小半徑曲線盾構(gòu)過區(qū)間中間風井施工技術(shù)

方亮亮

（安徽金聯(lián)地礦科技有限公司，安徽合肥 230088）

在城市軌道交通線路密度日益增加的背景下，由于受到了規(guī)劃和現(xiàn)有建筑的限制，城市軌道交通的線形日益復雜，為避開建（構(gòu)）筑物的影響和保證長區(qū)間隧道通風的要求，通常將線路較長的地鐵隧道中設(shè)置的中間風井平面線型設(shè)計成小半徑曲線，造成盾構(gòu)進出風井方向存在夾角，加大了盾構(gòu)過風井的施工難度[1-2]。

1 工程概況

合肥市軌道交通3號線南延線青年路站—云谷路站區(qū)間（簡稱“青云區(qū)間”）為雙洞單線圓形隧道，采用盾構(gòu)施工，線間距12.03～14.15 m，隧道左線長2 141.143 m，右線長2 141.345 m。在中間最低處設(shè)置1座中間風井兼做聯(lián)絡(luò)通道及泵房，該風井主體結(jié)構(gòu)為地下5層三跨鋼筋混凝土箱型框架，外包總長34.1 m（其中主體部分長25 m，附屬結(jié)構(gòu)長9.1 m），寬26.0 m，底板埋深35.93 m。主體圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻厚度為1 m（洞門范圍內(nèi)的端頭圍護結(jié)構(gòu)鋼筋采用玻璃纖維筋替代），主體結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻厚度為1.2 m，洞門直徑為6.8 m，盾構(gòu)最大外徑為6.44 m。青云區(qū)間隧道過中間風井平面曲線上為450 m的小曲線半徑段，縱斷面上先以8.3‰ 下坡在中間風井接收，然后以9‰ 上坡在中間風井二次始發(fā)。

1.1 工程地質(zhì)

隧道在穿越中間風井時，盾構(gòu)在450 m曲線段掘進的巖性主要為中風化泥質(zhì)砂巖，掘進段上部主要為強風化泥質(zhì)砂巖，下部為中風化泥質(zhì)砂巖。盾構(gòu)過中間風井區(qū)域巖層總體呈單斜狀，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

1.2 水文地質(zhì)

中間風井施工區(qū)域水文地質(zhì)條件簡單，地層之間水力聯(lián)系較弱，區(qū)內(nèi)地下水主要為上層滯水、承壓水和基巖孔隙水、裂隙水。淺層地下水以人造充填物為主體，以表層滯留水占主導地位，其含水量較??；承壓水主要賦存于粉土、粉砂、中砂層中，基巖孔隙水主要賦存在完全風化泥質(zhì)砂巖中，含水量不大，但在局部粉土或粉砂透鏡體夾層中水量可能較集中。

2 施工工藝流程

盾構(gòu)機過中間風井是指從盾構(gòu)機順利進洞到弧形混凝土導臺上，拼裝負環(huán)空推到盾構(gòu)從風井導臺上二次始發(fā)出洞的整個施工過程。其工作內(nèi)容包括：施工準備、盾構(gòu)接收、盾構(gòu)空推過站、盾構(gòu)機檢修及刀具更換、盾構(gòu)始發(fā)等內(nèi)容。具體施工流程如圖1所示。

圖1 施工順序流程圖

3 盾構(gòu)過風井施工技術(shù)

3.1 盾構(gòu)割線接收與二次始發(fā)

因盾構(gòu)機剛體為直線型，不能很好地符合隧道設(shè)計曲線，因此，在施工過程中，盾構(gòu)機均需沿直線進行施工。青云區(qū)間盾構(gòu)過中間風井段為450 m的小半徑曲線，若盾構(gòu)沿著中間風井接收和始發(fā)洞門中心點連成的直線推進，待盾構(gòu)機整個剛性盾體進入土體后，刀盤在半徑450 m曲線上的中心線已向線路中線外偏180 mm，水平偏差值遠大于掘進過程中的規(guī)范允許偏差±50 mm（圖2）。

為滿足隧道成型質(zhì)量要求且使盾構(gòu)機在出、進洞前5 m的姿態(tài)偏差最小，區(qū)間盾構(gòu)掘進在風井段采用割線接收與二次始發(fā)的方式，充分利用盾尾鉸接調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，保證盾構(gòu)順利接收和二次始發(fā)。在盾構(gòu)到達風井前，提前用軟件模擬盾構(gòu)出、進洞的軌跡并施作好混凝土弧形導臺。盾構(gòu)在到達前就開始向曲線圓心相反方向偏離48 mm，待盾構(gòu)刀盤頂?shù)蕉撮T圍護結(jié)構(gòu)時盾構(gòu)中線剛好與隧道設(shè)計中心線重合；二次始發(fā)時，由于盾體與圍護結(jié)構(gòu)有一定的夾角，為保證盾體順利進洞且使盾構(gòu)中線與隧道設(shè)計中心線的偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)，在始發(fā)端使刀盤中心線與洞門中心線重合，盾尾中心線偏離隧道設(shè)計中心線23 mm，但盾體沿著這條直線完全進洞后，刀盤中心線偏向圓心方向36 mm（圖3）。

圖3 改進后的盾構(gòu)機過450 m半徑曲線段示意圖（單位：m）

3.2 盾構(gòu)到達中間風井施工

盾構(gòu)到達風井前，要根據(jù)前段掘進參數(shù)優(yōu)化接收前的掘進參數(shù)，在最后20環(huán)盾構(gòu)機應當勻速推進施工，速度控制在2 cm/min為宜。為控制盾構(gòu)施工的精度，盾構(gòu)施工過程中，不能出現(xiàn)過大變形，其變形量不能超過10 mm （高程和平面），每一次盾構(gòu)的變坡量不能超過1‰。當盾構(gòu)刀盤距貫通路段不超過10 m時，應在中間風井接收洞門處安排專門的人員，負責隨時觀測洞口的變化。如果洞門處地下連續(xù)墻發(fā)生較大的振動，甚至是發(fā)生了裂縫，那么就應該及時通知主司機，讓盾構(gòu)推力、刀盤轉(zhuǎn)速和推進速度再減小一些，以免因為推力過大而導致洞門倒塌，或者地表沉陷。

3.2.1 貫通前測量與盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整

在盾構(gòu)抵達之前50 m段，加大對盾構(gòu)姿態(tài)及管片的檢測頻率，依據(jù)重測結(jié)果，結(jié)合中間風井對洞門鋼環(huán)的真實位置，及時調(diào)整盾構(gòu)推進參數(shù)，保證盾構(gòu)機進洞時的姿態(tài)與設(shè)計路線一致，順利進入到中間風井混凝土導臺上進行接收。因在風井以450 m半徑圓曲線接收，為便于盾構(gòu)機順利爬上導臺水平出洞，控制盾構(gòu)機軸線在洞門中線上10 mm范圍內(nèi)，平面偏差控制在50～80 mm，出洞時注意調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)與管片拼裝姿態(tài)。為保證出洞前盾構(gòu)姿態(tài)的穩(wěn)定和出洞前的安全，對已拼裝的管片及時進行二次注漿，堵住盾尾管片后面的水流，穩(wěn)定管片的位置，保證自動導引系統(tǒng)準確有效地運行[3]，并對洞門鋼環(huán)和接收導引平臺進行再次測量，確認洞口入口的大小，保證出口的凈空；保證盾構(gòu)機的剛性盾體安全順利爬上中間風井預制的弧形混凝土導臺。

3.2.2 盾構(gòu)到達掘進參數(shù)控制

為及時控制好盾構(gòu)接收時的姿態(tài)，使盾構(gòu)按照設(shè)定的姿態(tài)順利接收并推上混凝土弧形導臺，在到達段，要嚴格控制好掘進參數(shù)。到達段盾構(gòu)根據(jù)貫通距離和洞門觀察情況及時調(diào)整參數(shù)，控制土倉的平衡土壓力，使土倉壓力緩慢下降，防止壓力突變；每循環(huán)要清空渣土車內(nèi)的殘余渣土，統(tǒng)計好每環(huán)管片的出土量和同步注漿量，為后續(xù)洞門封堵時補充的漿液量提供依據(jù)；在掘進過程中，及時做好盾尾油脂壓注工作。在盾構(gòu)機入洞后，為防止過大的推動力對洞門結(jié)構(gòu)區(qū)域的土體穩(wěn)定性造成影響，必須進行有效的糾偏，并減小洞門土體區(qū)域的壓力[4]。逐步減小推土機的推力、土倉的壓力，減小掘進速率、刀盤的旋轉(zhuǎn)速度，控制出土量，并對土倉的壓力進行實時監(jiān)測。

3.2.3 二次接收

為保證盾構(gòu)接收安全，盾構(gòu)到達風井接收采用兩階段接收的方式：①當盾構(gòu)機上導臺后，盾尾距離洞門1.2 m時停止推進，及時封堵盾體與洞門之間的間隙，洞門圈封堵完畢后，進行壁后填充注漿，同時在盾構(gòu)機尾部2環(huán)位置注雙液漿形成2道環(huán)箍堵住后方來水；② 在泥漿固化后，繼續(xù)向前推進，直到盾構(gòu)機完全進入到弧形導向平臺，當盾尾脫離洞門圈的時候，將洞口的門環(huán)與管片的縫隙重新封閉起來，并進行洞門的封閉灌漿，結(jié)束二次接收。

3.3 盾構(gòu)機空推過站

3.3.1 弧形導臺設(shè)計與施工

中間風井弧形鋼筋混凝土導臺由兩端的直線段和中間450 m半徑的弧形段組成，在中間風井結(jié)構(gòu)隧道底部60°范圍內(nèi)，修筑寬10 m、高1 m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的縱向過站導臺[5]。為防止在盾構(gòu)機進洞口之前卡死，在盾構(gòu)機進洞口附近不設(shè)置導向平臺，留出了刀盤旋轉(zhuǎn)的空間。在導臺鋼筋骨架綁扎時，提前加工好厚20 mm、寬330 mm的鋼板，鋼板下端焊接長540 mm的鋼筋并錨入到混凝土導臺內(nèi)，沿隧道軸線方向每隔200 mm設(shè)置1道，在鋼板面上焊接P43型鋼軌，作為盾構(gòu)機在風井空推的導軌。為增加導軌的剛度和穩(wěn)定性，防止盾構(gòu)機在導軌上空推時導軌斷裂和發(fā)生位移，在導軌兩側(cè)用厚20 mm、間距50 mm的鋼板予以加固。為增加導臺的整體穩(wěn)定性，在導臺混凝土面部下方50 mm處增設(shè)直徑20 mm、間距150 mm的拉結(jié)鋼筋，與兩側(cè)導軌下方的鋼筋混凝土導臺結(jié)構(gòu)連接在一起[6-8]。在導向平臺上澆注C30混凝土，在沒有鋼筋的外部，填充C30素混凝土（圖4）。

圖4 導臺剖面及鋼筋示意圖（單位：mm）

鋼筋混凝土導臺施工的質(zhì)量直接關(guān)系到盾構(gòu)能否順利在中間風井進行接收和二次始發(fā)，因此，在導臺及導軌施工中要重點控制以下幾點：

（1）測量人員嚴格按照設(shè)計標高和坡度控制好導臺的軸線和軌面標高；

（2）鋼導軌在焊接時由測量人員現(xiàn)場定位后進行焊接，以保證導軌頂面平順；

（3）鋼筋混凝土導臺澆筑前，測量人員要復核模板的弧度與設(shè)計隧道軸線是否一致，檢查模板安裝穩(wěn)固性，確?；炷翝仓r不變形；

（4）考慮到盾構(gòu)機進洞時可能出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，將接收端的導臺及導軌標高比理論值下調(diào)20 mm，將在中間風井二次始發(fā)端的標高比理論值上抬20 mm；

（5）導臺施工完成后測量人員進行導臺精度的測量，并記錄測量數(shù)據(jù)。

3.3.2 盾構(gòu)空推通過導臺

盾構(gòu)過中間風井空推段長26 m，盾構(gòu)在導臺上空推時要保證：①根據(jù)復測導臺軸線，均衡調(diào)整盾構(gòu)前進推力，推進速度控制在20 mm/min以內(nèi)，嚴禁刀盤在推進過程旋轉(zhuǎn)；②為避免盾構(gòu)機空推時出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在盾體兩側(cè)與導軌相交處每隔1 m焊接防滾楔；③為防止在管片拼裝時盾體前移，在導臺上焊接防盾體前移裝置；④為保證脫出盾尾管片的穩(wěn)定，每環(huán)管片在脫離盾尾超過一半后，及時塞進下墊楔形方木[8-9]。

盾構(gòu)機在風井導臺空推過程中，安排專人在刀盤前方觀察推進情況，密切關(guān)注盾體和軌面的貼合狀態(tài)，保證盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計相符，觀察人員與盾構(gòu)司機之間有可靠的通信方式，出現(xiàn)異常情況立即通知盾構(gòu)司機停止推進。在推進時，要把握好左右2個油缸的推力，并對油缸的伸縮量進行合理的控制，使油缸沿設(shè)計路徑前進。

3.3.3 負環(huán)拼裝與加固

青云區(qū)間盾構(gòu)過風井采用拼裝負環(huán)管片空推過中間風井，進、出風井前，各15環(huán)管片每拼裝一環(huán)管片就及時在管片上部和兩腰安裝管片縱向拉緊聯(lián)系條，使環(huán)與環(huán)間連成整體。為后續(xù)負環(huán)管片拆除方便和保證進、出風井以及測量的要求，提前做好管片排版，確保在風井兩端和中部各選一環(huán)管片拼裝時不安裝封頂塊，為控制盾構(gòu)姿態(tài)，可在此環(huán)管片和相鄰管片間多加幾層軟木襯墊。

盾構(gòu)空推到洞門后進行二次始發(fā)的反力由已拼裝的負環(huán)管片提供，為控制好盾構(gòu)的姿態(tài)和防止已拼裝管片破損和錯臺，必須做好脫出盾尾管片的加固。風井段負環(huán)管片固定主要為兩側(cè)和環(huán)管片間的固定2部分，管片支撐分為底部支撐、兩側(cè)支撐、兩環(huán)管片間的緊固及整環(huán)管片固定4部分[10]。

（1）底部支撐。當管片從盾尾脫出后，管片與弧形混凝土導臺鋼軌面間存在的間隙為140 mm，為防止管片下沉，及時在每環(huán)管片底部與軌道連接處墊4～6塊木楔。

（2）兩側(cè)支撐。為防止風井空推段拼裝的負環(huán)管片向兩側(cè)側(cè)移，在脫出盾尾的管片兩側(cè)設(shè)置斜向支撐（18a工字鋼鋼管），上部與管片相連，下部與導臺預埋鋼板焊接；在管片兩側(cè)腰部設(shè)置通長工字鋼，與兩側(cè)的墻或柱頂緊。

（3）兩環(huán)管片之間的緊固。在盾構(gòu)機推進過程中，要加大管片螺栓的緊固力度，每環(huán)管片螺栓最少要緊固 3次，也就是組裝完畢拆下尾盾后，再拆下3個環(huán)扣件。

（4）整環(huán)管片固定。為防止管片向上移動，在管片脫出盾尾一半后，立即用鋼絲繩環(huán)向拉緊管片。

3.3.4 盾構(gòu)維修保養(yǎng)

盾構(gòu)機到達始發(fā)端頭，預先不拼裝管片，推進千斤頂油缸全伸，將內(nèi)側(cè)盾尾鋼絲刷全部暴露，對盾構(gòu)盾尾刷檢查和更換。在中間風井停機階段，對盾構(gòu)磨損的刀具進行全面的檢修和更換，為盾構(gòu)機后續(xù)穿越肥西排澇站及泥質(zhì)粉砂巖地層做好相關(guān)準備。

3.4 盾構(gòu)二次始發(fā)

中間風井圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻施工時采用玻璃纖維筋代替了普通鋼筋，因此，盾構(gòu)二次始發(fā)前，在地面降水井，將地下水位降至設(shè)計水位以下并經(jīng)洞門探孔檢驗合格后即可直接磨洞門進行二次始發(fā)。盾構(gòu)空推過站到達始發(fā)端頭后，對盾構(gòu)姿態(tài)重新進行測量，并精確定位，始發(fā)段為正常過站拼負環(huán)推進段，已拼裝好的負環(huán)管片為盾構(gòu)二次始發(fā)提供反力。盾構(gòu)在二次始發(fā)推進過程中必須注意：在盾構(gòu)機直接磨地下連續(xù)墻掘進階段速度控制在1～5 mm/min，緩慢將土倉壓力建至0.7 ～1.5 bar；在盾構(gòu)機磨穿地下連續(xù)墻后至距地下連續(xù)墻10 m掘進階段，掘進速度控制在10～30 mm/min，逐漸將土倉壓力穩(wěn)定到2.0～2.2 bar；推進過程中，千斤頂推力調(diào)節(jié)應緩慢平穩(wěn)，嚴禁推力突變；安排專人觀察出洞期間洞門涌水和漏漿情況，及時在洞內(nèi)進行二次補漿，快速完成洞門封堵，確保洞門處安全。

4 施工效果

施工單位通過超前謀劃，調(diào)整施工工序和施工工藝，根據(jù)風井結(jié)構(gòu)施工和區(qū)間盾構(gòu)掘進工期安排，制定了科學合理的施工方案，在施工中嚴格落實各項保障措施，最終保障了左右線順利在風井的接收和二次始發(fā)，節(jié)約了工期。盾構(gòu)通過后，對進出洞口已成型隧道的管片姿態(tài)進行復測，實際管片姿態(tài)偏差值均在規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi)，與方案模擬的理想值相吻合。

5 結(jié)論

合肥市軌道交通3號線南延線青云區(qū)間中間風井通過設(shè)置與隧道軸線一致的弧形鋼筋混凝土導臺、拼裝負環(huán)管片，采用割線接收、空推過站和割線二次始發(fā)的方法，安全快速地通過中間風井，縮短了工期，減少了施工的風險，節(jié)省了施工的費用，確保了施工的質(zhì)量與安全，可為今后類似工程提供借鑒。