城市地鐵聯絡通道盾構法建造關鍵技術及應用

程永龍，葉 蕾，張付林，王小濤，夏漢庸

（1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016；2.寧波軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著城鎮化不斷推進，城市人口持續增長，城市地面空間日益匱乏，開發地下空間、實現城市功能需求已成城市發展的新方向。各類地下空間結構的連接通道建設需求不斷上升。以軌道交通為例，在城市軌道交通建設中，單線區間隧道連貫長度大于600m 時，必須設聯絡通道用作消防疏散[1]，加上公路隧道聯絡通道、綜合管廊出線井、深隧排水通道等地下工程，聯絡通道的建設體量十分龐大。

在軟土地層城市地鐵聯絡通道建設中，為了保證施工安全，多采用冷凍或水平注漿作為加固方法，礦山法進行暗挖施工。X.D.Hu 等[2]和Fang Y.S[3]研究了傳統工法面臨的挑戰和安全保障措施，劉軍等[4]應用數值模擬計算方法研究了盾構管片力學行為。冷凍法雖取得廣泛應用，但由于加固工藝的局限性，不僅工期長、成本高，且凍融沉降不易控制，存在一定的質量風險。為了解決上述技術難題，上海隧道股份在南京地鐵盾構區間聯絡通道實施了網格式積壓頂管的施工[5]，歐洲和香港相繼在大直徑隧道項目開展了頂管法施工聯絡通道的工程探索[6～7]，而在城市地鐵中使用盾構法修建聯絡通道未見相關研究報告。

本文依托寧波城市軌道交通地鐵隧道聯絡通道項目，介紹了城市軌道交通狹小空間內盾構法聯絡通道的關鍵技術和應用情況，為軟土地層城市地鐵聯絡通道以及其他旁出工程施工提供了一個新的技術參考。

1 工程概況及施工難點

該城市軌道交通工程鄞南區間范圍內均為第四紀松散沉積物，地質時代為第四紀全新世Q43～上更新世Q31，屬第四系濱海平原沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成。盾構法聯絡通道項目位于盾構隧道區間YCK8+330.000 處，地面為公園綠地，聯絡通道埋深17.803m，兩隧道中心距離17.4m。根據地勘資料，聯絡通道主要穿越地層為②2b 層灰色淤泥質黏土、③2 層灰色粉質黏土、④1 層灰色淤泥質粉質黏土及④2 層灰色黏土（圖1）。

圖1 工程地面條件及地質狀況

軌道交通主隧道采用外徑?6 200mm、內徑?5 500mm 管片，雙線隧道之間設置聯絡通道用于緊急情況下人員的疏散逃生。為了便于盾構施工，聯絡通道采用圓形可拼裝式管片實現襯砌，管片內部空間用于消防疏散。聯絡通道管片直徑越大，內部空間越大，對消防疏散越有利；但聯絡通道直徑越大，主隧道橫向可利用的施工空間越有限，盾構法施工時能布置的主機長度越短，設備集成難度越大。綜合考慮疏散空間和主機布置空間兩方面的需求，管片規格確定為外徑?3 150mm、內徑?2 650mm、環寬?550mm，成型通道可實現1 400mm×2 050mm 的消防空間，成型聯絡通道結構如圖2 所示。

圖2 聯絡通道結構設計

傳統工法聯絡通道洞門采用鋼管片洞門，地層加固完成后拆除聯絡通道位置洞門管片進入施工。盾構法為了減少加固時間和成本的投入，聯絡通道位置洞門管片采用環寬1 500mm 的鋼砼結合的復合式管片，6 塊復合管片拼裝成盾構始發和接收的洞門，洞門開挖區域為玻璃纖維筋混凝土結構，施工時盾構刀盤可直接切削通過，洞門周邊區域為鋼管片（圖3、圖4）。

圖3 聯絡通道洞門管片設計

圖4 玻璃纖維筋復合管片

在富水軟弱地層中，主隧道和聯絡通道的特殊設計，為機械法進行聯絡通道的施工提供了基礎，對于聯絡通道的施工的設備的選擇，盾構與頂管均為可行方案。對比盾構和頂管的工作原理及施工過程，采用盾構法和頂管法進行聯絡通道施工各有優劣，如表1 所示。

表1 盾構法與頂管法優缺點

盾構法在技術拓展性上優于頂管法，可推廣至各類支線管廊工程，是對T 接隧道技術的重要技術探索，因此本工程采用盾構法進行施工。但基于城市軌道交通隧道狹小的施工空間，聯絡通道掘進機必須解決以下難題：①高強度弧形混凝土管片切削技術；②狹小空間內始發和接收技術；③主隧道管片的穩定支護技術。

2 聯絡通道用盾構關鍵技術

聯絡通道用盾構需從既有城市軌道交通隧道內始發和接收，且集開挖、出渣、支護等功能于一體，對聯絡通道盾構集成度要求非常高。考慮聯絡通道掘進機洞內運輸及施工配套需求將整機進行集成設計，整機包含主機、后配套系統及一些輔助施工系統，結構如圖5 所示。始發端設計設備掘進所需的配套系統及始發臺車，接收端設計設備接收所需的配套系統，整機技術指標如表2 所示。

圖5 聯絡通道掘進機整機結構

表2 技術指標

2.1 適應高強度弧形混凝土管片切削的刀盤系統

盾構法聯絡通道施工技術是在微加固或者不加固條件下進行，始發接收時洞門管片由盾構刀盤直接切削破除。由于管片為弧形高強度玻璃纖維筋混凝土結構，且進出洞時弧度相反，需要對刀盤和刀具進行特殊設計。

如圖6 所示，不同于常規盾構刀盤，聯絡通道掘進機刀盤采用錐形結構設計，錐度與主隧道管片內徑相仿，始發時中心刀具先行接觸掌子面進行切削，隨著主機向前掘進，切削軌跡由中心向周邊不斷拓展，在始發階段主機缺乏土體包裹的狀態下能夠有效降低主機的振動，有利于始發姿態的控制。而接收端管片弧度與刀盤錐度相反，為了避免接收時主機姿態發生偏轉，中心刀具采用反向錐形設計，錐度與接收端管片外徑相仿，保證主機接收姿態的穩定。

圖6 錐形刀盤及中心刀設計

聯絡通道刀盤在滿足整體剛度和結構強度的前提下，設計較大開口率，既能夠滿足高強度混凝土的切削需求，又能保證軟土地層渣土流動性。刀具的配置可根據地層選擇滾刀或者撕裂刀。為了驗證錐形刀盤破除管片的能力，進行了足尺模擬試驗，試驗結果表明，錐形刀盤的設計對主機姿態的穩定有十分積極的作用，滿足洞門管片的切削需求。后續的施工經驗也表明，滾刀破除管片的效率大于撕裂刀，且需要的切削扭矩大大降低。錐形刀盤模擬試驗切削效果如圖7 所示。

圖7 錐形刀盤模擬試驗切削效果

2.2 狹小空間內始發接收密封系統

聯絡通道盾構始發或接收破除洞門后，洞門密封必須保證能夠抵抗地下水壓力，否則地下水將夾雜地層中的砂土漏出，導致地層流失，造成地面塌方等事故。因此，富水軟弱地層中進行聯絡通道施工始發與接收端頭的密封設計是項目成功的重要保障。

本項目采用半套筒始發（圖8）和全套筒接收（圖9）技術，即在始發及接收洞門外，采用特制鋼套筒與洞門鋼管片連接。始發套筒內設置多道鋼絲密封刷與主機盾殼形成封閉的壓力腔。接收套筒采用全封閉的結構，盾構到達前對接收套筒進行介質填充，保持壓力平衡。聯絡通道掘進完成，盾構到達指定接收位置時，對洞門進行注漿止水，確保安全后，斷開洞門套筒連接，便可進行拆機撤場。

圖8 始發半套筒

圖9 接收全套筒

2.3 移動式管片預應力支撐系統

盾構法聯絡通道施工掘進過程中，主隧道管片結構是盾構掘進發力的主要受力體之一，其受力機理復雜，涉及設備-結構-地層多體系相互作用，且刀盤切削主隧道洞門管片，主隧道原有受力體系會被削弱。在整個聯絡通道的施工過程中，管片內應力分布特征隨著施工工序的變化發生著動態調整，直至聯絡通道建成才能構建新的結構受理體系。為了避免聯絡通道施工過程中主隧道發生過大的變形，實現盾構推力進行合理分配，同時強化主隧道的內部的支護，設計了移動式管片預應力支撐系統（圖10）。支撐系統由兩部分組成。

圖10 移動式管片預應力支撐系統

1）安裝有行走機構的臺車，用于放置主機和輔助施工裝備，能夠在機車的牽引下實現設備的快速移動。

2）用于隧道保護的支撐環，支撐系統采用液壓伺服控制，能夠實時監控隧道變形及支撐壓力的變化，確保主隧道的安全穩定。

除上述3 項關鍵技術以外，本項目還針對性的設計了狹小空間管片半自動拼裝技術[7]、主機姿態調整及導向技術、數字化施工管控技術[8]及聯絡通道接頭處理技術等，相關細節已在其他文章中發表，本文不再詳述。

3 工程應用情況

首個聯絡通道工程盾構施工用時18 天，大致可分為3 個階段：始發端管片切削階段、土層掘進階段和接收端管片切削階段。在始發和接收時，高強度管片的切削給設備帶來了較大挑戰，平均切削扭矩300～350kNm，推進速度緩慢。進入地層后，扭矩降低，推進速度大幅提升，最高日掘進4 環，日進度如圖11 所示。掘進速度、推力、扭矩等參數如圖12 所示。

圖11 首個聯絡通道工程日進度

圖12 土層中掘進參數時程曲線

聯絡通道施工過程中在地面影響區域范圍及始發、接收主隧道管片布置多個監測點進行監測，結果顯示，地表最大沉降約22mm，橫剖面沉降槽寬度約60m，始發、接收主隧道管片不同狀態下收斂變形量均控制在4mm 以內，施工效果整體符合預期，聯絡通道建成效果如圖13 所示。

圖13 聯絡通道建成效果

4 結語

面對地下空間開發不斷向空間化、網絡化方向發展的趨勢，聯絡通道機械化施工的需求不斷提升。本文結合某城市軌道交通聯絡通道工程，提出了一種以“微加固、可切削、嚴密封、強支護”為基本特征的聯絡通道施工工法，并介紹了錐形切削刀盤、始發接收套筒、移動式預應力支撐系統等關鍵技術，工程應用效果符合預期，提高了聯絡通道施工的機械化水平，保障了施工人員的安全。隨著工藝的不斷優化，施工時間正在逐漸縮短，目前可在一周左右完成一條聯絡通道的掘進，極大地縮短城市軌道交通的建設周期。該工法在城市地鐵聯絡通道工程的工程應用為其在諸如污水、電力、信息管網等眾多“T 接”地下工程的應用積累了經驗，給地下空間開發提供了一種新的技術選項。