泥水平衡盾構(gòu)大坡度分體始發(fā)掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究*

孫海東，張曉勇，陳國相，吳 雙

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068； 2.中交隧道工程局有限公司，北京 100024)

0 引言

當(dāng)前盾構(gòu)法憑借其在施工建設(shè)中的獨(dú)特優(yōu)勢已成為穿江越河的首選方法，盾構(gòu)掘進(jìn)施工主要包括盾構(gòu)始發(fā)、持續(xù)掘進(jìn)和到達(dá)接收，其中，始發(fā)階段作為盾構(gòu)法施工的開始環(huán)節(jié)，在整個(gè)工程施工過程中處于關(guān)鍵地位，同時(shí)也是掘進(jìn)施工的重難點(diǎn)之一。盾構(gòu)始發(fā)主要包括整體始發(fā)和分體始發(fā)，當(dāng)?shù)罔F車站空間較充足時(shí)，滿足盾體和全部后配套臺車共同始發(fā)的掘進(jìn)條件時(shí)，采用整體始發(fā)。受限于盾構(gòu)始發(fā)井凈空尺寸，在相對狹小的空間內(nèi)無法滿足整體始發(fā)要求時(shí)，采用分體始發(fā)，將盾體及部分后配套臺車于始發(fā)井下組裝調(diào)試掘進(jìn)，其余部分臺車于地面進(jìn)行安裝，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至全部后配套臺車安放長度后改換為整體始發(fā)模式[1-2]。

對于建設(shè)空間日益狹小的大城市而言，分體始發(fā)適用性較高，但其始發(fā)難度及掘進(jìn)效率是需要解決的問題，目前，國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)分體始發(fā)進(jìn)行了研究，如鐘志全[3]通過改造并增設(shè)盾構(gòu)附屬設(shè)備，提出在長度僅22m豎井中的盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)；卜星瑋等[4]通過改造盾構(gòu)附屬設(shè)施、出渣系統(tǒng)等，提出分體始發(fā)及推進(jìn)相結(jié)合的施工技術(shù)；趙繼華[5]結(jié)合盾構(gòu)始發(fā)覆土環(huán)境淺、整體始發(fā)受限的現(xiàn)狀，研究并優(yōu)化間歇式分體組裝、多次始發(fā)施工技術(shù)；李希宏等[6]對分體始發(fā)過程中的管路及鋼套筒進(jìn)行分析，有效解決了泥水平衡盾構(gòu)鋼套筒分體始發(fā)難題；蔣少武等[7]介紹了超狹窄豎井盾構(gòu)分體始發(fā)施工方法；黃雪梅[8]通過數(shù)值模擬分析，研究了地面荷載壓力等對地面沉降的影響；吳志遠(yuǎn)等[9]闡述了始發(fā)端未封頂工況下開展盾構(gòu)始發(fā)施工的可行性和關(guān)鍵實(shí)施步驟。

本文依托寧夏中寧縣供熱管網(wǎng)盾構(gòu)下穿工程，在現(xiàn)有盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)后配套設(shè)備改造布置后的分體始發(fā)方案進(jìn)行研究，結(jié)合二次轉(zhuǎn)接技術(shù)，提出豎井中分體組裝推進(jìn)及二次轉(zhuǎn)接相結(jié)合的大坡度分體始發(fā)掘進(jìn)技術(shù)。

1 工程概況

寧夏中寧縣供熱管網(wǎng)項(xiàng)目下穿黃河區(qū)間，盾構(gòu)隧道線路長約1.98km，采用1臺直徑6 480mm泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，管片外徑6 200mm，內(nèi)徑5 500mm，環(huán)寬1 200mm。盾構(gòu)始發(fā)井為矩形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為13m×16m×28.5m(長×寬×高)，盾構(gòu)始發(fā)端坡度為4.65%，屬于大坡度始發(fā)，隧道頂部為卵石土，中部及下部為粉土、粉砂地層，盾構(gòu)推進(jìn)易出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象，洞門易出現(xiàn)滲漏水、流砂、坍塌等現(xiàn)象。

因受始發(fā)工作井凈空尺寸限制，盾構(gòu)無法在井下整體組裝調(diào)試后再進(jìn)行始發(fā)工作，從而需結(jié)合盾構(gòu)整體情況，并根據(jù)施工現(xiàn)場場布條件，確定合適的分體始發(fā)方案，始發(fā)井結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

2 分體方式

泥水平衡盾構(gòu)分體始發(fā)需根據(jù)每節(jié)臺車長度和臺車上的主要設(shè)備進(jìn)行綜合性考慮，因6號臺車之前部分以主要設(shè)備居多，應(yīng)將5號臺車至刀盤部分下井，6～8號臺車放置在地面，但造成管路延長、連接技術(shù)難度增大、改造費(fèi)用增多等問題。相比之下，如果將主要為泥漿管路延長設(shè)備的8號臺車下井與5號臺車一并連接，6，7號臺車放置在地面，可減少延長管路的使用，方便盾構(gòu)掘進(jìn)過程中進(jìn)排泥漿管路延長，同時(shí)管路延長較簡單，且使用費(fèi)用較低。所以將8號臺車及5號臺車至刀盤部分下井進(jìn)行組裝較合理，可滿足試掘進(jìn)階段工序銜接，提高工作效率。

3 分體始發(fā)方案

3.1 始發(fā)前準(zhǔn)備

盾構(gòu)由刀盤、前盾、中盾、尾盾、拼裝機(jī)、連接橋和8節(jié)后配套臺車組成，刀盤外徑6 500mm，前盾及中盾外徑6 480mm，盾尾外徑6 460mm，盾構(gòu)總長度110m，1～8號臺車和連接橋長度均為4.2m，拼裝機(jī)+主梁長度為6.5m。

3.2 盾構(gòu)后配套改造及布置

3.2.1改造原則

泥水平衡盾構(gòu)分體始發(fā)時(shí)，需對盾構(gòu)原有設(shè)備進(jìn)行必要的改造或拆除，增加部分設(shè)備及管路。

盾構(gòu)后配套臺車擺放及設(shè)備改造直接影響盾構(gòu)始發(fā)安全、效率、功能，需遵循以下原則：①極大限度地利用盾構(gòu)原有設(shè)備，減少對原有設(shè)備的改造，取消不必要的設(shè)備；②最大可能地滿足始發(fā)井空間和材料垂直運(yùn)輸通道要求；③有利于盾構(gòu)下井組裝調(diào)試及試掘進(jìn)階段完成后其余臺車下井組裝調(diào)試；④從經(jīng)濟(jì)、能耗、施工便利等方面考慮，盡量減少井下臺車與地面臺車之間延長管路的長度；⑤能夠快速完成盾構(gòu)組裝調(diào)試及試掘進(jìn)工作；⑥不占用或少用地面主要的工作面，減少交叉施工作業(yè)。

3.2.2增加設(shè)備

根據(jù)本工程泥水平衡盾構(gòu)分體始發(fā)需要增加必要的設(shè)備，如表1所示。

表1 增加設(shè)備

增加的延長管路需考慮始發(fā)工作井深度、始發(fā)試掘進(jìn)階段距離、6，7號臺車在地面的擺放位置和方向。

3.2.3盾構(gòu)組裝調(diào)試

泥水平衡盾構(gòu)分體始發(fā)組裝調(diào)試工作與常規(guī)式整體始發(fā)的組裝調(diào)試工作基本相同，分體始發(fā)應(yīng)在組裝過程中根據(jù)始發(fā)井尺寸考慮設(shè)備安裝順序，避免因設(shè)備安裝空間不足造成安裝困難或返工。特別注意的是，延長管路尺寸、型號應(yīng)與原設(shè)備相同或可完全替代。

3.3 始發(fā)基座、反力架安裝及負(fù)環(huán)位置確定

盾構(gòu)始發(fā)基座采用鋼結(jié)構(gòu)形式，長9 240mm，高600mm，始發(fā)軸線位置關(guān)系如圖2所示。由于始發(fā)段存在4.65%的坡度，始發(fā)架與底板基面存在坡度，采用焊接型鋼調(diào)節(jié)始發(fā)基座坡度，始發(fā)架距密封環(huán)1 296mm，距反力架1 254mm，兩軌道之間的距離為2 600mm，由于始發(fā)坡度較大，始發(fā)架靠近洞門側(cè)采用型鋼支撐在主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻上，防止盾構(gòu)頂推時(shí)始發(fā)架前移。工作井沿掘進(jìn)方向的寬度為16m，綜合考慮工作井主體結(jié)構(gòu)、反力架位置等因素，始發(fā)時(shí)從反力架到正環(huán)共需12環(huán)負(fù)環(huán)，反力架采用鋼結(jié)構(gòu)形式，軸線應(yīng)與盾構(gòu)軸線垂直，為保證0環(huán)位置準(zhǔn)確及方便洞門密封裝置安裝，在-11環(huán)與反力架之間安裝厚壁20mm的φ300mm鋼管進(jìn)行受力傳遞，反力架上側(cè)與-11環(huán)的距離為246mm，下側(cè)緊靠反力架，反力架后側(cè)采用4根φ800mm鋼管支撐和型鋼通過底板預(yù)埋鋼板焊接固定，下部在底板預(yù)埋2cm厚鋼板，并與反力架牢固焊接，如圖3所示。

3.4 二次轉(zhuǎn)接技術(shù)

二次轉(zhuǎn)接技術(shù)工藝流程為：泥漿置換→停機(jī)斷電，管線拆除→8號臺車后移→6號臺車下井→7號臺車下井→6～8號臺車連接→盾構(gòu)聯(lián)機(jī)調(diào)試→恢復(fù)推進(jìn)。

1)盾構(gòu)完成第85環(huán)推進(jìn)后，開始進(jìn)行二次轉(zhuǎn)接準(zhǔn)備，待泥膜建好后，將5，8號臺車之間管路、線路拆除，繼續(xù)拆除泥漿管和轉(zhuǎn)接所用的管路，將管路按型號分解、整理入庫。

2)待各種管路拆解完成、檢查無問題后，使用電瓶車將8號臺車向后方推出，停放在明挖段平坡段，并用鐵楔止擋，防止溜車，留出6，7號臺車下井安裝空間。

3)按照方案使用200t汽車式起重機(jī)將6，7號臺車按順序依次吊入井內(nèi)，并使用電機(jī)車將臺車?yán)M(jìn)隧道內(nèi)，然后進(jìn)行管路、線路連接。

4)待所有管路重新安裝完畢后進(jìn)行盾構(gòu)重新調(diào)試、試運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

5)盾構(gòu)重新調(diào)試后，檢查各系統(tǒng)完好性，確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)后開始復(fù)推，完成盾構(gòu)轉(zhuǎn)接工作。

3.5 分體始發(fā)效果分析

盾構(gòu)始發(fā)階段日掘進(jìn)平均環(huán)數(shù)為3.38環(huán)。整個(gè)分體始發(fā)過程中掘進(jìn)工效穩(wěn)步提高，分體始發(fā)效果良好。

盾構(gòu)在破除洞門加固體的過程中，刀盤扭矩及總推力穩(wěn)步增加，保證了刀盤對正面加固土體的充分切削。完全破除加固體后總推力及刀盤扭矩出現(xiàn)急劇下降，持續(xù)掘進(jìn)至30環(huán)后均維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖4，5所示。

由于加固區(qū)土體強(qiáng)度較高，盾構(gòu)在始發(fā)端頭掘進(jìn)時(shí)，需較大的泥漿密度才能有效將盾構(gòu)破碎的塊狀加固體帶走，盾構(gòu)刀盤進(jìn)入簾布橡膠后開始建立泥水平衡，有利于地層應(yīng)力達(dá)平衡狀態(tài)，分體始發(fā)階段地表隆沉總體得到有效控制，如圖6所示。但始發(fā)階段由于對周圍土體的擾動過大，最大地表沉降達(dá)6.25mm，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，地層隆沉部分恢復(fù)。

4 結(jié)語

受限于始發(fā)工作井凈空尺寸及大坡度始發(fā)的特殊性，結(jié)合盾構(gòu)整體情況并根據(jù)施工現(xiàn)場場布條件確定了適合本工程的分體始發(fā)方案。

通過對盾構(gòu)后配套設(shè)備的改造布置，增加延長管路，提出在長度僅16m的豎井中分體組裝推進(jìn)與二次轉(zhuǎn)接相結(jié)合的大坡度分體始發(fā)掘進(jìn)技術(shù)，有效解決了狹小空間始發(fā)、區(qū)間推進(jìn)難題。

整個(gè)分體始發(fā)過程中掘進(jìn)工效穩(wěn)步提高，盾構(gòu)始發(fā)階段日掘進(jìn)平均環(huán)數(shù)為3.38環(huán)，分體始發(fā)效果良好。

盾構(gòu)刀盤進(jìn)入簾布橡膠后開始建立泥水平衡，始發(fā)階段由于對周圍土體的擾動過大，最大地表沉降達(dá)6.25mm，始發(fā)階段地表隆沉總體得到有效控制。