濕陷性黃土地區城市地鐵土壓平衡盾構機的始發施工技術

申曉莉

摘? ? 要：結合西安地鐵四號線TJSG-12標含元殿站～大明宮站區間左線盾構始發實例，闡述濕陷性黃土地區城市地鐵車站及暗挖隧道盾構始發施工過程，為類似工程提供施工借鑒。

關鍵詞：濕陷性黃土;地鐵車站;暗挖隧道;盾構始發

1? 引言

盾構始發施工技術是盾構法建造隧道的關鍵工序，該施工技術的優劣將直接影響盾構隧道工程施工的成敗。盾構始發施工技術根據工程所處地層的水文、地質、周邊環境條件、地下管線保護要求而制定，如何科學、合理地解決濕陷性黃土地區土壓平衡盾構機始發施工技術，是一項值得研究、探討的課題。

2? 工程概況

西安地鐵四號線TJSG-12標含元殿站～大明宮站盾構區間左線起訖里程為ZDK19+154.606～ZDK19+916.830，長762.242m，其中里程ZDK19+249.433～ZDK19+417.275為淺埋暗挖隧道段，長167.842m，淺埋暗挖隧道凈空尺寸為7500（寬）×7650（高）mm。

區間左線盾構機從含元殿站北端頭始發，沿太華路向北過掘進至f2暗挖隧道出洞，然后空推過f2暗挖隧道，由暗挖隧道北端頭始發向北掘進至大明宮站。盾構掘進示意圖見圖1。本區間左線盾構施工長度為594.4m，最大縱坡為24.5‰，最大埋深約18.4m。

2.1? 工程地質

含元殿站～大明宮站區間地形平坦，場地呈中間高南北低之勢。地面高程介于403.60m～406.64m。隧道洞身穿越地層主要為：3-1-2新黃土層、3-4粉質粘土、4-1-2老黃土層和3-2古土壤層。

2.2? 水文情況

本區間地下水屬于潛水類型，穩定水位埋深15.7～17.2m之間，相應高程為379.02～384.58m。擬建場地的地下水主要受大氣降水及地下水徑流補給。潛水排泄方式主要為徑流排泄。地下水流向北北西。

2.3? 施工工藝

本區間左線盾構施工分別先后從含元殿站北端頭始發、空推過f2暗挖段北端頭向北掘進至大明宮站。盾構始發需做的工作主要包含：車站及暗挖隧道始發端頭加固、始發端頭降水、洞門密封及防水裝置安裝、車站及暗挖隧道始發架及反力架安裝、負環安裝及加固、洞門破除。

3? 施工方法

3.1? 始發端頭加固

3.1.1? 車站始發端頭加固

為防止拆除洞口圍護結構時洞口土體塌陷及地下水流入始發井內，在車站始發端頭采用單排Φ1000@1250mm素混凝土樁加固方式對一定范圍內的土體進行加固處理。

3.1.2? 暗挖隧道始發端頭加固

f2暗挖隧道始發端頭采用1300mm厚C20素混凝土墻對洞門進行封閉加固處理，盾構始發前鑿除部分素混凝土墻，然后刀盤磨穿剩余素混凝土墻向前推進。該素混凝土加固端墻與暗挖隧道二次襯砌結構同期施工，采用木模板與方木、工字鋼結合的方式作為端墻混凝土澆筑施工的支撐體系，后期可通過預留的同條件試塊檢查該加固端墻的強度。

3.2? 始發端頭降水

盾構始發處降水可利用車站及暗挖施工時的降水井進行降水，確保水位降至底板以下1m，降水效果利用現場布置的水位觀測孔進行觀測。另外，盾構始發前須在加固端墻上打設水平的水位觀測孔檢驗滲漏水情況。在洞身范圍內垂直洞門加固端墻用風槍打水平觀測孔，水平探孔分上、中、下共計5個鉆探孔，直徑φ48mm，探孔進尺不小于2.5m，根據孔的滲水量判斷地層降水效果，觀察時間不少于12h。

3.3? 洞門密封、防水裝置安裝

在盾構始發掘進時，為了防止洞內水和回填注漿沿著盾構機外殼向洞口方向流出，在內襯墻上的盾構機入口洞圈周圍安裝環行密封橡膠板止水裝置，該裝置在內襯墻入口洞圈周圍安裝設有M20螺孔的預埋板A，用螺栓將密封橡膠簾布、壓緊環板B和折頁壓板栓連在預埋環板A上，折頁壓板采用鋼絲繩連接成一個整體。

安裝順序為：洞門圈預埋鋼環板A（車站及隧道施工時已預埋）→安設雙頭螺栓→橡膠簾布→壓緊環板B→折頁壓板→墊圈→螺母。

安裝注意事項：（1）安裝前檢查橡膠簾布是否完好，徑向尼龍線密集排列和螺栓孔是否完好;（2）安裝前清理環板和疏通預埋鋼板的孔并涂上黃油;（3）安裝前檢查螺栓絲扣是否完整無損;雙頭螺桿安裝時必須確保栓結牢固;（4）安裝洞門密封裝置依次從上往下、左右對稱順序進行;（5）為防止盾構機推進時，刀盤損傷簾布橡膠板，在盾構向前推進前應在簾布橡膠板外側及邊刀上涂抹黃油。

3.4? 始發基座、反力架安裝及加固

3.4.1? 車站始發基座

始發托架是盾構機在始發井中的支撐和定位托架。始發架與反力架接觸位置用工字鋼卡緊。首先依據隧道在此處的設計軸心線確定始發托架中心線，通過測量放線，將托架中心線和托架支撐軌切點位置刻劃于始發井底或端墻及側墻上，以指示托架的安裝位置。為防止盾構始發時會出現栽頭和整體下沉現象，將始發托架前部抬高30mm，后部抬高10mm安裝，托架安裝采用鋼板墊高找正。托架安裝就位后，在井底采用工字鋼將托架焊接固定。

3.4.2? 暗挖始發基座

本區間暗挖隧道斷面呈馬蹄形，凈空尺寸為7500（寬）×7650（高）mm，盾構機刀盤外徑6280mm，盾體最大外徑6250mm，盾體與暗挖隧道二襯之間凈空不到700mm，始發空間極其狹小，盾構在常規情況下始發時所采用的始發基座無法用于暗挖隧道內的盾構始發。根據實際狀況，此處采用混凝土導臺+導軌作為盾構始發的基座，以解決該問題。

暗挖隧道設計包含隧底混凝土回填，線路中心回填厚度1250mm。將該回填分為兩次進行，第一次回填作為盾構始發基座混凝土導臺，給盾構始發提供條件。待盾構全部施工完成后進行第二次回填，回填至最終設計要求即可。

導臺混凝土全部采用C30，導臺上鋼軌采用43kg/m軌。鋼軌下方每隔0.3m預埋20mm厚鋼板（尺寸300[×]100mm），鋼板下方須加設錨固筋，錨固筋采用HRB400鋼筋，直徑不小于25mm，長度不小于300mm，所有預埋鋼板采用2根直徑20mm鋼筋進行通長縱向連接。每個預埋件上焊接一對軌道卡扣，用以固定鋼軌。始發導臺設計見圖2、3。

由于盾體為圓形，座在始發導軌上會對導軌向外產生較大側壓力，若不采取加固措施則很容易造成導軌側翻。此處采用150×100×20mm鋼板作為斜撐，與地面呈30°夾角，間距600mm布設一道，斜撐鋼板下部與導軌基礎鋼板焊接牢固，可解決導軌側翻問題。具體見圖4。

3.4.3? 車站反力架安裝及加固

施工安裝順序：（1）車站主體結構施工時，在底板、中板及側墻預埋鋼板預埋件;（2）在盾構機的主機在托架上安裝好后，將反力架和基準環由下至上分別吊入井下進行組裝;（3）先將反力架的下橫梁吊到井下，進行拼裝，再將側梁和上部吊入與下部組裝在一起;（4）將基準環的下半部吊入井下與反力架進行連接，再將基準環的上半部吊入與反力架和基準環下半部連接，經測量檢查、調整使基準環的中心與反力架的中心重合，然后安裝牢固;（5）根據測量的結果對反力架進行水平方向和標高的調整，使反力架和基準環的中心線與隧道的軸線一致，并報監理單位進行復測;（6）為確保盾構掘進過程中反力架的穩定，在反力架與盾構始發井主體結構之間設置支撐進行加固。由于始發井限制，支撐分為斜撐和直撐，斜撐采用外徑為530mm（壁厚14mm）鋼管，直撐采用175工字鋼。

3.4.4? 暗挖反力架安裝及加固

由于暗挖隧道內盾構始發空間極其狹小，我們平時在車站或其它始發井內采用的反力架體積較大無法安裝至暗挖隧道內。因此，我們在這里根據暗挖隧道的空間尺寸設計出適合在暗挖隧道環境安裝及發揮作用的環形反力架。見圖5。

反力架斜支撐采用3根直徑530mm，壁厚14mm無縫鋼管進行對焊，一端與主梁焊接，另一端焊接于預埋鋼板上，斜撐與地板的角度為30°。

施工安裝順序：測量放線→預埋鋼構件→反力架拼裝→位置校核及加固→完成安裝。

（1）為了更加方便、有效的安裝和加固反力裝置，在暗挖隧道二襯中預埋吊鉤與鋼板預埋件。暗挖隧道斷面內共設置18個吊鉤，吊鉤采用直徑32mm圓鋼加工而成，反力架上方并排設計4個吊鉤，盾構機上方設計14個吊鉤用于后期拆除負環管片和其它用。吊鉤與二襯主筋焊接或者綁扎，吊鉤嵌入二襯500mm，外漏80mm。另外，反力架底部預埋2塊1500×1500×20mm鋼板與反力架焊接作為固定措施之一。支撐反力架的斜撐下部施做6500×1175×800mm（從反力架底部算起高800mm）素混凝土臺，預埋共計6塊1500×750×20mm鋼板作為斜撐的支撐基礎。（2）反力架六大部分全部采用板車運至安裝現場，并利用暗挖隧道拱頂預埋的吊鉤進行吊裝。首先將下八字撐導入盾構機尾部，將兩塊下八字撐吊至反力架設定位置，采用高強螺栓連接。然后連接反力架中柱，待下八字撐與中柱安裝牢固后，將反力架與二襯底板結構上預埋的鋼板焊接牢固，然后鋼管斜撐與導臺處預埋鋼板焊接。最后將反力架上八字撐與中柱進行連接加固，并架設第三道斜撐，保證反力架的每一部分都有斜撐支撐。

3.5? 負環安裝及加固

3.5.1? 負環安裝

在始發時，盾構機依靠負環管片提供支撐進行掘進，負環管片為標準環，拼裝方式為錯縫拼裝，安裝使用管片拼裝機直接安裝。本區間車站及暗挖隧道內均安裝7環負環管片，以滿足始發段的尺寸要求及保證洞門環梁長度500mm。

在安裝負環管片前，在盾構機盾尾內安設4～8根厚度50mm（盾構機盾尾直徑為6230mm，盾尾結構體鋼板厚度為40mm，管片外徑為6000mm），寬度50mm，長度2000mm的硬質方鋼，等待盾構機完全進入洞內，洞口開始進行同步注漿時，將方鋼拆除。見圖6所示。

負7環第一塊管片的定位。在拼裝負7環管片的第一塊管片時，首先在負7環管片的B2B管片內弧面上劃出管片偏移18°后位于弧底的位置，封頂塊F在1點位置，拼裝順序為B2B—B3B—B1B—L2B—L1B—F，如圖7所示。

鄰接塊L1B和L2B的安裝。鄰接塊安裝時，在盾尾盾殼上焊接“L”型管片拉鉤，可將管片臨時拖住，避免其跌落，待此環拼裝完成后割去“L”型管片拉鉤，整體向后平移至反力架處，再用“L”形鋼板將管片固定在反力架上。

3.5.2? 負環加固

（1）支墊負環管片。由于始發支座軌道與管片外側有125mm的空隙（盾構始發臺的尺寸是按照盾構機的前體6250mm設計，管片外徑為6000mm），為了避免負環管片全部推出盾尾后下沉，在始發臺導軌上用方木楔楔緊，使其將負環管片托起。

在拼裝好第二環負環管片后，讓盾構機繼續向前掘進，使盾尾密封刷脫離第一環管片，將150mm×100mm的三角木楔楔進負環與支撐架之間的空隙內，左右兩側各楔兩個木楔。

（2）緊固鋼絲繩。用兩根16mφ18的鋼絲繩繞過負環管片頂部，將繩頭分別留在支撐架左右兩側，每個繩頭上穿上緊線器，將緊線器的另一端掛在支撐架的吊耳上，旋轉緊線器，將鋼絲繩拉緊。

盾構機繼續向前掘進，重復上述1、2步，直至盾尾進入洞門后，將負環管片全部用鋼絲繩固定。

（3）安裝負環緊固架。先將負環緊固架吊入盾構始發井內，用M20的螺栓將負環緊固架分別與左右支撐架連接在一起，然后吊入縱梁與緊固架用M16的螺栓連接。

（4）加三角木楔。在縱梁與負環管片的空隙內楔入300mm×250mm的三角木楔，每環負環管片左右兩側各楔入兩個木楔。

3.6? 洞門破除

3.6.1? 車站洞門破除

洞門破除的主要目的是割掉盾構機通過范圍內車站圍護結構的鋼筋，使盾構機順利進入端頭圍巖。

（1）破除洞門的時間應在盾構機調試達到穩定推進條件后。洞門在與盾構機間應預留不小于1.5m的作業空間。

（2）為保證圍護結構的穩定，破除分三階段進行，破除見示意圖8。第一階段破除圍護樁內側600mm，鑿除時按先上后下、先中間后兩側的順序進行。第二階段破除剩余混凝土，破除完畢后，用風鎬修整洞門周圍混凝土面，使洞門周圍圓順;第三階段破除外圍殘留鋼筋混凝土，將洞門周邊鋼筋修整切割圓順，盡量縮短洞門土體無支撐時間;第一階段洞門破除的時間為盾構始發前10d;第二階段洞門破除的時間為盾構始發前5d;第三階段洞門破除的時間為始發前2h。

（3）洞門破除后，盾構機應迅速靠上掌子面土體，以免土體發生坍塌。確保洞門掌子面穩定。

3.6.2? 暗挖洞門破除

本區間暗挖隧道原設計盾構始發時刀盤直接磨穿混凝土素墻，但由于刀盤厚度（1000mm）大于暗挖隧道洞門二襯端墻厚度（550mm），刀盤轉動過程中其側面的摩擦會對已安裝的洞門簾布和扇形壓板造成損壞。因此該素混凝土端墻還須進行部分鑿除，以規避刀盤轉動損壞洞門簾布和扇形壓板的問題。為解決這一重點問題，只能將盾構機再向前推進650mm，讓刀盤避過洞門簾布和扇形壓板后再運轉，洞門破除范圍見圖9。

因本工程情況特殊，洞門只需破除一小部分，工程量較小，根據經驗，可在盾構始發前10天開始進行洞門破除。

洞門鑿除前，須確保洞門端墻素混凝土強度達到100%，并在加固端墻上打設水平的水位觀測孔檢驗降水效果。

洞門鑿除采用人工鑿除，分兩大步驟進行，首先進行全斷面鑿除，鑿除厚度不小于200mm。然后鑿除洞門中心點周圍900mm范圍素混凝土，鑿除厚度不小于450mm。

開鑿前，搭設雙排腳手架，鑿除時按先上后下、先中間后兩側的順序進行。鑿除完畢后，用風鎬修整洞門周圍混凝土面，使洞門周圍圓順。

4? 結束語

盾構始發技術是盾構法施工技術的關鍵，也是盾構施工成敗的一個重要標志，必須全力做好始發階段的各個環節。為確保始發達到預期效果，應根據現場條件選擇最合適的方法。

參考文獻：

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