地鐵疊線隧道盾構機空推通過明挖豎向聯絡通道的關鍵技術研究

摘 要：為研究盾構機空推穿越狹小空間豎向聯絡通道關鍵技術，本文以佛山在建軌道三號線工程安全控制盾構機穿越狹小空間疊線聯絡通道工程為實例，研究了端頭水泥黏土膏漿加固技術、中板支架體系設計、現澆導臺接收再始發方式、負環加固方式優化以及洞門切削參數控制等一系列的施工關鍵技術。該施工案例成功解決了盾構空推穿越狹小空間豎向聯絡通道的難題，并在穿越過程中對盾構機的三道盾尾刷、刀具刀箱等進行維修更換工作，最大程度地保障了盾構機在后續砂層段掘進施工過程的安全。

關鍵詞：疊線隧道；豎向聯絡通道；盾構空推；膏漿加固

中圖分類號：U 455" " 文獻標志碼：A

城市軌道交通區間隧道在路由寬度受限的情況下通常考慮采用疊線敷設的設計方案，因此，聯絡通道須采用豎向布置，先于地鐵隧道明挖法施工。盾構機空推技術能起到平穩開挖和質量穩定的作用，因此廣泛應用在地鐵特殊接應段工程。為研究盾構機空推穿越狹小空間豎向聯絡通道關鍵技術，本文根據佛山在建軌道三號線工程安全控制盾構機穿越狹小空間疊線聯絡通道工程實例，介紹了盾構機空推穿越狹小空間的一些關鍵技術，并在其中對涉及的力學性能進行闡述，以期為我國盾構類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

佛山市城市軌道交通三號線工程南海廣場站～疊滘站區間（簡稱南疊區間）位于廣東省佛山市南海區，盾構機從南海廣場站出發，沿南海大道向北敷設，下穿南海建筑機械廠綜合樓、廣東省機床廠建筑群和麗雅苑球場下的地下室樁基，下穿桂南國際鞋材城商品住宅后逐漸在豎向拉開距離，變為疊線（左線在下，右線在上），并轉為沿著海三路向西敷設，穿越2#豎向聯絡通道最終到達疊滘站。南疊區間2#豎向聯絡通道縱向長為12.6m，橫向寬為8.6m，深為41m。區間疊線隧道在2#聯絡通道處豎向間距約為9m。該地層從上到下依次為雜填土層、淤泥質粉細沙層、粉細沙層、強風化碎屑巖、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖層和微風化泥質粉砂巖層。

2 方案選定

盾構機穿越南疊區間2#聯絡通道施工有兩套方案可供選擇。方案一為先回填再穿越，該方案施工順序為豎井回填→左（下）線盾構機掘進通過→右（上）線盾構機掘進通過→再次開挖施做豎向聯通通道中隔板；方案二為盾構機空推通過的施工方案，該方案施工順序為聯絡通道大小里程端頭加固→接收左（下）線盾構機→檢修后二次始發→搭設支架施工中隔板→接收右（上）線盾構機→檢修后二次始發。經過方案比選和專家論證認為方案一需要先填后挖，工期較長，成本更高，無法為已經出現明顯問題的盾尾刷提供更換條件，決定選擇方案二作為盾構穿越2#聯絡通道的最終施工方案。

3 盾構機空推作業分析

盾構機的空推作業是指在沒有土層掘進的情況下，僅通過盾構機本身的推力將機身向前推進。分析空推作業需要考慮以下方面：盾構機的推力和穩定性、地質條件評估、施工工藝方案[1]。為保證盾構機能安全通過聯絡通道，需要提前對各風險因素進行分析，并采用以下施工方案。1）在盾構穿越2#聯絡通道位置上部，存在一個較厚的粉細沙層。如果端頭加固區的止水效果達不到要求，并且在地連墻與墻外加固體間的縫隙處理不到位，那么會導致盾構破除地連墻洞門時，基坑內外的水力發生連通，從而引發涌水涌沙事故[2]。2）南疊區間2#聯絡通道是一個截面為12.6m×8.6m且深為41m的豎井結構，空間狹小，施工死角多，如果盾構接收、始發期間發生漏水和涌砂，應急處置困難，就增加了淹埋基坑事故發生的風險。3）南疊區間盾構機穿越2#聯絡通道處于曲線上坡段，普通的托架方案無法滿足該處線性擬合需要。4）當接收右（上）線盾構機時須完成中隔板施工，但盾構機自重為350t，支撐體系設計不當會使盾構機接收時的荷載對中板形成破壞性裂縫[3]，影響后期運營使用。5）因為聯絡通道空間極小，無法采樣始發反力架，當盾構機二次始發切削洞門地連墻時產生反力會直接作用在負環管片上，造成管片扭轉、變形。

盾構機最大反力如公式（1）所示。

fa=f1+f2+f3=μ1G1+μ2G1+μ3（G+G2） " " "（1）

式中：f3為盾構機本身的縱向分力；f2為導臺和盾構機后掛臺車間產生的摩擦阻力；f1為周圍環境和盾體間的摩擦力。這3種力共同構成了盾構機空推的反作用力。μ1為導臺和盾體間存在的摩擦系數，根據實際情況，一般取值在0.4～0.45，μ2導臺和配套臺車間存在的靜摩擦力系數，根據實際情況，取值約0.2。G1為盾體的實際質量，約370t；μ3為縱向分力的系數，主要影響因素為構機掘進坡度。該段盾構機通過礦山法的縱坡為-25‰，μ3=0.02499。以上計算是基于盾體與導臺間摩阻系數為0.4～0.45的理想狀態下，實際情況可能要復雜些，如果推進時千斤項推進過快或推力過大就會導致盾構機產生滑動。

4 空推穿越安全控制關鍵技術

4.1 端頭水泥黏土膏漿加固

端頭水泥黏土膏漿加固主要用于保證隧道端頭部分的穩定性和提高強度。為保證盾構機穿越聯絡通道過程中的加固體有較好的止水效果，分別采用水泥黏土膏漿對聯絡通道大小里程端進行加固，加固范圍為8m×10m，并保證加固體完全覆蓋并適應通道的形狀。梅花布置方式采用多個注漿孔，注漿孔間距為1m，使水泥黏土膏漿可以均勻地分布在加固體表面，保證整個加固面積的穩定性。按照分排、分序的加密原則，首先施工外排，其次施工內排，最后施工中排。注漿工藝要求為必須埋設孔口管，孔口管使用?91mm的PVC套管，并采用0.5∶1濃漿進行灌鑄。孔口管埋設后，待凝1d，再進行下一工序施工。注漿過程按照“自下而上分段、孔口封閉和孔內循環灌漿”原則進行施工管控。加固體28d強度須為1.5MPa～3.0MPa，滲系數為1～3×10-7cm/s。通過以往工程類似經驗和現場試驗配比灌注黏土水泥膏漿漿液，具體配比參數詳見表1，但在實際灌注過程中，材料配比在漿液的流動度參數滿足要求的前提下可適當調整。

4.2 支撐體系設計

支撐體系設計是保障結構安全和保證穩定性的關鍵因素。為保證上行線盾構機到達南疊2#聯絡通道時的結構受力滿足要求，不會對中板產生破壞性裂縫影響后期運營安全，需要在聯絡通道左線范圍內搭設盤扣架做為支撐體系。支撐方案設計采用立桿規格為60mm×3.2mm“Z”形立桿，按照縱橫向間距0.6m×0.6m，立桿步距1m布置，另外采用長度為1.6m的斜拉桿，橫縱向每隔3m設置一道。支架主梁為槽鋼[10，次梁方木（100mm×100mm），整個支架體系與中板底部密貼緊實。當盾構機通過時須進行變形監測。

4.3 采用現澆導臺接收再始發方式通過聯絡通道

現澆導臺接收再始發方式是一種常用于盾構隧道施工的方法。導臺是指在盾構機推進過程中支承和導向管片的結構。南疊區間盾構機穿越2#聯絡通道處于曲線上坡段穿越，傳統托架接收再始發方式無法滿足工況施工，須在聯絡通道位置采用混凝土導臺作為接收再始發托架以滿足設計曲線及坡度要求[4]，保障盾構機安全可控的通過聯絡通道。

導臺采用C35鋼筋混凝土（早強）澆筑而成，鋼筋均為?16HRB400螺紋鋼（箍筋預埋入2#聯絡通道結構底板30cm），鋼筋保護層厚度為4cm。導臺頂面每1.5m預埋一塊厚2cm的鋼板，平面尺寸為30cm×30cm，鋼板厚度為20mm，當預埋鋼板時，需嚴格控制鋼板軸線和頂面標高。導臺施工完成后定位安裝預先加工完成的導軌并進行加固[5]，為盾構接收做好準備。導臺剖面如圖1所示。

4.4 負環管片加固

為滿足盾構二次始發時所須反力要求[6]，在南疊區間2#聯絡通道結構側墻施工的過程中，須提前預埋后期鋼支撐鋼板，預埋鋼板尺寸為300mm×300mm。當后期盾構通過時在管片上半部每環增加2個20#工字鋼進行支撐，并將所有工字鋼支撐采用水平撐鏈接固定形成整體，同時負環采用鋼絲繩捆綁拉緊、洞內采用槽鋼進行縱向連接（在相應的吊裝孔上安裝管片吊裝頭，并通過槽鋼將上半部管片吊裝頭連接起來，使前后成為一個整體，連接范圍為前后8環）。負環管片支撐加固如圖2所示。

4.5 盾構機接收再始發

盾構接收是指盾構機在完成隧道掘進任務后，將其從隧道中取出并結束施工的過程。盾構機推出洞門前，須認真檢查端頭加固情況、盾構刀盤底部與接收導臺高差等情況，各項條件確認到位后，將盾構機推上接收基座。盾構推進過程中必須密切關注洞門地連墻和洞內管片加固的情況，一旦出現變形等異常情況，應及時停止推進[7]。

在導臺導軌上涂抹黃油以減少摩擦阻力。當盾構在導臺上推進時不轉動刀盤，直接往前頂進。在推進過程中安排專人在刀盤前方觀察刀盤是否受到阻礙，保持左右兩組千斤頂推力大小均衡，避免隧道軸線偏移，總推力為300N～500N，速度lt;10mm/min 。推進過程中禁止調整盾構機姿態。

由于盾構到達進洞時推力較小，因此導致洞門附近的管片環與環間連接不夠緊密，須做好此段管片的螺栓緊固和復擰緊工作，防止管片松弛而影響密封防水效果[8]。盾構機接收時穿越地連墻參數設置見表2。

在盾構機通聯絡通道后進行二次始發，并將磨穿地連墻時的土壓初步定為0.6MPa～1.0MPa（在實際施工中須根據情況適當調整）。二次始發的重點是盾構機防扭，在刀盤接觸地連墻約20cm開始旋轉刀盤，安排專人打開人倉門，在人閘內觀察前方土體情況，采用小推力慢刀盤轉速進行推進[9]。待盾體全部脫出2#聯絡通道后，逐步將土壓增至約1.5Pa，適當增加推力，恢復正常掘進。盾構機二次始發切削地連墻盾構參數見表3。

5 結語

南疊區間盾構機空推通過豎向聯絡通道施工過程中創造性地引入水泥黏土膏漿富水砂層加固技術，規避了常規旋噴樁、攪拌樁端頭加固安全性和可靠性不足等問題。通過優化現澆導臺并將其作為接收再始發的平臺，能保證盾構機在短距離二次始發過程中隧道軸線與設計相符，為盾構機二次始發姿態控制提供了條件。在無反力架情況下盾構機二次始發，可以有效避免負環管片扭轉、偏移。應用上述幾點關鍵技術有效地縮短了工期，降低了施工成本。同時可為盾構空推穿越狹小空間的施工提供借鑒。

參考文獻

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