盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)關(guān)鍵施工技術(shù)問題分析

李維龍

摘 要：始發(fā)、接收是盾構(gòu)施工中最重要、風(fēng)險(xiǎn)最大的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)法施工的難點(diǎn)之一。本文結(jié)合盾構(gòu)工程實(shí)例，重點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)的快速施工技術(shù)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)始發(fā)；接收；施工

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

盾構(gòu)法因其施工快捷、安全性高、對(duì)地面交通干擾小、對(duì)底層沉降控制好、無須降水等優(yōu)點(diǎn)，在各隧道工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。而始發(fā)、接收是盾構(gòu)施工中最重要、風(fēng)險(xiǎn)最大的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)法施工的難點(diǎn)之一。本文結(jié)合盾構(gòu)工程實(shí)例，重點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)的快速施工技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 工程概況

石家莊城市軌道交通1號(hào)線體育場(chǎng)站～北宋站區(qū)間隧道全長936.54m，隧道內(nèi)徑5.4m，外徑6.0m，盾構(gòu)選型采用直徑6.28m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)始發(fā)洞門埋深為11m，接收洞門埋深為10m，主要地層為粉細(xì)砂、細(xì)砂及少量粉質(zhì)黏土，無地下水。

2 盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)施工質(zhì)技術(shù)

2.1 盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)

（1）盾構(gòu)始發(fā)施工分類

根據(jù)破除洞門圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)和防止開挖面地層塌陷的方法不同，目前盾構(gòu)始發(fā)施工主要有以下幾種類型，如圖1所示，而端頭加固方法主要有旋噴加固法、注漿加固法、凍結(jié)法、降水地層自穩(wěn)法等。結(jié)合石家莊地鐵的設(shè)計(jì)工藝而言，主要采用旋噴加固地層法，而注漿加固地層法則是對(duì)旋噴加固的一個(gè)補(bǔ)救措施。

旋噴加固地層法是采取旋噴樁對(duì)盾構(gòu)始發(fā)端頭既定范圍內(nèi)的地層進(jìn)行加固處理，使開挖面地層能夠自穩(wěn)，隨后將盾構(gòu)推進(jìn)到加固過的自穩(wěn)地層中掘進(jìn)。

在計(jì)劃始發(fā)工法時(shí)，因石家莊市城市軌道交通1號(hào)線主要施工地層為粉細(xì)沙及粉質(zhì)黏土層，設(shè)計(jì)施工盾構(gòu)機(jī)均采用大開口率的全刮刀刀盤，該刀盤破巖能力差，故無法使用“直接切削臨時(shí)墻法”始發(fā)。同時(shí)因拔樁法造價(jià)較高，目前石家莊地鐵1號(hào)線始發(fā)、到達(dá)施工時(shí)主要采用盾構(gòu)始發(fā)的方法。盾構(gòu)始發(fā)加固范圍如圖2所示。

（2）盾構(gòu)始發(fā)流程

盾構(gòu)始發(fā)是指利用反力架和負(fù)環(huán)管片，將處于始發(fā)托架上拼裝、調(diào)試完成的盾構(gòu)機(jī)，由始發(fā)托架推入地層，沿設(shè)計(jì)軸線循環(huán)掘進(jìn)的重復(fù)性較強(qiáng)的施工作業(yè)過程，盾構(gòu)的順利始發(fā)在施工中占有相當(dāng)重要的位置，是盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，其主要內(nèi)容包括：主體施工時(shí)洞門鋼環(huán)的定位及安裝、始發(fā)前主體結(jié)構(gòu)端頭指定范圍內(nèi)地層的加固、盾構(gòu)始發(fā)托架的定位和加固安裝、盾構(gòu)機(jī)的組裝與調(diào)試、安裝反力架、安裝洞門止水簾幕與翻板、盾構(gòu)姿態(tài)復(fù)核、拼裝負(fù)環(huán)管片、業(yè)主單位組織現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、鑿除洞門臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)貫入開挖面建立土壓和試掘進(jìn)等。歸納起來，盾構(gòu)始發(fā)流程可以分為準(zhǔn)備作業(yè)、臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)拆除、始發(fā)掘進(jìn)3個(gè)過程，如圖3所示。

①盾構(gòu)始發(fā)準(zhǔn)備作業(yè)

采用土壓平衡盾構(gòu)時(shí)，需配備水泥砂漿拌制設(shè)備、輸送管路、儲(chǔ)存設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、出土設(shè)備、壁后注漿設(shè)備、搬運(yùn)設(shè)備等。

始發(fā)準(zhǔn)備作業(yè)包括始發(fā)架設(shè)置、盾構(gòu)組裝、門禁系統(tǒng)設(shè)置、反力架設(shè)置、后配套臺(tái)車設(shè)置及管片儲(chǔ)備等。

②拆除臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)

因?yàn)槎軜?gòu)始發(fā)洞門的破除作業(yè)易造成地層坍塌，拆除前需確認(rèn)地層的自穩(wěn)性、止水性等的完好狀況。隨后本著對(duì)土體擾動(dòng)盡可能小的原則，把圍護(hù)樁分成多個(gè)單元，按照先兩邊后中間，先下邊后上邊的原則依次拆除，同時(shí)可視情況采取整樁吊出的方法，減少對(duì)洞門周邊土體的擾動(dòng)。拆除時(shí)要注意掌子面的穩(wěn)定及必要的臨時(shí)支護(hù)，拆除作業(yè)要迅速連續(xù)，實(shí)現(xiàn)短平快的原則。

③盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)

圍護(hù)樁拆除后，立即推進(jìn)盾構(gòu)，盾構(gòu)進(jìn)入地層后，對(duì)掘削面加壓，同時(shí)密切觀測(cè)與監(jiān)控洞門處密封裝置狀況（橡膠止水簾幕和翻板），緩慢提高壓力，直到預(yù)設(shè)壓力值。盾尾通過洞門密封時(shí)，密封裝置易改變狀態(tài)，故要引起高度重視，通過盾尾要低速推進(jìn)，盾構(gòu)整體進(jìn)入洞門后方可進(jìn)行壁后注漿，封閉穩(wěn)定洞門。

（3）盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

①端頭加固

端頭地層加固是為了防止拆除臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的振動(dòng)影響，在盾構(gòu)刀盤頂?shù)秸谱用娌⒔⑼翂呵埃苁雇馏w自穩(wěn)，防止開挖面坍塌，出現(xiàn)地表沉降過大、坍方等，其目的主要有以下幾點(diǎn)：

（a）加固土體滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（b）加固土體滿足整體穩(wěn)定性的要求。

（c）加固土體滿足堵水和滲透性的要求。

（d）加固土體滿足變形特征的要求。

盾構(gòu)法施工中，端頭土體加固是盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，端頭失穩(wěn)、坍塌是盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)施工的常見事故，端頭土體加固成功與否直接關(guān)系到盾構(gòu)能否安全始發(fā)、到達(dá)。因此，端頭加固方法的選取、端頭加固范圍的確定以及端頭加固效果的檢測(cè)是保證盾構(gòu)順利始發(fā)與到達(dá)的關(guān)鍵。

端頭加固土體不僅有強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，還要滿足滲透止水的要求。石家莊地區(qū)地下水較深，可不考慮此要求。

②端頭加固質(zhì)量驗(yàn)證

為確保端頭土體的加固質(zhì)量，需對(duì)旋噴樁加固范圍域內(nèi)的整體性進(jìn)行驗(yàn)證，目前一般采用垂直、水平鉆孔取芯鉆取加固土體，通過對(duì)其垂直鉆取土體的完整改正性及所取土樣“無側(cè)限抗壓”強(qiáng)度來判斷土體的加固效果；水平鉆取土體增強(qiáng)對(duì)土體加固效果的判定，同時(shí)驗(yàn)證土體加固的密閉性，有水地區(qū)的水平鉆孔尤為重要，是必須嚴(yán)格實(shí)施的，若加固密閉效果不好，需對(duì)加固土體采取補(bǔ)注漿措施進(jìn)行加固，直到密閉為止，方可進(jìn)行始發(fā)或接收掘進(jìn)，如圖4所示。

③盾構(gòu)機(jī)托架安裝

托架是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、接收的基礎(chǔ)，它決定著盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)的姿態(tài)，是始發(fā)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的要素之一。首先，在水平方向上，若是直線始發(fā)則托架應(yīng)與線路軸線保持一致，若是曲線始發(fā)需根據(jù)曲線方向調(diào)整始發(fā)角度。在垂直方向上，為防止盾構(gòu)機(jī)脫離托架后產(chǎn)生“栽頭”現(xiàn)象，一般需將托架標(biāo)高抬高2cm～3cm。而接收時(shí)為保證盾構(gòu)機(jī)順利駛上托架，需將托架降低2cm～3cm。

④反力架安裝

盾構(gòu)機(jī)反力架是盾構(gòu)始發(fā)時(shí)的主要受力部件，其安全性至關(guān)重要，事發(fā)前需對(duì)其加固程度進(jìn)行細(xì)致檢查。具體要點(diǎn)如下：

（a）保證反力架穩(wěn)固，應(yīng)在車站土體施工時(shí)預(yù)先在車站底板及中板處預(yù)埋相應(yīng)的焊接鋼板。

（b）加固反力架時(shí)，將反力架支撐體系與之進(jìn)行焊接，從而增加整體穩(wěn)定性。

（c）根據(jù)隧道長度計(jì)算0環(huán)管片的里程，反算出反力架具體的安裝位置，從而確保出洞后現(xiàn)。

（d）澆環(huán)梁的寬度滿足設(shè)計(jì)40cm～80cm的需求。

（e）自行或委托具有相關(guān)資質(zhì)的單位或個(gè)人，對(duì)反力架的受力情況進(jìn)行模擬、檢算，并出具相關(guān)具有法規(guī)效力的證明材料。

⑤洞門鑿除方法

洞門鑿除是盾構(gòu)始發(fā)、接收風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)，施工中需高度重視。

始發(fā)時(shí)因施工場(chǎng)地限制，一般采用人工破除的方式進(jìn)行洞門鑿除，為了避免洞門鑿除對(duì)車站周邊地層造成撓動(dòng)而造成塌落，圍護(hù)樁鋼筋混凝土鑿除分兩部分進(jìn)行（如圖5所示）。第一次鑿除的時(shí)間為盾構(gòu)始發(fā)前5天，第二次鑿除的時(shí)間為盾構(gòu)始發(fā)前8h。

同時(shí)，為了避免鉆孔樁鑿除時(shí)因土體失穩(wěn)涌入車站而對(duì)作業(yè)人員造成傷害，圍孔樁的鑿除順序需由下向上進(jìn)行鑿除，如圖6所示。

接收時(shí)因施工場(chǎng)地較大，體育場(chǎng)站～北宋站區(qū)間采用了人工配合破機(jī)的方式進(jìn)行鑿除。首先盾構(gòu)機(jī)刀盤掘進(jìn)至距刀盤20cm～50cm時(shí)，在對(duì)車站主體圍護(hù)樁進(jìn)行鑿除，以減少鑿除過程中的安全性。

圍護(hù)樁鑿除采用人工手持風(fēng)稿鑿除，鑿除工作通常分兩步進(jìn)行：

第一步，先清除表層噴射混凝土并割除鋼筋網(wǎng)片及預(yù)埋件，表層鑿除工作先上部后下部，鋼筋預(yù)埋件割除要徹底，以保證預(yù)留洞門的直徑。

第二步，根據(jù)洞門鋼環(huán)內(nèi)圍護(hù)樁數(shù)量的情況，人工將鋼環(huán)范圍內(nèi)的圍護(hù)樁上、下兩端進(jìn)行剝皮處理，把鋼筋外露出來，再將上下外露鋼筋內(nèi)的混凝土各清理50cm出來，使圍護(hù)樁只用鋼筋受力，然后采用起重設(shè)備吊住圍護(hù)樁，人工采用氧氣、乙炔先切割下部、后切割上部鋼筋，把中間部分圍護(hù)樁正體吊裝至地面后采用小型機(jī)械對(duì)其進(jìn)行破碎、機(jī)械裝車外運(yùn)至棄土場(chǎng)，人工清理場(chǎng)地遺留殘?jiān)＿@樣既增加了施工效率，也減少了機(jī)械破除震動(dòng)對(duì)底層的擾動(dòng)，體育場(chǎng)站～北宋站區(qū)間接收洞門因采取相同的方式進(jìn)行施工，接收洞門鑿除僅用時(shí)兩天，就完成了施工。

⑥洞門密封設(shè)置

盾構(gòu)機(jī)在剛完成始發(fā)或剛進(jìn)行接收作業(yè)時(shí)，一般會(huì)因洞門密封不嚴(yán)密，造成同步注漿量及同步注漿壓力不滿足施工要求的情況出現(xiàn)，從而造成進(jìn)洞后10環(huán)或出洞前10環(huán)管片出現(xiàn)大幅上浮、下沉現(xiàn)象。所以在進(jìn)、出洞10環(huán)范圍內(nèi)為保證管片成型質(zhì)量，需對(duì)進(jìn)出洞各10環(huán)范圍內(nèi)管片采取措施進(jìn)行加固，一般采用自行加工的“U”形連接件進(jìn)行連接。同時(shí)，在此段施工時(shí)，需加強(qiáng)盾構(gòu)標(biāo)高測(cè)量，并且根據(jù)測(cè)量結(jié)果及時(shí)調(diào)整同步注漿及二次注漿，確保成型隧道滿足設(shè)計(jì)要求。

洞門密封施工分兩步進(jìn)行：

第一，洞門結(jié)構(gòu)施工時(shí)，加強(qiáng)標(biāo)段間的溝通協(xié)調(diào)，做好洞門預(yù)埋件的預(yù)埋工作，預(yù)埋件必須按設(shè)計(jì)要求與結(jié)構(gòu)的鋼筋連接在一起。

第二，盾構(gòu)正式始發(fā)、接收時(shí)，應(yīng)先清理洞門處的渣土，然后進(jìn)行洞門密封裝置的安裝。

洞門密封裝置由簾幕橡膠、扇形壓板或翻板、墊片和螺栓等組成。為了防止盾構(gòu)進(jìn)入洞門時(shí)刀盤損壞簾幕橡膠，可在簾幕橡膠外側(cè)涂抹一定量的黃油。隨著盾構(gòu)向前推進(jìn)隨時(shí)對(duì)洞門密封壓板或翻板進(jìn)行調(diào)整，以保證密封效果。

⑦負(fù)環(huán)管片的拼裝

負(fù)環(huán)管片拼裝前，要組織標(biāo)段相關(guān)人員對(duì)盾構(gòu)設(shè)備、反力架、始發(fā)架等再次進(jìn)行全面檢查和自驗(yàn)。確認(rèn)無誤后，開始拼裝負(fù)環(huán)向隧道方向推進(jìn)。負(fù)環(huán)拼裝應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（a）在盾尾處盾殼內(nèi)安裝管片支撐墊塊，為管片在盾尾內(nèi)的定位做好準(zhǔn)備。

（b）從下至上一次安裝一環(huán)管片，注意管片的轉(zhuǎn)動(dòng)角度要符合設(shè)計(jì)要求。

（c）安裝拱部管片時(shí)，由于管片支撐不足，要及時(shí)穩(wěn)固管片。

（e）第一環(huán)負(fù)環(huán)管片拼裝完成后，用推進(jìn)油缸緩慢把管片推出盾尾，并施加一定的推力把管片垂直平壓在反力架上。

（f）管片在推出盾尾時(shí)，要及時(shí)支撐加固，防止管片下沉或失圓。同時(shí)要考慮到盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)可能產(chǎn)生的偏心力，因此反力架支撐的加固應(yīng)盡可能地穩(wěn)固。

結(jié)語

盾構(gòu)始發(fā)、接收安全隱患比較大，在施工中影響端頭加固效果的因素比較多，為保證盾構(gòu)機(jī)的順利始發(fā)、接收，通過對(duì)石家莊地鐵目前盾構(gòu)始發(fā)、接收部分案例的分析，本人梳理了以上盾構(gòu)始發(fā)、接收作業(yè)過程的技術(shù)卡控要點(diǎn)，希望能為盾構(gòu)施工提供一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]石家莊地鐵1號(hào)線設(shè)計(jì)文件[Z].

[2]江玉生.盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)-端頭加固理論研究與工程[M].北京：人民交通出版社，2011.