盾構(gòu)小傾角始發(fā)技術(shù)研究

孫石頭 徐 飛

南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司 廣西 南寧 530029

1 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，盾構(gòu)法作為常用區(qū)間隧道施工工法，也遇到越來(lái)越多的不同始發(fā)方式，因線路走向可能會(huì)遇到曲線始發(fā)的情況。張建中[1]針對(duì)太原地鐵2-1號(hào)線聯(lián)絡(luò)線隧道由于曲線半徑小及穿越穩(wěn)定性極差的富水粉細(xì)砂地層導(dǎo)致盾構(gòu)進(jìn)洞安全問(wèn)題突出的特點(diǎn)，提出了確定盾構(gòu)合理始發(fā)方向的方法，通過(guò)端頭井地層加固及洞門變徑密封裝置等技術(shù)措施，保證了盾構(gòu)安全始發(fā)。趙強(qiáng)[2]以南寧軌道交通3號(hào)線一期工程02標(biāo)土建8工區(qū)金湖廣場(chǎng)站—埌西站區(qū)間、青竹立交站—青秀山站區(qū)間工程為研究背景，對(duì)割線始發(fā)與接收施工工藝開展了專項(xiàng)研究。劉大偉[3]以蘇州軌道交通6號(hào)線江星路站～清塘路站盾構(gòu)區(qū)間左線割線始發(fā)解決周邊淺基礎(chǔ)房屋差異沉降問(wèn)題。安斌[4]以南昌市軌道交通3號(hào)線繩金塔站—六眼井站盾構(gòu)始發(fā)工程為背景，對(duì)富水砂層盾構(gòu)小半徑曲線始發(fā)段主要掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定相關(guān)參數(shù)的優(yōu)勢(shì)區(qū)間，并基于盾體姿態(tài)控制參數(shù)和地表沉降進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)控制效果評(píng)價(jià)。姜留濤[5]依托工程實(shí)例，建立了小半徑曲線段割線始發(fā)盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)值模型，研究盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)各影響因素及其關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而提出沿割線方向預(yù)設(shè)偏轉(zhuǎn)角或盾尾預(yù)偏移量的小半徑曲線段盾構(gòu)姿態(tài)控制方法，并在北京地鐵19號(hào)線區(qū)間隧道的應(yīng)用。

2 工程概況

建設(shè)路站～大沙田站區(qū)間南起建設(shè)路站、北至大沙田站，區(qū)間線路大體呈北～南走向，區(qū)間沿銀海大道敷設(shè)，隧道采用盾構(gòu)工法施工。左線設(shè)計(jì)起止里程為ZDK24+843.474～ZDK25+644.707，短鏈6.499m，左線區(qū)間長(zhǎng)度為794.734m；右線設(shè)計(jì)起止里程為YDK24+843.474～YDK25+644.023，右線區(qū)間長(zhǎng)度為800.549m。區(qū)間在里程ZDK25+375.000 （YDK25+368.500）處設(shè)置一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，不設(shè)廢水泵房。

結(jié)合勘察報(bào)告，建設(shè)路站～大沙田站區(qū)間左線始發(fā)段主要穿越地層依次為雜填土①1、粉土⑥2-1、黏土（粉質(zhì)黏土）⑥1-1、泥巖粉砂質(zhì)泥巖⑦1-3⑦3-1、粉砂巖泥質(zhì)粉砂巖⑦2-1。

建設(shè)路站～大沙田站區(qū)間右線始發(fā)段主要穿越地層依次為雜填土①1、粉土⑥2-1、黏土（粉質(zhì)黏土）⑥1-1、泥巖粉砂質(zhì)泥巖⑦1-3⑦3-1、粉砂巖泥質(zhì)粉砂巖⑦2-1。建設(shè)路站每個(gè)端頭素樁共計(jì)16根（左、右線各8根），樁長(zhǎng)為深入隧道底以下3m。素樁混凝土采用C20混凝土，素樁樁徑1000mm，間距為1200mm，施工完成后的素樁應(yīng)具有良好的完整性。

3 盾構(gòu)小傾角始發(fā)

3.1 按設(shè)計(jì)軸線始發(fā)存在的問(wèn)題

車站結(jié)構(gòu)干涉影響臺(tái)車通過(guò)，結(jié)構(gòu)側(cè)墻到線路中心線的凈距離為2150mm，而卡特盾構(gòu)機(jī)6#臺(tái)車中線到臺(tái)車左側(cè)配電箱距離為2250mm，2#臺(tái)車中線到右側(cè)操作室邊距離為2400mm，均大于車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻到線路中心線的距離2150mm。影響盾構(gòu)機(jī)牽引梁及管片梁的安裝，根據(jù)卡特盾構(gòu)機(jī)技術(shù)說(shuō)明文件，鉸接系統(tǒng)水平、垂直最大角度為1.5°。基座按設(shè)計(jì)隧道中心線擺放，在保證臺(tái)車正常通過(guò)的條件下，致使臺(tái)車中線與設(shè)計(jì)中心線產(chǎn)生2.86°夾角，超過(guò)盾構(gòu)機(jī)鉸接水平、垂直最大角度1.5°，導(dǎo)致臺(tái)車牽引梁及管片梁無(wú)法安裝。由于施工場(chǎng)地狹小，且工地圍擋外側(cè)有未拆除的高壓線桿，致使龍門吊懸挑梁無(wú)法加裝，龍門吊大鉤（扁擔(dān)鉤）向西側(cè)行走位置受限，大鉤無(wú)法正常就位，導(dǎo)致盾構(gòu)出渣困難。

3.2 小傾角始發(fā)可行性分析

為解決以上三個(gè)問(wèn)題，項(xiàng)目部決定以小傾角始發(fā)中線按設(shè)計(jì)盾構(gòu)中心線向東側(cè)整體平移50mm后，再以小傾角始發(fā)中線與區(qū)間起始里程交點(diǎn)為基點(diǎn)向東偏轉(zhuǎn)1°始發(fā)。小傾角原理如圖1所示。

圖1 小傾角原理圖（盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)狀）

現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤切口距區(qū)間起始里程為2000mm，中盾（鉸接）位置距盾構(gòu)區(qū)間起始里程為7000mm，根據(jù)實(shí)際中線向東平移50mm，且偏轉(zhuǎn)1°計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)中盾（鉸接）位置偏東為172mm，刀盤切口位置偏東85mm。計(jì)算書如下：根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系Tan1°=0.017mm；中盾位置偏移Tan1°*7000+50=172mm；刀盤切口偏移Tan1°*2000+50=85mm。實(shí)際測(cè)量為中盾向東偏移157mm，刀盤切口向東偏移85mm，與實(shí)際相差15mm，在誤差范圍以內(nèi)。待盾構(gòu)向前推進(jìn)5500mm，中盾（鉸接）位置出基座時(shí)，盾構(gòu)機(jī)后端（鉸接）位置偏東75mm，前端（刀盤切口）位置偏東2mm。待中盾（鉸接）位置出基座后，盾構(gòu)機(jī)開始轉(zhuǎn)彎，如圖2所示。

圖2 小傾角原理圖（鉸接出基座）

圖4 小傾角原理圖（正二環(huán)位置）

待盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至正一環(huán)位置時(shí)，盾構(gòu)機(jī)中盾（鉸接）位置偏東48mm，刀盤切口位置偏西18mm。計(jì)算方法同上。此時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)以偏移以進(jìn)入±50mm以內(nèi)，可正常掘進(jìn)。待盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)至正二環(huán)位置時(shí)，盾構(gòu)機(jī)中盾（鉸接）位置偏東30mm，刀盤切口位置偏西14mm，如圖3、4所示。

圖3 小傾角原理圖（正一環(huán)位置）

3.3 小傾角始發(fā)解決的實(shí)際問(wèn)題

小傾角始發(fā)盾構(gòu)實(shí)際中線與結(jié)構(gòu)側(cè)墻間距為2400mm，成功解決了臺(tái)車通過(guò)性的問(wèn)題。盾構(gòu)實(shí)際中線與設(shè)計(jì)中線夾角為1°，解決盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車牽引梁及管片梁組裝問(wèn)題。臺(tái)車中線向東偏移40mm，解決盾構(gòu)出渣問(wèn)題。盾構(gòu)小傾角始發(fā)即保證了盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)掘進(jìn)時(shí)姿態(tài)控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，又解決了盾構(gòu)臺(tái)車通過(guò)性、盾構(gòu)機(jī)牽引梁管片梁的可組裝性同時(shí)保證了龍門吊正常出渣。

4 盾構(gòu)始發(fā)控制措施

4.1 始發(fā)盾構(gòu)參數(shù)

土壓設(shè)定的理論值按式（1）計(jì)算：

其中，P為土壓力（包括地下水），γ：土體的平均重度，取1950Kg/m3，h：隧道埋深，前一百米埋深為12.2m～12.6m（隧道中心埋深），K0：土的側(cè)向靜止土壓力系數(shù)，按泥巖粉砂質(zhì)泥巖⑦1-3⑦3-1地層考慮K0=0.35，代入公式后計(jì)算得出：P=0.86kg/2，即0.86bar。

刀盤破洞門時(shí)的盾構(gòu)參數(shù)：掘進(jìn)速度：5～15mm/min；盾構(gòu)推力：800t～1000t；刀盤：0.8～1.0rp/min；螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速：3～6rp/min；盾構(gòu)內(nèi)壁與管片外側(cè)環(huán)形空隙不能小于55mm（上75mm、下75mm、左75mm、右75mm）。刀盤進(jìn)入洞門后，先低速轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，防止在進(jìn)洞門過(guò)程中刀盤被卡住，并派專人看護(hù)構(gòu)機(jī)進(jìn)洞情況，由于洞門本身不標(biāo)準(zhǔn)或盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)中心偏移，可能導(dǎo)致洞門外圈折疊壓板被損壞，盾構(gòu)應(yīng)立即停止前移，并處理。根據(jù)計(jì)算當(dāng)拼裝完負(fù)4環(huán)，負(fù)3環(huán)推進(jìn)1150mm時(shí)，刀盤碰壁。在-2環(huán)管片拼裝完成后，-1環(huán)管片推進(jìn)1500mm時(shí)，盾構(gòu)機(jī)開始向右轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)。適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)左側(cè)千斤頂推力，左側(cè)推力較大與右側(cè)10t。盾尾進(jìn)入洞門，止水簾布與管片接觸后，立即啟用盾尾同步注漿，注漿壓力為1.0bar，盾構(gòu)掘進(jìn)至+7環(huán)后，可逐步增加注漿壓力至1.5bar，并持續(xù)的同步注漿；此時(shí)需要對(duì)+1環(huán)和+2環(huán)進(jìn)行二次雙液補(bǔ)漿。

4.2 加強(qiáng)測(cè)量監(jiān)控

盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)控可通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量復(fù)核進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)。增加測(cè)量監(jiān)控頻率，對(duì)每環(huán)管片進(jìn)行復(fù)測(cè)。加強(qiáng)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中反力架監(jiān)測(cè)及巡視。及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，遵循“及時(shí)、連續(xù)、限量”的原則，逐環(huán)、小量糾偏對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，避免糾偏過(guò)猛引起盾構(gòu)機(jī)蛇形前進(jìn)，加劇刀具磨損、損壞已拼裝管片和盾尾密封。管片拼裝順序按照由下至上左右交叉的順序；管片拼裝均勻擺布；管片拼裝完成及管片脫出盾尾后及時(shí)將螺栓擰緊；取保盾尾間隙，鉸接處于自由狀態(tài)。及時(shí)進(jìn)行雙液注漿，封堵洞門；待洞門封堵完成后，確保同步注漿足量，按照注漿壓力與注漿量雙控標(biāo)準(zhǔn)。填補(bǔ)管片與土體間空隙，防止管片偏移量。

4.3 管片拼裝

負(fù)環(huán)共6環(huán)。負(fù)6環(huán)，1.5m標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、整環(huán)安裝，為控制負(fù)6環(huán)與盾尾的間隙和防止管片拖出盾尾后盾尾刷不被損壞，在安裝負(fù)6環(huán)前，先在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)底部距盾尾刷0.3m處焊接1.2m長(zhǎng)的截面高43mm槽鋼4根見(jiàn)圖5。

圖5 負(fù)環(huán)管片墊塊

考慮環(huán)片的錯(cuò)位安裝，負(fù)6環(huán)鍥形塊選擇1號(hào)位安裝，因此環(huán)片A2塊的第一塊要定好位置見(jiàn)圖6，在A2塊安裝好后，盾構(gòu)千斤頂靠攏環(huán)片面，為了防止因重力產(chǎn)生的環(huán)向滑移，在安裝A3塊的前要做好上一塊環(huán)片的固定（固定方式：環(huán)片穿縱向螺栓與盾構(gòu)機(jī)焊接）然后安裝A3塊，連接環(huán)向螺栓，并扶緊螺帽，同樣作縱向的環(huán)片的固定，固定方法同A2塊。在安裝A1塊環(huán)片時(shí)，由于重力當(dāng)拼裝機(jī)撤離后環(huán)片有掉落的危險(xiǎn)，需作其支撐將其扶住（方法：在反力架和盾構(gòu)機(jī)內(nèi)焊接管片扶手）。安裝B塊和C塊方法一樣，預(yù)留安裝K塊的位置，當(dāng)其定位調(diào)整好后，千斤頂靠攏管片面，連接管片螺栓并扶緊螺帽。當(dāng)K塊完整安裝好后，千斤頂靠攏管片面。

圖6 楔形塊1號(hào)位管片拼裝及扶手位置

當(dāng)整個(gè)負(fù)6環(huán)安裝完成后，再次扶緊環(huán)向螺栓，割除防止管片環(huán)向滑移焊接在盾構(gòu)機(jī)外殼的螺栓，同時(shí)割除盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的管片扶手，清理有礙于頂移管片的雜物。

本套千斤頂分二十個(gè)千斤頂控制，為了使整環(huán)管片平穩(wěn)、無(wú)凸塊平移，油壓控制只用下部千斤頂進(jìn)行控制，在平移過(guò)程中要專人觀察，及時(shí)調(diào)整油壓。在管片拖出盾尾后要在其基座的下部支墊塊見(jiàn)圖7，基本保證管片面的水平，同時(shí)用20鋼絲繩將管片外壁給捆綁住，使已完全拖出盾尾的整環(huán)管片穩(wěn)固。

圖7 負(fù)環(huán)與始發(fā)基座空隙處理圖

由于負(fù)6環(huán)管片已靠攏反力架且受力，為了下環(huán)管片安裝時(shí)由于受重力不致帶動(dòng)環(huán)片環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)一環(huán)縱向螺栓與反力架連接。在安裝完成負(fù)6環(huán)管片拖出盾尾后割除焊接在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)底部的槽鋼墊塊。其它負(fù)環(huán)安裝按照正常安裝，拖出盾尾后支墊塊，加木楔字，捆鋼繩。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上技術(shù)措施，建設(shè)路站～大沙田站區(qū)間小傾角始發(fā)順利實(shí)施，區(qū)間結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)?yōu)良，說(shuō)明盾構(gòu)始發(fā)控制措施到位，可為后續(xù)其他類似工程提供參考。