重載鐵路黃土隧道盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)

畢清泉 （中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

目前的鐵路隧道施工中，以礦山法為主，輔以少量的TBM和盾構(gòu)法，其中盾構(gòu)法主要用于下穿河流、海峽及城市軟土地層中。針對(duì)蒙華鐵路白城隧道斷面，以及穿越的砂質(zhì)和新黃土地層，礦山法施工需要輔助工法和大剛度的支護(hù)，代價(jià)較大，而采用盾構(gòu)法施工則刀具開(kāi)挖較為便利，結(jié)構(gòu)主要為單層預(yù)制管片，無(wú)額外的施工支護(hù)成本，優(yōu)點(diǎn)明顯。白城隧道原始設(shè)計(jì)采用礦山法施工，出于施工安全、進(jìn)度、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)等方面考慮，后變更為采用大斷面馬蹄形盾構(gòu)配合預(yù)制拼裝管片的異形盾構(gòu)法施工。本文以此工程為例，著重闡述基于重載鐵路黃土山嶺隧道的異形盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)。

1 工程概況

蒙華鐵路白城隧道位于靖邊縣境內(nèi)，為單洞雙線馬蹄形隧道，采用異形盾構(gòu)法施工，隧道全長(zhǎng)3345m，其中隧道進(jìn)出口分別為202.4m、99m明洞，隧道掘進(jìn)3043.6m，線路全段位于直線上，隧道縱坡為人字坡，坡度分別為4.5‰、3‰、-3.112‰。隧道最大埋深為81m，最小埋深為7m。隧道主要穿越地層為砂質(zhì)新黃土（Q3eol），隧道洞身范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層（Q4eol）粉砂、細(xì)砂，第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層（Q3eol）砂質(zhì)新黃土，圍巖級(jí)別為Ⅴ2730m、、Ⅵ級(jí)305m。隧道進(jìn)口以細(xì)砂為主，隧道出口以粉砂為主。隧道范圍內(nèi)無(wú)地下水，線路范圍內(nèi)需穿越“三管三線一塔”，即延長(zhǎng)天然氣管道、延長(zhǎng)供水管道、長(zhǎng)慶石油管道；包茂高速、海機(jī)線、大車路；高壓線塔。

2 盾構(gòu)設(shè)備組主要掘進(jìn)參數(shù)選取

馬蹄形盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長(zhǎng)度約為110m，重約1300t，主要由開(kāi)挖系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、盾體、推進(jìn)系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、拼裝機(jī)以及后配套等系統(tǒng)組成，適用于粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂為主的地層，盾構(gòu)施工的關(guān)鍵就是根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的地質(zhì)條件及時(shí)準(zhǔn)確的確定掘進(jìn)參數(shù)，且直接關(guān)系到施工的進(jìn)度、安全和質(zhì)量。設(shè)備照片及參數(shù)如圖1、表1。

圖1 單洞雙線馬蹄形隧道盾構(gòu)機(jī)

設(shè)備的主參數(shù)表 表1

2.1 盾構(gòu)機(jī)刀盤參數(shù)

采用9個(gè)輻條式刀盤組合的形式，采用前后交叉式布置，相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉，每個(gè)刀盤相互獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)級(jí)調(diào)速。在前盾切口環(huán)處布置切刀，對(duì)盲區(qū)進(jìn)行輔助切削，同時(shí)在土倉(cāng)隔板上預(yù)留高壓水接口及連接風(fēng)鉆的萬(wàn)向接口（其擺動(dòng)范圍為±20°的圓錐面），始發(fā)時(shí)便于對(duì)盲區(qū)進(jìn)行人工處理，提高設(shè)備的整體開(kāi)挖率。

盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩在不同的地質(zhì)條件不同的施工階段所取的參數(shù)也隨之改變。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)砂質(zhì)新黃土地層時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速過(guò)高對(duì)周圍地層的擾動(dòng)較大，容易造成地層失穩(wěn)，出碴量過(guò)大，地表沉降量超限，并且加大刀盤、刀具的磨損；刀盤轉(zhuǎn)速過(guò)低，刀盤切削下來(lái)的碴土和泥漿（或泡沫）未攪拌充分，刀盤扭矩高，推進(jìn)速度慢，渣土在土倉(cāng)底部堆積，造成出渣困難。

因此在在砂質(zhì)新黃土地層中不同掘進(jìn)地段合理選擇刀盤參數(shù)尤為重要，見(jiàn)表2。

刀盤掘進(jìn)參數(shù)表 表2

2.1 推進(jìn)油缸參數(shù)

馬蹄形盾構(gòu)機(jī)擁有平行掘進(jìn)、上下坡掘進(jìn)、左右拐彎等施工能力；且橫縱斷面尺寸較常規(guī)圓形盾構(gòu)大大增加，開(kāi)挖面各點(diǎn)壓力更加不均，盾構(gòu)或管節(jié)發(fā)生滾轉(zhuǎn)偏差對(duì)隧道凈空位置的影響明顯都對(duì)馬蹄形盾構(gòu)姿態(tài)控制及滾轉(zhuǎn)糾偏功能的要求更高。本設(shè)備吸取圓形盾構(gòu)線性控制要點(diǎn)，推進(jìn)液壓系統(tǒng)為盾構(gòu)機(jī)提供向前掘進(jìn)的推力，采用44根推進(jìn)油缸，最大推進(jìn)力13200T。推進(jìn)油缸圓周方向分成6個(gè)分區(qū)，油缸成單、雙缸布置，共18個(gè)小組。每個(gè)分組中的一根油缸有內(nèi)置式位移傳感器，位移行程可顯示于上位機(jī)；裝有位移傳感器的推進(jìn)缸控制閥組上還裝有壓力傳感器，通過(guò)調(diào)整每區(qū)油缸的推進(jìn)壓力來(lái)進(jìn)行盾構(gòu)的糾偏和調(diào)向。

盾構(gòu)向前推進(jìn)是靠安裝在支撐環(huán)（即我們經(jīng)常所說(shuō)的中體）周圍的千斤頂推力，各千斤頂?shù)暮贤屏词嵌軜?gòu)的總推力，必須大于各種阻力的總和，否則盾構(gòu)機(jī)就無(wú)法向前推進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)各種阻力和的理論計(jì)算比較復(fù)雜，在實(shí)際施工過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)的總推力一般按經(jīng)驗(yàn)公式求得：

式中：Fj——盾構(gòu)機(jī)總推力（kN）

Pj——開(kāi)挖面單位截面積的推力（kN），盾構(gòu)機(jī)Pj的取值范圍是：

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂質(zhì)新黃土地層中的掘進(jìn)速度一般控制在20～30mm/min。

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸各組的行程差一般應(yīng)控制在60mm以內(nèi)。如果不考慮推力不均而引起的油缸行程差，推進(jìn)油缸具體參數(shù)見(jiàn)表3。

2.3 馬蹄形斷面土壓平衡穩(wěn)定措施

馬蹄形盾構(gòu)開(kāi)挖斷面為馬蹄形變曲率形狀，開(kāi)挖面土體的各點(diǎn)的穩(wěn)定性不同，同時(shí)采用九個(gè)不同直徑刀盤聯(lián)合開(kāi)挖，部分區(qū)域存在交叉擾動(dòng)，而且每個(gè)區(qū)域土體的擾動(dòng)靈敏性又不同，因此土壓平衡穩(wěn)定性存在波動(dòng)性較大。針對(duì)穿越砂質(zhì)新黃土地層特性，采用以齒刀、刮刀和魚(yú)尾刀為主切削土層，以低轉(zhuǎn)速、小扭矩、小推力推進(jìn)。

推進(jìn)油缸參數(shù) 表3

土倉(cāng)內(nèi)土壓力值P應(yīng)略大于靜水壓力和地層土壓力之和P0，即P=KP0(K值介于1.0～3.0)；土倉(cāng)壓力通過(guò)采取設(shè)定掘進(jìn)速度、調(diào)整排土量或設(shè)定排土量、調(diào)整掘進(jìn)速度兩種方法建立，并應(yīng)維持切削土量與排土量的平衡，以使土倉(cāng)內(nèi)的壓力穩(wěn)定平衡。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→端頭加固→始發(fā)基座施工→反力架支撐系統(tǒng)施工→始發(fā)導(dǎo)洞施工→盾構(gòu)機(jī)組裝與調(diào)試→盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)。

3.2 施工工藝操作要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

按設(shè)計(jì)加工馬蹄形異型盾構(gòu)機(jī)、始發(fā)背靠架及洞門密封裝置，并且集中預(yù)制裝配式管節(jié)。

3.2.2 端頭加固

白城隧道范圍內(nèi)為砂質(zhì)新黃土，原狀土穩(wěn)定性較好，地表約3m為細(xì)砂層。在大斷面異型盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，通過(guò)洞門密封裝置、套拱及掘進(jìn)過(guò)程中的保壓措施，可保證洞頂?shù)貙臃€(wěn)定，無(wú)需再進(jìn)行端頭加固施工。

3.2.3 始發(fā)基座施工

①盾構(gòu)始發(fā)基座定型、定位

盾構(gòu)始發(fā)基座全長(zhǎng)24m，寬16m，兩側(cè)高3m，為與盾構(gòu)機(jī)外輪廓適應(yīng)的C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，保證始發(fā)基座與底板結(jié)構(gòu)成為整體，承受盾構(gòu)機(jī)的重力荷載和推進(jìn)時(shí)的摩擦力，滿足剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

盾構(gòu)機(jī)組裝前，依據(jù)隧道設(shè)計(jì)軸線、洞門位置、盾構(gòu)機(jī)的尺寸及門吊吊裝盲區(qū)，反推出始發(fā)基座的空間位置為：DK206+567.4開(kāi)始施作，向大里程方向25.4m，始發(fā)基座終點(diǎn)里程DK206+592.8。見(jiàn)圖2。

②盾構(gòu)始發(fā)基座施工

始發(fā)基座按照測(cè)量放樣的基線，與下覆既有鋼筋混凝土底板植剪力筋進(jìn)行連接，綁扎鋼筋立設(shè)模板，埋設(shè)鋼軌連接預(yù)埋件，澆筑混凝土成型。在始發(fā)基座預(yù)埋件上安裝3根120kg/m鋼軌作為盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向軌道，底部導(dǎo)軌居中，上部?jī)筛撥壘嘀行?.8m。由于盾構(gòu)較重，盾體放置于始發(fā)基座上后不能隨意前后移動(dòng)，盾尾與中盾需要焊接連接，故在盾尾與中盾連接處，預(yù)留寬800mm，高700mm的盾尾焊接槽，焊接槽處不設(shè)置導(dǎo)向鋼軌，且在焊接槽前方的導(dǎo)軌打斜坡口處理。

圖2 始發(fā)基座斷面結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.4 反力架支撐系統(tǒng)施工

盾構(gòu)的反力由已施工明洞提供，即由2模C40加強(qiáng)明洞結(jié)構(gòu)代替常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)專用反力架提供反力，明洞仰拱連通，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，推力主要集中在下半部，詳見(jiàn)圖2。

3.2.5 始發(fā)導(dǎo)洞施工

在接收套拱向小里程方向，施作13.5m長(zhǎng)始發(fā)導(dǎo)洞，拱架內(nèi)徑為12390mm，即在開(kāi)挖輪廓線外155mm，距管片外緣340mm，在管片脫出盾尾后，按照要求進(jìn)行洞門的密封，用1mm鐵皮分塊制作好，精確定位后焊接在導(dǎo)洞拱架上，即將管片與套拱之間的縫隙進(jìn)行封閉，同時(shí)在拱架內(nèi)安設(shè)支撐，防止在噴漿或者同步注漿時(shí)，封閉塊發(fā)生變形，鐵皮必須牢固地嵌入噴漿料且單面緊靠拱架，灌注混凝土或砂漿填筑時(shí)不得松動(dòng)而影響使用。在施作過(guò)程中鋼環(huán)位置的縱向偏差為3mm，低于標(biāo)準(zhǔn)偏差5mm。始發(fā)導(dǎo)洞大里程與套拱連接，小里程進(jìn)洞端焊接預(yù)埋鋼環(huán)，保證盾構(gòu)在通過(guò)拱架區(qū)時(shí)呈密封狀態(tài)。

圖3 洞門預(yù)埋鋼環(huán)

圖4 密封裝置示意圖

3.2.6 盾構(gòu)機(jī)組裝與調(diào)試

采用250t履帶吊1臺(tái)，230t門吊1臺(tái)，配以相應(yīng)的吊具、機(jī)具、工具，將主機(jī)按照組裝圖在始發(fā)基座上拼裝完成，再吊裝螺旋輸送機(jī)，然后進(jìn)行后配套連接，完成空載、負(fù)載調(diào)試。

圖5 主機(jī)組裝圖

圖6 后配套組裝圖

3.2.7 盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)施工

根據(jù)始發(fā)場(chǎng)地的長(zhǎng)度及設(shè)計(jì)洞口的寬度，確定需要在導(dǎo)臺(tái)上拼裝的管片數(shù)量。盾構(gòu)機(jī)經(jīng)調(diào)試驗(yàn)收確認(rèn)正常，明洞加強(qiáng)段施作完畢及其他準(zhǔn)備工作（洞門加固、管路連接）全部完成后進(jìn)行初始掘進(jìn)管片拼裝。管片拼裝第一環(huán)必須注意斷面的圓度和與隧道軸線的垂直度，為整環(huán)拼裝做準(zhǔn)備。

一般情況下，第一環(huán)管片在盾殼內(nèi)的正常安裝位置進(jìn)行拼裝。在安裝第一環(huán)管片之前，為保證第一環(huán)管片不破壞盾構(gòu)機(jī)尾部的密封刷及第一環(huán)管片在拼裝好以后能順利向后推行，在盾殼內(nèi)安設(shè)厚度不小于盾尾間隙的槽鋼，以使管片在盾殼內(nèi)的位置得到保證。

盾構(gòu)位于始發(fā)臺(tái)上時(shí)盡量不要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，盾尾離開(kāi)始發(fā)臺(tái)后盾構(gòu)已處于相對(duì)自由的狀態(tài)，一般通過(guò)盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂?shù)暮侠磉x用來(lái)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，必要時(shí)可通過(guò)調(diào)整管片楔形量來(lái)調(diào)整，以使盾構(gòu)逐步沿隧道設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)。整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，糾偏實(shí)行“勤糾、量小”的原則，每環(huán)姿態(tài)調(diào)整量控制在6mm以內(nèi)；盾構(gòu)軸線偏離設(shè)計(jì)軸線不大于±50mm，地面隆陷控制在+10mm～-30mm。

在始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的各組油缸壓力，盾構(gòu)機(jī)總推力小于5000T，刀盤扭矩（總）小于3500kN·m。

始發(fā)時(shí)在始發(fā)基座上推進(jìn)速度控制在20～30mm/min，盾構(gòu)進(jìn)入原狀土的前12m推進(jìn)速度控制在20～30mm/min以內(nèi)，在盾構(gòu)機(jī)盾尾完全進(jìn)入原狀土后可逐步提高到30～40mm/min左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)白城隧道工程特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)始發(fā)端頭加固、始發(fā)基座安設(shè)、反力架支撐系統(tǒng)安設(shè)、洞門密封裝置安裝、盾構(gòu)始發(fā)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行探索與試驗(yàn)，安全、快速的圓滿完成了白城隧道大斷面馬蹄形盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)洞任務(wù)。同時(shí)因地制宜，優(yōu)化始發(fā)方案，利用明洞開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及進(jìn)洞處既有套拱防護(hù)，節(jié)省反力架、負(fù)環(huán)制安和豎井、始發(fā)端墻施做，實(shí)現(xiàn)可觀的工程效益。為解決山嶺隧道盾構(gòu)始發(fā)施工的關(guān)鍵技術(shù)難題提供寶貴的案例借鑒。