低瓦斯隧道大直徑土壓平衡盾構(gòu)快速分體始發(fā)技術(shù)

薛彥軍, 劉奇, 房師濤, 李圍

(1.中國水利水電第五工程局有限公司, 四川 成都 650004； 2.中國電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司, 北京市 100044; 3.上海同隧土木工程技術(shù)有限公司, 上海市 201306)

1 前言

隨著城市的發(fā)展，地鐵建設(shè)遇到的地質(zhì)與環(huán)境條件越來越復(fù)雜：大直徑盾構(gòu)穿越江底巖溶區(qū)施工風(fēng)險(xiǎn)[1]和粉細(xì)砂地層加固處理[2]；盾構(gòu)施工對(duì)臨近高架橋樁基影響需要采取加固措施[3]；南京地鐵1號(hào)線超近距離下穿玄武湖市政隧道，李圍和何川等采用室內(nèi)相似模型試驗(yàn)[4]和有限元數(shù)值模擬方法[5]進(jìn)行了盾構(gòu)隧道近接下穿地下大型結(jié)構(gòu)施工影響研究，提出了盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施。在城市盾構(gòu)始發(fā)與接收安全風(fēng)險(xiǎn)高，如2007年11月20日，南京地鐵2號(hào)線中和村站—元通站盾構(gòu)區(qū)間元通站右線南端頭接收進(jìn)洞門時(shí)發(fā)生滲漏事件，引起地面大面積塌陷，造成盾構(gòu)機(jī)被埋。

盾構(gòu)始發(fā)井的長度必須大于盾構(gòu)機(jī)及后備套臺(tái)車總長才能正常始發(fā)，如果始發(fā)井的長度不足，則需要進(jìn)行分體始發(fā)。如北京市南水北調(diào)配套工程?hào)|干渠輸水隧洞ZTE6250土壓平衡盾構(gòu)機(jī)及后備套臺(tái)車總長約76 m，而盾構(gòu)始發(fā)井長度僅為48 m，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改造始發(fā)[6]；青島地鐵1號(hào)線海泊橋站也遇到了始發(fā)場(chǎng)地受限的問題，通過優(yōu)化布置配套設(shè)備并最大限度地利用雙護(hù)盾TBM自身配置完成了始發(fā)工作[7]；廣州市軌道交通6號(hào)線盾構(gòu)三標(biāo)段還遇到了盾構(gòu)在半徑為250 m的圓曲線上始發(fā)，從盾構(gòu)設(shè)備選型、分體始發(fā)以及管片設(shè)計(jì)和注漿控制等方面解決了曲線分體始發(fā)的技術(shù)難題[8]。

成都地鐵18號(hào)線土建4標(biāo)興隆站—天府新站中間風(fēng)井結(jié)構(gòu)長度僅設(shè)計(jì)為25 m，而盾構(gòu)機(jī)及其后配套的長度達(dá)到了114 m，中間風(fēng)井無法滿足盾構(gòu)機(jī)整體始發(fā)，故只能采取分體始發(fā)技術(shù)。分體始發(fā)主要用于始發(fā)井的大小不足的情況，可降低工程造價(jià)、減少征地和節(jié)約投資，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。傳統(tǒng)的盾構(gòu)分體始發(fā)從連接橋處斷開，后備臺(tái)車均設(shè)置在地面上，多在正面采用小渣斗(5 m3左右)進(jìn)行出渣，其效率低進(jìn)度慢。為了提高出渣效率和始發(fā)速度，故開展“地鐵區(qū)間隧道大直徑土壓平衡盾構(gòu)快速分體始發(fā)技術(shù)”的研究具有重要意義。

2 依托工程概況

成都地鐵18號(hào)線土建4標(biāo)興隆站—天府新站盾構(gòu)區(qū)間(興—天區(qū)間)位于龍泉山脈以東、合江鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)東北面、太和路西側(cè)，區(qū)間起訖里程為YCK34+30.585～YCK39+105.469，全長5 074.884 m。線路出興隆站后，由西向偏東方向沿規(guī)劃路敷設(shè)，沿線依次下穿紅星路南延線、鹿溪河橋、成自瀘高速等道路橋梁，區(qū)間兩側(cè)現(xiàn)狀主要為農(nóng)田、林地，山頭較多，地形起伏大，最大高差為40 m。由于區(qū)間太長，中間在YDK35+860.709位置設(shè)置了中間風(fēng)井并兼作盾構(gòu)始發(fā)井。中間風(fēng)井—天府新站盾構(gòu)區(qū)間右線設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為YDK35+860.709，終點(diǎn)設(shè)計(jì)里程為YDK38+575，右線共投入1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工。

興—天區(qū)間隧道最小縱坡坡度為2‰，最大縱坡坡度為24.115‰。線路最大隧頂埋深約45.2 m，最小隧頂埋深約4.2 m，最小平面曲線半徑1 200 m。中間風(fēng)井始發(fā)井結(jié)構(gòu)尺寸為長25 m、寬28 m。設(shè)計(jì)速度140 km/h，區(qū)間隧道內(nèi)徑7 500 mm，隧道外徑8 300 mm，管片厚度400 mm，管片寬度1 500/1 800 mm。

區(qū)間場(chǎng)地覆蓋層均為第四系，地表多為人工填土覆蓋，其下為全新統(tǒng)沖積黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土及卵石土，上更新統(tǒng)冰水沉積、沖積砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖、砂巖，白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏亻羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組泥巖、砂巖、礫巖。

3 分體快速始發(fā)方案的提出

興—天區(qū)間共投入4臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工：2臺(tái)從興隆站始發(fā)，興—天區(qū)間風(fēng)井接收；2臺(tái)從興—天區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，天府新站接收；區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)籌劃列于表1。興—天區(qū)間采用ZTE8600土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，其刀盤直徑為8.65 m，主機(jī)不包含螺旋機(jī)長度為10.5 m、包含螺旋機(jī)長約16.5 m，盾構(gòu)機(jī)及其后配套全長114 m，如表2所示。

表1 盾構(gòu)籌劃

表2 盾構(gòu)及臺(tái)車長度

由于興—天區(qū)間在洛帶氣田和蘇碼頭氣田的影響范圍內(nèi)，根據(jù)地勘結(jié)果被劃分為低瓦斯盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)需要防爆和通風(fēng)改裝以及瓦斯監(jiān)測(cè)等，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢。再加上區(qū)間長度超過了5 km，即使利用中間風(fēng)井將其分為兩段后施工，其長度已達(dá)到了2.7 km左右，是普通地鐵區(qū)間長度的2～3倍，需要提高盾構(gòu)施工速度。同時(shí)，該區(qū)間地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)主要穿越砂土、卵石土、泥巖和砂巖導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢。而且，該區(qū)間為大直徑盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑達(dá)到了8.65 m，開挖面積是普通地鐵區(qū)間隧道的1.87倍，增加了開挖和出渣工作量。因此，該區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)速度的綜合指標(biāo)僅按150 m/月籌劃。

為了使盾構(gòu)盡快達(dá)到正常掘進(jìn)施工狀態(tài)，經(jīng)過研究提出了如下快速分體始發(fā)方案：

(1) 在盾構(gòu)機(jī)制造前期就與風(fēng)井設(shè)計(jì)溝通，將風(fēng)井結(jié)構(gòu)長度由25 m調(diào)整至65 m。

(2) 同時(shí)，與盾構(gòu)機(jī)廠家研究將盾構(gòu)機(jī)刀盤至3#臺(tái)車長度控制在64 m內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)在3#臺(tái)車處斷開進(jìn)行分體始發(fā)，滿足了1#臺(tái)車～3#臺(tái)車下井始發(fā)，在正常掘進(jìn)前，避免了過多的液壓管路、注漿管、電纜等管線從地面連接到地下的主機(jī)上，減少了連接工作量，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

(3) 通過調(diào)整始發(fā)井結(jié)構(gòu)，風(fēng)井中間增加兩個(gè)出土孔，保證了分體始發(fā)吊裝材料、渣斗的流暢性。

(4) 改為3#臺(tái)車側(cè)面進(jìn)行出渣，可正常使用20 m3渣斗，極大地提高了出渣效率。

(5) 3#臺(tái)車頂部整體焊接改為螺栓栓接，實(shí)現(xiàn)了頂部可拆卸，便于始發(fā)時(shí)材料、管片直接吊裝下井，大大提高吊裝速率。

4 快速分體始發(fā)技術(shù)

4.1 分體快速始發(fā)工藝過程

(1) 托架軌道安裝定位。吊裝盾構(gòu)機(jī)前，首先吊裝托架、軌道下井，調(diào)平、加固。

(2) 1#～3#臺(tái)車吊裝安裝。在地面組裝時(shí)按照3#臺(tái)車～1#臺(tái)車順序組裝，組裝并加固好后吊裝下井，安裝連接。

(3) 4#～7#臺(tái)車吊裝安裝。在地面組裝時(shí)按照4#臺(tái)車～7#臺(tái)車順序組裝，并加固好放于地面。

(4) 盾體下井安裝。進(jìn)行盾體下井安裝，組裝完成后安裝反力架，并加固。

(5) 盾構(gòu)機(jī)連接系統(tǒng)調(diào)試。盾構(gòu)機(jī)各管線連接完成后，接通大電，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)空載調(diào)試和負(fù)荷調(diào)試，同時(shí)拼裝負(fù)環(huán)管片。

(6) 始發(fā)掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)，在3#臺(tái)車側(cè)面進(jìn)行出渣，頂部進(jìn)行材料、管片吊裝。

(7) 管片拼裝。掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到1環(huán)管片幅寬后拼裝管片，拼裝完成后進(jìn)行下一循環(huán)施工。

(8) 4#～7#臺(tái)車吊裝下井。掘進(jìn)完成117 m大于整機(jī)長度后，盾構(gòu)機(jī)拆除管線，依次下井4#、5#、6#、7#臺(tái)車。

(9) 二次連接系統(tǒng)調(diào)試。臺(tái)車下井完成后，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)管線連接系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試完成后開始正常掘進(jìn)。

4.2 分體快速始發(fā)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

根據(jù)風(fēng)井結(jié)構(gòu)出土口預(yù)留位置，將分體始發(fā)掘進(jìn)分解成三階段進(jìn)行掘進(jìn)施工，如圖1所示。

圖1 三階段盾構(gòu)掘進(jìn)(單位：m)

第一階段：初始15 m掘進(jìn)，采用側(cè)面出渣，電瓶車編組為1車頭+1渣斗，在3#臺(tái)車頂部吊裝管片、耗材等，在中間采用管片小車運(yùn)輸，由卷揚(yáng)機(jī)牽引。

第二階段：15～28 m掘進(jìn)，采用側(cè)面出渣，電瓶車編組為1車頭+2渣斗，由3#臺(tái)車頂部吊裝管片、耗材等轉(zhuǎn)移至中間出土口進(jìn)行吊裝，在中間采用管片小車運(yùn)輸，由卷揚(yáng)機(jī)牽引。

第三階段：29～117 m掘進(jìn)，在中間進(jìn)行出渣，同時(shí)電瓶車編組為1車頭+2渣斗+1管片車+1漿車，進(jìn)行管片、材料、渣土、水泥漿運(yùn)輸。

4.3 掘進(jìn)參數(shù)控制

(1) 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制為：推進(jìn)速度30～50 mm/min，推力8 000～12 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速1.5～2.0 r/min，扭矩3 000～4 500 kN·m，土倉壓力0.3～0.5 MPa，每環(huán)出土量(142±3) m3。

(2) 渣土改良中泡沫劑原液比例調(diào)為2%，流量為450～500 mL/min,刀盤加水和土倉加水相結(jié)合，確保渣土和易性而不結(jié)“泥餅”。

(3) 每1 m3同步注漿材料配比為：水泥250 kg、粉煤灰320 kg、膨潤土90 kg、砂900 kg、水400 kg，每環(huán)注漿量為9～11 m3、壓力為0.5～1.0 MPa，注漿點(diǎn)位以上部1點(diǎn)和6點(diǎn)為主，中間2點(diǎn)和5點(diǎn)為輔，下部3點(diǎn)和4點(diǎn)少量注漿。

(4) 二次注漿材料A液∶B液(體積比)=1∶1，A液水灰比為1∶1(重量比)，B液水玻璃與水比為1∶1(體積比)，每隔一環(huán)注一次，根據(jù)管片姿態(tài)和同步注漿量，注漿壓力控制為0.1～0.2 MPa。

(5) 盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)控制在±20 mm，垂直姿態(tài)控制在前點(diǎn)-30～20 mm，后點(diǎn)-45～-60 mm。

5 快速分體始發(fā)技術(shù)應(yīng)用效果

應(yīng)用大直徑土壓平衡盾構(gòu)快速分體始發(fā)技術(shù)，中間風(fēng)井—天府新站左線2017年4月10日開始始發(fā)掘進(jìn)， 5月5日完成分體始發(fā)段掘進(jìn)(提前8 d)， 5月14日完成二次始發(fā)調(diào)試(提前8 d)。右線2017年5月11日開始始發(fā)掘進(jìn)， 6月2日完成分體始發(fā)段掘進(jìn)(提前10 d)， 6月9日完成二次始發(fā)調(diào)試(提前9 d)。該快速分體始發(fā)技術(shù)的應(yīng)用大大提高了工作效率，節(jié)省總工期1個(gè)月，節(jié)省費(fèi)用計(jì)算如下：

(1) 節(jié)省盾構(gòu)機(jī)租賃費(fèi)：30 d×5.4 m/d×1.2萬元/m =194.4萬元。

(2) 節(jié)省出渣費(fèi)用：小渣斗容量5 m3、每米吊運(yùn)36次，側(cè)面出渣渣斗容量為20 m3、每米吊運(yùn)僅9次，每米節(jié)省出渣提升費(fèi)0.14萬元，中—天區(qū)間左右線長5 426 m共節(jié)省759.64萬元。

(3) 節(jié)省管線連接費(fèi)用：從3#臺(tái)車斷開始發(fā)比從連接橋斷開節(jié)省120 m管線，注漿管6根×120 m×0.045萬元/m+其他管線10根×120 m×0.08萬元/m=128.4萬元。

(4) 節(jié)省管理人員費(fèi)用：65人×1.5萬元/月=97.5萬元。

節(jié)省費(fèi)用合計(jì)：194.4+759.64+128.4+97.5=1 179.94萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)語

成都地鐵18號(hào)線為中國首條設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)140 km/h的地鐵線路，土建4標(biāo)興隆站—天府新站區(qū)間為西南片區(qū)第一條低瓦斯和大直徑(φ8 650 mm)盾構(gòu)地鐵隧道。針對(duì)該區(qū)間長度超過了5 km且穿越瓦斯泥巖和砂巖復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致的工期長，采用了中間豎井分兩段和4臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)方式，并建立了快速分體始發(fā)技術(shù)。該技術(shù)解決了大直徑盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)掘進(jìn)施工中進(jìn)度慢、進(jìn)材料和出土困難以及始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)難控制等技術(shù)難題，安全質(zhì)量得到了有效保證，加快了施工進(jìn)度，減少了物資、設(shè)備和人員的投入，節(jié)約了工人和管理人員費(fèi)用，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。