濟(jì)南某地鐵區(qū)間盾構(gòu)專項(xiàng)施工技術(shù)*

董劉強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

地鐵交通是現(xiàn)代城市的重要組成部分,而盾構(gòu)法是地鐵建設(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工是地鐵建設(shè)的重要環(huán)節(jié),其始發(fā)、掘進(jìn)、接收等階段的專項(xiàng)施工方案對于確保施工質(zhì)量、提高效率至關(guān)重要。本文以濟(jì)南軌道交通4號線一期工程為例,提出了一套系統(tǒng)而全面的地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工方案,旨在為地鐵建設(shè)可行性和有效性提供參考,推動(dòng)地鐵工程的可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通4號線一期工程07工區(qū)總里程長4.82km,如圖1所示,盾構(gòu)區(qū)間總長334m。

圖1 區(qū)間地理位置Fig.1 Geographical location of the interval

1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

山大路站—燕山立交橋東站區(qū)間的地貌單元為丘陵地貌,現(xiàn)狀場地南高北低,東高西低。根據(jù)詳勘報(bào)告揭露,擬建場地地基土的組成自上而下為:素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土、碎石、中風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r、斷層角礫夾泥、角礫巖、閃長巖等。左線隧道穿越的地層中,71.1%為中風(fēng)化閃長巖,19%為強(qiáng)風(fēng)化閃長巖,9%為角礫巖,0.5%為斷層角礫夾泥,0.4%為全風(fēng)化閃長巖。而右線隧道穿越的地層中,71%為中風(fēng)化閃長巖,19%為強(qiáng)風(fēng)化閃長巖,7.8%為角礫巖,1.9%為斷層角礫夾泥,0.3%為全風(fēng)化閃長巖。各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 地層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physical and mechanical indexes of strata

1.2 沿線環(huán)境

區(qū)間沿線建筑物如表2所示。

表2 沿線建筑物調(diào)查Table 2 Investigation of buildings along the line

1.3 盾構(gòu)選型及配置

本盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地質(zhì)為全風(fēng)化閃長巖、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖、中風(fēng)化閃長巖、斷層角礫夾泥、角礫巖,根據(jù)盾構(gòu)選型原則及選型依據(jù),本工程采用JZ068,JZ094土壓平衡盾構(gòu)機(jī),主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 盾構(gòu)機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of shield tunneling machine

2 施工工藝

2.1 盾構(gòu)始發(fā)

盾構(gòu)始發(fā)主要內(nèi)容包括:洞門復(fù)測、車站內(nèi)軌道鋪設(shè)、始發(fā)基座及反力架定位、盾構(gòu)吊裝、盾構(gòu)安裝調(diào)試、端頭降水(水位高于隧道底板)、水平探孔、安裝洞門密封、洞門鑿除、拼裝負(fù)環(huán)、盾構(gòu)試掘進(jìn)、負(fù)環(huán)拆除等。盾構(gòu)始發(fā)具體流程如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)流程Fig.2 Flow chart of shield tunneling initiation

1)盾構(gòu)吊裝前準(zhǔn)備

盾構(gòu)下井前,首先在車站底板內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)后配套走行軌道及電瓶車走行軌道的安裝鋪設(shè)。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)及后配套的長度要求,后配套走行軌道鋪設(shè)長度約為90m,電瓶車軌道長度為145m,軌道采用43kg/m鋼軌,單根長度為6.0m,軌道之間采用軌道夾板連接。鋼軌下采用扁鋼作為鋼枕。兩組軌道(后配套設(shè)備及電瓶車)長約80m, 軌距2 180mm,考慮電瓶車的總長度及始發(fā)段出渣的需要,路軌總長度約為145m,軌距900mm,軌枕間距為1m,鋼軌與鋼枕之間采用標(biāo)準(zhǔn)扣件進(jìn)行固定。

2)盾構(gòu)吊裝

臺車下井順序?yàn)?6號→5號→4號→3號→2號→1號→設(shè)備橋→螺旋機(jī),每下井1節(jié)臺車隨即用電瓶車?yán)杰囌緝?nèi),給后一節(jié)下井臺車提供位置,設(shè)備橋及螺旋機(jī)進(jìn)入車站預(yù)存時(shí)采用5t葫蘆進(jìn)行加固,避免運(yùn)輸過程中發(fā)生傾覆,待盾體吊裝、拼接完成進(jìn)行安裝連接。盾構(gòu)吊裝主要控制中盾下井誤差,確保中盾中心線與隧道中心線在水平與垂直方向的誤差在5mm以內(nèi),后續(xù)依次下井盾體只需與中盾完成拼接、平移。

3)洞門止水裝置安裝

洞口密封的目的是為了防止盾構(gòu)始發(fā)造成洞門水土流失以保證注漿效果。盾構(gòu)始發(fā)時(shí),φ6 900預(yù)留洞口與盾構(gòu)殼體形成環(huán)形的空隙將達(dá)到250mm。為防止盾構(gòu)始發(fā)時(shí)水土流失而影響開挖面土體壓力的建立及開挖面土體的穩(wěn)定,必須設(shè)置性能良好的密封止水裝置,以確保盾構(gòu)始發(fā)施工安全順利。本工程密封止水裝置安裝在始發(fā)洞口預(yù)埋的圓環(huán)板上,圓環(huán)板采用Q235B鋼板制成,在車站結(jié)構(gòu)施工時(shí)進(jìn)行安裝。圓環(huán)板上預(yù)留固定螺孔,簾布橡膠板通過壓板、螺栓固定到洞口鋼環(huán)上。

4)水平探孔

洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)鑿除前應(yīng)提前打水平探孔,檢測破除洞門的水量和加固效果。水平探孔前已檢測端頭降水井水位,宜在水位低至隧底1m后開始作業(yè)。水平探孔深度不小于1.5m,孔徑要求80mm,探孔主要分布在盾構(gòu)范圍邊緣處(見圖3),若發(fā)生透水現(xiàn)象,需采取封堵加固措施,確保始發(fā)時(shí)無地下水作業(yè)。封堵采用木塞和棉紗,將探孔堵住,在洞門的滲漏水初步封堵完成后,洞門垂直鉆孔,采用壓密注漿的方式對端頭進(jìn)行重新補(bǔ)充加固,直到土體加固效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求,然后再打設(shè)水平探孔檢查加固效果。

圖3 水平探孔布置Fig.3 Layout of horizontal exploration holes

5)洞門鑿除

燕山立交橋東站西端頭始發(fā)洞門及山大路站接收端頭圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)為玻璃纖維筋,所以不需要割除鋼筋,只需要破除洞門位置噴錨面混凝土用于觀察鋼筋情況。

6)涂刷盾尾密封油脂

在拼裝負(fù)環(huán)之前,盾尾鋼絲刷內(nèi)要填充盾尾密封油脂,盾尾油脂能起止水、防止同步注漿漿液回流的作用。另外盾尾油脂也能減小鋼絲刷的摩損,所以在拼裝第1環(huán)管片時(shí)一定要填滿盾尾密封油脂,并在管片組裝前,分開鋼絲刷,在鋼絲刷中部的不銹鋼網(wǎng)及鋼絲刷上要充分填滿。

7)洞門內(nèi)始發(fā)導(dǎo)軌安裝

因始發(fā)托架與洞門存在一定距離,為保證盾構(gòu)在始發(fā)時(shí)不至于因懸空而產(chǎn)生“叩頭”現(xiàn)象,需要在始發(fā)托架至洞門間沿始發(fā)導(dǎo)軌方向設(shè)置1個(gè)防“叩頭”裝置。導(dǎo)軌采用43kg/m鋼軌制作,長度30cm,位于洞門鋼環(huán)仰拱位置,作為始發(fā)基座鋼軌的延長,導(dǎo)軌標(biāo)高應(yīng)比托架鋼軌標(biāo)高高1～2cm。

8)盾構(gòu)始發(fā)加固區(qū)內(nèi)掘進(jìn)

始發(fā)掘進(jìn)前人工復(fù)測一次盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)托架上的正確位置,并與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)導(dǎo)向系統(tǒng)測量的位置進(jìn)行比較,調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)后方可始發(fā)掘進(jìn)。檢查盾構(gòu)機(jī)托架的穩(wěn)固情況,檢查防止盾構(gòu)機(jī)“栽頭”的導(dǎo)軌是否施作牢固且位置得當(dāng),查驗(yàn)盾尾外殼上的防扭轉(zhuǎn)裝置是否焊接牢固。

9)盾構(gòu)試掘進(jìn)

將盾構(gòu)始發(fā)段前100m作為盾構(gòu)推進(jìn)試驗(yàn)段,此段施工時(shí)應(yīng)注意對推進(jìn)參數(shù)的設(shè)定,地面變形與施工參數(shù)之間的關(guān)系,并對推進(jìn)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析,爭取在較短時(shí)間內(nèi)掌握盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備的操作性能,確定盾構(gòu)推進(jìn)的施工參數(shù)設(shè)定范圍。

2.2 盾構(gòu)正常掘進(jìn)

1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定

通過區(qū)間試掘進(jìn)100m,對各地層掘進(jìn)參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、成型管片復(fù)測進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算,對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并設(shè)定正常掘進(jìn)段施工參數(shù),為正常掘進(jìn)段施工提供指導(dǎo)。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)水文特點(diǎn)、始發(fā)接收及重(較)大風(fēng)險(xiǎn)的要求(下穿沿線建構(gòu)筑物及管線),施工中按照掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行施工控制,并結(jié)合地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2)姿態(tài)控制

通過自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量復(fù)核進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)控,盾構(gòu)姿態(tài)應(yīng)根據(jù)成型管片復(fù)核數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整,以減小管片上浮產(chǎn)生的影響。自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置滾動(dòng)角及俯仰角等趨勢,在出現(xiàn)超限情況下自動(dòng)報(bào)警及刀盤跳停。導(dǎo)向系統(tǒng)后視基準(zhǔn)點(diǎn)需隨著盾構(gòu)推進(jìn)前移,前移時(shí)通過人工測量來精確定位。為保證推進(jìn)方向準(zhǔn)確可靠,每50m進(jìn)行一次人工測量,以校核自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)全站儀坐標(biāo)及后視棱鏡坐標(biāo),基準(zhǔn)點(diǎn)要經(jīng)過雙導(dǎo)線閉合測量,確保盾構(gòu)沿著設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)施工。

3)渣土改良

因本區(qū)間地質(zhì)以中風(fēng)化閃長巖、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖、角礫巖為主,故不需要使用膨潤土進(jìn)行渣土改良。本區(qū)間使用的添加劑主要為泡沫,用以改變開挖面土體的各項(xiàng)性能。

4)洞內(nèi)注漿

洞內(nèi)注漿采用同步注漿法、即時(shí)二次注漿法、補(bǔ)充注漿法。同步注漿與盾構(gòu)掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行,通過同步注漿系統(tǒng)及盾尾的內(nèi)置注漿管,在盾構(gòu)向前推進(jìn)盾尾形成空隙的同時(shí),采用注漿泵同步注漿。注漿通過壓力和流量進(jìn)行控制,確保其填充飽滿。即時(shí)注漿是在每一環(huán)掘進(jìn)完成后,從距離盾尾管片5～8環(huán)位置實(shí)施背填注漿(雙液漿)。在特殊地段,如穿越重要建(構(gòu))筑物及管線或巖溶地層時(shí),采用兩套注漿系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行盾尾同步注漿和管片即時(shí)注漿。根據(jù)工程實(shí)際情況(如管片滲漏、隧道上浮、沉降等),可采取在管片注漿孔進(jìn)行二次(或多次)背填注漿,注漿通過壓力進(jìn)行控制,減少后續(xù)沉降。

5)隧道襯砌管片拼裝

區(qū)間管片拼裝流程如圖4所示。

圖4 管片拼裝流程Fig.4 Flowchart of pipe assembly

6)洞內(nèi)軌道安裝、拆卸

洞內(nèi)軌道安裝、拆卸施工工藝流程如圖5,6所示。

圖5 臺車軌道安裝流程Fig.5 Flowchart of track installation

圖6 電瓶車軌道鋪設(shè)流程Fig.6 Flowchart of battery car track laying

7)洞內(nèi)通風(fēng)

隧道內(nèi)一次風(fēng)機(jī)安裝在車站中板上,采用軸流式風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng),功率55kW,流量667m3/min,主風(fēng)筒直徑800mm,固定于管片拱頂?shù)匿摻z繩隨著臺車移動(dòng)向洞內(nèi)推進(jìn);臺車上設(shè)置二次風(fēng)機(jī),功率15kW,主風(fēng)筒接至6號臺車,通過盾構(gòu)自帶二次通風(fēng)管(600mm)將新鮮空氣送至拼裝區(qū)域。

2.3 盾構(gòu)接收

盾構(gòu)到達(dá)段掘進(jìn)是指盾構(gòu)機(jī)距離接收井口50～100m范圍內(nèi)掘進(jìn)。其工作主要內(nèi)容為:測量、洞門復(fù)核、端頭加固、接收基座定位加固、安裝洞門簾布橡膠折頁板、端頭降水、洞門水平探孔、洞門鑿除、進(jìn)站各階段掘進(jìn)參數(shù)控制、管片拉緊、封堵洞門等,具體流程如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)接收工作流程Fig.7 Flowchart of shield receiving

3 區(qū)間測量及監(jiān)測

1)洞門復(fù)測

洞門圈的內(nèi)邊緣是一個(gè)圓,為了確定圓心,可以在洞門圈的內(nèi)邊緣選取3個(gè)點(diǎn)并測量其三維坐標(biāo),過這3個(gè)點(diǎn)的外接圓圓心即為洞門圈的中心,也可根據(jù)3個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算得到(見圖8)。在本次施工測量中,為了提高測量的精度和可靠性,選取8個(gè)洞門圈內(nèi)邊緣對稱點(diǎn)進(jìn)行測量,計(jì)算洞門鋼圈凈空及其中心坐標(biāo)。將實(shí)測的洞門中心與設(shè)計(jì)進(jìn)行比較,從而指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)出洞。

圖8 盾構(gòu)機(jī)測量原理Fig.8 Measurement principle of shield tunneling machine

2)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)參數(shù)測量及復(fù)核

測量盾構(gòu)機(jī)水平偏移、俯仰角、回轉(zhuǎn)角,進(jìn)行初始姿態(tài)測量、導(dǎo)向系統(tǒng)線路數(shù)據(jù)輸入及復(fù)核。測量的目的是保證盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)掘進(jìn)過程中沿隧道的設(shè)計(jì)中心線掘進(jìn)。

3)貫通測量

平面貫通測量是在隧道豎井導(dǎo)線邊與地下導(dǎo)線邊采用坐標(biāo)法測定貫通點(diǎn)坐標(biāo),并歸算到隧道和結(jié)構(gòu)的斷面及中線上,求得橫向貫通誤差和縱向貫通誤差進(jìn)行評定。

高程貫通測量是用水準(zhǔn)儀從車站到停車線豎井測定貫通點(diǎn)的高程,其互差即為豎向貫通誤差。

4 盾構(gòu)工程應(yīng)急預(yù)案

4.1 盾構(gòu)區(qū)間涌水應(yīng)急預(yù)案

當(dāng)水位位于隧道結(jié)構(gòu)底部以上時(shí),易突然發(fā)生涌水事故。施工前根據(jù)地層性質(zhì),正確分析、合理評價(jià),確定一套正常掘進(jìn)參數(shù),備用一套掘進(jìn)參數(shù)方案;加強(qiáng)隧道防水施工,控制地面動(dòng)荷載。在加強(qiáng)加固施工管理的同時(shí),還必須對可能的突發(fā)情況進(jìn)行準(zhǔn)備。為此制定以下工程搶險(xiǎn)預(yù)案。

1)對于盾構(gòu)突發(fā)險(xiǎn)情采取“及時(shí)堵漏,緊跟加固,迅速進(jìn)洞,靈活組織”的原則。

2)一旦出現(xiàn)涌水,立即通知監(jiān)測組加強(qiáng)對隧道上方與兩側(cè)的監(jiān)控,并及時(shí)反饋信息,組織專人加強(qiáng)對地表設(shè)施的輸導(dǎo)與保護(hù),及時(shí)從地表或洞門四周注漿以補(bǔ)充地層損失,減小地表下沉,阻止險(xiǎn)情的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3)在險(xiǎn)情得到控制后要迅速開展盾構(gòu)進(jìn)洞或出洞工作,使隧道快速封閉,再次對因險(xiǎn)情產(chǎn)生的隱患進(jìn)行處理。

4.2 下穿市政道路應(yīng)急預(yù)案

本工程下穿市政道路,施工受到客觀條件的限制,施工安全管理難度大,針對施工現(xiàn)場客觀實(shí)際,對可能出現(xiàn)的情況制定相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案。

1)沉降 如施工過程中路面出現(xiàn)沉降或者裂縫突然增大,立刻停止施工。通知市政、交警部門的同時(shí),指揮施工人員、機(jī)械撤離至安全地段,同時(shí)通知作業(yè)控制區(qū)兩端執(zhí)勤人員配合交警進(jìn)行交通管制,防止發(fā)生交通事故。

2)坍塌 如施工過程中路面出現(xiàn)坍塌,立刻停止施工。通知市政、交警部門的同時(shí),指揮施工人員、機(jī)械撤離至安全地段,同時(shí)通知作業(yè)控制區(qū)兩端執(zhí)勤人員配合交警進(jìn)行交通管制,防止發(fā)生交通事故。事故現(xiàn)場周圍應(yīng)設(shè)警戒線,并在迎面2km處立警示牌。

4.3 鄰近建筑物開裂、過大傾斜應(yīng)急措施

1)鄰近建筑物發(fā)生開裂、過大傾斜時(shí),立即通知應(yīng)急救援小組組織搶險(xiǎn)。

2)協(xié)同相關(guān)部門安全疏散建筑物居民,并妥善安置疏散的居民。

3)在隧道對應(yīng)位置及時(shí)進(jìn)行二次注漿,控制建筑物的后續(xù)沉降,直至建筑物穩(wěn)定,方可停止二次注漿。

4)對建筑物進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,并及時(shí)分析、反饋監(jiān)測數(shù)據(jù),用以指導(dǎo)隧道內(nèi)二次注漿參數(shù)的優(yōu)化。

5)建筑物趨于穩(wěn)定后,恢復(fù)正常推進(jìn),使建筑物盡早脫離盾構(gòu)施工影響區(qū)。同時(shí),盾構(gòu)在推進(jìn)過程中,需及時(shí)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)合理調(diào)整施工參數(shù),特別是要加強(qiáng)土壓力、同步漿液稠度、同步注漿壓力、同步注漿量的控制,盡量減少盾構(gòu)推進(jìn)造成的地層沉降,并及時(shí)進(jìn)行二次注漿,控制建筑物后期沉降。

5 結(jié)語

地鐵區(qū)間盾構(gòu)的始發(fā)、掘進(jìn)、接收階段的專項(xiàng)施工方案是地鐵工程成功實(shí)施的基石。通過對盾構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié),為今后類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在未來的地鐵建設(shè)中,通過繼續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新施工方案,以適應(yīng)城市交通的不斷發(fā)展和變化,為人們提供更加安全、便捷的出行服務(wù)。