泥水盾構(gòu)鋼套筒接收掘進技術(shù)

（中鐵隧道集團二處有限公司,河北 廊坊 065201）

目前國內(nèi)的地鐵隧道建設(shè)普遍采用盾構(gòu)施工,隧道一次成型。盾構(gòu)法隧道施工過程中,始發(fā)和接收是比較重要的環(huán)節(jié),針對盾構(gòu)接收的風險,近幾年出現(xiàn)了一種鋼套筒法盾構(gòu)接收工藝。文章依托南昌地鐵2 號線4 標紅谷中大道站—陽明公園站區(qū)間盾構(gòu)接收工程,詳細闡述了泥水盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)的掘進技術(shù)。

1 工程概況

紅谷中大道站至陽明公園站區(qū)間采用泥水盾構(gòu)掘進施工,隧道管片外徑6.0m,內(nèi)徑5.4m,寬1.2m,襯砌管片分為3 塊標準管片（A1、A2、A3）,兩塊鄰接管片（B1、B2）,1 塊封頂管片（K 型）。陽明公園站為地下兩層站,車站長度為267.79m,有效站臺中心里程處底板埋深約為16.27m,車站接收井底板處基坑深17.4m,接收井平面凈空長12.5m,寬21.5m。

陽明公園站泥水盾構(gòu)接收端位于陽明路與象山北路交叉路口處,該處交通流量大,南側(cè)為人行通道和16 層的建筑（江西日報社）；北側(cè)為陽明路和工地房屋。盾構(gòu)接收端存在線路斜向相交的過街通道,通道深約5.5m,通道結(jié)構(gòu)與車站圍護結(jié)構(gòu)最小凈距為1.3m,通道為采用明挖法施工的鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu),如圖1 所示。

圖1 陽明公園站平面圖

根據(jù)地勘資料,陽明公園站盾構(gòu)接收端頭井范圍內(nèi)主要地質(zhì)條件自上而下依次為：4.2m 素填土層、5.5m 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、2.9m 粉質(zhì)粘土層及約4.0m 圓礫層,其中盾構(gòu)隧道在接收過程中主要穿越圓礫層,如圖2 所示。陽明公園站擬建場地距離贛江約700m,地下水位埋深5.5m,地下水水位主要受其影響。

圖2 陽明公園站盾構(gòu)接收端地質(zhì)縱斷面圖

2 鋼套筒接收的原因和施工難點

盾構(gòu)隧道在接收過程中主要穿越圓礫層,透水性較強,且地下水較豐富,可能導致盾構(gòu)隧道施工中發(fā)生漏水、漏漿、甚至透水。所以常規(guī)情況下接收井端頭需要進行三軸攪拌樁加固,但由于加固區(qū)存在過街地下通道且周邊交通流量大,無法進行施工,所以為了確保盾構(gòu)接收的安全,經(jīng)過方案比選采用“玻璃纖維筋連續(xù)墻+鋼套筒”的施工方法實現(xiàn)盾構(gòu)順利接收工作,減少常規(guī)施工過程中盾構(gòu)端頭加固、地面管線改遷等大量工作。

在鋼套筒內(nèi)如何控制掘進參數(shù)以及如何防止盾構(gòu)刀盤碰到鋼套筒是泥水盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)掘進的重難點。

3 鋼套筒工況

鋼套筒筒體部分長10 500mm(含過渡環(huán)500mm),內(nèi)徑6 650mm,分4 段,每段又分為上、下兩塊,筒體材料用25mm 厚的Q235A 鋼板,總重約150t 左右,如圖3 所示。

圖3 鋼套筒

鋼套筒安裝完成后,鋼套筒架中心線、線路中心線與洞門中心線重合,整個臺面處于同一平面上,高度偏差不大于30mm,前端左線高程偏差不超過20mm,套筒與隧道設(shè)計軸線不大于5‰。鋼套筒后部采用“反力架+9 根鋼管斜撐”支撐,反力架安裝中心保證與洞門中心一致,并按普通加固方法進行加固,在鋼套筒后端蓋和反力架之間采用8 根100t 的液壓千斤頂架設(shè),預加反力消除后端蓋到洞門的安裝間隙,提供總反力為500t。鋼套筒側(cè)方采用175H 型鋼進行加固,防止橫向移動。鋼套筒過渡環(huán)和洞門環(huán)板之間全部密貼并滿焊。為防止盾構(gòu)進入鋼套筒后出現(xiàn)低頭現(xiàn)象,在鋼套筒底部60°范圍內(nèi)澆筑有15cm厚的C15 砂漿導臺,導臺長度10.3m。鋼套筒內(nèi)填充物主要是水泥砂漿,砂漿配合比為：水泥120kg:粉煤灰100kg:河沙1 300kg,設(shè)計強度不大于0.8MPa,實際試塊強度2.0MPa。

4 掘進參數(shù)控制及分析

4.1 掘進參數(shù)控制

1）刀盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制 刀盤轉(zhuǎn)速控制對鋼套筒內(nèi)模擬地層的穩(wěn)定性影響很大,若轉(zhuǎn)速設(shè)定過高,則對鋼套筒內(nèi)的擾動較大；若刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定過小,則掘進速度慢,相應風險持續(xù)時間就會較長。綜合考慮,刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0r/min。當掘進時,刀盤轉(zhuǎn)向需定時換向,防止倉內(nèi)沉積渣土,造成刀盤扭矩和總推力變大、掘進速度變慢,但換向不宜太過頻繁,一環(huán)環(huán)向1～2 次。

2）刀盤扭矩、掘進速度、總推力控制 按照經(jīng)驗,刀盤扭矩、掘進速度和總推力有著密不可分的關(guān)系。在刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下,掘進速度越快,則刀盤貫入度越大,刀盤扭矩會隨之增大,反之則減?。欢蜻M速度又是由總推力的調(diào)整來控制。當?shù)侗P扭矩超過設(shè)定值時,需減小盾構(gòu)總推進力,降低掘進速度；當?shù)侗P扭矩在設(shè)定范圍內(nèi)或較小時,需嚴格控制掘進速度,不易過快,當速度持續(xù)增大超過設(shè)定值時,需減小總推進力來加以調(diào)整。

3）泥水參數(shù)控制 盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)掘進時,切口環(huán)上部泥水壓力控制在1.14～1.18bar,泥水比重控制在1.1～1.18g/cm3,粘度控制在20～23s,流量為700～750m3/h,防止出渣量較大,造成接收端頭水土流失。

4）盾構(gòu)姿態(tài)控制 為了防止盾構(gòu)刀盤與筒體接觸,發(fā)生危險,盾構(gòu)水平姿態(tài)控制在-10～+10mm,水平趨勢控制在-1～+1mm/m,高程姿態(tài)控制在-20～-10mm,高程趨勢控制在-1～+1mm/m。

4.2 參數(shù)分析

盾構(gòu)切削完連續(xù)墻后,剛進入鋼套筒時,刀盤轉(zhuǎn)速為1.0rpm,推進速度為10～15mm/min,刀盤扭矩為624～905kNm,總推進力為12 139～12 967kN。當掘進到3m 左右時,其他參數(shù)未有較大改變,但總推進力逐漸上升到14 428～14 721kN,此時調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速為1.2～1.3rpm,掘進一段時間后,總推進力逐漸下降至9 846kN,然后將刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整回1.0rpm,后半段推進速度加快,但控制在10～20mm/min,總推進力保持在8 397～9 742kN。具體掘進參數(shù)變化如圖4 所示。

圖4 掘進參數(shù)變化曲線

從圖4(a)中可以看出刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1.0rpm,推力增大時最高調(diào)整到1.3rpm。圖4(b)可以看出推進速度相對穩(wěn)定,總體為10～20mm/min。圖4(c)中可以看出刀盤扭矩最大值為1 000kNm,最小值為515kNm,扭矩波動不超過300kNm。圖4(d)中可以看出總推力在前半段12 700kNm 逐漸增大,最高達到14 859kN,可能是由于前盾直徑大,通過洞門時摩擦力增大導致；當前盾通過后,總推力逐漸減小,最低值為8 397kNm。

5 掘進過程中的監(jiān)測及限位技術(shù)

針對如何防止盾構(gòu)刀盤碰到鋼套筒以及如何確定盾構(gòu)刀盤是否到達最終位置的問題,常規(guī)的預防和監(jiān)測方法為依靠盾構(gòu)上的導向系統(tǒng)和鋼套筒下方左右兩側(cè)設(shè)置的油缸和滾輪,而南昌地鐵2 號線4 標創(chuàng)新采用了一種盾構(gòu)鋼套筒內(nèi)掘進的限位報警裝置（圖5）,能夠?qū)崟r監(jiān)測盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)的位置是否超限且當超限時能及時發(fā)出警報,解決了不能準確掌握盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)位置的問題,降低了盾構(gòu)碰撞鋼套筒并使其產(chǎn)生變形進一步造成工程事故的風險[1]。

圖5 鋼套筒限位報警器

在安裝鋼套筒時,每節(jié)鋼套筒的左上、右上、左下、右下四個部位和后端蓋的上、下兩個部位各設(shè)置一個連接管（連接管與鋼套筒之間采用焊接的連接方式,即先在鋼套筒上割一個檢測孔,然后將連接管插進孔內(nèi),兩側(cè)各留20mm,最后將連接管與鋼套筒滿焊）；連接管在鋼套筒內(nèi)的一側(cè)連接一個探頭（由于鋼套筒內(nèi)徑為6 650mm,盾構(gòu)刀盤直徑6 300mm,所以側(cè)方探頭長度設(shè)置為135mm,為盾構(gòu)預留±20mm的姿態(tài)控制范圍,后端蓋處的探頭長度設(shè)置為300mm,用于檢測盾構(gòu)是否到達最終停機位置）,外側(cè)連接一根檢測管,檢測管上設(shè)置一個電接點壓力報警器；在檢測管的外部出口設(shè)置一個手動球閥連接一根氣管,用來給檢測管提供氣壓。連接管和檢測管均是由DN25 的鋼管制成,探頭是由DN25 的鑄鐵管制成；檢測管、連接管和探頭之間均采用螺紋連接的方式,檢測管和探頭為外螺紋,連接管為內(nèi)螺紋。

限位報警裝置安裝好后,向檢測管內(nèi)加氣,當氣壓達到電接點壓力表設(shè)定值范圍時關(guān)閉手動球閥。當盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)掘進時,若盾構(gòu)姿態(tài)或刀盤到達位置超限,則盾構(gòu)的刀盤將碰到探頭,并將探頭損毀。探頭損毀后,檢測管內(nèi)氣壓降低,當?shù)陀陔娊狱c壓力表設(shè)定最低壓力時,聲光報警器將發(fā)出警報聲,然后施工人員針對報警位置調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)。

6 掘進注意事項

1）在鋼套筒內(nèi)掘進以管片拼裝模式掘進。盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)掘進過程中,要確保與外界聯(lián)系,密切觀察鋼套筒頂部的情況,一旦發(fā)現(xiàn)變形量超量或有滲漏時,必須立即停止掘進,及時采取補救措施。

2）盾構(gòu)掘進過程加大測量頻率,并復核控制點,確保盾構(gòu)的姿態(tài)正確,在盾構(gòu)到達前布置監(jiān)測點,在地面、周圍較近建筑物及管線布置沉降觀測點。并測量初始值,盾構(gòu)掘進過程中每天測量2 次,若變形較大,增加測量頻率并及時通報項目部采取處理措施。

3）盾構(gòu)筒體推到位置并完成洞門密封后,在刀盤不轉(zhuǎn)情況下,出空倉內(nèi)回填物。

4）盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)推進時,需連續(xù)進行管片拼裝至盾構(gòu)完全接收,按照鋼套筒安裝長度及形式,鋼套筒延長接收會比常規(guī)接收多拼裝2環(huán)管片。

7 結(jié)論

南昌地鐵2 號線4 標項目紅谷中大道站至陽明公園站區(qū)間盾構(gòu)接收采用鋼套筒接收,盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)共掘進28h。掘進過程中盾構(gòu)軸線姿態(tài)測量準確,盾構(gòu)掘進參數(shù)控制良好,鋼套筒無變形,無滲漏,地面沉降安全可控。通過總結(jié)分析,盾構(gòu)按照文章中的掘進參數(shù)控制,在鋼套筒內(nèi)掘進是可行的,且效果良好,鋼套筒限位報警裝置更好的預防了盾構(gòu)刀盤碰到鋼套筒,為其它類似工程提供了技術(shù)支持。