盾構(gòu)半填土過(guò)站核心技術(shù)探究

安 宇

（中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司,北京 100000）

引言

在地下水位較高的富水砂土、粉土中進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的接受與始發(fā)是一件風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大的工程。有關(guān)文獻(xiàn)表明，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中80%的事故均出現(xiàn)在盾構(gòu)始發(fā)、接收期間。特別是在洞門鑿除、管片拆除期間，洞門位置易涌水涌砂，造成車站端頭地面塌陷[1-2]。國(guó)內(nèi)常規(guī)的做法是在車站端頭一定范圍內(nèi)采用采用攪拌樁、旋噴樁、鉆孔灌注樁等進(jìn)行地面注漿加固[3-4]，但是該方法對(duì)需要將管線改遷出加固區(qū)域。而往往在一些城市核心區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管線遷改難度極大，而不具備進(jìn)行地面加固的條件。針對(duì)此類難題，沈中江提出了水平旋噴法（MJS）進(jìn)行端頭加固，此類方法對(duì)解決此類問(wèn)題具有一定的可行性，但該方法費(fèi)用較高，工期較長(zhǎng)[5]。為了能夠讓盾構(gòu)機(jī)安全的、經(jīng)濟(jì)的、快速的完成盾構(gòu)機(jī)過(guò)站，本研究結(jié)合太原地鐵2 號(hào)線長(zhǎng)風(fēng)街站具體情況提出了“盾構(gòu)機(jī)半回填法過(guò)站”的工法。

1 工程概況及周邊環(huán)境

長(zhǎng)風(fēng)街站北端活塞風(fēng)道沿線路方向長(zhǎng)度為22.800 m，垂直線路方向?qū)挾葹?6.200 m，高度為15.49 m，埋深3.8 m，基底持力層為2-3-1 黏質(zhì)粉土，承載力特征值為140 KPa，為地下二層整體式鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)。該處地下水位埋深約4 m。本工程擬采用兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)由北向南穿越北端活塞風(fēng)道后在長(zhǎng)風(fēng)街站主體接收。其中穿越北端活塞風(fēng)道時(shí)采用的工法為：半填土過(guò)站。周邊環(huán)境見(jiàn)圖1。地質(zhì)情況見(jiàn)圖2。

圖1 車站周邊地面環(huán)境

圖2 北端活塞風(fēng)道地質(zhì)斷面圖

2 施工工藝流程

具體施工流程詳見(jiàn)圖3。

圖3 半回填法盾構(gòu)過(guò)站施工流程

3 工法特點(diǎn)

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，通過(guò)回填土壓及多道密封裝置實(shí)現(xiàn)穿越地層水土壓力平衡，確保盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)井內(nèi)進(jìn)出洞時(shí)不會(huì)出現(xiàn)土壓劇烈變化而引起的超挖沉降等施工風(fēng)險(xiǎn)；側(cè)墻支撐體系輔以監(jiān)測(cè)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(shí)結(jié)構(gòu)受力安全；另外通過(guò)底部回填復(fù)合地層，為盾構(gòu)機(jī)提供承載力的同時(shí)方便掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整，且通過(guò)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(dòng)，精確封堵涌水通道，消除該部位隱患及風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)安全順利穿越風(fēng)井結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有的最大優(yōu)勢(shì)主要為：（1） 土方回填一半即可穿越，本技術(shù)輔以洞門水平注漿加固及預(yù)埋分區(qū)注漿系統(tǒng)，將傳統(tǒng)回填過(guò)站土壓保障方式由單純依靠回填土自身，過(guò)渡為回填土+軟弱夾層針對(duì)性處理，有效減小土方回填數(shù)量，實(shí)現(xiàn)工期、造價(jià)等多重簡(jiǎn)化和節(jié)約，同時(shí)也克服后期開挖時(shí)接縫滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。（2） 結(jié)構(gòu)施工完成一半即可實(shí)施，過(guò)站結(jié)構(gòu)僅需完成盾構(gòu)機(jī)過(guò)站斷面施工即可。有效減小因先施工結(jié)構(gòu)后果站時(shí)結(jié)構(gòu)預(yù)留大量后澆帶，且回填土方受已完結(jié)構(gòu)影響出土困難等問(wèn)題，大大提高過(guò)站后回填土開挖及結(jié)構(gòu)施工效率。

4 工藝原理及關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)采用半填土過(guò)站的方法過(guò)站主要面臨基坑坍塌、盾構(gòu)機(jī)刀盤土壓力失衡、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏移等風(fēng)險(xiǎn)。為止需要著重控制區(qū)間風(fēng)井端頭的加固質(zhì)量、盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞的保壓能力、盾構(gòu)機(jī)空推時(shí)的姿態(tài)，具體技術(shù)體系見(jiàn)圖4。

圖4 半回填法過(guò)站技術(shù)體系總圖

4.1 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)控制

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞門是盾構(gòu)法施工最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，稍有不慎會(huì)產(chǎn)生洞門處土體坍塌、洞門涌水涌砂。因此必須對(duì)洞門處土體采取加固措施，但由于加固空間受限，只能對(duì)洞門處3 m 的土體采用WSS 注漿加固。為了應(yīng)為加固方法及加固范圍較少的限制，必須在洞門處輔以短套筒進(jìn)行盾構(gòu)的始發(fā)與接收。

4.2 回填段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制

由于回填土高度較低，且很難做到密實(shí)，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中很容易發(fā)生跑偏，具體表現(xiàn)為高扭矩、低轉(zhuǎn)速、低土壓。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，側(cè)墻洞門應(yīng)留有一定得富裕量。并且在結(jié)構(gòu)底板，盾構(gòu)機(jī)推行路徑處設(shè)置導(dǎo)向鋼軌，確保盾構(gòu)機(jī)可按預(yù)定軌跡完成進(jìn)洞、出洞。

4.3 已完結(jié)構(gòu)受力支撐體系建立技術(shù)

為了方便進(jìn)行土方回填及事后挖除，區(qū)間風(fēng)井頂板無(wú)法封閉，也無(wú)法形成完整的完整的結(jié)構(gòu)體系，為此必須在側(cè)墻處增加臨時(shí)支撐體系保證結(jié)構(gòu)的受力安全。盾構(gòu)機(jī)刀盤切割側(cè)墻地下連續(xù)墻時(shí)，是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系受力最大的階段。

盾構(gòu)頂進(jìn)過(guò)程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算如下：

盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)推力按照1.2 bar 取值。采用midas gts進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如下：最大變形1.2 mm，水平(xx)方向彎矩控制值 正彎矩400 KN.M，負(fù)彎矩493 KN.M 豎向（YY） 控制值 正彎矩205 KN.M，負(fù)彎矩548 KN.M,剪力控制值1 084 KN. 各值均在可控范圍內(nèi),配筋不會(huì)出現(xiàn)超筋的情況，具體內(nèi)力分布情況見(jiàn)圖5 至圖7。

圖5 位移結(jié)果

圖6 XX 方向彎矩

圖7 YY 向彎矩

5 效益分析

傳統(tǒng)回填過(guò)站工法，需將風(fēng)井結(jié)構(gòu)施工完成后再開始土方回填和盾構(gòu)機(jī)過(guò)站，且中板及頂板預(yù)留洞口為滿足回填土及后期管片拆除要求往往設(shè)置的較大，盾構(gòu)施工完成后后續(xù)結(jié)構(gòu)施工及回填土方工程量大，工期長(zhǎng)成本高。采用此工法風(fēng)井結(jié)構(gòu)僅需完成負(fù)二層（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(shì)。同時(shí)，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(zhǎng)度減小7～9 m，項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中累計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益達(dá)840 萬(wàn)元。

6 結(jié)論與討論

圖6 XX 方向彎矩

通過(guò)本工法很好的解決了常規(guī)盾構(gòu)端頭加固需要改遷管線，費(fèi)時(shí)費(fèi)力的不利條件。最終長(zhǎng)風(fēng)街站～王村南街站區(qū)間雙線盾構(gòu)機(jī)安全、快速的通過(guò)了中間風(fēng)井，基坑周圍地面最大變形量為15 mm，工期提前90 d。

盾構(gòu)半填土過(guò)站可作為一種新的盾構(gòu)機(jī)過(guò)站方式進(jìn)行推廣應(yīng)用，主要適用于受場(chǎng)地條件限制盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞端頭不具備地面垂直加固施工條件，且主體結(jié)構(gòu)施工工期無(wú)法滿足后續(xù)盾構(gòu)過(guò)站要求的區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)。施工中依然需要注意兩個(gè)方面：（1） 盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)磨地墻時(shí)及在基坑內(nèi)淺部覆土掘進(jìn)時(shí)，易造成盾構(gòu)掌子面土壓力失衡。此處應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)頂推力、姿態(tài)等掘進(jìn)參數(shù)的控制；（2） 二次開挖土方時(shí)，洞門處易發(fā)生漏水問(wèn)題。此處應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)二次注漿質(zhì)量，必要時(shí)采用花管再次補(bǔ)漿封堵。