機械法聯絡通道施工關鍵技術

黨龍龍

(中鐵十六局集團有限公司，北京 101100)

0 引言

目前，地下空間的開發逐步形成空間化、網絡化的趨勢，在地面空間日益匱乏的形勢下，地下空間的開發已成為實現城市功能的必要補充。為實現地下空間網絡的互通及既有空間之間的銜接，需通過連接通道將空間網絡加以連接。本文以軌道交通聯絡通道為例，傳統聯絡通道的施工普遍采用礦山法開挖，通過冷凍法、地面加固等形式對開挖范圍進行加固，該工法存在風險高、地面沉降大、工期長及造價較高等多個缺點，由此創新提出了機械法聯絡通道施工的新工法，該工法有效避免了傳統工法的不足。

國外在該領域的研究起步較早，德國漢堡易北河隧道救援通道以及中國香港的屯門隧道橫通道均采用機械頂管法施工，國內機械法聯絡通道施工首次是在寧波地鐵中投入使用，近些年來已在上海、南京等多個城市軌道交通領域推廣，并取得了一定的應用成果。姚燕明等[1]認為機械法代替礦山法施工可完全解決地層加固效果不理想帶來的施工風險。劉鳳華等[2]根據管片擬合排版與管片選型的研究內容，提出了隧道軸線與管片動態選型的目標函數表達式。蔡偉陽等[3]在基于橢圓形式的隧道縱向等效連續化模型分析的基礎上，發現了橫向剛度和環縫作用范圍系數對隧道等效抗彎剛度的影響規律。本文在此基礎上，總結了管片擬合排版跟隧道軸線的動態調整關系以及影響成型隧道的橢圓度和收斂值的核心要素，提出了管片動態擬合排版、測量定位、鋼管片接縫處理及同步注漿的飽和度是決定機械法聯絡通道施工質量的關鍵環節。

1 工程概況

1.1 工程概述

黃河南路站-西周站區間設置兩座聯絡通道，線間距14.715m，埋深約28.80m，開挖范圍內主要以細砂層為主。區間聯絡通道首次采用盾構機機械施工，管片設計參數：內徑2.760m、外徑3.260m、壁厚0.25m，管片寬0.9m。

1.2 結構設計

線路主隧道需要為聯絡通道的機械法施工預留施工條件，故此處聯絡通道的管片采用鋼－混凝土復合管片，連續三環通縫拼裝，待切削區域范圍內為混凝土管片，周邊預埋鋼環止水裝置。

圖1 機械法聯絡通道管片接口設計圖

聯絡通道機械法施工襯砌設計為鋼筋混凝土管片，混凝土抗滲等級為P10，混凝土強度C50，楔形量為0mm，采用螺栓連接方式；始發、接收處預埋鋼環。

1.3 結構受力分析

施工過程中，在主隧道內建立臨時支撐結構，予以均勻支撐。本次分析采用巖土、隧道結構專用有限元分析軟件MIDAS/GTS 進行有限元計算，模擬內部臨時支撐結構的剛度及施工過程中時隧道的整體變形情況。

圖2 隧道結構有限元模型

通過計算，后靠背受力滿足要求，主隧道管片變形滿足要求。

2 設備技術原理

機械法聯絡通道施工基于傳統盾構土壓平衡的原理，通過刀盤刀具的旋轉切削土體并填充土倉，形成土倉壓力，通過調整土倉壓力實現與掌子面水土壓力和的平衡穩定，同時通過控制螺旋機出土量和掘進速度，達到保持開挖掌子面土體穩定的需要，有效預防了地面沉降較大或掌子面地下水噴涌。同時在管片上預留預埋止水密封裝置，實現頂管機全封閉狀態的始發和接收，保證聯絡通道施工過程中掌子面全過程處于密閉狀態，確保了整個施工過程的安全。

頂管機設備主要由兩部分組成，盾體和后配套臺車，盾體由刀盤、前體、中體、螺機、主驅動5 大件組成，后置配套臺車由1～5 號臺車組成，其中5 號臺車做接收使用。

圖3 頂管設備示意圖

3 施工技術要點

3.1 施工前準備

通過實測聯絡通道左右線洞門圓周上不少于10 個坐標點，擬合的洞門中心坐標，計算左右線的平面偏差，通過擬合洞門中心高程與設計洞門中心高程對比，計算主隧道管片旋轉角度。只有洞門中心平面和高程在允許范圍內，才可進行機械法施工。

實測左右線洞門平面偏差和高程偏差，計算計劃線，根據以上數據調試剛套筒及導向系統姿態，為防止頂管機磕頭，應抬頭1cm 始發。

3.1.1 洞門處加固注漿

在聯絡通道洞門周邊設置10 個注漿孔并在其前、后6 環范圍內進行二次補漿，對同步注漿形成的地層不均勻空隙或凝固注漿收縮等缺陷進行彌補，以提高此管片位置壁后注漿層的防水性能。

3.1.2 焊接鋼管片

聯絡通道位置兩側管片完成注漿補強后，需對復合管片的縫隙進行處理，采用封堵灌漿的方式將洞門處6 塊復合管片的鋼結構接縫部位進行處理，采用跳焊法焊接為一個整體，分多層跳焊法焊接，以減少變形，單層焊接厚度為3～5mm，焊接完成后進行探測。

3.1.3 始發平臺驗算

為確保始發軸線的精度，需對始發平臺的受力變形進行驗算。盾體重量約50t，作用在始發平臺兩個弧形板上面，盾體與調整支架摩擦系數取0.2。

圖4 始發平臺模型受力分析

由有限元靜力分析結果可知，始發平臺結構強度、剛度可滿足要求。

3.2 頂管機吊裝及調試

本工程施工采用中鐵裝備1104#、1062#頂管機，各5 節臺車，整機長約50m，主機存放于3 號臺車內部，總重約390t，擬采用徐工400t 履帶式起重機進行吊裝。

主機隨臺車一同運輸，將主機置于鋼套筒內同時運輸至聯絡通道始發端，頂管始發姿態的調整通過托架微調系統進行操縱，始發時將頂管軸線比設計軸線提高10mm，防止設備進洞后磕頭；調整始發姿態后，將鋼套筒焊接在預埋鋼管片上，局部塞填鋼板進行全密封焊接。主體就位后，將后配套臺車設備運輸至工作面，通過連接管線與主機進行連接調試，并將油缸支撐系統伸出與管片內弧面密貼，支撐體系每隔5min 間隔分級加載。設備連接完成后進行整機調試。

3.3 洞門與套筒焊接

鋼套筒結構材料選用3cm 厚的Q235 鋼板，其筋板高45mm，板厚20mm，布置間隔350mm，結合面均采用法蘭連接，法蘭材料與主體結構相同，在每節鋼套筒的外圍焊接縱橫向筋板，以保證鋼套筒的強度和剛度，每節套筒法蘭處采用規格為M20-10.9 級的高強螺栓連接，法蘭處加裝0 型密封條。

鋼套筒與洞門焊接完成并檢查合格后，對鋼套筒進行填倉處理，填倉材料采用袋裝膨潤土，填倉接近完成后，要打開鋼套筒上預留的泄壓口進行泄壓，最后將注漿管路接入頂部泄壓口，注入膨潤土漿液填滿筒體內空隙。

3.4 始發參數

刀盤扭矩、轉速、貫入度、推力、推進速度等施工參數實時采集，施工階段參考此參數控制，并根據不同工況進行差異微調，掘進過程中向開挖倉內注入泡沫劑或膨潤土潤滑，同時做好掘進機防旋轉措施。刀盤切削特殊管片時注入泡沫劑進行渣土改良，固定速度持續注入，螺旋機出渣過程中指派專人盯控出土量。

3.5 掘進施工

3.5.1 掘進程序

土倉壓力P 應能與地層靜止水壓力和土壓力相抗衡，在刀盤掘進過程中根據隧道軸線埋深和水文地質情況進行反饋和調整優化，通過調整出渣量和控制掘進速度兩條途徑來達到。一般將刀盤開挖倉中部土壓力、靜水壓力之和設定為P0，則P ＝K×P0，K 一般取值1.1～1.3。

3.5.2 渣土管理

在土壓平衡工況模式下渣土應具有良好的塑流狀態，當渣土滿足不了這些要求時，可通過向螺旋輸送機內或刀盤、混合倉注入泡沫材料對渣土進行改良處理。

3.5.3 施工參數控制

3.5.3.1 頂進出土

每環理論出土約7.7m2，螺旋機出口處放置0.7m×0.7m×1m 小土斗，4 號臺車上的吊裝設備將小土斗運至4 號臺車后方渣土車。頂進過程中保證頂進速度與出土量匹配，嚴格監控土壓力變化。

3.5.3.2 糾偏處理

管片拼裝前需驗收合格方可下井，管節拼裝質量符合規范要求，所有機械調試運轉正常后，即可進行頂進作業，頂管頂進軸線最大允許偏差量為不超過±50mm，

3.5.3.3 止退桿安裝

頂進900mm 后，安裝止退桿。需要將止退桿牛腿焊接于復合管片上，插入銷子，盾體的止退需要將銷子焊接于盾體上。

3.5.3.4 管片拼裝

整環管節分為兩個部分，分別為下部210°和上部150°范圍，油缸行程滿足拼裝要求后，先收起下部油缸，拼裝下部管片，將下部油缸頂緊后拼裝上部管片。

管片分塊進行吊裝，通過導軌運輸到拼裝機下方，吊裝過程應緩慢防止沖擊管片角部，以防破壞止水條。在導軌上利用吊機對管片進行角度調整。

待安裝管片與成型隧道管片螺栓孔對齊后，將主千斤頂向前推進至管片側面，再安裝管片螺栓，拼裝過程中應安排專人進行檢查，防止螺栓孔錯位。

3.6 注漿潤滑減阻

為減小土體與管節間摩擦力的作用，在管片外側及時進行潤滑減阻注漿，注漿材料采用鈉基膨潤土，注漿配合比：膨潤土:水=1:9（質量比），注漿前需攪拌均勻，并靜置12h 以上方可使用。

注漿壓力：嚴格控制注漿壓力，將其壓力控制在0.2～0.5MPa 之間，壓力過高會擊穿土層冒漿，不易形成止水環，單環注漿量為管片外理論空隙的1.3～1.5 倍。

3.7 頂管機到達

接收前將設備軸線高程姿態調整至±5mm 以內，千斤頂行程精確計算，中心刀抵達接收復合管片前，保持緩慢掘進，速度控制在5mm/min 以內。

接收時刀盤處于土體中切削管片，切削過程中貫入度及推進速度較小，應當減少出土量，保持土壓平衡，切削管片須一次性貫穿管片，切不可中途中斷油缸壓力，防止主機下沉。

圖5 頂管機到達接收示意圖

3.8 頂管機拆除

洞口加固完成后→逐級撤銷水平頂撐力→逐級撤銷上下頂撐力→橫撐油缸全部縮回→頂撐油缸全部縮回→拆除右側前部支撐環→拆除油缸管路和電纜→直至具備運輸條件。

因左側前部支撐環收回后尚與管片及套筒干擾，需要在隧道內拆除。右側前部支撐環共1 個，單重約2t，使用1 個5t、兩個2t 手拉葫蘆拆除。拆除油缸管路及電纜前，必須確認具備5 號臺車運出空間。

3.9 后澆洞門施工

已成型隧道與聯絡通道間的接口需要進行專項施工，頂管機掘進完成后，將設備分體拆除退場，為后澆洞門接口施工提供工作面。為防止拆除管片后漏水，施工前需對洞門管片周邊進行注漿處理，打設探孔，確保接口無滲漏水后開始拆除管片作業。

后澆洞門為現澆鋼筋混凝土結構，抗滲等級P12，強度等級為C40，鋼板采用Q235B 型鋼，鋼筋采用HPB300，HRB400級鋼，鋼筋保護層厚度內側35mm，外側45mm。

3.10 防火門設計

防火門墻體通過在聯絡通道管片植筋連接，鋼筋應先焊后植，若困難而必須后焊，其焊點距管片表面應大于15d，且應采用濕毛巾包裹植筋外露部分的鋼筋根部。防火門頂部與管節內壁連接，門框寬度為200mm。

圖6 聯絡通道機械法施工整體效果圖

3.11 施工測量與監測

3.11.1 施工測量

需提前對成型洞門進行復測。其中包括里程復測、所在主隧道管片自轉復測、洞門凈空復測、洞門中心復測。

3.11.2 施工監測

綜合本工程周圍環境特點，主要對區間隧道左、右線軸線地表點進行沉降監測，隧道拱頂、拱底進行收斂監測，區間隧道兩側2 倍埋深內建（構）筑物、沉降、傾斜監測、裂縫觀測，地下管線監測。

4 結論

通過此次研究，成型隧道的橫向擴張值和豎向收斂值均大大減小，結構橢圓度降低17.5%，施工總工期縮短30d，取得了較好的經濟價值和社會價值。