狹小空間土壓平衡盾構(gòu)分體始發(fā)施工技術(shù)

張學(xué)忠

摘要：本文以長沙市軌道交通4號線【阜埠河站～碧沙湖站】盾構(gòu)區(qū)間工程為背景，介紹了分體始發(fā)盾構(gòu)設(shè)備改造原則、改造方案及始發(fā)方案取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，以期為類似施工提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

Abstract：? Based on the shield section project of Changsha Metro Line 4 [Fubuhe Station ～ Bishahu Station]， this paper introduces the principle， transformation plan and originating plan of the split-origin shield equipment and has achieved good economic and social benefits to provide experience and technical reference for similar construction.

關(guān)鍵詞：土壓平衡;盾構(gòu);分體始發(fā);技術(shù)

Key words： earth pressure balance;shield;split-origin;technology

中圖分類號：U231+.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0154-03

0? 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，具有節(jié)能、快捷和大運(yùn)量特征的城市軌道交通建設(shè)愈趨受到眾多城市的關(guān)注，而盾構(gòu)法施工憑借其施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等諸多優(yōu)點(diǎn)使其在城市地鐵建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

盾構(gòu)法施工主要包括盾構(gòu)始發(fā)、區(qū)間掘進(jìn)、盾構(gòu)接收3個階段，其中盾構(gòu)始發(fā)與接收是盾構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)且風(fēng)險性較高。盾構(gòu)始發(fā)通常在已建好的車站或豎井內(nèi)始發(fā)，根據(jù)始發(fā)工作井長度與盾構(gòu)設(shè)備長度的關(guān)系，盾構(gòu)始發(fā)方式主要分為兩種：一種為整體始發(fā)，即將盾構(gòu)機(jī)盾體連同后配套拖車一起吊入始發(fā)工作井，組裝后整體始發(fā)掘進(jìn);另一種為分體始發(fā)，當(dāng)始發(fā)工作井長度較小不能滿足整體始發(fā)時，將盾構(gòu)機(jī)盾體和一部分主要的后配套拖車吊入始發(fā)工作井始發(fā)，待盾構(gòu)隧道掘進(jìn)足夠長度后，再將另一部分拖車吊裝下井進(jìn)行二次組裝后按整體始發(fā)的模式繼續(xù)掘進(jìn)。

1? 工程概況

1.1 工程概述

【阜埠河站～碧沙湖站】區(qū)間西起阜埠河站，沿阜埠河路展布，在里程YCK31+700～YCK32+850段橫穿湘江，東至碧沙湖站。本區(qū)間主要位于湘江兩側(cè)Ⅰ級沖積階地及湘江河床地貌單元，場地第四系覆蓋層厚度為2.00～27.80m，下伏基巖為白堊系礫巖、泥盆系砂巖、屬較碎～較完整巖體。隧道穿越地層主要為強(qiáng)風(fēng)化礫巖和中風(fēng)化礫巖。區(qū)間長度為1768.575m，隧道平均覆土深度約17m。

1.2 盾構(gòu)選型

根據(jù)盾構(gòu)隧道的外徑、長度、埋深、地質(zhì)條件、圍巖巖性、土體的顆粒級配、地層硬稠度系數(shù)、土層滲透率及棄土容重等特征以及線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構(gòu)筑物等環(huán)境條件，以及周圍環(huán)境對地面變形的控制要求，結(jié)合掘進(jìn)和襯砌等諸因素。經(jīng)分析比選最終確定本區(qū)間選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，盾構(gòu)機(jī)由刀盤、盾體、配套拖車組成，總長約83m，開挖直徑6.28m。

1.3 始發(fā)環(huán)境

本區(qū)間盾構(gòu)從碧沙湖站始發(fā)，碧沙湖站位于南湖路以南，湘江中路與書院路之間的商業(yè)開發(fā)地塊;該處原狀為老舊低層民居、單層小廠房幼兒園和餐館，車站東側(cè)有南湖一號綜合體，南側(cè)有都江新苑、金域·南外灘及施工中的江山壹號，北側(cè)為保利國際廣場和保利心語住宅小區(qū)。周邊環(huán)境復(fù)雜、交通流量大且施工范圍內(nèi)房屋拆除量大、難度較大。根據(jù)拆遷難易程度和施工進(jìn)度節(jié)點(diǎn)，把碧沙湖站分成了3段進(jìn)行施工，其中【阜埠河站～碧沙湖站】區(qū)間盾構(gòu)在碧沙湖站的車站始發(fā)長度為69m，車站始發(fā)長度小于盾構(gòu)機(jī)及后配套總長，需進(jìn)行盾構(gòu)分體始發(fā)。

2? 分體始發(fā)設(shè)備改造及要求

2.1 設(shè)備分體改造原則

本工程盾構(gòu)設(shè)備改造以保證盾構(gòu)順利始發(fā)為前提，兼顧成本與效率，遵循以下原則：

①最大限度利用原有設(shè)備，減少對原有設(shè)備不必要的改造;

②在滿足正常分體始發(fā)的前提下，盡量減少井下設(shè)備與地面設(shè)備之間連接管線長度;

③滿足始發(fā)時渣土及管片等材料與人員進(jìn)出條件;

④滿足始發(fā)階段掘進(jìn)完成后地面設(shè)備一次下井長度要求。

2.2 皮帶機(jī)改造

皮帶主驅(qū)動電機(jī)原位于5#拖車尾部，在分體始發(fā)階段將3#拖車改裝增設(shè)皮帶輸送機(jī)接口，并將皮帶機(jī)驅(qū)動電機(jī)與擋泥板、刮渣板整體改裝至3#拖車尾部，待分體始發(fā)結(jié)束后再恢復(fù)到原位。

2.3 水循環(huán)系統(tǒng)改造

在3#拖車尾部左側(cè)增設(shè)設(shè)備平臺，將原位于4#拖車上的內(nèi)循環(huán)水泵改裝到3#拖車尾部左側(cè)增設(shè)的平臺上，然后將內(nèi)循環(huán)水泵與3#拖車內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)管路連接。將外循環(huán)水管直接從外循環(huán)水泵連接至3#拖車尾部左側(cè)的外循環(huán)過濾器，經(jīng)過濾器連接至內(nèi)、外循環(huán)水的熱交換器上。

2.4 出渣系統(tǒng)改造

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，針對盾構(gòu)-2環(huán)前的管片及渣土吊運(yùn)難題進(jìn)行論證研究，最終確定在管片小車上方用H型鋼焊接一個門字架，門字架上放置可左右移動滑輪，滑輪上連接一個掛鉤，掛鉤上放置一個手拉葫蘆進(jìn)行臨時吊裝平移倒運(yùn)的方案。同時在拖車與車站站臺結(jié)構(gòu)間鋪設(shè)軌道，并在軌道上放置一個管片小車供運(yùn)輸使用。出渣時，將小渣斗掛在門字架上的手拉葫蘆上，人工拉動手拉葫蘆將小渣斗提升，并利用門字架上的滑輪將小渣斗平移至管片小車上，然后將管片小車推至適當(dāng)位置后用叉車叉起小渣斗并運(yùn)送至另一條隧道的車站預(yù)留出渣口處，用龍門吊將小渣斗吊至地面出渣。轉(zhuǎn)運(yùn)管片時，與上述出渣過程相反。

2.5 主電力系統(tǒng)改造

由于變壓器設(shè)置于4#拖車，配電柜設(shè)置于3#拖車，4#拖車變壓器出線母排需使用延長電纜與3#拖車配電柜接線，在3#拖車尾部右側(cè)增加接線箱，原盾構(gòu)機(jī)變壓出線母排接線改接至接線箱，增加接線箱至變壓器出線母排延長線。

3? 盾構(gòu)分體始發(fā)方案

由于碧沙湖站始發(fā)車站結(jié)構(gòu)長度小于盾構(gòu)及后配套總長度，所以阜碧區(qū)間盾構(gòu)只能采用“一次始發(fā)，二次組裝”的始發(fā)方式進(jìn)行施工，即盾構(gòu)后配套從3#拖車分體，4#、5#、6#拖車放置地面，先將盾構(gòu)主機(jī)及1#～3#拖車吊放入井就行組裝調(diào)試后進(jìn)行始發(fā)掘進(jìn)，待掘進(jìn)一定長度后再將4#～6#拖車吊放入井進(jìn)行二次組裝，二次組裝調(diào)試完成后按照整體掘進(jìn)方式進(jìn)行盾構(gòu)施工。盾構(gòu)分體始發(fā)主要工藝流程詳見圖2。

3.1 分體始發(fā)盾構(gòu)組裝方案

將盾體、設(shè)備橋、1#～3#拖車下井，其余后配套拖車放置于地面上，利用軟管進(jìn)行管線的延長。延長管線從車站結(jié)構(gòu)預(yù)留的盾構(gòu)吊裝孔進(jìn)入車站內(nèi)部與3#拖車進(jìn)行連接。3#拖車主要為配電柜、循環(huán)水泵、泡沫系統(tǒng)。（圖3、圖4）

3.2 盾構(gòu)二次組裝

盾構(gòu)掘進(jìn)至滿足盾構(gòu)整體正常掘進(jìn)后，開始對負(fù)環(huán)管片進(jìn)行拆除，負(fù)環(huán)管片拆除后在盾構(gòu)井內(nèi)重新進(jìn)行軌道鋪設(shè)，利用吊車將位于地面的4#～6#拖車下井并平移至洞內(nèi)進(jìn)行連接調(diào)試，調(diào)試合格后進(jìn)行整機(jī)掘進(jìn)。

3.3 始發(fā)掘進(jìn)

盾構(gòu)始發(fā)時利用盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂和管片將千斤頂推力均勻傳遞到反力架上，盾尾通過洞門后逐步建立保壓始發(fā)掘進(jìn)模式繼續(xù)掘進(jìn)。分體始發(fā)階段主要掘進(jìn)參數(shù)如下：

①掘進(jìn)土壓：1.8±0.1bar;

②刀盤轉(zhuǎn)速：1.3～1.4rpm;

③掘進(jìn)速度：25～35mm/min;

④總推：800～1100t力;

⑤刀盤扭矩：

1500～2200kN·m;

⑥出碴量：≤60m3/環(huán);

⑦同步注漿量：6～7m3/環(huán);

⑧注漿壓力：注漿壓力控制在2.5～3.5bar;

⑨盾構(gòu)軸線糾偏控制：≤4mm/環(huán);

⑩盾尾油脂：約50～80kg/環(huán)。

盾構(gòu)分體始發(fā)掘進(jìn)施工，盾構(gòu)掘進(jìn)與管片拼裝交替進(jìn)行，在掘進(jìn)過程中，渣土通過渣土運(yùn)輸車運(yùn)輸至盾構(gòu)始發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留洞口處然后通過垂直運(yùn)輸設(shè)備提升至地面運(yùn)出;管片通過垂直運(yùn)輸設(shè)備吊入始發(fā)井通過管片車運(yùn)輸至盾構(gòu)主機(jī)與后配套連接處后，再通過管片吊機(jī)吊運(yùn)至管片拼裝機(jī)下方，然后進(jìn)行管片拼裝，管片采用錯縫拼裝，為先下后上、先縱后環(huán)、先標(biāo)準(zhǔn)塊再鄰接塊最后封頂塊、左右交叉、縱向插入、封頂成環(huán)工藝。

盾構(gòu)始發(fā)主要施工工序流程如圖5。

3.4 電瓶車編組優(yōu)化

盾構(gòu)分體始發(fā)階段盾構(gòu)掘進(jìn)效率取決于出渣效率，合理選擇出渣方式和電瓶車編組對盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)尤為重要。分體始發(fā)初期階段1#拖車同步注漿系統(tǒng)位于井下，為了便于出渣暫不配置砂漿車，而是通過砂漿管路直接將砂漿輸送至1#拖車上的砂漿罐內(nèi)，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的進(jìn)行待出現(xiàn)可供變化編組空間時及時對電瓶編組進(jìn)行優(yōu)化。

3.4.1 第一階段

-4環(huán)～-2環(huán)只配置一節(jié)運(yùn)輸車根據(jù)掘進(jìn)情況交叉運(yùn)輸渣土和管片，運(yùn)輸渣土采用1方的渣斗，受車站底板結(jié)構(gòu)上翻梁影響只能通過門型架將渣斗吊離運(yùn)輸車或?qū)⒐芷踔吝\(yùn)輸車。

3.4.2 第二階段

-2環(huán)～+4環(huán)繼續(xù)配置一節(jié)運(yùn)輸車根據(jù)掘進(jìn)情況交叉運(yùn)輸渣土和管片，此時施工已不在底板結(jié)構(gòu)上翻梁影響范圍內(nèi)，直接通過叉車倒運(yùn)渣斗和管片。

3.4.3 第三階段

+4環(huán)～+20環(huán)配置兩節(jié)運(yùn)輸車根據(jù)掘進(jìn)情況交叉運(yùn)輸渣土和管片，直接通過叉車倒運(yùn)渣斗和管片。此時在車站中板設(shè)置砂漿存儲罐，地面砂漿攪拌站的砂漿通過輸漿管先輸送存儲在中板砂漿儲存罐內(nèi)，然后再通過輸漿管道直接輸送至盾構(gòu)機(jī)砂漿存儲罐內(nèi)。

3.4.4 第四階段

始發(fā)掘進(jìn)20環(huán)后，出土口位置脫離拖車范圍后，電瓶車重新編組，采用電瓶車機(jī)頭+兩節(jié)管片車+ 一節(jié)砂漿車+三節(jié)渣車進(jìn)行編組。出渣及管片下井通過出土口進(jìn)行吊運(yùn)，砂漿從中板砂漿儲存罐接輸漿管道輸送至砂漿車內(nèi)。

3.4.5 第五階段

始發(fā)掘進(jìn)68環(huán)滿足后續(xù)拖車下井長度后，將4#～6#拖車吊放入井進(jìn)行二次組裝，電瓶車重新編組，采用電瓶車機(jī)頭+兩節(jié)管片車+ 一節(jié)砂漿車+五節(jié)渣車進(jìn)行編組，以滿足正常掘進(jìn)。

4? 結(jié)束語

①分體始發(fā)雖然較整體始發(fā)具有始發(fā)難度大、初期掘進(jìn)效率低、對設(shè)備要求高等缺點(diǎn)，但其憑借占地面積小、節(jié)省工程投資等優(yōu)點(diǎn)，對城市繁忙地段土地資源緊張地段盾構(gòu)始發(fā)施工具有重要意義。②分體始發(fā)需結(jié)合工程情況、熟悉設(shè)備性能，選擇最佳的分體始發(fā)方案。本工程在分體始發(fā)階段通過將第5#拖車上的出渣口臨時改到3#拖車上，同時為了減少盾構(gòu)機(jī)上水循環(huán)系統(tǒng)延遲管線，將位于第4#拖車上的水循環(huán)系統(tǒng)臨時改到3#拖車，待分體始發(fā)完成后再按要求復(fù)原。③本區(qū)間為長沙地鐵建設(shè)中首次采用分體始發(fā)的盾構(gòu)區(qū)間，本次分體始發(fā)的順利實(shí)施，對類似工況條件下盾構(gòu)始發(fā)施工具有借鑒意義。

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