富水軟弱地層盾構(gòu)機(jī)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

敖 巖

(中鐵三局集團(tuán)天津建設(shè)工程有限公司，天津 300350)

0 引言

地鐵作為近年國(guó)家軌道交通建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，運(yùn)用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行地鐵隧道施工較為普遍，盾構(gòu)機(jī)雖然施工過(guò)程可控，施工速度較快，但也存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)在盾構(gòu)始發(fā)、接收或下穿復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境時(shí)，由于采取措施不當(dāng)造成的涌水涌砂、車(chē)站傾斜、區(qū)間地面塌陷等。國(guó)內(nèi)也在多個(gè)城市的軌道交通建設(shè)中，出現(xiàn)了城市地面瞬間塌陷，車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)倒塌、盾構(gòu)機(jī)掩埋等事故。

本文主要以天津某隧道盾構(gòu)機(jī)始發(fā)，詳細(xì)介紹其相關(guān)的控制措施和施工關(guān)鍵技術(shù)。為行業(yè)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)提供參控，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

天津地鐵6號(hào)線新開(kāi)河站—外院附中站區(qū)間始發(fā)端頭井，距離新開(kāi)河22 m，地下水豐富。盾構(gòu)始發(fā)處覆土約16.8 m，穿越區(qū)域多為軟弱土層，自上而下⑥4層粉質(zhì)粘土、⑧1層粉質(zhì)粘土、⑧2-2層粉砂、⑨1層粉質(zhì)粘土。距離結(jié)構(gòu)約5 m處有兩根直徑1 000的雨水管和雨污合流管，埋深2.9 m和4.5 m，始發(fā)地基加固采用垂直冰凍法，加固范圍隧道上下左右各3 m，沿隧道方向2.7 m，采用三排冰凍管，隧道底部設(shè)置6個(gè)水平冰凍管。

盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程存在的風(fēng)險(xiǎn)主要有：1)洞門(mén)破除過(guò)程中出現(xiàn)涌水、涌砂；2)刀盤(pán)處加固區(qū)、盾尾進(jìn)入洞門(mén)圈時(shí)洞門(mén)密封漏水漏砂；3)過(guò)加固區(qū)時(shí)盾構(gòu)機(jī)被凍住；4)冷凍管拔除過(guò)程中拔斷漏水、漏砂等。

2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前技術(shù)準(zhǔn)備要點(diǎn)

1)盾構(gòu)機(jī)增加徑向注漿。沿盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)四周設(shè)置徑向注漿管，前盾設(shè)置了12處徑向注漿口，中盾設(shè)置了5處徑向注漿口，在始發(fā)時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行注漿、聚氨酯等止水材料。

2)洞門(mén)密封裝置加固。盾構(gòu)始發(fā)埋層較深，地層較為松軟，含有砂層，含水量豐富，始發(fā)洞門(mén)需采用簾布橡膠板加鉸鏈板組合形式。鉸鏈板安裝完畢后，采用兩圈鋼筋將鉸鏈板連接固定，同時(shí)在洞門(mén)圈車(chē)站結(jié)構(gòu)上采用直徑20的鋼筋植筋在結(jié)構(gòu)上。

為阻擋盾構(gòu)始發(fā)時(shí)泥砂流出，并減小滲漏水壓力，在盾構(gòu)鋼環(huán)上焊接三道弧形鋼板，鋼板寬度25 cm，間距15 cm，鋼板之間采用2道海綿條增加止水效果。

3)洞門(mén)圈外側(cè)預(yù)留注漿孔。在洞門(mén)圈外側(cè)，打設(shè)4個(gè)預(yù)留注漿孔，打穿結(jié)構(gòu)至地下連續(xù)墻處，洞門(mén)破除后在連續(xù)墻上將斜孔打穿，用于洞門(mén)漏水、漏砂時(shí)緊急注漿或聚氨酯進(jìn)行止水密封。

4)打設(shè)降水井。始發(fā)處左、右兩側(cè)各打設(shè)兩口降水井，當(dāng)洞門(mén)應(yīng)急處理時(shí)，降水使用，正常施工期間嚴(yán)禁使用。

5)鋼箱加固設(shè)置兩道止水裝置。盾構(gòu)洞門(mén)圈外側(cè)加設(shè)鋼箱，鋼箱與洞門(mén)第一道止水簾布板和車(chē)站密貼，個(gè)別空隙使用雙快水泥封堵縫隙進(jìn)行處理，在車(chē)站結(jié)構(gòu)上打設(shè)膨脹螺栓固定鋼板，焊接側(cè)板筋板等加工成簡(jiǎn)易鋼箱，鋼箱上安裝橡膠止水簾布和鉸鏈板形成第一道止水裝置。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)盾尾進(jìn)洞后，在鋼箱外側(cè)焊接插板，與管片交界位置處采用快干水泥進(jìn)行封堵，插板與管片采用打設(shè)膨脹螺栓進(jìn)行加固，盾尾進(jìn)去后及時(shí)對(duì)空隙進(jìn)行封閉，內(nèi)部填充雙液漿，及時(shí)封閉洞門(mén)。

3 盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)需要安裝負(fù)環(huán)管片，本工程安裝7環(huán)負(fù)環(huán)管片。待洞門(mén)鑿除完畢后，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始向前推進(jìn)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)靠至洞門(mén)時(shí)，開(kāi)始拔冷凍管，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)距加固體10 cm時(shí)停止推進(jìn)，等待拔管完成。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，各環(huán)應(yīng)嚴(yán)格控制施工參數(shù)。

3.1 負(fù)4環(huán)技術(shù)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始推進(jìn)速度應(yīng)小于30 mm/min，推力不大于500 t，刀盤(pán)不轉(zhuǎn)動(dòng)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)拼裝負(fù)4環(huán)管片，保證盾構(gòu)姿態(tài)平穩(wěn)緩慢推進(jìn)，以盾構(gòu)機(jī)下部千斤頂推力為主，后部管片及時(shí)支撐，管片與基座之間采用鋼楔子墊住，加強(qiáng)對(duì)反力架進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖1)。

冷凍區(qū)繼續(xù)凍結(jié)，洞門(mén)鑿除，待盾構(gòu)機(jī)靠至洞門(mén)時(shí)，開(kāi)始解凍，拔除冷凍管。

3.2 負(fù)3環(huán)技術(shù)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度調(diào)整到20 mm/min以下，推力不大于600 t，推進(jìn)至1 330 mm刀盤(pán)時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)3環(huán)推進(jìn)1 600 mm后停止推進(jìn)，停機(jī)等待冰凍管拔除，停機(jī)時(shí)每20 min轉(zhuǎn)動(dòng)一次刀盤(pán)，轉(zhuǎn)動(dòng)約5 min(見(jiàn)圖2)。

推進(jìn)過(guò)程時(shí)刻關(guān)注洞門(mén)密封壓板變化，及時(shí)向鋼箱內(nèi)注入惰性漿液，關(guān)注洞門(mén)鋼箱是否有滲漏，用雙快水泥封堵鋼箱。

3.3 負(fù)2環(huán)和負(fù)1環(huán)技術(shù)參數(shù)

待冰凍管拔除完畢無(wú)障礙后，盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)慢速推進(jìn)，全過(guò)程對(duì)始發(fā)架進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)洞門(mén)密封壓板進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)洞門(mén)密封情況選擇是否通過(guò)盾構(gòu)機(jī)預(yù)留注漿孔進(jìn)行注漿。

盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度控制在5 mm/min～8 mm/min，推力保持在1 000 t以下，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在0.63 r/min以下，刀盤(pán)扭矩控制在2 800 kN·m，土壓控制在0.1 MPa～0.15 MPa，螺旋機(jī)逐步開(kāi)始出土，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)推力、土壓控制推進(jìn)速度，及時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程刀盤(pán)需一直轉(zhuǎn)動(dòng)防止凍住，并注意刀盤(pán)正反轉(zhuǎn)，控制盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角。脫出盾尾的管片可解除連鎖功能，進(jìn)行支撐加固，割除防扭裝置(見(jiàn)圖3，圖4)。

3.4 第0環(huán)技術(shù)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)慢速推進(jìn)，速度值盡量保持穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度控制在5 mm/min～15 mm/min，推力控制在1 000 t以下，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在0.63 r/min以?xún)?nèi)，刀盤(pán)扭矩控制在2 800 kN·m，土壓力開(kāi)始建立控制在0.15 MPa～0.18 MPa，螺旋機(jī)正常出土，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)推力、土壓控制推進(jìn)速度，及時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格控制出土量，嚴(yán)禁超欠挖。全過(guò)程對(duì)始發(fā)架進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)洞門(mén)密封壓板進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)洞門(mén)密封情況選擇是否通過(guò)盾構(gòu)機(jī)預(yù)留注漿孔進(jìn)行注漿(見(jiàn)圖5)。

3.5 第1環(huán)和第2環(huán)技術(shù)參數(shù)

第1環(huán)和第2環(huán)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度都控制在10 mm/min～20 mm/min，推力控制在1 000 t以下，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和刀盤(pán)扭矩同第0環(huán)相同，土壓力開(kāi)始建立控制在0.16 MPa～0.19 MPa，螺旋機(jī)正常出土，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)推力、土壓控制推進(jìn)速度，及時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格控制出土量，嚴(yán)禁超欠挖。全過(guò)程對(duì)始發(fā)架進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)洞門(mén)密封壓板進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)洞門(mén)密封情況選擇是否通過(guò)盾構(gòu)機(jī)預(yù)留注漿孔進(jìn)行注漿。

第2環(huán)推進(jìn)900 mm，盾尾進(jìn)入洞門(mén)。第2環(huán)推進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制對(duì)洞門(mén)密封鉸鏈板的狀態(tài)的監(jiān)視，上下左右同時(shí)監(jiān)控確保鉸鏈板翻到位。嚴(yán)密監(jiān)視兩道防水簾布下翻情況，確保簾布板與管片密貼，兩道簾布板完全下翻后采用弧形鋼板對(duì)洞門(mén)進(jìn)行密封，對(duì)密封的弧形鋼板內(nèi)部進(jìn)行雙液漿填充，確保洞門(mén)密封。

3.6 第3環(huán)和第4環(huán)技術(shù)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)慢速平穩(wěn)推進(jìn)，姿態(tài)可進(jìn)行微調(diào)。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、推力控制、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和刀盤(pán)扭矩同第2環(huán)相同，土壓力開(kāi)始建立控制在0.17 MPa～0.2 MPa，螺旋機(jī)正常出土，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)推力、土壓控制推進(jìn)速度，及時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格控制出土量，嚴(yán)禁超欠挖。

洞門(mén)外面做好應(yīng)急準(zhǔn)備，第3環(huán)當(dāng)盾尾距離鋼環(huán)1.5 m時(shí)，及時(shí)調(diào)整洞門(mén)密封壓板角度，繼續(xù)掘進(jìn)并進(jìn)行同步注漿。注漿壓力控制在0.1 MPa以?xún)?nèi)，注漿量為4.5 m3，分3次注入，用二次注漿慢慢補(bǔ)充空隙，防止注入壓力過(guò)大，致使簾布橡膠及鉸鏈板崩掉。

第4環(huán)注漿壓力控制在0.2 MPa以?xún)?nèi)，注漿量為3 m3。注漿方式同第3環(huán)，并停止對(duì)區(qū)域的凍結(jié)(見(jiàn)圖6)。

3.7 第5環(huán)技術(shù)參數(shù)

第5環(huán)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度20 mm/min以下，土壓控制在0.2 MPa左右，推力控制在1 000 t以?xún)?nèi)，逐漸調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，擬合曲線掘進(jìn)線路(見(jiàn)圖7)。

加強(qiáng)對(duì)根據(jù)地面監(jiān)測(cè)控制，繼續(xù)對(duì)反力架進(jìn)行變形檢測(cè)，觀察洞門(mén)，防止出現(xiàn)漏水、漏砂現(xiàn)象。及時(shí)進(jìn)行二次注漿密封洞門(mén)，通過(guò)洞門(mén)預(yù)留注漿孔及管片注漿孔進(jìn)行注漿，以單液漿為主，以雙液漿為輔。嚴(yán)格控制注漿壓力，時(shí)刻關(guān)注注漿量及洞門(mén)密封變化。確保洞門(mén)密封注漿質(zhì)量，控制盾構(gòu)推進(jìn)，完成此次盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)作為盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程的重要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)控制之一，是盾構(gòu)能否順利貫通的重要前提和保證。本文以天津某盾構(gòu)機(jī)始發(fā)為技術(shù)背景，對(duì)盾構(gòu)始發(fā)的全過(guò)程所需的準(zhǔn)備措施和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，是盾構(gòu)機(jī)施工中一組重要的實(shí)踐數(shù)據(jù)，為行業(yè)內(nèi)施工提供了可靠的借鑒經(jīng)驗(yàn)。