機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工關(guān)鍵技術(shù)

黨龍龍

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 101100)

0 引言

目前，地下空間的開發(fā)逐步形成空間化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)，在地面空間日益匱乏的形勢(shì)下，地下空間的開發(fā)已成為實(shí)現(xiàn)城市功能的必要補(bǔ)充。為實(shí)現(xiàn)地下空間網(wǎng)絡(luò)的互通及既有空間之間的銜接，需通過連接通道將空間網(wǎng)絡(luò)加以連接。本文以軌道交通聯(lián)絡(luò)通道為例，傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)通道的施工普遍采用礦山法開挖，通過冷凍法、地面加固等形式對(duì)開挖范圍進(jìn)行加固，該工法存在風(fēng)險(xiǎn)高、地面沉降大、工期長(zhǎng)及造價(jià)較高等多個(gè)缺點(diǎn)，由此創(chuàng)新提出了機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工的新工法，該工法有效避免了傳統(tǒng)工法的不足。

國(guó)外在該領(lǐng)域的研究起步較早，德國(guó)漢堡易北河隧道救援通道以及中國(guó)香港的屯門隧道橫通道均采用機(jī)械頂管法施工，國(guó)內(nèi)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工首次是在寧波地鐵中投入使用，近些年來已在上海、南京等多個(gè)城市軌道交通領(lǐng)域推廣，并取得了一定的應(yīng)用成果。姚燕明等[1]認(rèn)為機(jī)械法代替礦山法施工可完全解決地層加固效果不理想帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)。劉鳳華等[2]根據(jù)管片擬合排版與管片選型的研究?jī)?nèi)容，提出了隧道軸線與管片動(dòng)態(tài)選型的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式。蔡偉陽等[3]在基于橢圓形式的隧道縱向等效連續(xù)化模型分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了橫向剛度和環(huán)縫作用范圍系數(shù)對(duì)隧道等效抗彎剛度的影響規(guī)律。本文在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了管片擬合排版跟隧道軸線的動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)系以及影響成型隧道的橢圓度和收斂值的核心要素，提出了管片動(dòng)態(tài)擬合排版、測(cè)量定位、鋼管片接縫處理及同步注漿的飽和度是決定機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 工程概況

1.1 工程概述

黃河南路站-西周站區(qū)間設(shè)置兩座聯(lián)絡(luò)通道，線間距14.715m，埋深約28.80m，開挖范圍內(nèi)主要以細(xì)砂層為主。區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道首次采用盾構(gòu)機(jī)機(jī)械施工，管片設(shè)計(jì)參數(shù)：內(nèi)徑2.760m、外徑3.260m、壁厚0.25m，管片寬0.9m。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線路主隧道需要為聯(lián)絡(luò)通道的機(jī)械法施工預(yù)留施工條件，故此處聯(lián)絡(luò)通道的管片采用鋼－混凝土復(fù)合管片，連續(xù)三環(huán)通縫拼裝，待切削區(qū)域范圍內(nèi)為混凝土管片，周邊預(yù)埋鋼環(huán)止水裝置。

圖1 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道管片接口設(shè)計(jì)圖

聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工襯砌設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土管片，混凝土抗?jié)B等級(jí)為P10，混凝土強(qiáng)度C50，楔形量為0mm，采用螺栓連接方式；始發(fā)、接收處預(yù)埋鋼環(huán)。

1.3 結(jié)構(gòu)受力分析

施工過程中，在主隧道內(nèi)建立臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，予以均勻支撐。本次分析采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件MIDAS/GTS 進(jìn)行有限元計(jì)算，模擬內(nèi)部臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的剛度及施工過程中時(shí)隧道的整體變形情況。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)有限元模型

通過計(jì)算，后靠背受力滿足要求，主隧道管片變形滿足要求。

2 設(shè)備技術(shù)原理

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工基于傳統(tǒng)盾構(gòu)土壓平衡的原理，通過刀盤刀具的旋轉(zhuǎn)切削土體并填充土倉(cāng)，形成土倉(cāng)壓力，通過調(diào)整土倉(cāng)壓力實(shí)現(xiàn)與掌子面水土壓力和的平衡穩(wěn)定，同時(shí)通過控制螺旋機(jī)出土量和掘進(jìn)速度，達(dá)到保持開挖掌子面土體穩(wěn)定的需要，有效預(yù)防了地面沉降較大或掌子面地下水噴涌。同時(shí)在管片上預(yù)留預(yù)埋止水密封裝置，實(shí)現(xiàn)頂管機(jī)全封閉狀態(tài)的始發(fā)和接收，保證聯(lián)絡(luò)通道施工過程中掌子面全過程處于密閉狀態(tài)，確保了整個(gè)施工過程的安全。

頂管機(jī)設(shè)備主要由兩部分組成，盾體和后配套臺(tái)車，盾體由刀盤、前體、中體、螺機(jī)、主驅(qū)動(dòng)5 大件組成，后置配套臺(tái)車由1～5 號(hào)臺(tái)車組成，其中5 號(hào)臺(tái)車做接收使用。

圖3 頂管設(shè)備示意圖

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工前準(zhǔn)備

通過實(shí)測(cè)聯(lián)絡(luò)通道左右線洞門圓周上不少于10 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，擬合的洞門中心坐標(biāo)，計(jì)算左右線的平面偏差，通過擬合洞門中心高程與設(shè)計(jì)洞門中心高程對(duì)比，計(jì)算主隧道管片旋轉(zhuǎn)角度。只有洞門中心平面和高程在允許范圍內(nèi)，才可進(jìn)行機(jī)械法施工。

實(shí)測(cè)左右線洞門平面偏差和高程偏差，計(jì)算計(jì)劃線，根據(jù)以上數(shù)據(jù)調(diào)試剛套筒及導(dǎo)向系統(tǒng)姿態(tài)，為防止頂管機(jī)磕頭，應(yīng)抬頭1cm 始發(fā)。

3.1.1 洞門處加固注漿

在聯(lián)絡(luò)通道洞門周邊設(shè)置10 個(gè)注漿孔并在其前、后6 環(huán)范圍內(nèi)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，對(duì)同步注漿形成的地層不均勻空隙或凝固注漿收縮等缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，以提高此管片位置壁后注漿層的防水性能。

3.1.2 焊接鋼管片

聯(lián)絡(luò)通道位置兩側(cè)管片完成注漿補(bǔ)強(qiáng)后，需對(duì)復(fù)合管片的縫隙進(jìn)行處理，采用封堵灌漿的方式將洞門處6 塊復(fù)合管片的鋼結(jié)構(gòu)接縫部位進(jìn)行處理，采用跳焊法焊接為一個(gè)整體，分多層跳焊法焊接，以減少變形，單層焊接厚度為3～5mm，焊接完成后進(jìn)行探測(cè)。

3.1.3 始發(fā)平臺(tái)驗(yàn)算

為確保始發(fā)軸線的精度，需對(duì)始發(fā)平臺(tái)的受力變形進(jìn)行驗(yàn)算。盾體重量約50t，作用在始發(fā)平臺(tái)兩個(gè)弧形板上面，盾體與調(diào)整支架摩擦系數(shù)取0.2。

圖4 始發(fā)平臺(tái)模型受力分析

由有限元靜力分析結(jié)果可知，始發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度可滿足要求。

3.2 頂管機(jī)吊裝及調(diào)試

本工程施工采用中鐵裝備1104#、1062#頂管機(jī)，各5 節(jié)臺(tái)車，整機(jī)長(zhǎng)約50m，主機(jī)存放于3 號(hào)臺(tái)車內(nèi)部，總重約390t，擬采用徐工400t 履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。

主機(jī)隨臺(tái)車一同運(yùn)輸，將主機(jī)置于鋼套筒內(nèi)同時(shí)運(yùn)輸至聯(lián)絡(luò)通道始發(fā)端，頂管始發(fā)姿態(tài)的調(diào)整通過托架微調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行操縱，始發(fā)時(shí)將頂管軸線比設(shè)計(jì)軸線提高10mm，防止設(shè)備進(jìn)洞后磕頭；調(diào)整始發(fā)姿態(tài)后，將鋼套筒焊接在預(yù)埋鋼管片上，局部塞填鋼板進(jìn)行全密封焊接。主體就位后，將后配套臺(tái)車設(shè)備運(yùn)輸至工作面，通過連接管線與主機(jī)進(jìn)行連接調(diào)試，并將油缸支撐系統(tǒng)伸出與管片內(nèi)弧面密貼，支撐體系每隔5min 間隔分級(jí)加載。設(shè)備連接完成后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。

3.3 洞門與套筒焊接

鋼套筒結(jié)構(gòu)材料選用3cm 厚的Q235 鋼板，其筋板高45mm，板厚20mm，布置間隔350mm，結(jié)合面均采用法蘭連接，法蘭材料與主體結(jié)構(gòu)相同，在每節(jié)鋼套筒的外圍焊接縱橫向筋板，以保證鋼套筒的強(qiáng)度和剛度，每節(jié)套筒法蘭處采用規(guī)格為M20-10.9 級(jí)的高強(qiáng)螺栓連接，法蘭處加裝0 型密封條。

鋼套筒與洞門焊接完成并檢查合格后，對(duì)鋼套筒進(jìn)行填倉(cāng)處理，填倉(cāng)材料采用袋裝膨潤(rùn)土，填倉(cāng)接近完成后，要打開鋼套筒上預(yù)留的泄壓口進(jìn)行泄壓，最后將注漿管路接入頂部泄壓口，注入膨潤(rùn)土漿液填滿筒體內(nèi)空隙。

3.4 始發(fā)參數(shù)

刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速、貫入度、推力、推進(jìn)速度等施工參數(shù)實(shí)時(shí)采集，施工階段參考此參數(shù)控制，并根據(jù)不同工況進(jìn)行差異微調(diào)，掘進(jìn)過程中向開挖倉(cāng)內(nèi)注入泡沫劑或膨潤(rùn)土潤(rùn)滑，同時(shí)做好掘進(jìn)機(jī)防旋轉(zhuǎn)措施。刀盤切削特殊管片時(shí)注入泡沫劑進(jìn)行渣土改良，固定速度持續(xù)注入，螺旋機(jī)出渣過程中指派專人盯控出土量。

3.5 掘進(jìn)施工

3.5.1 掘進(jìn)程序

土倉(cāng)壓力P 應(yīng)能與地層靜止水壓力和土壓力相抗衡，在刀盤掘進(jìn)過程中根據(jù)隧道軸線埋深和水文地質(zhì)情況進(jìn)行反饋和調(diào)整優(yōu)化，通過調(diào)整出渣量和控制掘進(jìn)速度兩條途徑來達(dá)到。一般將刀盤開挖倉(cāng)中部土壓力、靜水壓力之和設(shè)定為P0，則P ＝K×P0，K 一般取值1.1～1.3。

3.5.2 渣土管理

在土壓平衡工況模式下渣土應(yīng)具有良好的塑流狀態(tài)，當(dāng)渣土滿足不了這些要求時(shí)，可通過向螺旋輸送機(jī)內(nèi)或刀盤、混合倉(cāng)注入泡沫材料對(duì)渣土進(jìn)行改良處理。

3.5.3 施工參數(shù)控制

3.5.3.1 頂進(jìn)出土

每環(huán)理論出土約7.7m2，螺旋機(jī)出口處放置0.7m×0.7m×1m 小土斗，4 號(hào)臺(tái)車上的吊裝設(shè)備將小土斗運(yùn)至4 號(hào)臺(tái)車后方渣土車。頂進(jìn)過程中保證頂進(jìn)速度與出土量匹配，嚴(yán)格監(jiān)控土壓力變化。

3.5.3.2 糾偏處理

管片拼裝前需驗(yàn)收合格方可下井，管節(jié)拼裝質(zhì)量符合規(guī)范要求，所有機(jī)械調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，即可進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)，頂管頂進(jìn)軸線最大允許偏差量為不超過±50mm，

3.5.3.3 止退桿安裝

頂進(jìn)900mm 后，安裝止退桿。需要將止退桿牛腿焊接于復(fù)合管片上，插入銷子，盾體的止退需要將銷子焊接于盾體上。

3.5.3.4 管片拼裝

整環(huán)管節(jié)分為兩個(gè)部分，分別為下部210°和上部150°范圍，油缸行程滿足拼裝要求后，先收起下部油缸，拼裝下部管片，將下部油缸頂緊后拼裝上部管片。

管片分塊進(jìn)行吊裝，通過導(dǎo)軌運(yùn)輸?shù)狡囱b機(jī)下方，吊裝過程應(yīng)緩慢防止沖擊管片角部，以防破壞止水條。在導(dǎo)軌上利用吊機(jī)對(duì)管片進(jìn)行角度調(diào)整。

待安裝管片與成型隧道管片螺栓孔對(duì)齊后，將主千斤頂向前推進(jìn)至管片側(cè)面，再安裝管片螺栓，拼裝過程中應(yīng)安排專人進(jìn)行檢查，防止螺栓孔錯(cuò)位。

3.6 注漿潤(rùn)滑減阻

為減小土體與管節(jié)間摩擦力的作用，在管片外側(cè)及時(shí)進(jìn)行潤(rùn)滑減阻注漿，注漿材料采用鈉基膨潤(rùn)土，注漿配合比：膨潤(rùn)土:水=1:9（質(zhì)量比），注漿前需攪拌均勻，并靜置12h 以上方可使用。

注漿壓力：嚴(yán)格控制注漿壓力，將其壓力控制在0.2～0.5MPa 之間，壓力過高會(huì)擊穿土層冒漿，不易形成止水環(huán)，單環(huán)注漿量為管片外理論空隙的1.3～1.5 倍。

3.7 頂管機(jī)到達(dá)

接收前將設(shè)備軸線高程姿態(tài)調(diào)整至±5mm 以內(nèi)，千斤頂行程精確計(jì)算，中心刀抵達(dá)接收復(fù)合管片前，保持緩慢掘進(jìn)，速度控制在5mm/min 以內(nèi)。

接收時(shí)刀盤處于土體中切削管片，切削過程中貫入度及推進(jìn)速度較小，應(yīng)當(dāng)減少出土量，保持土壓平衡，切削管片須一次性貫穿管片，切不可中途中斷油缸壓力，防止主機(jī)下沉。

圖5 頂管機(jī)到達(dá)接收示意圖

3.8 頂管機(jī)拆除

洞口加固完成后→逐級(jí)撤銷水平頂撐力→逐級(jí)撤銷上下頂撐力→橫撐油缸全部縮回→頂撐油缸全部縮回→拆除右側(cè)前部支撐環(huán)→拆除油缸管路和電纜→直至具備運(yùn)輸條件。

因左側(cè)前部支撐環(huán)收回后尚與管片及套筒干擾，需要在隧道內(nèi)拆除。右側(cè)前部支撐環(huán)共1 個(gè)，單重約2t，使用1 個(gè)5t、兩個(gè)2t 手拉葫蘆拆除。拆除油缸管路及電纜前，必須確認(rèn)具備5 號(hào)臺(tái)車運(yùn)出空間。

3.9 后澆洞門施工

已成型隧道與聯(lián)絡(luò)通道間的接口需要進(jìn)行專項(xiàng)施工，頂管機(jī)掘進(jìn)完成后，將設(shè)備分體拆除退場(chǎng)，為后澆洞門接口施工提供工作面。為防止拆除管片后漏水，施工前需對(duì)洞門管片周邊進(jìn)行注漿處理，打設(shè)探孔，確保接口無滲漏水后開始拆除管片作業(yè)。

后澆洞門為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗?jié)B等級(jí)P12，強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼板采用Q235B 型鋼，鋼筋采用HPB300，HRB400級(jí)鋼，鋼筋保護(hù)層厚度內(nèi)側(cè)35mm，外側(cè)45mm。

3.10 防火門設(shè)計(jì)

防火門墻體通過在聯(lián)絡(luò)通道管片植筋連接，鋼筋應(yīng)先焊后植，若困難而必須后焊，其焊點(diǎn)距管片表面應(yīng)大于15d，且應(yīng)采用濕毛巾包裹植筋外露部分的鋼筋根部。防火門頂部與管節(jié)內(nèi)壁連接，門框?qū)挾葹?00mm。

圖6 聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工整體效果圖

3.11 施工測(cè)量與監(jiān)測(cè)

3.11.1 施工測(cè)量

需提前對(duì)成型洞門進(jìn)行復(fù)測(cè)。其中包括里程復(fù)測(cè)、所在主隧道管片自轉(zhuǎn)復(fù)測(cè)、洞門凈空復(fù)測(cè)、洞門中心復(fù)測(cè)。

3.11.2 施工監(jiān)測(cè)

綜合本工程周圍環(huán)境特點(diǎn)，主要對(duì)區(qū)間隧道左、右線軸線地表點(diǎn)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，隧道拱頂、拱底進(jìn)行收斂監(jiān)測(cè)，區(qū)間隧道兩側(cè)2 倍埋深內(nèi)建（構(gòu)）筑物、沉降、傾斜監(jiān)測(cè)、裂縫觀測(cè)，地下管線監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

通過此次研究，成型隧道的橫向擴(kuò)張值和豎向收斂值均大大減小，結(jié)構(gòu)橢圓度降低17.5%，施工總工期縮短30d，取得了較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。