盾構(gòu)隧道技術(shù)

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　　簡介： 結(jié)合盾構(gòu)隧道施工始發(fā)技術(shù)在南京地鐵TA15標施工過程中的應(yīng)用，介紹了盾構(gòu)施工始發(fā)技術(shù)的組成、關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵工序及工藝，并提出了常見問題的對策和預防措施。

　　關(guān)鍵字：盾構(gòu)隧道　始發(fā)　施工　技術(shù)

　　1　前言

　　我國地鐵隧道施工已開始使用盾構(gòu)法。隨著技術(shù)進步、認識提高、綜合國力的增強，特別是隨著該施工技術(shù)所顯現(xiàn)的優(yōu)勢，盾構(gòu)法越來越多地被國內(nèi)地鐵界所接受，上海、廣州、南京、北京、深圳、天津、西安、成都、沈陽、杭州、青島等城市都使用這種方法。上海地鐵是國內(nèi)最早采用盾構(gòu)施工的，且大部分工程都是利用盾構(gòu)完成的；南京地鐵目前有3個盾構(gòu)標段4臺盾構(gòu)機在進行施工，施工總量約占全線的30％。雖然盾構(gòu)有許多成功的工程實例，但是使用這種方法也有較大的風險。如盾構(gòu)在隧道內(nèi)只能前進，不可后退，一旦盾構(gòu)本身出現(xiàn)致命的故障，可能就會產(chǎn)生災難性的后果。而且使用盾構(gòu)在對洞口進行加固處理的始發(fā)時階段出問題的概率很高，即使是非常有經(jīng)驗的承包商也常會發(fā)生類似事故。本文重點介紹盾構(gòu)始發(fā)的技術(shù)問題。

　　2　始發(fā)技術(shù)的重要性及關(guān)鍵技術(shù)

　　由于在始發(fā)階段存在以下幾種特殊情況：

　?。?）始發(fā)推進前需鑿除車站的圍護結(jié)構(gòu)（主要是處理鋼筋砼結(jié)構(gòu)），鑿除圍護結(jié)構(gòu)后的土體在一定的時間段內(nèi)必須保持自穩(wěn)，不能有水土流失；

　?。?）始發(fā)階段盾構(gòu)機主體在始發(fā)導軌上不能進行調(diào)向；

　?。?）始發(fā)階段的姿態(tài)及地面沉降控制比正常推進階段更困難；

　?。?）始發(fā)期間一些設(shè)備如管片小車、管片吊機，包括出渣都不能正常使用。有時也會存在盾構(gòu)機因為車站結(jié)構(gòu)的原因而不能整機始發(fā)。

　　綜上所述，盾構(gòu)在初始階段的施工難度很大。因此，盾構(gòu)隧道始發(fā)技術(shù)是盾構(gòu)法施工技術(shù)的關(guān)鍵，也是盾構(gòu)施工成敗的一個標志，必須要全力做好。同時還應(yīng)確保盾構(gòu)連續(xù)正常地從非土壓平衡工況過渡到土壓平衡工況，以達到控制地面沉降，保證工程質(zhì)量等目的。

　　始發(fā)技術(shù)包括洞口端頭處理（在軟土無自穩(wěn)能力的地層中）、洞門砼鑿除（主要針對鋼筋砼圍護結(jié)構(gòu)）、盾構(gòu)始發(fā)基座的設(shè)計加工、定位安裝；始發(fā)用反力架的設(shè)計加工、就位；支撐系統(tǒng)、洞門環(huán)的安設(shè)、盾構(gòu)組裝、盾構(gòu)始發(fā)方案、其他保證盾構(gòu)推進用設(shè)備、人員、技術(shù)準備等，直到始發(fā)推進。

　　3　始發(fā)施工技術(shù)

　　3.1　始發(fā)洞口的地層處理

　　在盾構(gòu)始發(fā)之前，一般要根據(jù)洞口地層的穩(wěn)定情況評價地層，并采取有針對性的處理措施。地層處理一般采取如“固結(jié)灌漿”、“冷凍法”、“插板法”等措施進行地層加固處理。選擇加固措施的基本條件為加固后的地層要具備最少一周的側(cè)向自穩(wěn)能力，且不能有地下水的損失。常用的具體處理方法有攪拌樁、旋噴樁、注漿法，SMW工法、冷凍法等。選擇哪一種方法要根據(jù)地層具體情況而定，并且嚴格控制整個過程。

　　3.2　始發(fā)洞口維護結(jié)構(gòu)的切除

　　根據(jù)經(jīng)驗，一般在始發(fā)前至少一個月開始洞口維護結(jié)構(gòu)的切除。整個施工一般分兩次進行，第一次先將圍護結(jié)構(gòu)主體鑿除，只保留維護結(jié)構(gòu)的鋼筋保護層，在盾構(gòu)始發(fā)前將保護層混凝土鑿除。

　　在鑿除完最后一層混凝土之后，要及時檢查始發(fā)洞口的凈空尺寸，確保沒有鋼筋、混凝土侵入設(shè)計輪廓范圍之內(nèi)。

　　3.3　洞口密封

　　洞口密封是為盾構(gòu)在始發(fā)時防止背襯注漿砂漿外泄所用，按種類分有壓板式和折葉式兩種，其中折葉式越來越被人們所認可。洞口密封的施工分兩步進行施工，第一步是在車站結(jié)構(gòu)的施工工程中，做好始發(fā)洞門預埋件的埋設(shè)工作，要特別注意的是在埋設(shè)過程中預埋件必須與車站結(jié)構(gòu)鋼筋連接在一起；第二步在盾構(gòu)正式始發(fā)之前，應(yīng)先清理完洞口的碴土，再完成洞口密封的安裝。

　　3.4　洞口始發(fā)導軌的安裝

　　在圍護結(jié)構(gòu)破除后，盾構(gòu)始發(fā)臺端部距離洞口圍巖必然會產(chǎn)生一定的空隙，為保證盾構(gòu)在始發(fā)時不致于因刀盤懸空而產(chǎn)生盾構(gòu)“叩頭”現(xiàn)象，需要在始發(fā)洞內(nèi)安設(shè)洞口始發(fā)導軌。安設(shè)始發(fā)導軌時應(yīng)在導軌的末端預留足夠的空間，以保證盾構(gòu)在始發(fā)時，不致因安設(shè)始發(fā)導軌而影響刀盤旋轉(zhuǎn)。

　　3.5　反力架、始發(fā)臺的安裝

　　3.5.1　反力架、負環(huán)管片位置的確定依據(jù)

　　反力架的位置確定主要依據(jù)洞口第一環(huán)管片的起始位置、盾構(gòu)的長度以及盾構(gòu)刀盤在始發(fā)前所能到達的最遠位置確定。

　　3.5.2　負環(huán)管片環(huán)數(shù)的確定

　　假定盾構(gòu)長度LTBM＝8.3M，安裝井長度LAS＝12M（因不同的始發(fā)井尺寸而不同），洞口維護結(jié)構(gòu)在完成第一次鑿除后的里程DF，設(shè)計第一環(huán)管片起始里程D1S，管片環(huán)寬WS＝1.2M，反力架與負環(huán)鋼管片長WR＝1.5M（自行設(shè)計加工的尺寸）。DR為反力架端部里程，N為負環(huán)管片環(huán)數(shù)。

　?。?）在安裝井內(nèi)的始發(fā)時最少負環(huán)管片環(huán)數(shù)確定N＝（D1S－DF＋8.3）／WS環(huán)

　　3.5.3　反力架、負環(huán)鋼管片位置的確定

　　在確定始發(fā)最少負環(huán)管片環(huán)數(shù)后，即可直接定出反力架及負環(huán)管片的位置。

　　反力架端部里程DR＝D1S－N×WS3.5.4反力架、始發(fā)臺的定位與安裝

　　在盾構(gòu)主機與后配套連接之前，開始進行反力架的安裝。安裝時反力架與車站結(jié)構(gòu)連接部位的間隙要墊實，以保證反力架腳板有足夠的抗壓強度。

　　由于反力架和始發(fā)臺為盾構(gòu)始發(fā)時提供初始的推力以及初始的空間姿態(tài)，在安裝反力架和始發(fā)臺時，反力架左右偏差控制在±10MM之內(nèi)，高程偏差控制在±5MM之內(nèi)，上下偏差控制在±10MM之內(nèi)。始發(fā)臺水平軸線的垂直方向與反力架的夾角＜±2‰，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計軸線豎直趨勢偏差＜2‰，水平趨勢偏差＜±3‰。

　　3.6　盾構(gòu)的始發(fā)

　　3.6.1　始發(fā)臺兩側(cè)的加固

　　由于始發(fā)臺在盾構(gòu)始發(fā)時要承受縱向、橫向的推力以及約束盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)的扭矩。所以在盾構(gòu)始發(fā)之前，必須對始發(fā)臺兩側(cè)進行必要的加固。加固的方式見圖1.

　　3.6.2　負環(huán)管片安裝

　?。?）負環(huán)管片安裝準備

　　在安裝負環(huán)管片之前，為保證負環(huán)管片不破壞尾盾刷、保證負環(huán)管片在拼裝好以后能順利向后推進，在盾殼內(nèi)安設(shè)厚度不小于盾尾間隙的方木（或型鋼），以使管片在盾殼內(nèi)的位置得到保證，如圖2.

　　（2）負環(huán)管片后移

　　第一環(huán)負環(huán)管片拼裝成圓后，用4～5組油缸完成管片的后移。管片在后移過程中，要嚴格控制每組推進油缸的行程，保證每組推進油缸的行程差小于10MM.在管片的后移過程中，要注意不要使管片從盾殼內(nèi)的方木（或型鋼）上滑落。

　　（3）負環(huán)管片與負環(huán)鋼管片的連接

　　負環(huán)管片的最終位置要以推進油缸的行程進行控制，在負環(huán)管片與負環(huán)鋼管片之間的空隙用早強砂漿或鋼板填滿。

　?。?）負環(huán)管片的拼裝類型

　　在安裝井內(nèi)的負環(huán)管片的拼裝類型通常采取通縫拼裝，主要是因為盾構(gòu)井一般只有一個，在施工過程中要利用此井進行出渣、進管片。所以采用通縫拼裝可以保證能及時、快速的拆除負環(huán)管片。

　　3.6.3　盾構(gòu)的始發(fā)

　　（1）空載推進

　　盾構(gòu)在空載向前推進時，主要控制盾構(gòu)的推進油缸行程和限制盾構(gòu)每一環(huán)的推進量。

　　要在盾構(gòu)向前推進的同時，檢查盾構(gòu)是否與始發(fā)臺、始發(fā)洞發(fā)生干涉或是否有其他異常事件或事故的發(fā)生，確保盾構(gòu)安全的向前推進。

　?。?）始發(fā)時盾構(gòu)姿態(tài)的控制

　　主要通過盾構(gòu)機的推油缸行程來控制姿態(tài)。

　?。?）始發(fā)時盾構(gòu)推進參數(shù)的控制

　　在保證盾構(gòu)正常推進的情況下，稍微降低總推力和刀盤扭矩。

　　3.6.4　洞口注漿

　　在盾尾完全進入洞體后，調(diào)整洞口密封，進行洞口注漿。漿液不但要求順利注入，而且要有早期的強度。注漿壓力控制在1.5BAR以內(nèi)。

　　3.7　反力架、負環(huán)管片的拆除

　　反力架、負環(huán)管片的拆除時間根據(jù)背襯注漿的砂漿性能參數(shù)和盾構(gòu)的始發(fā)掘進推力決定。一般情況下，掘進100M以上（同時前50環(huán)完成掘進7日以上），可以根據(jù)工序情況和工作整體安排，開始進行反力架、負環(huán)管片拆除。

　　4　常見問題的預防或處理

　　4.1　加固效果不好

　　端頭土體加固的效果不好是在始發(fā)過程中經(jīng)常遇到的問題。采取的主要措施是必須根據(jù)端頭土體情況選擇合理的加固方法，而且要加強過程控制，特別是要嚴格控制一些基本參數(shù)。對于加固區(qū)與始發(fā)井間形成的必然間隙要采取其它方式處理。

　　4.2　開洞門時失穩(wěn)

　　開洞門時失穩(wěn)主要表現(xiàn)為土體坍塌和水土流失二種，其主要原因也是由端頭加固效果不好所致。在小范圍的情況下可采用邊破除洞門砼，邊利用噴素砼的方法對土體臨空面進行封閉。如果土體坍塌失穩(wěn)情況嚴重時，只有封閉洞門重新加固。

　　4.3　始發(fā)后盾構(gòu)機“叩頭”

　　始發(fā)推進后，在盾構(gòu)機抵達掌子面及脫離加固區(qū)時容易出現(xiàn)盾構(gòu)機“叩頭”的現(xiàn)象，根據(jù)地質(zhì)條件不同有些可能出現(xiàn)超限的情況。為此，通常采用抬高盾構(gòu)機的始發(fā)姿態(tài)、合理安裝始發(fā)導軌以及快速通過的方法盡量避免“叩頭”或減少“叩頭”的影響。

　　4.4　密封效果不好

　　洞門密封的主要目的也是在始發(fā)掘進階段減少土體流失。當洞門加固達到預期效果時，對于洞門環(huán)的強度要求相對較低，否則要在盾構(gòu)推進前徹底檢查和確定洞門環(huán)的狀況。在始發(fā)過程中若洞門密封效果不好時可即時調(diào)整壁后注漿的配合比，使注漿后盡早封閉，也可采用在洞門密封外側(cè)向洞門密封內(nèi)部注快凝雙液漿的辦法解決。

　　4.5　盾尾失圓

　　在很多情況下，始發(fā)階段由于自重及其他原因，盾尾一般都會出現(xiàn)失圓的情況，有些可能達到10CM之多。可以采用盾構(gòu)機自帶的整圓器進行整圓，在必要的情況下，可采用錯縫拼裝以保證在管片拼至隧道內(nèi)時管片自身的橢圓度控制在誤差以內(nèi)。

　　4.6　支撐系統(tǒng)失穩(wěn)

　　支撐系統(tǒng)在某些情況下由于盾構(gòu)機推進中的瞬時推力或扭矩較大而產(chǎn)生失穩(wěn)，這樣將導致整個始發(fā)工作的失敗。對于支撐系統(tǒng)的失穩(wěn)只能從預防角度進行，同時在始發(fā)階段對支撐系統(tǒng)加強監(jiān)測。

　　4.7　地面沉降較大

　　由于始發(fā)施工的特殊性，始發(fā)階段的地面沉降值均較大，因此在始發(fā)階段需盡早建立盾構(gòu)機的適合工況并嚴密注意出土量及土壓情況，同時加大監(jiān)測頻率，控制地面沉降值。

　　5　實例簡介

　　南京地鐵南北線一期工程共有三個盾構(gòu)標段，其中由中鐵隧道集團施工的TA15標的始發(fā)掘進一次成功。TA15標主要包括二個區(qū)間：玄武門站～許府巷站，許府巷站～南京站站。區(qū)間線路總長4574M.該段工程地質(zhì)第一區(qū)間主要是隧道底部，基本位于可～硬塑粉質(zhì)粘土上，隧道中部以下為可塑狀粉質(zhì)粘土，以上為流塑狀粉質(zhì)粘土；主要穿越的地層有②－2B4粉質(zhì)粘土～淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和②－2C2－3粉土。其中②－2B4粉質(zhì)粘土～淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土高壓縮性和高靈敏度，易產(chǎn)生土體流動、開挖面不穩(wěn)定現(xiàn)象；②－2C2－3飽和粉土具中低壓縮性、中～高靈敏度，易產(chǎn)生涌水、涌砂、開挖面不穩(wěn)定現(xiàn)象。地下水位在地面以下1.1～3.1M之間。在許府巷到南京站區(qū)間，隧道穿越中～稍密實砂層為主，在到達南京站段，局部穿越粘土層。其中場地范圍內(nèi)分布的②－1C2－3粉土、②－1D3－4粉砂夾細砂、②－2C2－3粉土及②－2D2－3粉砂夾細砂均為液化地層，液化程度屬輕微液化～嚴重液化。隧道穿越的土層及隧道底板下的土層分布復雜，其中②－2B4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和②－3B3－4粉質(zhì)粘土承載力低，具有高壓縮性及高靈敏度，易產(chǎn)生土體流動、開挖面不穩(wěn)；②－2C2－3粉土、②－2D2－3粉砂夾細砂及②－3D2－3粉細砂，含水量豐富，透水性強，滲透系數(shù)達5×10－3CM／S，極易產(chǎn)生涌砂、涌水、開挖面不穩(wěn)現(xiàn)象。地下水位在0.2～2.0之間。

　　在前期端頭加固處理中，為確保加固質(zhì)量，先后使用了深層攪拌樁、注漿及高壓旋噴的方法，分別針對一般地段、地下有障礙物處、與車站連續(xù)墻相接處進行加固。然后人工用風鎬對車站的連續(xù)墻進行了鑿除，鑿除至第二層鋼筋為止。在洞口密封、始發(fā)導軌、反力架及始發(fā)臺安放好以后，進行連續(xù)墻最后一層砼的剝除，最后一次性始發(fā)成功。

　　6　結(jié)束語

　　盾構(gòu)機的始發(fā)成功主要由始發(fā)條件及始發(fā)施工技術(shù)中每一環(huán)節(jié)的處理決定。在前期的地質(zhì)勘探、始發(fā)區(qū)域的建筑物及管線情況進行調(diào)查，特別是對端頭土體的液限、塑限、滲透系數(shù)、含水量等各種物理力學指標進行全面的調(diào)查及評估是相當有必要的；同時應(yīng)對始發(fā)技術(shù)施工中的每一個環(huán)節(jié)加強全面、細致的控制，以確保各種處理措施達到預期效果。因為始發(fā)技術(shù)與各個工程的始發(fā)條件息息相關(guān)，所以始發(fā)時每一個細節(jié)如采用什么端頭加固方式、連續(xù)墻破除方式、始發(fā)臺及反力架的定位等均需根據(jù)現(xiàn)場條件選擇最合適的方法。