土壓平衡盾構(gòu)機出洞技術(shù)分析

李陶然

(中鐵大連地鐵五號線有限公司，遼寧 大連 116011)

1 工程概況

1.1 區(qū)間線路簡介

大連市地鐵五號線秀月街站至桃源站區(qū)間線路沿解放路東西向布設(shè)，區(qū)間出秀月街站后，往西首先下穿解放路北側(cè)臨街一二層商鋪，后跨過解放路下穿解放路南側(cè)自由河，在桃源橋匝道口處轉(zhuǎn)到解放路下，沿解放路向西北敷設(shè)至桃源站。沿線主要穿越構(gòu)筑物和管線有：秀月街大里程端解放路沿線商鋪、自由河、桃源橋、沿解放路及自由河敷設(shè)管線等。

區(qū)間右線起點里程K4+155.097，終點里程為K4+825.323，左線起點里程K4+153.009，終點里程為 K4+825.323，區(qū)間右線長689.203m(長鏈18.977m)，區(qū)間左線長713.931m(長鏈41.617m)。在右線里程YK4+295.000處設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。右線縱斷采用7.10‰縱坡，左線縱斷采用7.03‰縱坡。右線平面由兩個半徑R=350m和R=375m曲線連接，左線平面由兩個半徑R=350m和R=330m曲線連接。該區(qū)間于桃源站小里程始發(fā)，于秀月站大里程接收。秀月街站至桃源站區(qū)間隧道采用中鐵裝備公司生產(chǎn)直徑為6.47m的土壓平衡盾構(gòu)機對土壤進行挖掘。

1.2 水文地質(zhì)條件

勘察場地探測地下水類型為潛水。區(qū)間按賦存條件為基巖裂隙水、第四系松散層的孔隙水。秀月街站至桃源站區(qū)間地下水位埋深范圍為0～3.60m。

該區(qū)間穿越地層主要為強—中風(fēng)化石英巖、鈣質(zhì)板巖，局部有卵石層侵入，長度約50m。巖石飽和抗壓強度平均為62.4MPa，最大為118MPa。接收井地質(zhì)剖面詳圖如圖1所示。

圖1 接收井地質(zhì)剖面圖

2 盾構(gòu)機出洞施工與控制

2.1 盾構(gòu)機出洞段施工準備

盾構(gòu)機掘進位于端墻位置50m前時，要在到達洞口前做好如下準備。

1) 出洞前要對洞門位置進行復(fù)核，并按照施工方案進行安裝洞門密封裝置和接收基座。

2)提前在接收井內(nèi)準備好抽水水泵、配套水管、沙袋等一些相關(guān)應(yīng)急救援物資和必備工具。

3)確保洞內(nèi)與接收井之間聯(lián)系通暢，提前準備好對講設(shè)備。

4)確保接收井內(nèi)部的照明充足，滿足作業(yè)條件。

5)復(fù)核盾構(gòu)機姿態(tài)，確保盾構(gòu)出洞門順利完成。

6)對洞門位置進行地質(zhì)和水文檢查，觀察地層加固情況和地層含水情況。

2.2 盾構(gòu)機出洞前洞門混凝土的鑿除

在盾構(gòu)機即將抵達洞門過程中，從洞門上提前設(shè)置的觀察孔監(jiān)測變形情況及水土流失的情況。當(dāng)?shù)侗P至洞門圍護樁約1m時設(shè)備停止掘進，掏空其土倉內(nèi)的土使切口正面的土壓力盡可能減小[1]。秀月街站至桃源站區(qū)間盾構(gòu)機出洞混凝土洞門鑿除步驟如下。

1)洞門鋼環(huán)內(nèi)噴射混凝土結(jié)構(gòu)的拆除。鑿除該處混凝土的順序為自下而上，在端頭位置建設(shè)臨時施工平臺。

2)鋼筋剔除。使用風(fēng)鎬將四根樁表皮的鋼筋鑿出三分之二并切掉，以便鉆孔斷樁。

3)斷樁。使用水鉆將四根樁底部齊根完全切斷，詳見圖2。

圖2 水鉆斷樁示意圖

4)進行灌注樁上、下部分的鑿除。秀月街站至桃源站區(qū)間采用的是人工手持風(fēng)鎬方式，從下往上將灌注樁分上、下兩部分鑿樁直至鋼筋露出位置。

5)剩余鋼筋的切除。當(dāng)洞門處混凝土鑿除完畢后，還要人工鑿剃剩下部分的樁身鋼筋。當(dāng)此處樁身的全部鋼筋切除完畢后，拆除端頭位置臨時施工平臺。清理零碎的鋼筋和一些雜物，然后準備復(fù)推盾構(gòu)機進入洞門。

2.3 洞門密封裝置的安裝與準備

為確保盾構(gòu)機出洞時盾殼的下部積土不被損壞，使盾構(gòu)機順利出洞需安裝密封裝置。隧道貫通后，及時清除洞門口的石渣。在刀盤出洞后，洞門外安裝簾布密封及翻板外翻，翻板使用鋼絲繩拉緊，當(dāng)盾殼推出隧道洞門時，及時調(diào)整壓板使簾布盡量貼在盾體上，防止車站內(nèi)涌水、涌泥沙現(xiàn)象發(fā)生。

安裝一種由折疊壓板和橡膠繩組成的臨時密封裝置。密封鋼圈的環(huán)板上設(shè)有螺栓孔，兩環(huán)板之間用M20螺栓固定簾線膠版，簾線膠版環(huán)繞密封圈。橡膠簾子布徑向?qū)挾葹?2cm，沿環(huán)部厚度為2cm，由徑向尼龍線以及環(huán)棉紗制成(見圖3)。

圖3 洞門密封裝置

2.4 接收基座的固定與安裝

接收托架根據(jù)隧道區(qū)間設(shè)計的中心軸線確定好放置位置，將底板與鋼板焊接并用斜撐固定在接收井結(jié)構(gòu)上[2]。

接收基座在中心軸線要和區(qū)間設(shè)計軸線保持一致的同時還要考慮盾構(gòu)機出洞過程中的姿態(tài)。接收基座的軌面標(biāo)高不僅考慮線路設(shè)計標(biāo)高，還要考慮出洞后剩余盾構(gòu)管片拼裝有足夠的反力，此處接收基座按照盾構(gòu)機出洞方向抬高+3‰的坡度進行安裝放置。要多次復(fù)核將接收托架的中心線與盾構(gòu)機出洞姿態(tài)保持一致，盾構(gòu)機與托架兩者軸線之間的夾角不大于1.5‰。在實際刀盤出洞過程中，一方面確保盾構(gòu)機盾尾在脫出最后一環(huán)管片時，不會忽然向下墜落；另一方面防止盾構(gòu)機在上托架的過程中產(chǎn)生栽頭現(xiàn)象，接收托架的導(dǎo)軌部分還要比盾構(gòu)機出洞低1～2cm。盾構(gòu)機上托架前在托架軌道上涂抹黃油，減小阻力，接收托架剖面圖見圖4、平面圖見圖5。

圖4 接收托架剖面圖

圖5 接收托架平面圖

2.5 盾構(gòu)機出洞前的測量準備

1)盾構(gòu)機接收前測量。制定相應(yīng)的測量方法、換站測量方案和接收段糾偏預(yù)案，在盾構(gòu)機掘進過程中不斷測量、復(fù)核和調(diào)整姿態(tài)；在即將出洞前加強盾構(gòu)機與接收井洞門端的相對位置關(guān)系人工核對頻率，準確測出接收架的中心軸線安置方位，確保盾構(gòu)機能夠順利安全出洞[3]。

在盾構(gòu)機出洞前，要嚴格按照作業(yè)規(guī)范進行。對接收段的洞內(nèi)開展控制、聯(lián)系測量，人工復(fù)測接收前50環(huán)內(nèi)盾構(gòu)機姿態(tài)，并復(fù)測接收井鋼環(huán)中心位置不發(fā)生偏差、接收架中線位置放樣等。當(dāng)掘進至最后10環(huán)時，通過對盾構(gòu)機姿態(tài)的不斷調(diào)整，姿態(tài)偏差宜小于目標(biāo)值5mm[4]。

2)盾構(gòu)機接收測量。使用全站儀坐標(biāo)測量方式計算刀盤中心數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機出洞位置，根據(jù)實際鋼環(huán)位置差調(diào)整盾構(gòu)機接收基座、調(diào)整盾構(gòu)機出洞姿態(tài)，保證盾構(gòu)機順利出洞。盾構(gòu)中心應(yīng)與區(qū)間隧道設(shè)計軸線坡度保持一致。由于該處為硬巖地質(zhì)，考慮隧道后期管片上浮因素，盾構(gòu)機出洞后由于刀盤和前盾重量較大易造成“栽頭”現(xiàn)象，所以盾構(gòu)軸線要比隧道設(shè)計軸線高10～20mm，來保證盾構(gòu)機出洞過程中維持“抬頭”的趨向。高程偏差控制在±5mm之內(nèi)，盾構(gòu)機姿態(tài)與設(shè)計軸線豎直趨勢偏差<2‰，水平趨勢偏差<±3‰。

2.6 盾構(gòu)機到達掘進控制

1)盾構(gòu)機到達掘進參數(shù)控制。當(dāng)盾構(gòu)機掘進至出洞段以后，要避免可能會發(fā)生的地表隆起、塌陷。通過控制推力的減小、掘進速率以及刀盤轉(zhuǎn)速的降低來控制土倉壓力，派專人控制出土量防止超挖[5]。出洞前6～7環(huán)，繼續(xù)降低盾構(gòu)推力，掘進推力維持在2000噸左右，掘進油缸壓力不大于20MPa。在掘進的同時，要注意維持土倉內(nèi)的壓力值，一般情況下土壓不低于0.04MPa。不管任何情況下，推進油缸壓強均不允許大于20MPa(尤其是在管片拼裝時)。在出洞前的最后3環(huán)繼續(xù)降低推進速率，控制掘進速率在5～10mm/min。

當(dāng)盾構(gòu)機刀盤在距離洞門10m左右時，需要派專人在車站接收井處觀察圍護樁是否發(fā)生變化。如果透過觀察孔發(fā)現(xiàn)里面有涌水、涌泥趨勢，立刻上報監(jiān)控室，盾構(gòu)機駕駛艙調(diào)整掘進各項參數(shù)，避免在出洞前發(fā)生局部塌方現(xiàn)象。

在盾構(gòu)機靠近洞門出洞段的過程中，要時刻關(guān)注操作系統(tǒng)中的掘進速率、推進力和出渣量。當(dāng)推進力陡然降低、速率加大時立刻停止盾構(gòu)機掘進。

2)盾構(gòu)機在端頭位置的處理。盾構(gòu)機處在端頭位置時，盡可能使中心滾刀攏圍護樁，清理渣土后，再開始切割圍護樁，先切割底部，而后切割上部[6]。

盾構(gòu)機刀盤露出之后，立刻中止掘進。清理完洞門之后按照現(xiàn)場情況開展堵漏工作，通常使用棉被或裝泥沙的袋子。

2.7 最后幾環(huán)管片的安裝

刀盤出洞后，管片還未拼裝完畢，通常還有5～6環(huán)。但是出洞后盾構(gòu)機前部沒有反推力，容易造成相鄰管片之間環(huán)縫鏈接的不密實，后期這里容易發(fā)生滲漏水情況。為了防止刀盤向前移動，不能給管片足夠的反力安裝，在這里要設(shè)置擋板，并采用槽鋼縱向拉緊相鄰管片。拼裝每一環(huán)管片后要將先后幾環(huán)管片進行一次拉緊，避免盾構(gòu)機刀盤前面反推力小導(dǎo)致管片環(huán)縫張開。最后幾環(huán)管片安裝時，要隨著盾構(gòu)機向前推進，拉緊壓板鋼絲繩，防止砂漿從橡膠簾布和盾殼間冒出。

2.8 盾構(gòu)機出洞施工要點

1)最后5環(huán)開始控制推力和推進速度，緩慢推進防止局部塌方。刀盤推力不能大于500t(即推進油缸壓力不大于5MPa)，掘進速率不能大于20mm/min。

2)掘進速率持續(xù)放慢，盾構(gòu)推力逐步減少。

3)通過不斷調(diào)節(jié)盾構(gòu)機姿態(tài)，達到滿足順利出洞條件，同時測量工作要及時跟進。

4)加大地面的檢測頻率，并按照測量人員提供的測量數(shù)據(jù)及時調(diào)整設(shè)備掘進參數(shù)。

5)盾構(gòu)機出洞的接收井位置安排專人對洞門值班檢測，防止意外發(fā)生。

6)通過調(diào)節(jié)設(shè)備的泡沫系統(tǒng)和整體循環(huán)水系統(tǒng)使渣土為軟連續(xù)狀態(tài)。

7)控制出土量。

3 盾構(gòu)機出洞施工應(yīng)急措施

盾構(gòu)機出洞、洞門破除過程中如果出現(xiàn)較大涌水、涌泥沙的情形，應(yīng)立即采取以下保護措施。

1)外部緊急堵漏，使用回填松軟纖維物同時加支撐固定起到臨時止水作用，最后添加快速水泥堵水。若盾構(gòu)機在通過止水簾布時發(fā)生泥漿滲漏，需加設(shè)角度限位壓板，并將壓板螺栓加固。

2)提高盾尾部位的注漿量和注漿壓力，以防盾尾后部的水向前方噴涌。

3)通過從徑向孔注聚氨酯將盾體外部空隙填補密實，達到不讓水源進入盾構(gòu)機頭的作用[7]。

4)如果上述均不能滿足險情的處理，緊急情況下對洞門涌水處澆筑混凝土進行反壓。

4 結(jié)束語

盾構(gòu)機出洞成功是上述各個環(huán)節(jié)共同銜接的結(jié)果，每個使用盾構(gòu)機的區(qū)間站點地質(zhì)情況和施工工藝都不盡相同，要依據(jù)現(xiàn)場實際情況來采取相應(yīng)的措施。該區(qū)間通過采取上述措施，盾構(gòu)機順利到達，驗證了應(yīng)急措施的正確性，為以后類似的施工提供參考。