復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)機(jī)半回填法過站施工技術(shù)研究

耿世豪

(太原市市政公用工程質(zhì)量安全站(太原市軌道交通建設(shè)服務(wù)中心)，山西 太原 030006)

在當(dāng)前我國地鐵建設(shè)過程中為實現(xiàn)靠路口一側(cè)車站與馬路對面換乘及運(yùn)營通風(fēng)要求，近年來通常在車站端頭靠道路另一側(cè)設(shè)置過街通道兼活塞井。在盾構(gòu)施工時即在車站端頭始發(fā)后就需穿越風(fēng)井結(jié)構(gòu)，但因城市主干道路交叉口亦為市政管線密集區(qū)，部分管線因其重要性程度或遷改費(fèi)用較高遷改困難。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)過站中間風(fēng)井時不具備有效的端頭加固長度，盾構(gòu)在風(fēng)井結(jié)構(gòu)中接收及二次始發(fā)時進(jìn)出洞風(fēng)險極高，同時采用傳統(tǒng)回填過站工藝時因回填土工程量大，且必須在風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)完成后進(jìn)行，期間洞門鑿除及后期管片拆除時通水涌砂風(fēng)險難以控制，因此研究一種安全可靠，同時兼顧工期及經(jīng)濟(jì)效益的過站方法意義重大。

1 工程背景

太原地鐵2號線SGTJ-207標(biāo)段長風(fēng)街站3號活塞風(fēng)井，位于長風(fēng)街北側(cè)，與位于道路南側(cè)車站主體結(jié)構(gòu)通過過街通道連接，其中盾構(gòu)區(qū)間直接從風(fēng)井-2層結(jié)構(gòu)穿越，交叉路口為太原市長風(fēng)商圈主干道，緊鄰風(fēng)井結(jié)構(gòu)南側(cè)依次分布有數(shù)十根110 kV環(huán)網(wǎng)柜高壓電纜及軍用光纜干線，改遷費(fèi)用極高且工期較長，地面不具備垂直加固條件，因該段地層主要為黏質(zhì)粉土及粉細(xì)砂交錯分布地層水平加固試樁完整性及芯樣均不能滿足相關(guān)要求，且結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度已不滿足盾構(gòu)穿越節(jié)點(diǎn)要求，造成施工難度變大。

2 技術(shù)原理

結(jié)合太原2號線SGTJ-207標(biāo)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)過站中間風(fēng)井技術(shù)，研究了城市復(fù)雜環(huán)境下土壓平衡盾構(gòu)機(jī)半回填法過站施工工法，該工法主要技術(shù)原理見圖1。

2.1 端頭土體WSS后退式水平帷幕注漿加固技術(shù)

通過將煤礦井筒加固技術(shù)與常規(guī)暗挖隧道帷幕注漿技術(shù)結(jié)合，在洞門范圍內(nèi)分內(nèi)、中、外三層打設(shè)注漿孔。注漿時最外面一圈注水泥+水玻璃雙液漿，初步在地層中形成加固體，為中間兩端注水泥漿時漿液擴(kuò)散及擠壓填充密實提供基礎(chǔ)。外圈注漿完成后，中間及內(nèi)圈注漿時按“米”字型打設(shè)卸壓孔兼檢查孔，對漿液在地層中的飽滿程度及效果進(jìn)行確認(rèn)[1]。直至最后，在端頭土體中形成長度約10 m，環(huán)向外包盾構(gòu)機(jī)1 m～3 m注漿加固體，達(dá)到對進(jìn)出洞土體進(jìn)行加固的目的。

2.2 預(yù)埋帶分區(qū)注漿系統(tǒng)鋼環(huán)技術(shù)

側(cè)墻預(yù)埋鋼環(huán)加裝分區(qū)注漿控制系統(tǒng)，在盾構(gòu)機(jī)完成進(jìn)出站后及時有效將管片與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、預(yù)埋鋼環(huán)間隙準(zhǔn)確高效填充，防止僅依靠管片注漿孔注漿的不確定性對后期開挖帶來的額外風(fēng)險。

預(yù)埋分區(qū)注漿系統(tǒng)，多重設(shè)防有效阻隔結(jié)構(gòu)內(nèi)外部水土流動。風(fēng)井結(jié)構(gòu)側(cè)墻預(yù)埋鋼環(huán)直徑6 700 mm、刀盤開挖直徑6 440 mm、管片外徑6 200 mm、盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞涌水涌砂通道均為管片與圍護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)縫和管片與預(yù)埋鋼環(huán)環(huán)縫空隙。前期鋼環(huán)加工時即在鋼環(huán)背部預(yù)埋分區(qū)注漿系統(tǒng)以上左、上右、下左、下右四區(qū)單獨(dú)控制，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞及后期回填土開挖時，對該處環(huán)縫重點(diǎn)注漿加固，精確封堵涌水通道，消除該部位隱患及風(fēng)險。

2.3 盾構(gòu)機(jī)過風(fēng)井段掘進(jìn)參數(shù)控制技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)井回填土段掘進(jìn)時，受回填土土質(zhì)的不均勻性及既有結(jié)構(gòu)和回填高度影響，相比正常段掘進(jìn)時掘進(jìn)控制參數(shù)變化主要表現(xiàn)為，高扭矩、低轉(zhuǎn)速、低土壓。同時為確保盾構(gòu)機(jī)在回填土中順利進(jìn)洞完成二次始發(fā)，參數(shù)設(shè)置和調(diào)整更是遵循“慢糾偏”，通過趨勢控制姿態(tài)。

2.4 底部回填復(fù)合地層技術(shù)

底部回填復(fù)合地層，在為盾構(gòu)機(jī)提供承載力的同時方便掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整。盾構(gòu)穿越風(fēng)井時因底部混凝土導(dǎo)臺相較回填土強(qiáng)度較大，容易形成“上軟下硬”地層，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)易出現(xiàn)“抬頭”趨勢，二次進(jìn)洞姿態(tài)容易偏差過大。縮小導(dǎo)臺尺寸，并在導(dǎo)臺范圍內(nèi)回填級配碎石，既保證盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時刀盤面板受力均勻，也可為盾體及成型管片提供良好持力層，模擬原狀土地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)。

2.5 已完結(jié)構(gòu)受力支撐體系建立技術(shù)

側(cè)墻支撐體系輔以監(jiān)測系統(tǒng)有效改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，確保盾構(gòu)機(jī)穿越時結(jié)構(gòu)受力安全[2]。-2層結(jié)構(gòu)施工時在側(cè)墻、扶壁柱、底縱梁預(yù)埋鋼板，結(jié)構(gòu)回填土前在扶壁柱與底縱梁之間架設(shè)型鋼斜撐，隧道頂部環(huán)梁位置處設(shè)置鋼圍檁+鋼支撐對撐，用臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)受力體系的閉合，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

2.6 臨時支撐自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)

同時將鋼支撐活動端設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞一側(cè)，在隧道正上方鋼支撐安裝應(yīng)力傳感器并保留加力千斤頂，盾構(gòu)機(jī)穿越時根據(jù)應(yīng)力傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測情況對鋼支撐受力及時進(jìn)行補(bǔ)加，完成已完結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳導(dǎo)與釋放。

3 半回填法盾構(gòu)過站施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體施工工藝

半回填法盾構(gòu)過站施工流程圖見圖2。

3.2 各工序施工步驟及操作要點(diǎn)

3.2.1 各工序操作步驟

預(yù)帶注漿系統(tǒng)鋼環(huán)見圖3。盾構(gòu)過站風(fēng)井工序如圖4所示。

1)結(jié)構(gòu)開挖至設(shè)計底標(biāo)高后及時施作底板及縱梁，達(dá)到相關(guān)強(qiáng)度要求后拆除-2層范圍內(nèi)鋼支撐，涉及換撐時及時施作預(yù)埋及支撐安裝[3]。盾構(gòu)過站風(fēng)井支撐系統(tǒng)簡圖如圖5所示，盾構(gòu)過站風(fēng)井序圖如圖6所示。

2)施作-2層結(jié)構(gòu)側(cè)墻至中板下，同時在底板施工盾構(gòu)過站導(dǎo)臺，導(dǎo)臺尺寸確定時較刀盤開挖半徑大20 cm～40 cm，同時考慮該段線路設(shè)計中相關(guān)參數(shù)要求。到導(dǎo)臺分為左右兩側(cè)，中間位置回填級配碎石+塑性改良土，確保盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)井內(nèi)掘進(jìn)時底部土體具有較好持力的同時也便于刀盤開挖(見圖7)。

3)結(jié)構(gòu)施工時在沿隧道線路方向南北兩側(cè)扶壁柱及洞門環(huán)梁頂部分別埋置鋼板，安裝側(cè)墻支撐系統(tǒng)。其中兩端墻扶壁柱安裝400×400 H型鋼，斜向角度45°，環(huán)梁頂部左右線各加設(shè)一根800鋼支撐，預(yù)加軸力50 kN,其中左右線靠扶壁柱鋼支撐均安裝軸力傳感器，回填土前各保留一組加力千斤頂在活絡(luò)頭一端，方便后期根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行軸力補(bǔ)加(見圖8)。

4)回填土至管片頂上部3 m位置處，頂部靠盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞兩端回填斜坡面，靠墻一側(cè)高出3 m，回填采用塑性改良土盾構(gòu)渣土。

5)盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)出洞施工階段，通過預(yù)埋鋼環(huán)注漿系統(tǒng)將軟弱夾層部位土體進(jìn)行注漿加固(見圖9)。盾體通過后在鄰近進(jìn)出洞各7環(huán)(0環(huán)～6環(huán))采用多孔注漿環(huán)管片，盾構(gòu)施工時先采用同步注漿漿液將刀盤開挖間隙進(jìn)行有效填充。后續(xù)進(jìn)行土方開挖前，采用2 m深花管注深孔雙液漿對1環(huán)～6環(huán)進(jìn)行注漿封堵,0環(huán)注漿時采用多次少量的方式進(jìn)行，吊裝孔配合預(yù)埋鋼環(huán)中設(shè)置的注漿系統(tǒng)共同補(bǔ)漿，確保間隙填充密實，有效控制開挖滲漏水風(fēng)險。

6)結(jié)構(gòu)施工完成后，利用盾構(gòu)機(jī)聯(lián)絡(luò)通道施工間隙，拆除管片，人工配合小挖機(jī)逐步清除中板以下塑性混凝土及水泥改性土，直接利用盾構(gòu)隧道渣土系統(tǒng)出土。塑性混凝土與主體結(jié)構(gòu)黏結(jié)力較小，可輕易從主體結(jié)構(gòu)上剝離，采用人工破除即可。

3.2.2 進(jìn)出洞監(jiān)控量測

盾構(gòu)機(jī)出洞及再進(jìn)洞能否順利實施的重點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)是否合理準(zhǔn)確。其中，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)站測量時姿態(tài)調(diào)整是重點(diǎn)，需進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的人工復(fù)核測量，接收洞門復(fù)核測量時，洞門中心位置偏差，洞門鋼環(huán)圓度測量等是重點(diǎn)，這樣才可確保盾構(gòu)機(jī)順利通過[4]。風(fēng)井回填前對預(yù)埋鋼環(huán)安裝精度進(jìn)行現(xiàn)場測量，通過擬合圓度對預(yù)埋鋼環(huán)空間位置初步確定。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)站時保持盾構(gòu)機(jī)呈“抬頭”趨勢，在中間風(fēng)井回填段施工時通過逐步降低土倉內(nèi)實土壓力降低盾構(gòu)機(jī)推力及克服回填土不均一帶來的姿態(tài)不易控制問題。整個穿越過程對側(cè)墻支撐系統(tǒng)進(jìn)行軸力監(jiān)測，盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)側(cè)墻前10環(huán)逐漸降低推力及掘進(jìn)速度。

4 應(yīng)用情況

采用此施工技術(shù)風(fēng)井結(jié)構(gòu)僅需完成-2層(盾構(gòu)穿越層)側(cè)墻施工，土方回填至刀盤開挖面以上3 m即可，大大降低盾構(gòu)穿越前的準(zhǔn)備工作及穿越后的后續(xù)工程施工組織難度，有明顯的工期及成本優(yōu)勢。同時，風(fēng)井端頭小里程采用3 m全斷面小導(dǎo)管注漿加固，大里程采用3 m攪拌樁加固，較傳統(tǒng)端頭加固長度減小7 m～9 m，項目應(yīng)用過程中累計創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益達(dá)840萬元。

側(cè)墻預(yù)埋鋼環(huán)加裝分區(qū)注漿控制系統(tǒng)，在盾構(gòu)機(jī)完成進(jìn)出站后及時有效將管片與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、預(yù)埋鋼環(huán)間隙準(zhǔn)確高效填充，防止僅依靠管片注漿孔注漿的不確定性對后期開挖帶來的額外風(fēng)險。

側(cè)墻反力系統(tǒng)鋼支撐預(yù)加軸力自動調(diào)節(jié)，結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實時調(diào)整和適應(yīng)，準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)變形及受力狀態(tài)，降低施工風(fēng)險。通過采用該技術(shù)，不需大規(guī)模進(jìn)行管線遷改及水泥樁施工，節(jié)約水泥用量，減小對地下水源進(jìn)行污染。同時避免大規(guī)模土方回填及設(shè)備作業(yè)帶來的揚(yáng)塵及噪聲，提升施工作業(yè)品質(zhì)。自動反力補(bǔ)償系統(tǒng)等信息化監(jiān)測及自動化處理系統(tǒng)的應(yīng)用，為及時有效處理施工帶來的不利影響，顯著減小盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出站對已完結(jié)構(gòu)的不利影響，降低工程自身風(fēng)險的同時，合理助推施工生產(chǎn)邁入自動化、信息化，環(huán)保效益顯著。

5 結(jié)語

通過采用半回填法盾構(gòu)過站施工技術(shù)，最終項目雙線盾構(gòu)機(jī)安全、快速的通過了中間風(fēng)井，工期提前90 d。該技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1)安全性高。側(cè)墻預(yù)埋鋼環(huán)加裝分區(qū)注漿控制系統(tǒng)，在盾構(gòu)機(jī)完成進(jìn)出站后及時有效將管片與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、預(yù)埋鋼環(huán)間隙準(zhǔn)確高效填充，防止僅依靠管片注漿孔注漿的不確定性對后期開挖帶來的額外風(fēng)險。2)工期短。該技術(shù)解決了盾構(gòu)機(jī)過站全部回填施工，土方回填至刀盤開挖面以上3 m即可，大大降低盾構(gòu)穿越前的準(zhǔn)備工作及穿越后的后續(xù)工程施工組織難度，大大縮短了施工工期。3)經(jīng)濟(jì)效益高。該技術(shù)較傳統(tǒng)端頭加固長度減小7 m～9 m，大大降低施工成本。