大直徑土壓平衡盾構始發技術研究

2019-07-18 02:11:28劉天正

鐵道建筑技術 2019年3期

劉天正

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司，2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室北京 100068）

1 引言

隨著國內軌道交通建設快速發展，城市地鐵也進入蓬勃發展階段。盾構施工在城市地鐵建設中的應用也越來越廣泛，其中小直徑盾構的始發階段技術已經形成了一定完整的體系，但是對于大直徑盾構的始發還在進行研究和探討。

目前國內眾多學者對盾構始發技術進行了研究，趙洪吉以北京地鐵為背景進行了富水地層的盾構始發技術研究［1］；李維龍對盾構始發和接收階段等一系列關鍵操作進行技術分析，對一些需要特殊注意的操作進行了詳細的解釋［2］；陳鵬對大直徑泥水盾構坡度始發總結關鍵技術，為坡度始發主要步驟提供了參考［3］；陳曉飛對超大直徑盾構小半徑圓曲線始發技術進行研究得出減小施工風險的方法［4］；范寶寶通過理論研究與數值分析對盾構機進出洞門土體加固方案進行了改良［5］；呂傳田通過大直徑泥水盾構的研究，總結了始發階段關鍵步驟［6］；程學武通過對大直徑盾構管片破損因素以及修補方法進行探討，確保了管片的質量安全系數達到預期要求［7］；黃學軍通過對大直徑泥水盾構組成以及始發進行研究，得出了在住房較多地區盾構始發的眾多關鍵因素［8］；李到洪等通過對大直徑泥水盾構等多個環節關鍵步驟的把控，為大坡度始發提供了精確保障［9］；鞠義成等通過南京某過江通道采用了新型洞門密封方式，完成了大直徑泥水盾構的曲線始發工作［10］；尹鐸霖通過對福州某地鐵盾構始發進行詳細分析研究，并通過數值模擬，為全斷面砂層大直徑盾構始發提供了可鑒之處［11］；馬昌元以西安某地鐵為背景，對洞門加固方法進行了詳細闡述，為降低盾構始發安全事故提供了參考［12］。

本文以北京新機場線為工程背景進行技術研究，進而總結出一套大直徑盾構始發姿態控制、反力架設計、參數控制、負環拼裝等關鍵步驟的實施方案，達到了良好的施工效果。

2 工程概況

盾構隧道區間左線全長3 832.39 m，右線全長3 847.44 m，為新機場線最長的盾構區段，控制機場線路貫通時間。線路埋深12～16 m，最大坡度5.9‰，最小曲線半徑為1 300 m。區間共設3座檢修井和6座聯絡通道。聯絡通道采用礦山法施工，盾構區間隧道外徑8.8 m，管片厚度450 mm。

始發端地質情況為卵石圓礫層:雜色，密實，濕，一般粒徑5～20 mm，最大粒徑不小于140 mm，粒徑大于20 mm的含量大于50%，中粗砂充填；中粗砂層:褐黃色，飽和，密實，含云母、氧化鐵。

采用兩臺土壓平衡盾構機同時施工，盾構機開挖直徑9 150 mm，盾體直徑9 100 mm。盾構機分為主機和后配套設備，后配套為1節橋架、7節車架。主機長度約17 m，整機總長約116 m，如圖1所示。

圖1 盾構設備

3 盾構始發關鍵技術

盾構始發過程采用整體始發，盾構機后配套拖車、連接橋等設備在地面預組裝完成后整體吊裝下井；在拖車及連接橋下井后，盾構機主機下井組裝；待所有設備下井完成后進行整體調試、始發，始發流程見圖2。

圖2 盾構始發流程

3.1 始發洞門端頭加固

始發井的端頭加固是盾構機能否成功始發的關鍵因素。盾構始發端采用雙重管高壓旋噴進行加固，盾構端頭加固在有水地層中應滿足始發端長度L（L為盾構機長度）；無水地層始發段加固長度為0.5L。盾構機盾體長度為11 m，旋噴樁樁徑600 mm，間距450 mm。確定本盾構區間始發端加固長度5.5 m，如圖3～圖4所示。

圖3 端頭加固平面布置（單位：mm）

圖4 端頭加固剖面（單位：mm）

3.2 洞門破除

洞門破除是指在盾構滿足始發條件驗收后，對洞門鋼環內鉆孔灌注樁等相關圍護結構的鑿除工作。洞門破除采用人工風鎬鑿除的方法。在鑿除洞門混凝土時，搭設腳手架，設置操作平臺。

在始發端準確測量定位出隧道洞門中心線。人工鑿除洞門時，對洞門進行井字形分格，人工用風鎬將混凝土“自下而上、先兩側后中間”逐格鑿除，鑿除厚度約為0.4 m。破除過程中采用噴射素砼對樁間土進行防護，防止樁間土滑落。洞門鑿除順序嚴格按照圖5分塊進行。

圖5 洞門鑿除分塊示意

3.3 始發基座安裝

始發托架長11 m，寬8 700 mm。整個托架分四部分組裝，由螺栓連接，兩側均布設側面支撐用于支撐負環管片。始發托架后部臨時安裝3.1 m托架（托架型式同始發托架）用于盾構機組裝時支撐盾尾。始發托架中心線與隧道設計中線同軸，始發托架前部距端墻800 mm。托架兩側均布9根200 mm×200 mm的H型鋼支撐，支撐頂在對應位置的側墻、上翻梁和底板上。型鋼支撐與側墻和上翻梁接觸位置塞鋼板加強支撐效果，另一側與始發托架牛腿焊接加固，如圖6～圖8。

圖6 盾構始發基座結構平面（單位：mm）

圖7 盾構始發基座結構（單位：mm）

圖8 盾構始發基座施工加固圖（單位：mm）

圖9 密封裝置

3.4 洞門密封環安裝

盾構機工作井洞門預埋鋼環為設計寬度1 m的圓環板結構，鋼環內側面直徑9.6 m。密封鋼環由封板、加勁板、圓環板、翻板、洞門簾布橡膠板組成。密封環整環環面與盾構機設計軸線垂直，封板外直徑9.9 m，封板內側設置加勁板。鋼環豎直埋設于主體結構內，鋼環外側設置錨筋埋入主體結構中。密封裝置如圖9。

3.5 反力架的拼裝

反力架的拼裝過程關鍵在于中心定位這一步驟。中心定位的核心內容是與負環接觸的反力架橫截面與隧道的水平軸線垂直。在定位之前首先對反力架位置開始橫斷面的中心線進行精確測量，然后進行中心定位，在始發托架升起的同時反力架也隨之升起，見圖10～圖11。

圖10 反力架結構

圖11 反力架安裝加固（單位：mm）

3.6 反力架承載力檢算

始發時的推力大于正常掘進狀態推力，所以在始發階段對反力架結構穩定性要求更高，對反力架能承受的最大荷載進行驗算也必不可少。

桿件在滿足雙面焊接的情況下進行雙面焊接，在不能滿足雙面焊時，鋼板的焊縫處應作成30°的斜口進行塞焊，焊縫的高度均不低于12 mm。經計算，1 m焊縫的抗剪、抗拉承載力為282 t。反力架與預埋件的焊縫長度為10.71 m，滿足施工的要求。

各桿件的連接采用M24為長度90 mm、強度等級10.9的高強度螺栓進行連接，螺栓孔孔徑均為26 mm。經計算，1根M24的高強螺栓的抗剪強度為112.96 kN。

此反力架按最大承受力為3 500 t進行計算。根據經驗，對立柱及底部橫梁進行加強，以免在施工中發生變形。盾構推力最大為81 853 kN，一般推力控制在20 000 kN，始發推力按照一般推力的1.5倍，即20 000×1.5＝30 000。

反力門架的組成為2根1 000×500的箱形鋼立柱和2根1 000×500的上、下橫梁及500×9 100的鋼環。

下橫梁的受力簡圖見圖12。

鋼支撐撐在車站底板反梁上，采用φ800＠10 mm鋼管進行支撐，單一鋼管承受最大力為:

圖12 下橫梁受力簡圖

考慮盾構底部為主要受力部分，底部分擔盾構反力為13 600 kN，則底部5根支撐平均每根支撐所需支撐力為2 720 kN，滿足要求。

頂部橫撐與車站通過橫撐與中板的搭接進行力的傳遞，與中板搭接總面積124 030 mm2。

頂部受力約為底部的1／4，26 046 kN遠大于3 400 kN，滿足要求。

斜撐采用三道φ800＠10 mm鋼管支撐，總計單側立柱支撐為3道，分擔盾構反力為3 608 kN，平均每根支撐為1 202 kN。鋼管支撐均能承受5 209 kN的反力，其斜撐角度為45°，則其可提供的水平反力為2 736 kN。則三根斜撐共計受力為8 208 kN，遠大于3 608 kN，滿足要求。

此加固工況下反力架所能承受的最大力為:

3.7 負環管片的安裝

盾構機調試完畢到達始發位置后，千斤頂撐靴（完全縮回）距離反力架最大距離4 152 mm，千斤頂行程為2 500 mm。先對-8和-7兩環進行單獨拼裝（也可以稱為空拼），待拼裝完成后將兩環以組合的形式移動到指定安裝位置。將-7環的前端橫截面設定為整個隧道的管片組裝的基準面，然后進行包括其余負環管片的拼裝工作。

利用千斤頂把已經在盾構機內拼裝好的整個管片一點點平穩推出，把負環管片的第一環推出至與反力架相接觸位置，推出過程中當管片超過盾尾長度30 mm以上時應適當放慢推出速度。采用工字鋼將預留的始發基座軌道與反力架底部空間部分充填，將管片緩慢繼續推進直至與反力架頂緊，然后進行微調連接。按照以上方式對負環管片進行組裝完成。要注意在拖拉負環管片的過程中的支撐工作，以防止由于負環管片的變形問題導致拼裝出現問題。

3.8 盾構始發姿態測量

始發前的負環管片拼裝完并定位后，精確量測盾構及拼好的負環管片的各項位置參數，輸入自動導向測量系統及監測系統，復核檢查后開始始發。始發時，嚴格控制盾構機姿態，水平方向控制在+30 mm～-30 mm之間。為預防盾構機進洞時出現栽頭現象，將盾構機的垂直姿態控制在0～+50 mm之間。當盾尾出加固區后，將盾構機姿態緩慢調整至（水平及垂直方向）+20 mm～-20 mm，保持盾構的推進姿態。

3.9 盾構始發施工參數取值

在正常推進過程中，因為實際施工表現不符合預期要求或者地層發生重大變化，應在一定范圍內對設定的參數進行調整。始發階段需要完成設定的參數主要包括刀盤扭矩、貫入度（推進速度及刀盤轉速）、始發推力、同步注漿量以及注漿壓力等。

（1）始發土艙壓力

土艙土壓力的設定是關乎盾構始發以及地表沉降的重要參數之一。因為受到洞門密封以及盾尾密封等一系列原因的影響，在盾構始發階段土艙內壓力設定值應該低于常規掘進過程中的土艙壓力。

結合本工程實際情況，在盾構尚未出加固區時的土艙土壓力一般取為0.5～0.6 bar。等到盾構完全脫離加固區時，土艙土壓力也應該根據預先計算的數值逐步提高至一定值后保持穩定狀態，同時依據現場實時監測數據進行妥善調整。根據以往經驗，為了更好地將地表沉降控制在規定值內，一般控制土艙壓力在0.6～0.9 bar之間。

（2）始發掘進推力

在盾構始發整個過程中，隨著盾構逐漸推進，所受阻力也逐漸增大。當整個盾構完全進入隧道后，阻力才趨于穩定，推力也相對平穩。經過計算，整個始發階段的推力應控制在20 000 kN左右，最大時不超過30 000 kN。

（3）貫入度

貫入度主要有兩方面組成:一是千斤頂的推進速度；二是刀盤轉速。這兩個指標不單與盾構本身有關，同時也受工程地質條件的影響。在始發階段，根據相關規范計算出想要設定的參數應確定的范圍，待進入常規推進階段后根據現場實測情況對推進速度與刀盤轉速進行調整，規劃出合理的調整范圍。

根據現場以砂卵石為主的地層以及以往經驗，最終確定刀盤轉速為0.8～1.0 r／min，推進速度為15～25 mm／min，后期根據實際情況在進行調整。

（4）同步注漿量以及壓力控制

同步注漿一般在盾尾通過兩道洞門后開始實施。漿液為水泥砂漿，初凝時間控制在5 h左右，漿液強度應大于5 MPa。注漿材料配比見表1。