超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

呂志佳

（中交隧道工程局有限公司，北京 100102）

引言

以某盾構(gòu)工程為例，該工程地處的區(qū)域內(nèi)，含有較多的卵石和地下水，并且卵石的直徑較大，在盾構(gòu)施工中，如果未能有效控制掘進(jìn)姿態(tài)，受到卵石的影響會(huì)使掘進(jìn)方向出現(xiàn)偏差。施工企業(yè)應(yīng)重視掘進(jìn)姿態(tài)的控制，針對(duì)施工中遇到的問題，采用有效的方法加強(qiáng)姿態(tài)的控制，提升盾構(gòu)施工質(zhì)量。

一、工程概況

該工程作為城市地下交通樞紐工程，會(huì)與城市地下既有交通網(wǎng)絡(luò)連接，由于施工區(qū)域上方存在大量的建筑，并且在對(duì)盾構(gòu)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有較多的卵石，卵石的最大直徑為500 毫米，常見的卵石直徑在200-400 毫米范圍內(nèi)。整個(gè)盾構(gòu)區(qū)域的施工距離超過1800 米，但是盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)含有大量的卵石，同時(shí)地下水較為豐富，使盾構(gòu)區(qū)域的卵石滲透系數(shù)為每天25 米，在掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的最大坡度超過千分之27。針對(duì)盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)含有大量的卵石以及地下水，在施工的準(zhǔn)備階段，施工企業(yè)根據(jù)巖土工程勘察參數(shù)，設(shè)計(jì)出適應(yīng)砂卵石地層的刀盤設(shè)備，用于掘進(jìn)施工的同時(shí)，還能減少受到地質(zhì)環(huán)境的影響，導(dǎo)致掘進(jìn)姿態(tài)發(fā)生變化。

二、研究內(nèi)容

（一）地面注漿

姿態(tài)控制研究內(nèi)容分為四項(xiàng)，一是加固技術(shù)，加固技術(shù)應(yīng)用在始發(fā)段、洞門以及地表；二是控制技術(shù)，控制技術(shù)應(yīng)用在反力架、托架以及始發(fā)姿態(tài)控制；三是封堵技術(shù)，封堵技術(shù)應(yīng)用在渣土改良和洞門；四是加固技術(shù)，應(yīng)用在始發(fā)段、洞門以及地表加固。

該工程的始發(fā)地段，由于含有較多的地下水，整個(gè)施工過程受到地下水的影響，會(huì)使始發(fā)段的顆粒物含量不斷降低，導(dǎo)致大直徑的卵石集中在始發(fā)段，不利于盾構(gòu)掘進(jìn)施工正常進(jìn)行。此外在進(jìn)行施工時(shí)，會(huì)在始發(fā)段出現(xiàn)沉降或者塌陷等情況，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。針對(duì)始發(fā)段施工中出現(xiàn)的問題，在始發(fā)段施工區(qū)域的20 米范圍內(nèi)，會(huì)地面注漿技術(shù)，用于加固地表、洞門等，并配合使用鉆孔注漿技術(shù)，提升始發(fā)段周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有助于控制掘進(jìn)姿態(tài)。

在地面注漿加固施工期間，使用的設(shè)備為履帶式鉆機(jī)，采用垂直鉆孔注漿方法，對(duì)地面端頭進(jìn)行加固施工。在始發(fā)段的左右兩端，設(shè)有100 平方米的土體作為加固區(qū)域，在加固區(qū)域內(nèi)使用直徑為48 的袖閥管，每個(gè)管的間距為2 米，將管布置成梅花型，利用管向始發(fā)段的土體進(jìn)行注漿施工。在埋設(shè)管道前，施工企業(yè)會(huì)確定管線的位置，通過鉆孔施工獲取管線布置區(qū)域土體的參數(shù)，用于制定盾構(gòu)危險(xiǎn)源報(bào)告的參考依據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)管線布置做出調(diào)整。

在進(jìn)行注漿時(shí)，會(huì)配比水泥漿液，水泥漿液比控制為0.8:1，或者為1:1，將注漿壓力控制在0.3-0.5MPa 范圍內(nèi)。上述參數(shù)均會(huì)根據(jù)實(shí)際施工條件進(jìn)行調(diào)整以此滿足施工需求。

（二）洞門管棚加固

在洞門位置設(shè)立大管棚，采用加固技術(shù)增強(qiáng)洞門的穩(wěn)定性，主要依賴直徑為108 毫米的管棚，將管棚上方設(shè)置為弧度為120 度的拱形，在兩側(cè)使用直徑6 毫米的無縫鋼管，采用分節(jié)安裝的方式，將管棚分節(jié)位置的長度設(shè)定為15 米。此外在洞門的端頭位置，使用28 個(gè)管棚，使用絲扣連接管棚，提升管棚的整體性。在管棚的尾部區(qū)域，要求在距離地面的20 公分位置，作為停止注漿的區(qū)域，采用后退式分段注漿方法，注漿時(shí)如果距離洞徑外側(cè)較近，將外偏角設(shè)定為1 度，可以使鋼管在設(shè)置的區(qū)域內(nèi)，避免進(jìn)入到掘進(jìn)空間，影響掘進(jìn)姿態(tài)的控制。

（三）定位拼裝

定位拼裝主要與負(fù)環(huán)第一環(huán)有關(guān)，在始發(fā)段根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸，一般會(huì)使用7 個(gè)負(fù)環(huán)用于支撐始發(fā)段的盾構(gòu)設(shè)備，每個(gè)負(fù)環(huán)的控制距離為1.8米，采用錯(cuò)縫拼裝方法，會(huì)提升拼裝定位的精度。以0 負(fù)環(huán)定位拼裝為例，按照正常順序進(jìn)行拼裝，會(huì)在始發(fā)段出建立封閉管口，使用固定管片，在0 環(huán)與1 環(huán)之間使用L 形鋼板固定管片。在固定管片時(shí)，要求工作人員在管片的外側(cè)。提升管片的密封性，采用壓翻盾尾刷，用于控制管片與負(fù)環(huán)間的空隙，同時(shí)使用方木楔塊支撐管片與負(fù)環(huán)。

三、機(jī)架加固姿態(tài)控制

（一）托架和反力架加固

在托架定位過程中，由于托架是始發(fā)段鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，采用軸線放樣方法，精準(zhǔn)定位托架的位置，確定托架的位置，在井下完成焊接操作和安裝。根據(jù)隧道的位置，將鋼軌的中心與隧道的中心重合，在相同的豎直空間。在盾體的前方，將盾構(gòu)設(shè)備的高度提升20 毫米，在后端設(shè)備高度與設(shè)計(jì)高度相同，產(chǎn)生的傾角，使用鋼板進(jìn)行支撐加固，支撐加固中使用焊接方法，防止盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)位移。在安裝中配合使用測(cè)量放樣方法，使基線吊入的位置，與井下保持相同的位置，在相同的位置，將托架與反力架產(chǎn)生的夾角誤差，控制在正負(fù)千分之2 以內(nèi)。

在反力架加固過程中，應(yīng)在加固位置埋設(shè)鋼板。埋設(shè)鋼板后應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)收，完成驗(yàn)收后才能進(jìn)行混凝土澆筑施工。在加固中進(jìn)行焊接操作，要求焊接質(zhì)量必須符合使用標(biāo)準(zhǔn)，并且在中板梁上安裝支撐反力架的設(shè)備，如側(cè)面抗浮設(shè)備和底部抗浮設(shè)備。反力架的基礎(chǔ)位置，使用地錨進(jìn)行加固處理，地錨的數(shù)量與反力架的長度有關(guān)。

（二）防載頭下沉控制

使用刀盤進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，在刀盤與地質(zhì)結(jié)構(gòu)接觸期間，刀盤缺乏支撐結(jié)構(gòu)，會(huì)在掘進(jìn)中發(fā)生磕頭的情況。一般在刀盤的底部，會(huì)設(shè)有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與刀盤的掘進(jìn)距離相同。將刀盤和導(dǎo)軌設(shè)置為相同的角度，并且將高度控制在相同的豎直方向，即可防止刀盤出現(xiàn)下沉的情況。

在始發(fā)段加強(qiáng)掘進(jìn)姿態(tài)的控制，應(yīng)以載頭下沉控制為主，在載頭控制期間，將載頭的高度提升20 毫米，保持抬頭的狀態(tài)，會(huì)使盾構(gòu)始終保持該狀態(tài)前進(jìn)。在始發(fā)段掘進(jìn)期間，會(huì)出現(xiàn)較多的細(xì)顆粒物質(zhì)，使整個(gè)盾構(gòu)區(qū)域的穩(wěn)定性發(fā)生變化，并且受到盾構(gòu)設(shè)備的影響，掘進(jìn)設(shè)備的載頭會(huì)出現(xiàn)下沉情況。在載頭位置安裝防磕頭設(shè)備，會(huì)避免出現(xiàn)磕頭情況。

由于盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)含有較多的卵石，卵石對(duì)盾構(gòu)區(qū)域的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，需要在盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行注漿施工，提升地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。完成上述施工過程后，應(yīng)在洞門位置進(jìn)行封堵作業(yè)。封堵作業(yè)期間，按照脫離盾位的設(shè)置要求，在其它負(fù)環(huán)位置進(jìn)行二次注漿施工，進(jìn)一步提升盾構(gòu)區(qū)間的穩(wěn)定性。

（三）掘進(jìn)封堵注漿

在掘進(jìn)封堵注漿過程中，應(yīng)首先完成掘進(jìn)渣土改良。根據(jù)盾構(gòu)區(qū)域掘進(jìn)參數(shù)要求，一是設(shè)定每分鐘30-40 毫米的掘進(jìn)速度，二是掘進(jìn)推理設(shè)定在2000-3500kN 范圍內(nèi)，三是土壓在0.8-1.4bar 范圍內(nèi)；五是刀盤轉(zhuǎn)速為1.0-1.5rpm 范圍，六是刀盤扭矩為3000-5000kNm。此外將每個(gè)負(fù)環(huán)的注漿量，控制在10-12 立方米范圍內(nèi)，在注漿時(shí)壓力控制在2-4bar范圍內(nèi)。在進(jìn)行注漿操作期間，應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，并對(duì)整個(gè)注漿過程進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，結(jié)合獲取的注漿參數(shù)，對(duì)每個(gè)負(fù)環(huán)的注漿壓力進(jìn)行調(diào)整，其中調(diào)整姿態(tài)偏量為每環(huán)5 毫米，地層損失率控制在1%以內(nèi)，在穿過地層時(shí)，注漿壓量應(yīng)為每米2.5 立方米。

基于上述要求，施工企業(yè)按照少量多次的原則，將漿液的水灰比設(shè)定為0.9:1.0，將注漿量控制在0.5-1.5 立方米范圍內(nèi)，壓力控制在0.2-0.3Mpa 范圍內(nèi)。

由于該盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)含有較多的卵石，會(huì)使用大量的同步注漿材料，同步注漿材料配比和性能指標(biāo)如下，水泥量在100-220 公斤范圍內(nèi)，粉煤灰量在241-381 公斤范圍內(nèi)，膨潤土量在50-60 公斤范圍內(nèi)，砂量在710-800 公斤范圍內(nèi)，水量在460-600 公斤范圍內(nèi)，外加劑量根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在進(jìn)行掘進(jìn)姿態(tài)控制期間，要求在始發(fā)段內(nèi)使用渣土改良技術(shù)，改良技術(shù)中，應(yīng)在推進(jìn)施工區(qū)域內(nèi)，將泡沫劑的添加量控制在3.5%，發(fā)泡率控制在11-16%范圍內(nèi)，并且注入率應(yīng)在19-22%范圍內(nèi)。在對(duì)膨潤土進(jìn)行改良過程中，盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)含有較多的砂卵石，砂卵石的潤滑度較差，需要增加膨潤土的量，在每個(gè)負(fù)環(huán)膨潤土的量應(yīng)達(dá)到50%，提升盾構(gòu)區(qū)域土體的通透性，從而獲得良好的膨潤效果。此時(shí)使用盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，不僅會(huì)控制掘進(jìn)姿態(tài)，還能使掘進(jìn)的扭矩和轉(zhuǎn)速保持在穩(wěn)定狀態(tài)，提升掘進(jìn)施工的效率。

在掘進(jìn)中會(huì)出現(xiàn)千瓦的情況，施工企業(yè)應(yīng)降低刀盤的扭矩，并且在始發(fā)段清理盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的渣土，完成欠壓磨樁操作后，會(huì)使盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)土體更加穩(wěn)定。此外調(diào)整膨潤土和泡沫劑的使用量，將掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定在穩(wěn)定區(qū)間，即可控制掘進(jìn)姿態(tài)。

結(jié)語

綜上所述，在超大直徑盾構(gòu)施工中，以該工程為例，根據(jù)工程施工區(qū)域內(nèi)土體的情況，采用多種方法加強(qiáng)掘進(jìn)姿態(tài)的控制，通過控制掘進(jìn)姿態(tài)，一方面會(huì)減少對(duì)地表建筑的擾動(dòng)，另一方面會(huì)提升掘進(jìn)效率，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成施工。