(nèi)充滿縫隙，在管片變形前就施加好限制。另一方面，在填充介質(zhì)到位后，還需要固定填充介質(zhì)，減少填充介質(zhì)動(dòng)動(dòng)，避免因填充介質(zhì)活動(dòng)造成新的孔隙。

2.3 盾構(gòu)頂推力精確監(jiān)測(cè)控制

從上面的討論和分析可以發(fā)現(xiàn)，大直徑盾構(gòu)空推過程中，頂推力的控制對(duì)于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制、盾構(gòu)管片變形控制兩方面均有較大益處。由于大直徑盾構(gòu)機(jī)空推過程中，頂推力基本上是唯一的可以控制的因素，因此頂推力的精確監(jiān)控對(duì)盾構(gòu)機(jī)軌跡、管片施工質(zhì)量、盾構(gòu)機(jī)控制等方面至關(guān)重要。

所謂精確，一方面是測(cè)量和控制的精度要足夠，即保證測(cè)量數(shù)據(jù)和頂推力的控制精度和頂推力調(diào)控的位置要足夠準(zhǔn)確，不能出現(xiàn)顯著偏轉(zhuǎn)而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。另一方面，精確還在于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)反饋，以及頂推力調(diào)控的及時(shí)性。通過精度和時(shí)效性的雙重保障，可以使得盾構(gòu)頂推力可以很好地調(diào)節(jié)和控制，而保證大直徑盾構(gòu)機(jī)在空推過程中控制的有效，保證施工質(zhì)量。

3 案例分析

本節(jié)中，將基于一個(gè)具體的大直徑盾構(gòu)空推案例，對(duì)該案例中所采用的大直徑盾構(gòu)長距離空推關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行剖析，并結(jié)合前述各節(jié)所總結(jié)出的大直徑盾構(gòu)空推主要技術(shù)難題和應(yīng)對(duì)思路，總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，為類似工程提供參考。

3.1 工程概況

廣州市軌道交通22 號(hào)線某盾構(gòu)井區(qū)間設(shè)計(jì)單線長約2.5 km。區(qū)間管片外徑8.5 m，內(nèi)徑7.7 m，環(huán)寬1.6 m，管片壁厚400 mm，為通用襯砌環(huán)，雙面楔形量46 mm。因區(qū)間地層多為全斷面〈8Z〉中風(fēng)化混合花崗巖、〈9Z〉微風(fēng)化混合花崗巖，以及工期緊、任務(wù)重等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)變更增加暗挖段，采取盾構(gòu)空推拼管片方式通過。區(qū)間暗挖段設(shè)計(jì)左線起止里程為：ZDK37+336.000～ZDK37+930.000（單線長約594 m）、右線起止里程為：YDK37+304.000～YDK37+910.000（單線長約606 m），雙線設(shè)計(jì)長約1 200 m暗挖段，如圖3所示。

圖3 案例工程線路設(shè)計(jì)概況Fig.3 Overview of Case Engineering Circuit Design

本工程中，礦山法隧道采用圓形斷面設(shè)計(jì)，底部預(yù)留盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)臺(tái)施工空間，預(yù)留盾構(gòu)管片外側(cè)與礦山法初支內(nèi)側(cè)間隙325 mm，拼管片后擬采用吹填豆粒石及注漿充填密實(shí)。暗挖隧道初支直徑9.15 m，盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為8.84 m（含保徑刀），理論填充空隙為9 m3/m（14.4 m3/環(huán)）。

3.2 圓弧盾構(gòu)導(dǎo)臺(tái)

為保證大直徑盾構(gòu)空推過程中，盾構(gòu)機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性，以及管片安裝的施工質(zhì)量，采用在初支襯砌表面，施作圓弧形導(dǎo)臺(tái)這一方式，保證大直徑盾構(gòu)機(jī)通過表面的平順性和為盾構(gòu)機(jī)施加必要的約束。

暗挖空推拼管片段隧道底部60°范圍設(shè)置盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)臺(tái)，如圖4 所示，倒臺(tái)采用C35 混凝土，內(nèi)凈空R=4 400 mm，厚度275 mm，導(dǎo)臺(tái)兩端與中心底部高度867 mm。橫縱向鋼筋采用φ10@150×150 單層居中布置，導(dǎo)臺(tái)內(nèi)弧長4 632 mm，外弧長5 547 mm。

圖4 圓弧盾構(gòu)導(dǎo)臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.4 Arc Shield Guide Platform Design（mm）

3.3 豆粒石加速填充和注漿

為及時(shí)填充管片間隙，該工程通過變更盾構(gòu)機(jī)配套，加大盾構(gòu)管片預(yù)留孔兩種方式，提升豆粒石的噴射和填充效率，保證間隙可以被快速填充。根據(jù)豆粒石洞內(nèi)噴射的需要及滿足現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支撐管片的作用，需自制1個(gè)7 m3的豆粒石儲(chǔ)料罐。豆粒石儲(chǔ)料罐尺寸根據(jù)管片平板車設(shè)計(jì)，滿足垂直及水平運(yùn)輸?shù)男枰?。電瓶車配? 個(gè)管片車+2 個(gè)渣土車平板（豆礫石）+1 個(gè)砂漿車+管片平板（材料）+車頭，共配置2 列電瓶車，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化上料、快速在洞內(nèi)噴射豆粒石。此外，本工程還原設(shè)計(jì)管片吊裝孔孔徑為φ40 mm，考慮從洞內(nèi)管片壁后噴射豆粒石需要，提高噴射效率，在不改變?cè)泄芷浣畹幕A(chǔ)上，將管片吊裝孔孔徑擴(kuò)大至φ75 mm，如圖5所示。

圖5 直線加速器機(jī)房隔墻典型尺寸Fig.5 Typical Size of Partition Wall in Linear Accelerator Room（mm）

圖5 增大管片注漿孔Fig.5 Increase the Grouting Hole of Segment（mm）

3.4 全過程信息化監(jiān)測(cè)

隨著技術(shù)的發(fā)展，信息化、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軌道交通建設(shè)中。在本工程中，將信息化平臺(tái)，結(jié)合到盾構(gòu)機(jī)上。通過將盾構(gòu)機(jī)和相關(guān)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果，上傳到云平臺(tái)上，并在云平臺(tái)中處理和顯示相關(guān)結(jié)果，保證了大直徑盾構(gòu)空推過程中的精確監(jiān)測(cè)，為準(zhǔn)確控制提供基礎(chǔ)。本工程中，通過利用左右線暗挖空推段施工中各項(xiàng)參數(shù)變化，在云平臺(tái)上自動(dòng)生成折線圖，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，左右線盾構(gòu)機(jī)過暗挖空推段時(shí)土壓為0 bar，推力7 000～11 000 kN，推力明顯減小，掘進(jìn)速度90～100 mm/min，掘進(jìn)速度增大。這也從側(cè)面表明，云平臺(tái)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以提升大直徑盾構(gòu)空推過程中的信息化程度，保障盾構(gòu)空推施工的準(zhǔn)確性。

圖6 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)結(jié)果Fig.6 Monitoring Cloud Platform Results

4 結(jié)語

本文基于大直徑盾構(gòu)空推所面臨的施工環(huán)境，以及大直徑盾構(gòu)機(jī)空推過程中的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)大直徑盾構(gòu)空推所面臨的主要技術(shù)難題進(jìn)行總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者工程經(jīng)驗(yàn)，提出了針對(duì)性的應(yīng)對(duì)方式，并結(jié)合具體工程案例，分析了相關(guān)應(yīng)對(duì)措施的效果，主要結(jié)論如下：

⑴通過施作導(dǎo)臺(tái)，給盾構(gòu)機(jī)軌跡施加限制，改善盾構(gòu)機(jī)底部接觸面的平順性，有利于大直徑盾構(gòu)空推過程中盾構(gòu)機(jī)軌跡的控制和盾構(gòu)機(jī)頂推力的控制；

⑵通過及時(shí)填充盾構(gòu)管片與初支的縫隙，可以有效地約束管片變形，并保證頂推力的均勻性，如此也可保證盾構(gòu)頂推力的均勻性；

⑶信息化、云平臺(tái)等相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，可以更好地幫助盾構(gòu)機(jī)空推過程中的精確控制，保證施工質(zhì)量。