矩形盾構(gòu)施工問(wèn)題、應(yīng)對(duì)措施及優(yōu)化研究

林 濟(jì)

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

隨著我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加快，矩形盾構(gòu)由于具有大斷面長(zhǎng)距離施工、提高結(jié)構(gòu)有效使用面積和減少隧道埋深等優(yōu)點(diǎn)，而在城市地下通道和地下隧道建設(shè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但另一方面，矩形盾構(gòu)姿態(tài)較難控制、管片上浮較大等問(wèn)題也逐漸凸顯出來(lái)[1-4]。

本文結(jié)合上海市虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)（一期）與國(guó)家會(huì)展中心（上海）人行地下通道工程（下文簡(jiǎn)稱“會(huì)展通道”）矩形盾構(gòu)施工，根據(jù)會(huì)展通道工程的客觀地質(zhì)條件，采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)施工反饋緊密結(jié)合的方法，研究矩形盾構(gòu)施工中遇到的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 工程概況及難點(diǎn)

1.1 工程概況

會(huì)展通道盾構(gòu)段長(zhǎng)度為83.95 m，坡度為0.5%。隧道內(nèi)部?jī)艨粘叽鐚挒?.65 m，高為3.85 m。該工程采用施工單位自行研發(fā)制造的10.1 m×5.3 m矩形盾構(gòu)機(jī)施工。

勘察資料顯示，本場(chǎng)地為正常沉積區(qū)，矩形盾構(gòu)主要穿越地層為③層及④層土，是上海地區(qū)典型性的流塑性黏土與淤泥質(zhì)黏土（表1）。

1.2 難點(diǎn)

1.2.1 隧道管片上浮

在軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道施工中，管片脫出盾尾后普遍存在上浮問(wèn)題，而矩形盾構(gòu)管片由于上下大而平坦的接觸面，更易受到浮力的影響，從而影響隧道施工質(zhì)量。當(dāng)管片脫離盾尾時(shí)，若同步注漿的漿液不能初凝和達(dá)到一定的早期強(qiáng)度，隧道則被包圍在注漿的漿液中，而漿液的比重比水要大，從而能提供比水更大的浮力。矩形盾構(gòu)隧道施工期上浮影響因素主要可概括為注漿、隧道剛度、地層特性、機(jī)械配重、姿態(tài)和線形等幾個(gè)大類。

表1 工程主要土層劃分

1.2.2 矩形管片收斂變形

在矩形盾構(gòu)施工過(guò)程中，隨著盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，已拼裝完成的管片逐漸從盾尾內(nèi)脫出，開(kāi)始承受盾構(gòu)機(jī)外部的水土壓力。在上述壓力作用下，矩形盾構(gòu)隧道的襯砌環(huán)出現(xiàn)變形情況。

矩形盾構(gòu)隧道的上部和下部近似為水平直梁，由于起拱較少，水平直梁以承受彎矩為主。對(duì)于矩形盾構(gòu)隧道，表現(xiàn)為隧道的斷面呈現(xiàn)出豎直徑縮小、水平徑增大的現(xiàn)象，從而對(duì)隧道的防水、襯砌的受力都造成嚴(yán)重的危害，還會(huì)導(dǎo)致待安裝的管片縱向螺栓無(wú)法安裝，嚴(yán)重危害盾構(gòu)施工。

2 矩形盾構(gòu)施工問(wèn)題、應(yīng)對(duì)措施及優(yōu)化方案

2.1 洞圈止水裝置變形

2.1.1 問(wèn)題描述

矩形盾構(gòu)機(jī)頭進(jìn)入始發(fā)井及接收井洞圈時(shí)，矩形斷面四角的橡膠簾布板被拉伸變形。在盾構(gòu)出洞時(shí)，橡膠簾布板會(huì)受拉變形。

與圓形截面盾構(gòu)不同，矩形盾構(gòu)機(jī)頭在進(jìn)入洞圈止水裝置時(shí)，會(huì)造成該處的橡膠簾布板應(yīng)力集中，導(dǎo)致四角的橡膠簾布板受拉伸變形，從而會(huì)降低洞圈止水效果（圖1、圖2）。

圖1 洞圈止水裝置變形

圖2 鋼板封閉洞門(mén)間隙

2.1.2 應(yīng)對(duì)措施

在矩形盾構(gòu)盾尾完全進(jìn)入洞圈后，使用鋼板將盾構(gòu)機(jī)身與洞門(mén)間隙完全封閉，確保洞門(mén)止水的效果，并防止注漿漿液泄漏。

2.1.3 優(yōu)化方案

在橡膠簾布板設(shè)計(jì)中，于矩形斷面四角采用如下設(shè)計(jì)——四角開(kāi)半圓，保證角部的橡膠在受拉后能夠有較大的張開(kāi)量，防止拉裂破壞（圖3、圖4）。

圖3 矩形盾構(gòu)簾布橡膠板示意

圖4 矩形盾構(gòu)簾布橡膠板變形

2.2 螺旋輸送機(jī)取土困難

2.2.1 問(wèn)題描述

在施工中發(fā)現(xiàn)螺旋機(jī)左右的大刀盤(pán)切削范圍未能完全覆蓋取土口，導(dǎo)致取土口土體未能得到有效切削與攪動(dòng)，長(zhǎng)期擠壓后在取土口附近形成板結(jié)土塊（圖5），阻礙螺旋機(jī)出土。

圖5 螺旋輸送機(jī)取土口處板結(jié)土塊

2.2.2 應(yīng)對(duì)措施

采取從螺旋機(jī)兩側(cè)注水孔向刀盤(pán)土倉(cāng)內(nèi)注水的方案，使用高壓水槍沖擊螺旋機(jī)取土口處板結(jié)土塊，注水前所有千斤頂全部縮回，使盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生回縮現(xiàn)象。在實(shí)際施工過(guò)程中，采用高壓水槍沖水、刀盤(pán)分步掘進(jìn)及螺旋機(jī)反向旋轉(zhuǎn)的方法，同時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，潤(rùn)滑正面土體。

2.2.3 優(yōu)化方案

1）重新進(jìn)行刀盤(pán)布置設(shè)計(jì)，盡量減小切削盲區(qū)，且刀盤(pán)切削范圍應(yīng)覆蓋螺旋機(jī)取土口。

2）刀盤(pán)攪拌棒的攪拌范圍應(yīng)覆蓋取土口附近土體。

3）在螺旋機(jī)兩側(cè)注水孔位置加裝高壓水槍噴頭。

4）在螺旋機(jī)底部?jī)蓚?cè)胸板上開(kāi)設(shè)應(yīng)急觀察孔。

5）優(yōu)化周邊刀、劈刀及斜刀設(shè)計(jì)，盡量減小盲區(qū)土體堆積。

2.3 螺旋輸送機(jī)齒輪箱位置處發(fā)生堵塞

2.3.1 問(wèn)題描述

穿越加固土段時(shí)，螺旋輸送機(jī)的密封發(fā)生破壞失效，之后泥漿進(jìn)入齒輪箱，螺旋機(jī)工作時(shí)未得到潤(rùn)滑，產(chǎn)生極大的熱量，導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)側(cè)位置處泥土中的水分被蒸發(fā)（加固土本身含水量不高），變?yōu)闃O干硬的加固土，堵塞螺旋機(jī)出土（圖6、圖7）。

圖6 螺旋輸送機(jī)內(nèi)干硬加固土

圖7 拆除土閘門(mén)清理堵塞土塊

2.3.2 應(yīng)對(duì)措施

采用拆除螺旋機(jī)土閘門(mén)，拔出螺桿，清除齒輪箱處干硬加固土堵塞的方案，完成了螺旋機(jī)疏通。

2.3.3 優(yōu)化方案

1）改進(jìn)螺旋機(jī)齒輪箱密封，做螺旋機(jī)齒輪箱密封性能試驗(yàn)，確保橡膠密封在推進(jìn)中的安全。

2）配置關(guān)鍵部位的檢修口，節(jié)省因拆除螺旋機(jī)土閘門(mén)及拔出螺桿所耗費(fèi)的工時(shí)，確保工效。

2.4 盾構(gòu)機(jī)整體上浮及隧道管片上浮

2.4.1 問(wèn)題描述

矩形盾構(gòu)在盾尾離開(kāi)加固土進(jìn)入原狀土之后，隧道管片的高程偏差隨推進(jìn)開(kāi)始增大，出現(xiàn)了整體上浮的現(xiàn)象，切口與盾尾高程姿態(tài)均較大偏離理論軸線，最大時(shí)達(dá)到切口+99 mm，盾尾+159 mm（圖8、圖9）。

圖8 切口高程姿態(tài)變化曲線

圖9 盾尾高程姿態(tài)變化曲線

初步推斷工程穿越土質(zhì)偏淤泥質(zhì)土，浮力較大，導(dǎo)致切口與盾尾高程姿態(tài)無(wú)法下壓。與已完成的虹橋臨空矩形盾構(gòu)工程地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，虹橋臨空矩形盾構(gòu)施工主要穿越地層為③1、③2及④層土，對(duì)應(yīng)的含水率為41.2%、27.9%及49.8%。本次矩形盾構(gòu)施工主要穿越地層為③層及④層，對(duì)應(yīng)的地層含水率為42.8%、47.3%。對(duì)比可知，會(huì)展通道地層含水率較臨空無(wú)較大差異，因此排除淤泥質(zhì)土層含水率高導(dǎo)致浮力較大的原因。

同時(shí)，本次施工中隧道管片高程偏差同樣隨矩形盾構(gòu)的掘進(jìn)而開(kāi)始增大，且始終呈上浮趨勢(shì)。與矩形盾構(gòu)機(jī)切口及盾尾高程進(jìn)行對(duì)比之后可以發(fā)現(xiàn)，2條曲線的變化趨勢(shì)相關(guān)性比較密切（圖10）。因此，可以得出結(jié)論：管片脫出盾尾后，在同步注漿漿液的浮力作用下，隧道管片產(chǎn)生了上浮現(xiàn)象，并持續(xù)帶動(dòng)盾構(gòu)機(jī)整體上浮。

圖10 管片高程與平面偏差變化曲線

另外，該型號(hào)矩形盾構(gòu)機(jī)為施工單位自行研發(fā)制造并投入使用，總重為467.4 t。而隧道公司在浙江寧波所使用的“陽(yáng)明號(hào)”類矩形盾構(gòu)截面稍大，總重為720 t。對(duì)比可知，矩形盾構(gòu)機(jī)的自重較輕也可能是盾構(gòu)整體上浮的影響因素之一。同時(shí)，矩形盾構(gòu)機(jī)內(nèi)質(zhì)量的分配方式為切口環(huán)最重（配置有切削刀盤(pán)與電動(dòng)機(jī)），盾尾最輕。“頭重腳輕”的質(zhì)量分配方式同樣對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制不利，易引起盾構(gòu)機(jī)“磕頭”，而盾構(gòu)機(jī)切口與盾尾的高程實(shí)際測(cè)量結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2.4.2 應(yīng)對(duì)措施

1）調(diào)節(jié)推力分配糾偏。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)整體上浮，在施工中可以采取以下措施：等比例調(diào)整比例閥推力分配，增大千斤頂豎直向下分力，保證推進(jìn)合力方向?yàn)樾毕路较颍偼屏哟笾?9 000 kN，迫使盾構(gòu)機(jī)向下；放慢推進(jìn)速度，確保盾尾切口不向上變化。但在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，千斤頂推力分配在不發(fā)生變化的情況下，高程偏差始終隨推進(jìn)逐漸增大。

2）設(shè)備改造糾偏。為了阻止切口與高程姿態(tài)隨推進(jìn)增大的趨勢(shì)，將切口環(huán)左右兩側(cè)泥墊壓泥口錐形蓋板拆除，改為新的蓋板——每個(gè)蓋板上面均有1個(gè)13.33 cm的出泥孔及1個(gè)5 cm的注水孔，均接對(duì)應(yīng)尺寸球閥（圖11）。

圖11 壓泥口位置、新加工蓋板及球閥取土

原設(shè)想切口環(huán)下部土體會(huì)隨盾構(gòu)推進(jìn)自然從出泥孔擠出，實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)只有少量土體擠出。遂采用高壓水槍注水沖擊切口環(huán)下部土體，攪松后隨水排出，達(dá)到切口高程減小的目的。因單個(gè)孔無(wú)法滿足降低切口高程姿態(tài)的需求，遂重新加工新的蓋板——每個(gè)蓋板上面均有3個(gè)13.33 cm的孔，接13.33 cm球閥。

采取措施后，切口姿態(tài)得到控制，但盾尾姿態(tài)還是會(huì)隨著盾構(gòu)推進(jìn)增大，因此在支撐環(huán)下部左、中、右處各開(kāi)1個(gè)13.33 cm的孔，接13.33 cm球閥后，使用水管注水沖擊支撐環(huán)下部土體，攪松后隨水排出，從而達(dá)到盾尾高程減小的目的。

3）同步注漿糾偏。對(duì)于管片上浮采取如下措施：調(diào)整管片頂與管片底的注漿量比例，適當(dāng)減小管片底注漿量，將頂?shù)鬃{量比維持在3∶1；提高管片頂注漿點(diǎn)位的注漿壓力，減小管片底注漿點(diǎn)位的注漿壓力。

4）二次注漿糾偏。采用初凝時(shí)間較短的二次注漿漿液，及時(shí)對(duì)盾尾外管片進(jìn)行注漿加固，并提髙管片拼裝質(zhì)量，增大隧道成環(huán)管片的剛度。

2.4.3 優(yōu)化方案

1）對(duì)盾構(gòu)隧道每環(huán)管片的高程與水平偏差測(cè)量，應(yīng)該要及時(shí)、細(xì)致，做到“勤測(cè)勤糾”，在偏差達(dá)到報(bào)警值之后要及時(shí)通過(guò)同步注漿及二次注漿糾偏，改變管片上浮的趨勢(shì)。注漿量及注漿壓力的大小應(yīng)采用分塊、分孔控制的方式：依據(jù)盾構(gòu)埋深、周圍土體特性、注漿孔在管片環(huán)（或盾尾）上的位置情況等，對(duì)注漿材料與參數(shù)實(shí)施動(dòng)態(tài)控制。

2）研究不同地層浮力變化規(guī)律，根據(jù)浮力調(diào)整矩形盾構(gòu)機(jī)總體質(zhì)量。研究盾構(gòu)機(jī)首尾合理的質(zhì)量分配方式，適當(dāng)增加盾尾的配重能夠提高矩形盾構(gòu)控制姿態(tài)的能力，從而減小隧道的施工期上浮量。

3）在盾構(gòu)機(jī)殼體四周預(yù)留壓土孔及注漿孔，且切口環(huán)、支撐環(huán)與盾尾均需預(yù)留孔洞，通過(guò)壓土孔壓土或排泥、注漿孔注漿或沖水進(jìn)行糾偏。

4）本次施工中臨時(shí)開(kāi)孔進(jìn)行排泥，雖成功控制高程姿態(tài)，但清泥需靠人工進(jìn)行，工作量大、工作強(qiáng)度高，且施工環(huán)境惡劣，應(yīng)重新設(shè)計(jì)壓土孔及注漿孔的集泥裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工。

2.5 矩形盾構(gòu)管片收斂變形

矩形盾構(gòu)管片橫徑理論值為8 650 mm，縱徑理論值為3 850 mm。管片在土體中穩(wěn)定后，橫徑偏差為+20 mm以內(nèi)，縱徑偏差為-30 mm以內(nèi)（圖12）。通過(guò)實(shí)踐操作與監(jiān)測(cè)分析，給出了矩形管片進(jìn)入原狀土后的收斂變化，并編制了復(fù)合管片螺栓擰緊操作規(guī)程，保證拼裝時(shí)復(fù)合管片的收斂變化符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 矩形盾構(gòu)管片橫縱徑變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)矩形盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了研究分析，并討論了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施與優(yōu)化方案，獲得以下結(jié)論：

1）矩形盾構(gòu)施工中易發(fā)生洞圈變形、螺栓輸送機(jī)取土困難與堵塞等設(shè)備裝置問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2）在上海軟土地層中，對(duì)矩形盾構(gòu)隧道施工影響較大的問(wèn)題是盾構(gòu)機(jī)整體上浮及管片上浮。矩形盾構(gòu)機(jī)在黏土與淤泥質(zhì)黏土地層內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，高程及姿態(tài)極難控制，在浮力的作用下機(jī)身會(huì)在掘進(jìn)的同時(shí)呈現(xiàn)出上浮趨勢(shì)。矩形盾構(gòu)機(jī)整體上浮的原因是未及時(shí)對(duì)管片上浮采取措施，導(dǎo)致管片將盾構(gòu)機(jī)逐漸帶動(dòng)向上浮動(dòng)，且依靠改變推力分配的糾偏效果差，應(yīng)根據(jù)管片高程的監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行糾正。在充分考慮盾構(gòu)埋深、周圍土體特性、注漿孔在管片環(huán)（或盾尾）上的位置等情況下，管片的上浮控制可通過(guò)對(duì)同步注漿與二次注漿注漿材料、注漿量、注漿壓力及注漿位置的動(dòng)態(tài)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，矩形盾構(gòu)自身的總體質(zhì)量、前后質(zhì)量分配及重心確定對(duì)盾構(gòu)上浮控制的作用有待進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3）矩形盾構(gòu)管片收斂在現(xiàn)有的掘進(jìn)工況下可以滿足設(shè)計(jì)要求。