軟土地層中大斷面矩形盾構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)研究

吳 韜

（上海申虹投資發(fā)展有限公司，上海市 200000）

0 引言

21世紀是隧道及地下空間大力發(fā)展的時代[1]。隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市建設(shè)的加速，傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)法隧道在國內(nèi)大中城市交通發(fā)展中有著廣泛的工程應(yīng)用，積累了豐富的設(shè)計和施工經(jīng)驗。

現(xiàn)代化都市的核心區(qū)域通常已建成高密度的建筑樓宇和各類地下設(shè)施，人車交通流量趨于飽和。近年來，伴隨著城市更新和功能提升的步伐，這些區(qū)域?qū)Υ髷嗝娴叵萝囆泻腿诵型ǖ赖倪B接產(chǎn)生了更廣泛的需求，復(fù)雜的周邊環(huán)境也給隧道建設(shè)提出了更嚴苛的要求。

傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道多采用圓形斷面，相比之下，矩形斷面的盾構(gòu)隧道在提高空間使用效率、潛覆土環(huán)境施工、優(yōu)化土體切削量和縮短建設(shè)工期等方面具有顯著優(yōu)勢[2]。矩形盾構(gòu)隧道的工程實踐始于日本，在日本千葉縣排水隧道、日本京都高鐵東西線等工程中應(yīng)用[3-4]。

2015年，國內(nèi)自主研發(fā)的首臺大斷面土壓平衡矩形盾構(gòu)機在上海虹橋臨空經(jīng)濟區(qū)11-3地塊地下連通道項目中完成了首次工程應(yīng)用，成功建造了28m長的矩形隧道[5]。該臺矩形盾構(gòu)機隨后轉(zhuǎn)運至上海虹橋商務(wù)區(qū)開展了第二次工程實踐。本文依托虹橋商務(wù)區(qū)至國展中心地下人行通道工程，聚焦研究矩形盾構(gòu)穿越道路和高架橋墩施工過程中的關(guān)鍵施工技術(shù)，形成的經(jīng)驗和結(jié)論以期對實施類似工程提供幫助。

1 工程概況

如圖1所示，虹橋商務(wù)區(qū)至國家會展中心地下人行通道工程，向東連接上海虹橋商務(wù)區(qū)地下中央軸線通道，向西接入國家會展中心下沉式廣場。通道全長524m，其中矩形盾構(gòu)段長83.95m，位于華翔路及嘉閔高架路下方，坡度為5‰。

圖1 地下人行通道總平面圖

隧道管片外包尺寸為9.75m（寬）×4.95m（高），內(nèi)凈尺寸為8.65m（寬）×3.85m（高），隧道上方覆土厚度約7.5m。開挖土層主要有②3號灰色粉砂層、③號粉質(zhì)黏土層和④號淤泥質(zhì)黏土層。

下穿的華翔路上管線眾多，包含各類市政管線，分布情況如圖2所示。將φ300和φ500的煤氣管整體抬高，原管采取廢棄處理；將11孔非開挖的信息管搬遷；雨水管井底部距矩形盾構(gòu)外殼最近距離為2.18m。

圖2 矩形盾構(gòu)穿越華翔路市政管線

嘉閔高架路橋梁位于華翔路上方，相鄰墩柱間跨徑為25m。橋梁承臺采用群樁基礎(chǔ)，矩形盾構(gòu)從跨中穿越，距離南側(cè)承臺5.086m，距離北側(cè)承臺3.962m。位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 矩形盾構(gòu)與嘉閔高架承臺樁基平面位置關(guān)系

2 矩形盾構(gòu)裝備與襯砌結(jié)構(gòu)

隧道掘進設(shè)備是國內(nèi)第一臺大型土壓平衡式矩形盾構(gòu)機，盾構(gòu)本體機總長9.05m，寬10.10m，高5.30m，如圖4所示。矩形盾構(gòu)機本體由切口環(huán)、支撐環(huán)和盾尾三部分組成，通過M30螺栓連接成整體。盾構(gòu)機后部配置8組設(shè)備車架，機頭總重量約300t。此外，為了實現(xiàn)矩形管片的拼裝，國內(nèi)自主研發(fā)了雙立柱式拼裝機。雙立柱式拼裝機由立柱、滑套、回轉(zhuǎn)支撐、橫臂和拼裝頭等部件組成[6]。

圖4 矩形盾構(gòu)在工廠內(nèi)拼裝

本次矩形隧道襯砌采用鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)管片，在箱型鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充C50混凝土。每環(huán)管片分為六分塊，包括拱底塊、兩側(cè)下塊、兩側(cè)上塊、封頂塊，縱向采用通縫拼裝形式，如圖5所示。

圖5 矩形盾構(gòu)管片拼裝

3 矩形盾構(gòu)軸線控制技術(shù)

隧道軸線控制是盾構(gòu)隧道施工的核心技術(shù)之一，軸線偏差也是隧道施工質(zhì)量驗收的關(guān)鍵指標。矩形盾構(gòu)由于機身形狀大而平坦，更易造成平面上的偏差。本次工程中，矩形盾構(gòu)機在盾尾離開加固區(qū)域后，出現(xiàn)機身上浮的不利情況。相較于設(shè)計軸線，盾構(gòu)機切口的最大偏差為向上99mm，盾構(gòu)機尾部的最大偏差為向上159mm。對此，本工程嘗試研究相關(guān)控制措施并付諸實踐。

3.1 調(diào)節(jié)千斤頂推力分配

矩形盾構(gòu)掘進過程中，通過動態(tài)測量和調(diào)整土壓力來控制盾構(gòu)切口面的穩(wěn)定。除此之外，隧道軸線控制的關(guān)鍵在于調(diào)整編組千斤頂?shù)男谐滩詈晚斄?，產(chǎn)生糾偏力矩，同時控制好管片的成環(huán)拼裝質(zhì)量。

如圖2所示，盾構(gòu)沿推進方向存在1.38%的向上坡度，盾構(gòu)機所受的推進反力傾斜向上，與浮力的疊加效應(yīng)致使盾構(gòu)機切口及盾尾高程易產(chǎn)生向上變化的趨勢。施工中先后采取如下措施進行控制。

（1）等比例調(diào)整各區(qū)千斤頂編組的推力，保證推進方向向下，總推力加大至1900t，同時放慢推進速度，維持住盾構(gòu)姿態(tài)不再向上變化。

（2）將上、下、左、右各區(qū)千斤頂編組的推力減小至500t、18t、40t和20t。隨后再逐漸增大各區(qū)推力，分別調(diào)整至1300t、60t、130t和120t。

由于下區(qū)千斤頂推力減至極小值，在確保盾構(gòu)機穩(wěn)定的前提下，盾尾下方形成支點，上區(qū)的千斤頂推力迫使盾構(gòu)機繞支點轉(zhuǎn)動，成功實現(xiàn)了切口姿態(tài)向下調(diào)整的目的。

3.2 泥墊糾偏

區(qū)別于圓形盾構(gòu)，矩形盾構(gòu)橫斷面不是中心對稱圖形，在各種因素的作用下，極易產(chǎn)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)，給矩形盾構(gòu)的進洞和后續(xù)使用功能造成很大影響。為此，本臺盾構(gòu)機在四周設(shè)有壓泥口，通過向指定位置土層注入高壓泥流，形成具有一定壓力的泥墊，可以為矩形盾構(gòu)機提供有效糾偏力。

3.3 出泥糾偏

本次施工中，盾構(gòu)上浮趨勢明顯。為了進一步控制盾構(gòu)姿態(tài)，施工中嘗試對盾殼進行改造，如圖6所示。具體做法如下：

圖6 出泥糾偏具體做法示意圖

（1）拆除原有的壓泥口錐形蓋板并加裝新蓋板。新蓋板均開設(shè)3個直徑4in的出泥孔并配備球閥。盾構(gòu)前部下方的土體在推進過程中會被擠出，切口姿態(tài)得到有效控制。

（2）為了進一步控制盾尾姿態(tài)，在支撐環(huán)下半部均勻開設(shè)3個直徑4in的出泥孔并配備球閥，向土體中注入清水，攪松后排出泥漿，有效降低了盾尾高程。

3.4 軸線控制效果

本工程中，矩形盾構(gòu)切口及盾尾的水平姿態(tài)均控制在允許范圍內(nèi)，如圖7和圖8所示，保證了矩形盾構(gòu)機順利進洞，隧道施工軸線滿足設(shè)計要求。

圖7 切口高程變化量統(tǒng)計

圖8 盾尾高程變化量統(tǒng)計

4 矩形管片橫豎內(nèi)徑控制技術(shù)

研究表明，矩形管片在施工期存在多種受力工況。其中，脫出盾尾階段和同步注漿階段是管片施工中最不利的2個受力階段[7]。螺栓預(yù)緊力對控制矩形襯砌結(jié)構(gòu)變形提供幫助，但并不是越高越好[8]。因此，矩形管片的橫豎內(nèi)徑控制應(yīng)該采取多次測量、多次調(diào)整的原則開展精細化作業(yè)。主要措施如下：

4.1 單塊管片拼裝要點

（1）拼裝左下塊與右下塊鄰接塊時，應(yīng)盡量向內(nèi)拉緊管片，進行第1次測量并復(fù)核橫徑，滿足設(shè)計要求后方可進行左上塊及右上塊鄰接塊的拼裝。

（2）左上塊及右上塊鄰接塊拼裝完成后，進行第2次測量并復(fù)核橫徑，滿足設(shè)計要求后進行封頂塊拼裝。

（3）封頂塊到位后，進行第3次測量并復(fù)核豎徑，滿足設(shè)計要求后方可人工擰緊螺栓。

（4）每塊管片拼裝時，應(yīng)滿足管片與盾尾間隙為5.5cm。每塊管片調(diào)整就位后，使用千斤頂頂緊。

4.2 新成環(huán)管片形狀控制

新一環(huán)管片拼裝完成后，應(yīng)立即復(fù)核新成環(huán)的橫徑和豎徑，符合設(shè)計要求后，方可使用液壓扳手緊固螺栓。如不符合要求，應(yīng)將形狀保持器前進至圖9所示位置，同時對成環(huán)管片施加頂力，直至復(fù)核測量滿足要求后，才能開展下一步操作。

圖9 矩形管片形狀保持器使用示意圖

緊固螺栓時，應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求控制擰緊扭矩。本工程控制值為3300N·m。螺栓擰緊施工完成后，再次復(fù)核管片橫豎內(nèi)徑偏差在允許范圍內(nèi)，方能進行下一環(huán)掘進。

4.3 實時監(jiān)測與復(fù)緊螺栓

新成環(huán)管片在荷載和變形穩(wěn)定之前，需要經(jīng)歷如下工況荷載：

（1）盾構(gòu)推進階段，千斤頂推力直接作用在管片側(cè)面。

（2）脫出盾構(gòu)階段，外部水土荷載直接作用在管片上。

（3）同步注漿階段，漿液擴散前所產(chǎn)生的附加荷載。荷載的變化將直接導(dǎo)致管片縱橫徑產(chǎn)生變化。

為此，施工中對成環(huán)管片的縱橫徑開展實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)研判，并及時復(fù)緊螺栓。

如圖10所示，通過動態(tài)的監(jiān)測與調(diào)整，管片過程中以及最終的橫徑偏差控制在+20mm以內(nèi)，豎徑偏差控制在-30mm以內(nèi)，符合設(shè)計要求。

圖10 矩形盾構(gòu)成環(huán)管片橫徑與豎徑監(jiān)測

5 施工環(huán)境影響控制

5.1 高架樁基變形

為確保高架市政設(shè)施在施工期間的安全，提前在盾構(gòu)與橋樁間實施了高強度MJS樁予以隔離，并設(shè)置了土體深層沉降監(jiān)測點、土體測斜監(jiān)測點和水位觀測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，矩形盾構(gòu)穿越之后，橋樁橫向和豎向位移數(shù)值極小。同時，深層土體最大沉降為3.3mm，土體測斜水平位移最大為4.48mm。

5.2 地表變形監(jiān)控

本次沿矩形盾構(gòu)推進軸線共布設(shè)了14個地表沉降監(jiān)測點，離始發(fā)井側(cè)最近的監(jiān)測點為ZD1，離接收井側(cè)最近的監(jiān)測點為ZD14。

圖11選取了兩個典型監(jiān)測點的沉降曲線，反映了矩形盾構(gòu)掘進期間地面高程的變化規(guī)律。

圖11 地面高程變化曲線

（1）在盾構(gòu)出洞階段推進時，地表點開始出現(xiàn)少許下沉。這是盾構(gòu)初始掘進階段，對土層擾動所致。

（2）進入正常推進階段后，為了控制盾構(gòu)上浮，加大了盾構(gòu)推進時總推力，所以推進時盾構(gòu)前方地表點先開始隆起。

（3）在盾構(gòu)推進穿越時，因為土體損失，地表點首先出現(xiàn)下沉。穿越后應(yīng)及時進行二次注漿，但因隧道內(nèi)部臺車限制操作空間，二次注漿不能及時跟進，導(dǎo)致地表沉降持續(xù)時間較長。

（4）二次注漿后，地表沉降得到有效控制。

從矩形盾構(gòu)推進整個過程來看，地表沉降的規(guī)律類似于傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)推進，但相比圓形盾構(gòu)，矩形盾構(gòu)的不良姿態(tài)對土層位移的影響更大。通過及時采取控制措施，可以將地面高程控制在允許值以內(nèi)。

6 結(jié)語

本文依托工程實踐，對矩形盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵技術(shù)開展探索和研究，主要結(jié)論如下：

（1）關(guān)于隧道軸線控制，動態(tài)調(diào)整編組千斤頂?shù)男谐滩詈晚斄梢援a(chǎn)生糾偏力偶，可以穩(wěn)定盾構(gòu)的姿態(tài)并進一步實現(xiàn)糾偏，實現(xiàn)隧道軸線控制。

（2）關(guān)于盾構(gòu)機糾偏，在矩形盾構(gòu)機指定部位注入和排出泥漿，可以有效調(diào)整局部外荷載，在矩形盾構(gòu)高程控制和側(cè)向旋轉(zhuǎn)糾偏方面，取得了滿意的效果。

（3）關(guān)于管片拼裝，矩形隧道管片的縱橫徑變化在工況荷載變化時更加敏感，應(yīng)該采取多次測量、多次調(diào)整、多次復(fù)擰螺栓的原則開展精細化作業(yè)。

（4）關(guān)于環(huán)境影響控制，矩形盾構(gòu)推進對側(cè)向鄰近樁基及土層的影響較小，地表沉降規(guī)律類似于傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)推進，但相比圓形盾構(gòu)，矩形盾構(gòu)的不良姿態(tài)對土層位移的影響更大。