小凈空、上軟下硬地層盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)研究

李作仁，周胡蒙，金 立

（1.中鐵六局集團有限公司，北京市100071；2.溫州市鹿城區(qū)城市綜合開發(fā)投資管理有限公司，浙江 溫州 325000；3.溫州市鹿城區(qū)城市發(fā)展集團有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引 言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)投資力度的加大、城市交通壓力的不斷增長，盾構(gòu)隧道工程建設(shè)呈現(xiàn)較大的增長趨勢[1]。某地鐵盾構(gòu)隧道采用8.8 m 級土壓平衡盾構(gòu)機，在始發(fā)施工過程中采取小凈空、上軟下硬地層分體始發(fā)的工藝。這是國內(nèi)首例采用該工藝的工程。該工程面臨復(fù)雜的施工環(huán)境、極高的施工技術(shù)難度，重大的施工安全風(fēng)險、較高的環(huán)保節(jié)能要求。在項目實施過程中，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，通過一系列的施工工藝優(yōu)化和發(fā)明創(chuàng)造，解決了狹小空間限制問題；通過詳細的地質(zhì)勘探，結(jié)合理論基礎(chǔ)，對掘進參數(shù)、出土量、注漿量等施工參數(shù)進行優(yōu)化，強化施工監(jiān)測，克服了上軟下硬地層始發(fā)技術(shù)難點，完成大盾構(gòu)、小凈空、上軟下硬地層分體始發(fā)，為后續(xù)類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗。

1 工藝原理

（1）依據(jù)現(xiàn)場實際空間條件，結(jié)合盾構(gòu)機和臺車的設(shè)計長度、各設(shè)備系統(tǒng)的協(xié)同配合運轉(zhuǎn)的形式，通過一系列施工工藝優(yōu)化，進行多次分體，分階段推進。

（2）采取一系列發(fā)明創(chuàng)造和設(shè)備改造，解決盾構(gòu)分體始發(fā)管線延伸及盾構(gòu)出渣難題。

（3）采取半環(huán)始發(fā)的形式，解決盾構(gòu)渣土和管片垂直運輸空間受限問題。

（4）針對上軟下硬地層始發(fā)掘進，結(jié)合地勘成果和理論基礎(chǔ)，對掘進參數(shù)、出土量、注漿量等施工參數(shù)進行優(yōu)化，強化施工監(jiān)測。

2 工程概況

某地鐵盾構(gòu)隧道采用8.8 m 級土壓平衡盾構(gòu)機在小凈空、上軟下硬地層條件下采用分體始發(fā)的工藝。該盾構(gòu)隧道內(nèi)徑7.7 m，外徑8.5 m，0.4 m 厚，C55、P12 高精度單層裝配式平板型鋼筋混凝土管片，管片寬1.6 m，環(huán)向分塊采用七塊方式，一塊封頂塊，兩塊鄰接塊，四塊標(biāo)準(zhǔn)塊。

該區(qū)間左線盾構(gòu)隧道采用分體始發(fā)工藝，始發(fā)井凈空尺寸為27.6 m×18 m（左線凈空13.8 m×18 m），分體始發(fā)階段主要穿越地層為⑨含碎石粉質(zhì)黏土、⑩1全風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r、⑩2強風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r、⑩3中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。設(shè)計要求隆沉量控制在-30 mm～+10 mm（見圖1、圖2）。

圖1 盾構(gòu)工作井平面圖

圖2 盾構(gòu)工作井剖面圖（右為分體始發(fā)區(qū)間）

3 施工工藝流程與操作要點

3.1 施工工藝流程

本項小凈空、上軟下硬地層盾構(gòu)分體始發(fā)工法，主要施工工藝流程如圖3、圖4 所示。

圖3 盾構(gòu)分體始發(fā)簡圖

圖4 施工工藝流程圖

3.2 操作要點

3.2.1 分體始發(fā)操作要點

始發(fā)井采用明挖順做法施工，主體結(jié)構(gòu)為2 層兩跨矩形框架結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)吊裝孔凈空尺寸僅為17.4 m，地處山腳，且與暗挖隧道相接。

由于始發(fā)豎井兼作盾構(gòu)施工出土口，渣土吊運空間有限，在盾體進入土體前的掘進段，采用“龍門吊+小渣斗（6 m3）”的出土方式進行施工。當(dāng)始發(fā)井口空間較大后，采用“龍門吊+大渣土斗（22 m3）”的出土方式進行施工。主要分為7 個階段，具體敘述如下。

（1）第一階段

始發(fā)托架、后配套設(shè)備、盾構(gòu)機和反力架的先后吊裝下井與安裝。

（2）第二階段

盾構(gòu)機進行設(shè)備調(diào)試，加長盾體與設(shè)備橋間的管路連接（預(yù)備至少20 m 的管路連接），盾體前移，刀盤抵至掌子面并進行磨樁后，設(shè)備橋和臺車?yán)^續(xù)留在暗挖隧道內(nèi)。

（3）第三階段

盾體與設(shè)備橋間采用管路連接，掘進10 環(huán)（16 m）。此階段采用“配合龍門吊+ 小渣斗”的出渣方式。由于盾構(gòu)始發(fā)井口的空間狹小，反力架與工作井主體結(jié)構(gòu)凈空尺寸僅為3.2 m，同時螺旋機伸出反力架1.5 m，只能采用自制6 方小土斗進行出渣，管片采用單塊、側(cè)邊吊裝下井拼裝。

（4）第四階段

拆除負環(huán)管片（-8 環(huán)～-3 環(huán)，共6 環(huán)），形成半環(huán)狀態(tài)，安裝鋼支撐。空間條件具備后，將設(shè)備橋前推至與盾體相連，然后通過半環(huán)開口將預(yù)先做好的一節(jié)自制型鋼臺車吊裝下井。型鋼自制臺車為設(shè)備橋提供支撐力，同時在自制臺車上加裝皮帶機主動輪和下料口，配合設(shè)備橋采用皮帶機出土，提高施工效率。

（5）第五階段

采用“龍門吊+ 小渣斗”的出渣方式，再次掘進9.6 m（6 環(huán)），接著吊裝大土斗下井，改用“龍門吊+大渣斗”的出渣方式。繼續(xù)掘進20 環(huán)（32 m），為后續(xù)1#、2#、3# 臺車進入隧道提供空間。在此階段，需考慮管線延長連接。

（6）第六階段

將1#、2#、3#臺車推入盾構(gòu)隧道內(nèi)，將自制臺車調(diào)整至與3#臺車相連，配合盾構(gòu)機掘進26 環(huán)（41.6 m），至62 環(huán)。此階段，4#、5# 臺車仍留在暗挖隧道內(nèi)，3#臺車與4#臺車之間加長管路連接。

（7）第七階段

將4#、5# 臺車推入盾構(gòu)隧道內(nèi)，6# 臺車吊裝下井并推入隧道內(nèi)，自制臺車調(diào)整至6# 臺車后面，并將7# 臺車的污水箱改裝至6# 臺車，無須使用7# 臺車，進入正常掘進階段。

（8）管線延伸托架裝置的應(yīng)用

為克服4 次分體始發(fā)過程中勞動力浪費，節(jié)約工期，項目盾構(gòu)團隊研發(fā)了一種管線延伸托架裝置（見圖5）。該裝置包括底支撐桿、橫支架、滾軸、限位桿和連接耳。其中，底支撐桿用于支撐橫支架，與橫支架焊接牢固，使其保持水平、穩(wěn)定。連接耳焊接固定于橫支架一端，連接耳需開圓形孔，與盾構(gòu)管片螺栓連接固定，保證整個托架的穩(wěn)定。滾軸主要用于減少管線延伸過程中的摩擦力，位于橫支架上方，兩端采用板型構(gòu)件支撐，保證滾軸的運轉(zhuǎn)空間。限位桿的主要作用是防止管線延伸過程中產(chǎn)生偏移、滑落，立于滾軸兩端。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝并使用，且無須破壞管片結(jié)構(gòu)，縮短分體始發(fā)管線延伸工作時間，避免耗費大量人力，提高分體始發(fā)施工效率，節(jié)約工期，并且可重復(fù)使用。

圖5 管線延伸托架裝置大樣圖

3.2.2 半環(huán)始發(fā)操作要點（1）管片拆除空間

為同時保證自制臺車吊裝下井及后期大土斗出渣的空間需求，計劃對6 環(huán)負環(huán)管片進行拆除，分別拆除-8 環(huán)～-3 環(huán)，每環(huán)管片1.6 m，拆除總長度9.6 m，橫向凈空拆除尺寸擬為5.4 m。

（2）管片吊裝

管片拆除過程中，為保證拆除效率，6 環(huán)管片拆除后分3 次拆除與吊裝，2 塊一組，中間通過管片螺栓進行緊固連接成整體。每組管片采用2 點吊裝，即每塊管片上中間設(shè)1 個吊點。吊點采用?100 mm 水鉆將管片打孔形成。

（3）負環(huán)管片加固

盾構(gòu)掘進過程中，為使盾構(gòu)姿態(tài)得到良好控制，現(xiàn)擬對已拆除的負環(huán)管片范圍內(nèi)采用?609 mm 鋼支撐進行加固，左右各一道，長度9.6 m，以管片中線對稱布置，中心間距3 m，能滿足大土斗出渣的空間需求。

3.2.3 上軟下硬地層掘進參數(shù)控制要點

該隧道長度474.124 m（長鏈0.698 m），線間距13.5～16.5 m，隧道埋深約8.64～10.8 m，線路平面最小曲線半徑為3 200 m，最大縱坡為-22‰。隧道主要穿越黏土地層，始發(fā)段前50 m 穿越上軟下硬地層（上部黏土，下部凝灰?guī)r）。

盾構(gòu)在上軟下硬地層分體始發(fā)過程中，通過以下措施可克服面臨的難題。

（1）地質(zhì)勘探

做好超前謀劃，提前做好始發(fā)段地質(zhì)補勘工作，詳細了解地質(zhì)情況，對盾構(gòu)掘進施工參數(shù)提供強有力的保障。

（2）掘進參數(shù)的擬定與控制

通過理論計算，結(jié)合以往類似地層的施工經(jīng)驗進行實踐數(shù)據(jù)分析，土壓的設(shè)定要避免土壓過小造成地層沉降變形過大，為1.1～1.3 bar。推力設(shè)定在1 700～2 100 T，并應(yīng)根據(jù)參數(shù)實際情況進行緩慢增加，避免因推力增幅過大造成地層變形。刀盤扭矩設(shè)定在2 300～3 000 kN·m。由于在上軟下硬地層，盾構(gòu)刀盤受力不均勻，易造成較嚴(yán)重的磨損，故刀盤轉(zhuǎn)速不宜過大，宜設(shè)定在1.2～1.4 rpm；推進速度宜設(shè)定在10～30 mm/min，避免造成刀盤磨損嚴(yán)重及盾構(gòu)姿態(tài)偏差較大。

（3）出土量

由于盾構(gòu)分體始發(fā)階段時間較長，同時所處上軟下硬地層地質(zhì)不均勻，極易產(chǎn)生地層沉降。因此，盾構(gòu)過程中需嚴(yán)格做好出土量控制。出土量控制采用重量、方量雙控指標(biāo)，依據(jù)理論基礎(chǔ)計算出單環(huán)理論出渣方量，主要通過實測渣土密度和龍門吊稱重系統(tǒng)進行渣土重量實測，宜控制在114～118 m3。根據(jù)監(jiān)測沉降量，建立隧道上部地面沉降槽模型，結(jié)合設(shè)計要求隆沉量控制范圍，求得地層損失率不得大于0.97%。

（4）同步注漿

嚴(yán)格按設(shè)計采取質(zhì)量合格的普通酸鹽水泥砂漿作為同步注漿材料，通過多梯度試驗對同步注漿配合比進行篩選、優(yōu)化，形成表1 所示配合比。

表1 上軟下硬地層盾構(gòu)分體始發(fā)同步注漿配合比

每環(huán)同步注漿量不少于9 m3，宜取9～10 m3，并根據(jù)地下水情況、盾構(gòu)出渣情況進行動態(tài)調(diào)整。控制同步注漿壓力宜控制在2～4 bar，注漿速度需與掘進速度相匹配。管片拼裝及時，控制質(zhì)量嚴(yán)格要求，同時利用管片凹凸榫保證管片拼裝的整體性與質(zhì)量。

3.2.4 技術(shù)參數(shù)總結(jié)

（1）掘進參數(shù)

針對上軟下硬地層，根據(jù)地勘成果，結(jié)合以往施工經(jīng)驗擬定初始決定參數(shù)，再根據(jù)第一次分體始發(fā)決定經(jīng)驗，確定最佳掘進參數(shù)。盾構(gòu)分體始發(fā)施工掘進參數(shù)參考表2。

表2 上軟下硬地層盾構(gòu)分體始發(fā)掘進參數(shù)

（2）二次注漿

選用水泥、水玻璃雙液漿，水灰比0.8∶1～1∶1（質(zhì)量比），水泥漿∶水玻璃=1∶1（體積比）。管片脫出盾尾3 環(huán)后，立即進行二次注漿，每環(huán)二次注漿量0.3～0.7 m3，注漿壓力不小于1 MPa。洞門封堵止水環(huán)施做選用水泥、水玻璃雙液漿，配比同上，起到封堵后方、保證后續(xù)同步注漿效果的作用。同時通過二次注漿，能夠防止隧道滲漏水及控制管片上浮的現(xiàn)象。

（3）渣土改良

上軟下硬地層始發(fā)掘進過程中，渣土改良不佳時，易出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)難以控制、蛇形掘進、管片破損、土方超挖等情況，進而導(dǎo)致掘進參數(shù)異常，嚴(yán)重影響盾構(gòu)正常掘進。為確保渣土具有良好的和易性、流動性，針對地層特點，選用優(yōu)質(zhì)泡沫進行渣土改良。同時備好聚合物添加劑，如果存在地下水較大，可在泡沫原液中加入一定的聚合物進行渣土改良。盾構(gòu)掘進控制方面，控制螺旋轉(zhuǎn)速與土倉壓力匹配，加強渣溫管理，動態(tài)調(diào)整渣土改良劑配比和注入量。

3.2.5 上軟下硬地層盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)措施

3.2.5.1 盾構(gòu)掘進技術(shù)措施

根據(jù)以往施工經(jīng)驗和相關(guān)理論，結(jié)合本工程的具體情況，采取以下盾構(gòu)掘進技術(shù)措施：

（1）采用隧道自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測。

（2）根據(jù)線路條件所做的分段軸線擬合控制計劃、導(dǎo)向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)姿態(tài)信息，結(jié)合隧道地層情況，通過分區(qū)操作盾構(gòu)機的推進油缸來控制掘進方向[2]。

（3）嚴(yán)格控制盾構(gòu)出渣量，避免超挖造成地表沉降。

（4）本區(qū)間主要穿越黏土地層，在掘進過程中，需做好地質(zhì)預(yù)測，合理控制掘進參數(shù)，優(yōu)化渣土改良，防止出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象。

（5）區(qū)間始發(fā)段前50 m 穿越上軟下硬地層，應(yīng)合理控制推進壓力及掘進速度，避免出現(xiàn)蛇形掘進、姿態(tài)偏差過大。

（6）該隧道始發(fā)段為22‰大縱坡掘進，且大部分處于黏土地層，應(yīng)合理掘進姿態(tài)，適當(dāng)保持上仰，抵消盾構(gòu)機栽頭趨勢，避免姿態(tài)偏差過大。

（7）通過調(diào)整各組推進油缸的壓力來實現(xiàn)盾構(gòu)掘進姿態(tài)調(diào)整與糾偏。一般情況下，盾構(gòu)機如果偏離設(shè)計軸線20 mm，即進行糾偏。糾偏過程應(yīng)逐步進行，不能一次到位，每環(huán)糾偏量水平方向上不超過2 mm，豎直方向上不超過3 mm[3]。

3.2.5.2 管片拼裝技術(shù)措施

（1）拼裝前，先測量盾尾間隙，根據(jù)實測的數(shù)據(jù)，選取合適的管片拼裝點位。

（2）拼裝前，清理上一環(huán)管片上的泥塊和泥漿，保證環(huán)面清潔、無渣泥。

（3）拼裝時，保證初襯砌環(huán)圓度，推進油缸的伸縮順序應(yīng)與管片拼裝順序一致。

（4）螺栓三次復(fù)緊。每環(huán)推進結(jié)束后，須擰緊連接螺栓。在下環(huán)推進時復(fù)緊一次。每掘進完成3 環(huán)，對10 環(huán)以內(nèi)的管片連接螺栓復(fù)緊一次。

3.2.5.3 壁后注漿技術(shù)措施

（1）經(jīng)過多次配合比試驗，選擇最合適的同步注漿漿液配合比，確保漿液初凝時間與盾構(gòu)掘進速度匹配，避免產(chǎn)生管片上浮或偏移。

（2）盾構(gòu)掘進過程中，合理控制同步注漿量和注漿壓力，保證管片壁后空隙填充飽滿。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇合適的二次注漿頻率。若出現(xiàn)滲漏水，及時采取二次注漿。

3.2.5.4 監(jiān)控量測技術(shù)措施

為準(zhǔn)確了解盾構(gòu)始發(fā)時地面的變形情況，為盾構(gòu)施工提供依據(jù)，做到信息化施工，在盾構(gòu)始發(fā)段監(jiān)測采取如下措施：

（1）加強暗挖隧道內(nèi)的凈空收斂、拱頂沉降和地表沉降監(jiān)測，每日形成監(jiān)測日報，及時發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

（2）建（構(gòu)）筑物沉降監(jiān)測。盾構(gòu)施工過程中，加強對端頭處龍門吊基礎(chǔ)、地下管線、周邊建筑的監(jiān)測。

（3）增加監(jiān)測頻率。施工前，應(yīng)對原數(shù)據(jù)進行多次觀測，取其平均值作為原始數(shù)據(jù)，確保原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。在盾構(gòu)穿越其間在原有的監(jiān)測基礎(chǔ)上增加監(jiān)測頻率，待盾構(gòu)穿越后沉降趨于穩(wěn)定后，逐漸減少監(jiān)測次數(shù)。

（4）測量的數(shù)據(jù)應(yīng)及時匯總上報工程部，以便于及時了解施工現(xiàn)狀和相應(yīng)區(qū)域的變化情況，確定新的施工參數(shù)和注漿量等信息和指令，并傳遞給盾構(gòu)操作手，使盾構(gòu)推進及時作相應(yīng)調(diào)整，確保盾構(gòu)隧道的施工安全。

（5）采取信息化施工

a. 監(jiān)測信息的反饋。監(jiān)測信息實時反饋，盾構(gòu)施工監(jiān)測信息按照規(guī)定的監(jiān)測頻率及時反饋。

b. 監(jiān)測分析。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行實時分析和階段（周/ 月）分析，對地層的擾動情況、盾構(gòu)隧道的安全狀態(tài)等進行科學(xué)合理的評價，并提出相應(yīng)的建議。盾構(gòu)施工監(jiān)測為常規(guī)監(jiān)測項目，主要針對地面加固施工及盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的地面沉降、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂、拱頂沉降監(jiān)測。

c. 信息化施工。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，采取針對性的技術(shù)措施、應(yīng)急措施，或按照應(yīng)急預(yù)案啟動相關(guān)應(yīng)急程序。

4 結(jié) 語

為保證盾構(gòu)分體始發(fā)施工萬無一失，施工前，提前針對始發(fā)段上軟下硬地層采取地質(zhì)勘探工作，結(jié)合理論基礎(chǔ)，為后續(xù)的盾構(gòu)盾構(gòu)施工參數(shù)控制提供了強有力的理論保障。

（1）本工程案例的成功實施，關(guān)鍵在于充分的前期準(zhǔn)備。施工前，進行了詳細的施工調(diào)查，精心策劃、科學(xué)組織與論證，及時、充分征求了業(yè)主、公司的寶貴意見，以此為基礎(chǔ)進行了科學(xué)合理的施工工藝優(yōu)化。

（2）小凈空、上軟下硬地層盾構(gòu)分體始發(fā)施工的施工安全，關(guān)鍵在于加強吊裝風(fēng)險管控、減小盾構(gòu)施工擾動、控制盾構(gòu)掘進參數(shù)，控制地層沉降。

（3）本工程案例的成功實施，離不開簡潔實用的發(fā)明創(chuàng)造。針對盾構(gòu)分體始發(fā)過程中的出渣問題，自制了簡易臺車。針對盾構(gòu)分體始發(fā)管線延伸的難題，發(fā)明了一種盾構(gòu)分體始發(fā)管線延伸托架裝置。針對始發(fā)空間狹小，垂直運輸困難，采取了小土斗出渣方法、半環(huán)始發(fā)的形式等。該工程實例的上述一系列關(guān)鍵技術(shù)、工程實踐經(jīng)驗及良好的發(fā)明創(chuàng)造，可在類似工程中推廣應(yīng)用。