盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)*

石立民

(中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461)

0 引言

盾構(gòu)始發(fā)是安全事故頻發(fā)階段，當(dāng)始發(fā)井端頭地層條件較差時(shí)，采用常規(guī)的盾構(gòu)始發(fā)工法，洞門內(nèi)外水土壓力處于非平衡狀態(tài)，易造成洞門涌水、涌砂甚至地面塌陷等事故，危及基坑、隧道安全[1-4]，需加固地層，以保證施工安全。地層加固方法包括旋噴樁(攪拌樁)加固法、凍結(jié)法、鋼板樁置換法、水中接收法、深井接收法、化學(xué)注漿加固法、挖填法、豎井加氣法等[5-10]。盾構(gòu)始發(fā)和接收時(shí)需進(jìn)行端頭加固，鑿除洞門后使洞門內(nèi)外水土壓力處于平衡狀態(tài)。端頭加固會增加施工工序，提高施工成本，且加固效果難以保證，存在一定風(fēng)險(xiǎn)隱患。盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法是根據(jù)平衡原理研發(fā)的新型盾構(gòu)始發(fā)工法，采用該工法時(shí)需在盾構(gòu)掘進(jìn)前于盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)安裝鋼套筒，盾構(gòu)安裝在鋼套筒內(nèi)，然后在鋼套筒內(nèi)填充回填物，通過鋼套筒密閉空間提供平衡掌子面的水土壓力，提前并快速建立穩(wěn)定的泥水艙壓力，使盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全始發(fā)掘進(jìn)[11-15]。

1 工程概況

河松街—河山街站區(qū)間為雙線疊落區(qū)間，位于哈爾濱市道里區(qū)，2臺泥水盾構(gòu)由河山街站東端先后始發(fā)，線路出河山街站向東北方向敷設(shè)，經(jīng)半徑為300m轉(zhuǎn)彎后沿前進(jìn)路高架橋向北延伸至河松街站。隧道始發(fā)埋深約24m，始發(fā)坡度2‰。端頭距燃?xì)夤芫€5m，距南側(cè)高層建筑物最近距離為40m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，河山街站盾構(gòu)始發(fā)井端頭地層自上而下依次為3.2m厚素填土層、12m厚細(xì)砂層、10.7m厚中粗砂層、10.8m厚粉質(zhì)黏土層、2.4m厚細(xì)砂層、7.3m厚中粗砂層。盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)地層主要為中粗砂、粉質(zhì)黏土層。河山街站盾構(gòu)始發(fā)井端頭穩(wěn)定地下水位線標(biāo)高4.600m，該地層無穩(wěn)定隔水層，具有承壓性質(zhì)。

2 盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法

河山街站盾構(gòu)始發(fā)井端頭埋深大，地下水豐富，采用常規(guī)端頭加固止水時(shí)，盾構(gòu)通過加固區(qū)后，洞門密封性難以保證，涌水、涌砂風(fēng)險(xiǎn)高。根據(jù)河山街站盾構(gòu)始發(fā)場地現(xiàn)狀，為保證盾構(gòu)始發(fā)時(shí)洞門密封、安全等，采用盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 鋼套筒構(gòu)成與始發(fā)流程

鋼套筒密閉裝置主要由過渡連接環(huán)、筒體、反力架等部分組成(見圖1)，設(shè)計(jì)耐壓為0.5MPa。筒體長11.3m，直徑(內(nèi)徑)6.52m，分為4節(jié)，每節(jié)可分為上、下半圓。在每節(jié)鋼套筒底部預(yù)留3個(gè)直徑100mm帶球閥注、排漿管，等間距布置，如果盾構(gòu)出現(xiàn)栽頭趨勢，可在下部注入雙液漿進(jìn)行回頂。在鋼套筒與洞門環(huán)板之間設(shè)置過渡連接環(huán)，洞門環(huán)板與過渡連接環(huán)焊接固定，鋼套筒法蘭與過渡連接環(huán)采用螺栓連接。在每節(jié)筒體外圍焊接縱、環(huán)向筋板，以保證筒體剛度，筋板厚20mm、高150mm，縱、環(huán)向間距分別約為600，550mm。在成型的鋼護(hù)筒第1，3節(jié)上各設(shè)1個(gè)進(jìn)料口，尺寸為800mm×800mm(長×寬)，檢查孔蓋需密封，并設(shè)置開關(guān)裝置，在縱、環(huán)向連接縫與檢查孔處安裝機(jī)械密封止水裝置。

圖1 鋼套筒結(jié)構(gòu)示意

盾構(gòu)始發(fā)流程如下：洞門和后配套臺車下井→過渡環(huán)安裝→鋼套筒下半圓和反力架安裝→鋼套筒內(nèi)安裝鋼軌→第1次鋼套筒內(nèi)填砂→鋼套筒內(nèi)安裝盾構(gòu)機(jī)→鋼套筒上半圓、負(fù)環(huán)安裝→第2次鋼套筒內(nèi)填砂→負(fù)環(huán)管片壁后注漿→鋼套筒壓力測試，測試合格后始發(fā)，若測試不合格，重新進(jìn)行鋼套筒連接緊固和密封檢查，再次壁后注漿并進(jìn)行鋼套筒壓力測試，直至滿足始發(fā)條件。

2.2 鋼套筒壓力測試

每級加壓過程及停留保壓時(shí)間規(guī)定如下：①壓力為0～100kPa時(shí)，每級加壓時(shí)間控制在10min左右，停留檢測時(shí)間為10min；②壓力為100～200kPa時(shí)，每級加壓時(shí)間控制在15min左右，停留檢測時(shí)間為25min；③壓力為200～250kPa時(shí)，每次加壓時(shí)間控制在25min左右，停留檢測時(shí)間為45min；④壓力為250～300kPa時(shí)，每次加壓時(shí)間控制在45min左右，停留檢測時(shí)間為120min。

加壓檢測過程中如果發(fā)現(xiàn)存在漏水或焊縫脫焊情況，須馬上卸壓，并及時(shí)處理，擰緊螺栓或重新焊接?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，當(dāng)壓力穩(wěn)定在300kPa時(shí)未出現(xiàn)滲漏，可知鋼套筒密封性滿足始發(fā)要求。

3 盾構(gòu)始發(fā)反扭矩分析

盾構(gòu)在正常掘進(jìn)模式下，地層產(chǎn)生的阻滯扭矩足以克服盾構(gòu)刀盤刀具切削土體產(chǎn)生的反扭矩。而盾構(gòu)在始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，由于刀盤切削扭矩發(fā)生較大波動，易造成盾構(gòu)盾體和鋼套筒整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)、傾覆。盾構(gòu)始發(fā)反扭矩等于盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩與填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩之和。

3.1 盾構(gòu)刀盤扭矩

施工過程中盾構(gòu)刀盤扭矩計(jì)算如下[16]：

MD=αD3

(1)

式中：MD為盾構(gòu)刀盤扭矩；α為扭矩系數(shù)，對于泥水平衡盾構(gòu)，α=0.6～1.4；D為刀盤直徑。

3.2 盾構(gòu)始發(fā)反扭矩

3.2.1盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，如果盾構(gòu)殼體出現(xiàn)轉(zhuǎn)動趨勢或發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí)，盾構(gòu)自重將產(chǎn)生阻滯扭矩，計(jì)算如下：

Mz=fzGR

(2)

式中：Mz為盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩；fz為盾構(gòu)殼體與基座的阻滯摩擦系數(shù)；G為盾構(gòu)主機(jī)自重；R為隧道半徑。

本研究旨在思考社會工作的職業(yè)自主性，由于筆者自身能力有限，以及筆者自身的主觀訴求，資料收集主體比較單一，主要關(guān)注一線社工，并未涉及影響社工建立職業(yè)自主性的其他主體，比如社工的督導(dǎo)層、管理層等。本研究可能在解釋力度和解釋范圍上具有一定局限性，今后需要更多的后續(xù)研究不斷補(bǔ)充和修正。

3.2.2填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩

當(dāng)盾構(gòu)在鋼套筒輔助設(shè)備里始發(fā)時(shí)，鋼套筒內(nèi)填充密實(shí)砂土并加至一定壓力，填充砂土對盾構(gòu)產(chǎn)生阻滯扭矩，記盾構(gòu)殼體長度為L、半徑為r，鋼套筒內(nèi)填充砂土壓力為P，在鋼套筒表面取ds弧長，其對應(yīng)的圓心角為dφ，該微段受到的土壓力dF計(jì)算如下：

dF=PLds=PLrdφ

(3)

進(jìn)而求得鋼套筒內(nèi)填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩Mzz為：

Mzz=2πfzzPr2L

(4)

式中：fzz為盾構(gòu)殼體與砂土之間的阻滯摩擦系數(shù)。

盾構(gòu)始發(fā)反扭矩M等于盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩Mz與填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩Mzz之和，即：

M=Mz+Mzz=fzGR+2πfzzPr2L

(5)

3.3 反扭矩設(shè)定要求

確定填充砂土壓力時(shí)除考慮掌子面穩(wěn)定需求外，還應(yīng)考慮反扭矩，盾構(gòu)正常始發(fā)時(shí)需滿足以下條件：

fzGR+2πfzzPr2L≥αD3

(6)

3.4 反扭矩計(jì)算

本工程始發(fā)盾構(gòu)為復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)主機(jī)自重為4 116kN，盾構(gòu)主機(jī)長10.25m，盾構(gòu)殼體直徑6.24m，盾構(gòu)殼體與其托墊之間的摩擦系數(shù)取0.15，盾構(gòu)殼體與填充砂土之間的摩擦系數(shù)取0.3[17]。

根據(jù)式(2)計(jì)算得到盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩為3 852.58kN·m，盾構(gòu)設(shè)定額定扭矩為8 517kN·m，可知盾構(gòu)自重提供的扭矩僅為盾構(gòu)設(shè)計(jì)額定扭矩的45%。如果僅考慮通過填充砂土加壓增加反扭矩，以抵抗扭轉(zhuǎn)，為防止盾構(gòu)始發(fā)切削地下連續(xù)墻時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，填充砂土提供的反扭矩為4 664.42kN·m，取安全系數(shù)為1.5，根據(jù)式(4)可得鋼套筒內(nèi)填充砂土壓力P≥38.15kPa。

此外，實(shí)際施工過程中為防止盾構(gòu)盾體與鋼套筒整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)、傾覆，保證盾構(gòu)在始發(fā)過程中套筒穩(wěn)定，在盾構(gòu)始發(fā)前，通常將套筒底部與鋼板焊接，并利用鋼套筒兩側(cè)位置進(jìn)行水平支撐。

4 泥水艙壓力分析

將本工程盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法和傳統(tǒng)始發(fā)工法產(chǎn)生的泥水艙壓力進(jìn)行對比，以研究鋼套筒始發(fā)階段泥水艙壓力變化規(guī)律。哈爾濱地鐵3號線丁香公園站始發(fā)施工采用傳統(tǒng)始發(fā)工法，且該工程土質(zhì)條件與本工程近似，因此本研究選擇該工程進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 丁香公園站始發(fā)工程泥水艙壓力變化曲線

圖3 河山街站始發(fā)工程泥水艙壓力變化曲線

由圖2，3可知，不同始發(fā)工程中始發(fā)前泥水艙存在一定初始壓力，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)數(shù)的增加，泥水艙壓力不斷增大，從而抵抗開挖面水土壓力，維持開挖面穩(wěn)定；泥水艙壓力達(dá)一定值后處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，保壓效果良好；刀盤中心泥水艙壓力均高于刀盤頂部泥水艙壓力，其中河山街站始發(fā)工程刀盤中心與頂部泥水艙壓力差異較小，表明采用盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法時(shí)泥水壓力更均衡；隨著盾構(gòu)切削通過地下連續(xù)墻(玻璃纖維筋)，由于魚尾刀高于刀盤其他刀具，其首先破除地下連續(xù)墻進(jìn)入地層，此時(shí)刀盤中心泥水艙壓力迅速增大，出現(xiàn)明顯波動，而刀盤頂部泥水艙壓力無明顯波動；隨著掘進(jìn)的不斷進(jìn)行，盾構(gòu)完全進(jìn)入地層，刀盤中心與頂部泥水艙壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

采用傳統(tǒng)始發(fā)工法時(shí)，刀盤中心泥水艙壓力可較快建立，而刀盤頂部泥水艙壓力增加較緩慢，此時(shí)刀盤頂部土體較中部土體更易坍塌。而采用盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法時(shí)，由于鋼套筒內(nèi)預(yù)先填充砂土加壓，壓力容易擴(kuò)散，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，刀盤中心與頂部泥水艙壓力均可快速建立，相對而言，刀盤前方地層更穩(wěn)定，施工風(fēng)險(xiǎn)較低。

綜上所述，鋼套筒密閉始發(fā)過程具有泥水艙壓力建立迅速、保壓效果好等優(yōu)點(diǎn)，且刀盤中心與頂部泥水艙壓力可同步快速建立，表明盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法適用于地質(zhì)條件差、埋深大、端頭加固效果有限等工程中。

5 始發(fā)井端頭受力、變形監(jiān)測與分析

盾構(gòu)始發(fā)階段風(fēng)險(xiǎn)較大，需重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，但由于始發(fā)井坍塌往往最先發(fā)生于洞門深層土體，常規(guī)監(jiān)測手段難以進(jìn)行有效預(yù)警，為此本研究對始發(fā)端深層土、水應(yīng)力進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，在距始發(fā)洞門4.5m的位置處鉆孔，埋設(shè)土壓力盒和孔隙水壓力計(jì)，測點(diǎn)布置如圖4所示。監(jiān)測設(shè)備可實(shí)時(shí)反映始發(fā)井穩(wěn)定性，并為現(xiàn)場施工提供預(yù)警分析，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示土、水壓力較初始壓力有明顯降低，即為失壓現(xiàn)象，需立即進(jìn)行緊急處理。

圖4 受力測點(diǎn)布置示意

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到不同盾構(gòu)掘進(jìn)距離下土、水壓力變化曲線，如圖5，6所示。由圖5，6可知，刀盤前方測點(diǎn)土壓力隨著掘進(jìn)距離的增加基本呈逐漸增大趨勢，隨著刀盤的通過，土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)失壓現(xiàn)象，表明端頭土體穩(wěn)定性良好；刀盤前方測點(diǎn)孔隙水壓力隨著掘進(jìn)距離的增加基本呈先增大后減小的趨勢，這是由于盾構(gòu)刀盤對前方土體的擠壓作用產(chǎn)生了超孔隙水壓力，使孔隙水壓力增加，而后開挖面出現(xiàn)水土流失現(xiàn)象，導(dǎo)致孔隙水壓力減??；隨著盾構(gòu)刀盤的通過，孔隙水壓力未見明顯降低，可知保壓效果良好；盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)對端頭井深層土、水應(yīng)力影響較大，但影響范圍有限，約為開挖面前方1.5倍開挖洞徑范圍。

圖5 土壓力變化曲線

圖6 孔隙水壓力變化曲線

為防止盾構(gòu)始發(fā)過程中產(chǎn)生地表沉降，在始發(fā)井端頭前方盾構(gòu)隧道軸線兩側(cè)地表布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)(見圖7)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測地表沉降變化，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，始發(fā)初期，始發(fā)井端頭前方地表略有隆起，隨著盾構(gòu)不斷掘進(jìn)，地表開始沉降，盾尾通過測點(diǎn)后沉降明顯，最大沉降值為7.6mm，沉降控制滿足要求，始發(fā)順利。

圖7 變形測點(diǎn)布置示意

圖8 始發(fā)井端頭上方地表沉降曲線

6 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程，對盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法進(jìn)行介紹與應(yīng)用，對盾構(gòu)始發(fā)反扭矩、泥水艙壓力進(jìn)行分析，并對始發(fā)井端頭受力、變形進(jìn)行監(jiān)測與分析，主要得出以下結(jié)論。

1)根據(jù)鋼套筒始發(fā)過程中盾構(gòu)阻滯扭矩產(chǎn)生特性，提出鋼套筒密閉始發(fā)反扭矩計(jì)算模型，建立反扭矩及鋼套筒壓力設(shè)定公式，為安全始發(fā)提供有效保障。

2)通過工程實(shí)踐，將盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法與傳統(tǒng)始發(fā)工法產(chǎn)生的泥水艙壓力進(jìn)行對比，總結(jié)泥水艙壓力變化特點(diǎn)，從泥水艙壓力建立速度、穩(wěn)定性等方面說明了盾構(gòu)鋼套筒密閉始發(fā)工法適用性。

3)通過對始發(fā)井端頭土體深層土壓力、孔隙水壓力、端頭上方地表沉降進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，及時(shí)對洞門失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警和分析，解決始發(fā)洞門突然坍塌、變形難以監(jiān)測等難題，保證始發(fā)安全。