楊永強(qiáng),武金城
(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710054;2.中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司,江蘇 無(wú)錫 214104)
近年來(lái),在復(fù)雜地質(zhì)和施工環(huán)境條件下,采用盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)工法與冷凍法加固端頭地層相組合的方法,大大降低了涌水涌砂、地面沉降過(guò)大等施工風(fēng)險(xiǎn)。但盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)工法在凍結(jié)體始發(fā)時(shí),由于盾構(gòu)機(jī)處于鋼套筒中,遇到盾構(gòu)機(jī)被凍住時(shí)的脫困難度較大。
結(jié)合某地鐵隧道工程盾構(gòu)“液氮冷凍加固+鋼套筒”始發(fā)的施工案例,采用型鋼將盾構(gòu)機(jī)與車站底板連接固定以提供反力,通過(guò)盾構(gòu)鉸接回縮,使盾構(gòu)刀盤后退并脫離開挖面,刀盤后退一定距離后轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,成功實(shí)現(xiàn)了冷凍體內(nèi)刀盤快速脫困。
某地鐵6號(hào)線三堡站—曇花庵站盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)1 103m, 盾構(gòu)隧道管片外徑6 200mm,管片厚350mm。盾構(gòu)從曇花庵站端頭始發(fā),始發(fā)端隧道埋深14.1m,地下水位位于地面以下1.77m,盾構(gòu)穿越砂粉土等地層,地下水較豐富;始發(fā)端頭有電力管廊等建(構(gòu))筑物和給水、雨水、燃?xì)獾鹊叵鹿芫€,工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境復(fù)雜,盾構(gòu)始發(fā)采用鋼套筒始發(fā)工法,端頭地層采用液氮凍結(jié)加固。
根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,盾構(gòu)始發(fā)端頭主要有雜填土、素填土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂等地層,地質(zhì)斷面如圖1所示,隧道范圍地層物理力學(xué)性能指標(biāo)為:③5砂質(zhì)粉土含水量24.8%,天然重度19.53kN/m3,固結(jié)快剪c為4.9kPa、直剪快剪φ為28.9kPa,地基承載力特征值140kPa,滲透系數(shù)Kh(水平)為937×10-6cm/s、Kv(垂直)為392.23×10-6cm/s;③7砂質(zhì)粉土含水量29%,天然重度19.34kN/m3,固結(jié)快剪c為6.9kPa、直剪快剪φ為22.6 kPa,地基承載力特征值100kPa,滲透系數(shù)Kh(水平)為244.48×10-6cm/s、Kv(垂直)為159.18×10-6cm/s。
圖1 盾構(gòu)始發(fā)端頭地層
盾構(gòu)始發(fā)端頭地層采用垂直液氮凍結(jié)加固,如圖2所示。
圖2 盾構(gòu)始發(fā)端頭冷凍設(shè)計(jì)
1)垂直液氮冷凍板塊有效厚度為2.2m,凍結(jié)區(qū)寬11.2m,高度為隧道上、下各3m范圍,凍結(jié)管長(zhǎng)23.211m;凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度≤-15℃。單洞設(shè)置2口應(yīng)急降水井。
單洞門設(shè)計(jì)采用A,B 2排共計(jì)27個(gè)凍結(jié)孔,A排14個(gè)、B排13個(gè),A排孔距槽壁0.5m,排間距0.9m,A排1~2號(hào)孔間距0.7m、2~14號(hào)孔間距0.8m,B排孔間距均為0.8m。凍結(jié)管采用φ108×5 R304不銹鋼管,供液管規(guī)格采用φ40×3 R304不銹鋼管。
2)在凍結(jié)區(qū)域布置5個(gè)垂直測(cè)溫孔,監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁厚度、平均溫度、開挖面溫度等。測(cè)溫管采用φ89×8 不銹鋼管。
在盾構(gòu)始發(fā)工作井內(nèi)安裝鋼套筒,如圖3所示,將鋼套筒與洞門鋼環(huán)進(jìn)行密封連接,在鋼套筒內(nèi)組裝盾構(gòu)機(jī),盾構(gòu)機(jī)尾部負(fù)環(huán)管片與鋼套筒尾部始發(fā)基準(zhǔn)環(huán)緊密連接,向鋼套筒與盾構(gòu)、負(fù)環(huán)管片間充填砂土,并在鋼套筒后部設(shè)置反力架,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)始發(fā),保證盾構(gòu)始發(fā)階段開挖面和倉(cāng)壓穩(wěn)定。
圖3 盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)工法
施工采用的是1臺(tái)面板輻條式盾構(gòu)機(jī),刀盤直徑6 400mm日本小松盾構(gòu),盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)為:主機(jī)長(zhǎng)度8.68m,最大推力37 730kN,開挖直徑6 440mm, 鉸接形式為主動(dòng)鉸接,額定扭矩5 813kN·m, 切刀90把、高140mm,撕裂刀86把、高160mm。盾構(gòu)機(jī)刀盤如圖4所示。
圖4 盾構(gòu)機(jī)刀盤
盾構(gòu)端頭地層液氮凍結(jié)8d,凍結(jié)加固體溫度-25℃, 滿足設(shè)計(jì)要求,盾構(gòu)始發(fā)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成,滿足始發(fā)條件后進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)作業(yè),盾構(gòu)掘進(jìn)完-3環(huán)時(shí),刀盤進(jìn)入液氮冷凍加固土體1.26m,盾尾處于鋼套筒內(nèi),由于發(fā)生了盾構(gòu)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng),故障處理40min,之后轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤時(shí),刀盤扭矩急劇增加,而刀盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng),盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn),停機(jī)位置剖面如圖5所示。
圖5 盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置剖面
盾構(gòu)在穿越凍結(jié)體時(shí)出現(xiàn)被凍住現(xiàn)象,大多發(fā)生在盾構(gòu)始發(fā)階段,盾構(gòu)機(jī)需負(fù)載調(diào)試,易出現(xiàn)由于設(shè)備故障等原因?qū)е露軜?gòu)停機(jī)情況。
盾構(gòu)凍結(jié)體中掘進(jìn)時(shí)需保持刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)以防凍住,同時(shí)采取維持凍結(jié)防止開挖面凍融坍塌,但當(dāng)盾構(gòu)停機(jī)刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間后,刀盤面板、刀具與開挖面凍結(jié)土體間的水土被逐漸凍結(jié),同時(shí)由于掘進(jìn)狀態(tài)下刀盤上的刀具切入凍結(jié)土體,刀盤啟動(dòng)時(shí)扭矩增大,大于盾構(gòu)機(jī)脫困扭矩時(shí),刀盤被困住,需采取盾構(gòu)脫困措施。
由于采用液氮凍結(jié),凍結(jié)土體溫度低、強(qiáng)度高,盾構(gòu)脫困難度較大,常規(guī)方法耗時(shí)長(zhǎng),長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)大,因此,盾構(gòu)脫困方案選擇時(shí)應(yīng)以不損壞盾構(gòu)機(jī)、管片和鋼套筒,減少脫困時(shí)間為原則。
對(duì)主動(dòng)解凍脫困和通過(guò)鉸接后退刀盤脫困2種方案進(jìn)行比選研究。
1)方案1(主動(dòng)解凍脫困方案) 通過(guò)向土倉(cāng)內(nèi)注入高溫鹽水和加注高溫蒸汽,使土倉(cāng)內(nèi)升溫,融化開挖面與刀盤冷凍面,實(shí)現(xiàn)刀盤脫困。通過(guò)主動(dòng)加熱解凍可解除刀盤與凍結(jié)體間的凍結(jié)約束,但由于液氮凍結(jié)溫度低(-25℃),采用加熱解凍需要的時(shí)間長(zhǎng)且不可控,高溫可能會(huì)對(duì)盾構(gòu)主軸密封等造成損壞,長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)和鹽水置換過(guò)程等還可能造成開挖面局部不穩(wěn)定的安全風(fēng)險(xiǎn)。
2)方案2(后退刀盤脫困方案) 先將盾構(gòu)機(jī)與車站底板采用型鋼連接固定,如圖6所示,提供盾構(gòu)后退的反力,再通過(guò)盾構(gòu)機(jī)鉸接裝置使盾構(gòu)機(jī)前盾和刀盤回縮,使盾構(gòu)機(jī)刀盤后退并脫離開挖面,實(shí)現(xiàn)刀盤脫困。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)前盾和刀盤施加向后的拉力將刀盤與凍結(jié)土體拉開脫離,需采取措施穩(wěn)定盾構(gòu)機(jī)、管片和鋼套筒,并提供盾構(gòu)后退的反力,該方案盾構(gòu)脫困時(shí)間較短,開挖面失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)較小。
圖6 盾構(gòu)機(jī)與車站底板型鋼連接固定示意
通過(guò)分析比較,方案2具有較明顯優(yōu)勢(shì),本次盾構(gòu)脫困采用方案2。
3.2.1盾構(gòu)機(jī)后退所需拉力估算
由常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)可知,使盾構(gòu)機(jī)在托架上移動(dòng)需采用2臺(tái)100t千斤頂實(shí)現(xiàn),本次是將盾構(gòu)機(jī)前端及刀盤縮回,并非將整臺(tái)盾構(gòu)機(jī)后退,所以在無(wú)約束情況下,200t滿足回拖要求,但考慮到刀盤同冷凍體掌子面的黏結(jié)力及周邊土體對(duì)盾構(gòu)的約束,最終確定回縮力按整臺(tái)盾構(gòu)機(jī)回拖力的2倍考慮,設(shè)計(jì)回拖力按4 000kN設(shè)定。盾構(gòu)同車站底板的連接材料拉伸值按≤1cm設(shè)計(jì),便于精準(zhǔn)確定回拖量。
3.2.2盾構(gòu)機(jī)與車站底板拉結(jié)固定設(shè)計(jì)
采用6根HW200×200 H型鋼將盾構(gòu)機(jī)與車站底板拉結(jié)固定,如圖7所示,H型鋼一端與盾構(gòu)機(jī)中盾的法蘭支撐構(gòu)件焊接連接固定,另一端與車站底板上設(shè)置的鋼板底座焊接連接固定,為盾構(gòu)后退提供反力支撐,同時(shí)防止盾尾后退和管片位移。
圖7 盾構(gòu)機(jī)與車站底板型鋼拉結(jié)固定示意
拉結(jié)材料為Q235a ,采用HW200×200 H型鋼,截面積63.53cm2,單根長(zhǎng)12m,型鋼端面與預(yù)加工200mm×230mm鋼板焊接,考慮焊縫質(zhì)量等影響,安全系數(shù)取1.5。
1)型鋼抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算 單根H型鋼抗拉強(qiáng)度為21.5×63.53=1 365.9kN,6根H型鋼理論抗拉強(qiáng)度1 365.9×6=8 195.4kN,考慮安全系數(shù)后6根H型鋼抗拉強(qiáng)度為8 195.4÷1.5=5 463.6kN=546.36t> 400t,滿足要求。
2)型鋼變形量驗(yàn)算 6根H型鋼共計(jì)拉力4 000kN, 單根拉力667kN,單根長(zhǎng)12m,彈性模量為2.1×107N/cm2,截面積為63.53cm2。
3)焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算 本次焊接要求焊縫寬度8mm,型鋼與預(yù)加工200mm×230mm鋼板雙面焊接,單根焊縫總長(zhǎng)度1 200mm;鋼板與法蘭面及支座單面焊接,單塊鋼板焊接長(zhǎng)度為630mm,Q235-A鋼的焊縫許用拉應(yīng)力為167MPa,取焊縫最薄弱處(鋼板與法蘭面及支座焊接處)進(jìn)行拉力計(jì)算:63×0.8×1 670×6=505 008kg=505t≥400t,滿足要求。
經(jīng)驗(yàn)算,錨固鋼筋抗剪強(qiáng)度、底板混凝土抗壓強(qiáng)度等均能滿足要求。
鋼套筒及反力架加固→采用鉸接油缸使中盾后部及盾尾后退一定距離→中盾及盾尾固定→收縮鉸接,拖動(dòng)前盾及刀盤后退→脫困完成,恢復(fù)掘進(jìn)。
1)對(duì)鋼套筒底座橫向支撐,兩側(cè)采用雙拼[20支撐加固,如圖8所示,防止鋼套筒變形;并采用φ16鋼絲繩對(duì)鋼套筒進(jìn)行拉結(jié)加固,鋼絲繩底部與車站結(jié)構(gòu)拉結(jié)牢固。
圖8 鋼套筒加固示意
2)對(duì)反力架頂部和底部采取加密支撐措施,防止反力架發(fā)生位移及扭轉(zhuǎn)。
1)安裝負(fù)環(huán)管片固定裝置將負(fù)環(huán)管片與鋼套筒進(jìn)行加固 如圖9所示,在負(fù)環(huán)管片每個(gè)吊裝孔安裝球閥,并采用沖擊鉆將吊裝孔后部管片混凝土打穿,插入固定鋼筋頂至鋼套筒內(nèi)邊,在球閥內(nèi)塞入隔水膠泥,并采用隔水鋼墊片將球閥端口與固定鋼筋焊接牢固,防止管片發(fā)生位移和滲漏。對(duì)脫出盾尾的每個(gè)負(fù)環(huán)管片進(jìn)行加固。
圖9 負(fù)環(huán)管片固定裝置位置
2)確定盾構(gòu)機(jī)后退距離 本工程所采用的盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具主要以切刀和撕裂刀為主,切刀高140mm,撕裂刀高160mm,刀盤被困主要是因?yàn)榈侗P與開挖面間的土體凍結(jié)形成整體,而刀具插入凍結(jié)土體中造成阻力大,導(dǎo)致刀盤扭矩過(guò)大,需使刀具從冷凍土體中退出,才能降低刀盤扭矩。結(jié)合刀具高度,確定本次脫困將刀具退回160mm,即需將盾構(gòu)機(jī)后退160mm,使刀具前端脫離開挖面。
3)中盾后部及盾尾后退 在脫出盾尾管片固定完成后,將盾構(gòu)推進(jìn)油缸全部回縮160mm,之后啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)主動(dòng)鉸接油缸,將主動(dòng)鉸接油缸向后伸出160mm,且推進(jìn)油缸再次接觸到盾尾內(nèi)管片時(shí)停止鉸接油缸伸出,確保盾構(gòu)前盾和刀盤后退時(shí)鉸接油缸有足夠的回縮空間。
1)施作車站底板型鋼固定底座 將3 500mm×2 200mm鋼板(厚度t=30mm)采用18根φ50圓鋼與車站結(jié)構(gòu)底板錨固,圓鋼錨入底板500mm,并與鋼板穿孔塞焊,形成底板固定底座。
2)盾構(gòu)機(jī)與車站底板拉結(jié)固定 采用6根HW200×200H型鋼(Q235a),一端用200mm×230mm鋼板(t=20mm)與型鋼截面焊接后,與盾構(gòu)機(jī)中盾后部法蘭面焊接連接牢固,如圖10所示;另一端與車站底板上設(shè)置的固定底座焊接牢固,如圖7所示,底板支座迎盾構(gòu)側(cè)采用I20斜撐加固,并在H型鋼與底部鋼板間采用鋼板或型鋼加固連接。
圖10 H型鋼與盾構(gòu)機(jī)中盾法蘭連接示意
3)每間隔1.2m,采用[20將其連接成整體,如圖7所示,并與兩側(cè)負(fù)環(huán)管片吊裝孔固定裝置連接牢固。
1)為保證盾構(gòu)前盾及刀盤在回縮過(guò)程中不損壞盾構(gòu)與車站底板連接裝置,在鉸接回縮前,對(duì)鉸接回縮力與回拖油壓進(jìn)行換算,確定最大允許回拖油壓值。
2)通過(guò)盾構(gòu)鉸接油缸的自由控制伸縮功能,對(duì)盾構(gòu)機(jī)各組分區(qū)油缸分別進(jìn)行20mm以內(nèi)的伸縮微活動(dòng),使刀盤、刀具與冷凍土體連接面有一定的松動(dòng),同時(shí)使盾體與周邊土體產(chǎn)生一定的松動(dòng)。
3)采用盾構(gòu)機(jī)鉸接逐級(jí)增加拉力的方式進(jìn)行回拖,最大拉力4 000kN,首次回拖采用1 000kN進(jìn)行,再每級(jí)增加500kN進(jìn)行回拖,直到拖動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前部,且每回拖20mm進(jìn)行1次刀盤啟動(dòng),直至盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)確定的最大允許回拖油壓值,逐級(jí)對(duì)鉸接油缸加壓回縮,在回縮過(guò)程中當(dāng)達(dá)到最大允許回拖油壓值,盾體不再向后回縮時(shí),停止回縮,盾構(gòu)各組鉸接油缸分別伸縮,讓盾構(gòu)進(jìn)行伸縮活動(dòng),減小盾構(gòu)后退阻力,然后再進(jìn)行回縮,通過(guò)反復(fù)的盾體活動(dòng)和回縮,使盾構(gòu)刀盤與凍結(jié)土體脫離,并逐漸達(dá)到確定的160mm的后退距離。
1)盾構(gòu)刀盤后退160mm后,啟動(dòng)盾構(gòu)刀盤,進(jìn)行刀盤正反轉(zhuǎn),刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸靈活;然后根據(jù)設(shè)定的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),采用盾構(gòu)推進(jìn)油缸逐漸加力,使盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)。
2)盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后應(yīng)控制掘進(jìn)速度,避免因貫入度過(guò)大導(dǎo)致刀盤再次被困。
3)盾構(gòu)恢復(fù)正常始發(fā)施工后,拆除盾構(gòu)與車站底板間的型鋼連接。
4)在盾構(gòu)穿越液氮凍結(jié)體施工過(guò)程中保持刀盤轉(zhuǎn)動(dòng),并應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)維護(hù)保養(yǎng),確保機(jī)況良好,防止發(fā)生因盾構(gòu)停機(jī)造成其被困事故。
本工程案例中,采用鋼套筒始發(fā)工法進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā),盾構(gòu)液氮凍結(jié)體中脫困歷時(shí)僅3d時(shí)間,過(guò)程順利,快速、安全、高效。
結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道施工實(shí)踐,針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和施工環(huán)境下采用“液氮冷凍加固+鋼套筒”盾構(gòu)始發(fā)施工中遇到的盾構(gòu)被凍住難題,研究采用型鋼將盾構(gòu)機(jī)與車站底板連接固定,以提供盾構(gòu)鉸接回縮反力,通過(guò)鉸接使刀盤后退脫離開挖面并后退一定距離,進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤脫困的方法,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)刀盤在液氮凍結(jié)體中快速脫困,施工風(fēng)險(xiǎn)低,提高了施工效率;采取盾構(gòu)機(jī)、鋼套筒和管片加固等施工措施,保證了盾構(gòu)脫困方案實(shí)施過(guò)程中的設(shè)備安全和工程質(zhì)量。
鉸接后退刀盤脫困方法取得了良好效果,但對(duì)防止在液氮凍結(jié)體中盾構(gòu)被凍住的措施還有待進(jìn)一步研究與完善。