地鐵疊線隧道盾構(gòu)機(jī)空推通過明挖豎向聯(lián)絡(luò)通道的關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：為研究盾構(gòu)機(jī)空推穿越狹小空間豎向聯(lián)絡(luò)通道關(guān)鍵技術(shù)，本文以佛山在建軌道三號線工程安全控制盾構(gòu)機(jī)穿越狹小空間疊線聯(lián)絡(luò)通道工程為實(shí)例，研究了端頭水泥黏土膏漿加固技術(shù)、中板支架體系設(shè)計(jì)、現(xiàn)澆導(dǎo)臺接收再始發(fā)方式、負(fù)環(huán)加固方式優(yōu)化以及洞門切削參數(shù)控制等一系列的施工關(guān)鍵技術(shù)。該施工案例成功解決了盾構(gòu)空推穿越狹小空間豎向聯(lián)絡(luò)通道的難題，并在穿越過程中對盾構(gòu)機(jī)的三道盾尾刷、刀具刀箱等進(jìn)行維修更換工作，最大程度地保障了盾構(gòu)機(jī)在后續(xù)砂層段掘進(jìn)施工過程的安全。

關(guān)鍵詞：疊線隧道；豎向聯(lián)絡(luò)通道；盾構(gòu)空推；膏漿加固

中圖分類號：U 455" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城市軌道交通區(qū)間隧道在路由寬度受限的情況下通?？紤]采用疊線敷設(shè)的設(shè)計(jì)方案，因此，聯(lián)絡(luò)通道須采用豎向布置，先于地鐵隧道明挖法施工。盾構(gòu)機(jī)空推技術(shù)能起到平穩(wěn)開挖和質(zhì)量穩(wěn)定的作用，因此廣泛應(yīng)用在地鐵特殊接應(yīng)段工程。為研究盾構(gòu)機(jī)空推穿越狹小空間豎向聯(lián)絡(luò)通道關(guān)鍵技術(shù)，本文根據(jù)佛山在建軌道三號線工程安全控制盾構(gòu)機(jī)穿越狹小空間疊線聯(lián)絡(luò)通道工程實(shí)例，介紹了盾構(gòu)機(jī)空推穿越狹小空間的一些關(guān)鍵技術(shù)，并在其中對涉及的力學(xué)性能進(jìn)行闡述，以期為我國盾構(gòu)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(qū)間（簡稱南疊區(qū)間）位于廣東省佛山市南海區(qū)，盾構(gòu)機(jī)從南海廣場站出發(fā)，沿南海大道向北敷設(shè)，下穿南海建筑機(jī)械廠綜合樓、廣東省機(jī)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?yōu)榀B線（左線在下，右線在上），并轉(zhuǎn)為沿著海三路向西敷設(shè)，穿越2#豎向聯(lián)絡(luò)通道最終到達(dá)疊滘站。南疊區(qū)間2#豎向聯(lián)絡(luò)通道縱向長為12.6m，橫向?qū)挒?.6m，深為41m。區(qū)間疊線隧道在2#聯(lián)絡(luò)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(zhì)粉細(xì)沙層、粉細(xì)沙層、強(qiáng)風(fēng)化碎屑巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層和微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

2 方案選定

盾構(gòu)機(jī)穿越南疊區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)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?yàn)樨Q井回填→左（下）線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過→右（上）線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過→再次開挖施做豎向聯(lián)通通道中隔板；方案二為盾構(gòu)機(jī)空推通過的施工方案，該方案施工順序?yàn)槁?lián)絡(luò)通道大小里程端頭加固→接收左（下）線盾構(gòu)機(jī)→檢修后二次始發(fā)→搭設(shè)支架施工中隔板→接收右（上）線盾構(gòu)機(jī)→檢修后二次始發(fā)。經(jīng)過方案比選和專家論證認(rèn)為方案一需要先填后挖，工期較長，成本更高，無法為已經(jīng)出現(xiàn)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(gòu)穿越2#聯(lián)絡(luò)通道的最終施工方案。

3 盾構(gòu)機(jī)空推作業(yè)分析

盾構(gòu)機(jī)的空推作業(yè)是指在沒有土層掘進(jìn)的情況下，僅通過盾構(gòu)機(jī)本身的推力將機(jī)身向前推進(jìn)。分析空推作業(yè)需要考慮以下方面：盾構(gòu)機(jī)的推力和穩(wěn)定性、地質(zhì)條件評估、施工工藝方案[1]。為保證盾構(gòu)機(jī)能安全通過聯(lián)絡(luò)通道，需要提前對各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，并采用以下施工方案。1）在盾構(gòu)穿越2#聯(lián)絡(luò)通道位置上部，存在一個較厚的粉細(xì)沙層。如果端頭加固區(qū)的止水效果達(dá)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(dǎo)致盾構(gòu)破除地連墻洞門時，基坑內(nèi)外的水力發(fā)生連通，從而引發(fā)涌水涌沙事故[2]。2）南疊區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道是一個截面為12.6m×8.6m且深為41m的豎井結(jié)構(gòu)，空間狹小，施工死角多，如果盾構(gòu)接收、始發(fā)期間發(fā)生漏水和涌砂，應(yīng)急處置困難，就增加了淹埋基坑事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。3）南疊區(qū)間盾構(gòu)機(jī)穿越2#聯(lián)絡(luò)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(dāng)接收右（上）線盾構(gòu)機(jī)時須完成中隔板施工，但盾構(gòu)機(jī)自重為350t，支撐體系設(shè)計(jì)不當(dāng)會使盾構(gòu)機(jī)接收時的荷載對中板形成破壞性裂縫[3]，影響后期運(yùn)營使用。5）因?yàn)槁?lián)絡(luò)通道空間極小，無法采樣始發(fā)反力架，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)二次始發(fā)切削洞門地連墻時產(chǎn)生反力會直接作用在負(fù)環(huán)管片上，造成管片扭轉(zhuǎn)、變形。

盾構(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)本身的縱向分力；f2為導(dǎo)臺和盾構(gòu)機(jī)后掛臺車間產(chǎn)生的摩擦阻力；f1為周圍環(huán)境和盾體間的摩擦力。這3種力共同構(gòu)成了盾構(gòu)機(jī)空推的反作用力。μ1為導(dǎo)臺和盾體間存在的摩擦系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況，一般取值在0.4～0.45，μ2導(dǎo)臺和配套臺車間存在的靜摩擦力系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況，取值約0.2。G1為盾體的實(shí)際質(zhì)量，約370t；μ3為縱向分力的系數(shù)，主要影響因素為構(gòu)機(jī)掘進(jìn)坡度。該段盾構(gòu)機(jī)通過礦山法的縱坡為-25‰，μ3=0.02499。以上計(jì)算是基于盾體與導(dǎo)臺間摩阻系數(shù)為0.4～0.45的理想狀態(tài)下，實(shí)際情況可能要復(fù)雜些，如果推進(jìn)時千斤項(xiàng)推進(jìn)過快或推力過大就會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生滑動。

4 空推穿越安全控制關(guān)鍵技術(shù)

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(wěn)定性和提高強(qiáng)度。為保證盾構(gòu)機(jī)穿越聯(lián)絡(luò)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(lián)絡(luò)通道大小里程端進(jìn)行加固，加固范圍為8m×10m，并保證加固體完全覆蓋并適應(yīng)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(wěn)定性。按照分排、分序的加密原則，首先施工外排，其次施工內(nèi)排，最后施工中排。注漿工藝要求為必須埋設(shè)孔口管，孔口管使用?91mm的PVC套管，并采用0.5∶1濃漿進(jìn)行灌鑄?？卓诠苈裨O(shè)后，待凝1d，再進(jìn)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(nèi)循環(huán)灌漿”原則進(jìn)行施工管控。加固體28d強(qiáng)度須為1.5MPa～3.0MPa，滲系數(shù)為1～3×10-7cm/s。通過以往工程類似經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)配比灌注黏土水泥膏漿漿液，具體配比參數(shù)詳見表1，但在實(shí)際灌注過程中，材料配比在漿液的流動度參數(shù)滿足要求的前提下可適當(dāng)調(diào)整。

4.2 支撐體系設(shè)計(jì)

支撐體系設(shè)計(jì)是保障結(jié)構(gòu)安全和保證穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。為保證上行線盾構(gòu)機(jī)到達(dá)南疊2#聯(lián)絡(luò)通道時的結(jié)構(gòu)受力滿足要求，不會對中板產(chǎn)生破壞性裂縫影響后期運(yùn)營安全，需要在聯(lián)絡(luò)通道左線范圍內(nèi)搭設(shè)盤扣架做為支撐體系。支撐方案設(shè)計(jì)采用立桿規(guī)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(shè)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(shí)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過時須進(jìn)行變形監(jiān)測。

4.3 采用現(xiàn)澆導(dǎo)臺接收再始發(fā)方式通過聯(lián)絡(luò)通道

現(xiàn)澆導(dǎo)臺接收再始發(fā)方式是一種常用于盾構(gòu)隧道施工的方法。導(dǎo)臺是指在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中支承和導(dǎo)向管片的結(jié)構(gòu)。南疊區(qū)間盾構(gòu)機(jī)穿越2#聯(lián)絡(luò)通道處于曲線上坡段穿越，傳統(tǒng)托架接收再始發(fā)方式無法滿足工況施工，須在聯(lián)絡(luò)通道位置采用混凝土導(dǎo)臺作為接收再始發(fā)托架以滿足設(shè)計(jì)曲線及坡度要求[4]，保障盾構(gòu)機(jī)安全可控的通過聯(lián)絡(luò)通道。

導(dǎo)臺采用C35鋼筋混凝土（早強(qiáng)）澆筑而成，鋼筋均為?16HRB400螺紋鋼（箍筋預(yù)埋入2#聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)底板30cm），鋼筋保護(hù)層厚度為4cm。導(dǎo)臺頂面每1.5m預(yù)埋一塊厚2cm的鋼板，平面尺寸為30cm×30cm，鋼板厚度為20mm，當(dāng)預(yù)埋鋼板時，需嚴(yán)格控制鋼板軸線和頂面標(biāo)高。導(dǎo)臺施工完成后定位安裝預(yù)先加工完成的導(dǎo)軌并進(jìn)行加固[5]，為盾構(gòu)接收做好準(zhǔn)備。導(dǎo)臺剖面如圖1所示。

4.4 負(fù)環(huán)管片加固

為滿足盾構(gòu)二次始發(fā)時所須反力要求[6]，在南疊區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)側(cè)墻施工的過程中，須提前預(yù)埋后期鋼支撐鋼板，預(yù)埋鋼板尺寸為300mm×300mm。當(dāng)后期盾構(gòu)通過時在管片上半部每環(huán)增加2個20#工字鋼進(jìn)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(fù)環(huán)采用鋼絲繩捆綁拉緊、洞內(nèi)采用槽鋼進(jìn)行縱向連接（在相應(yīng)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(huán)）。負(fù)環(huán)管片支撐加固如圖2所示。

4.5 盾構(gòu)機(jī)接收再始發(fā)

盾構(gòu)接收是指盾構(gòu)機(jī)在完成隧道掘進(jìn)任務(wù)后，將其從隧道中取出并結(jié)束施工的過程。盾構(gòu)機(jī)推出洞門前，須認(rèn)真檢查端頭加固情況、盾構(gòu)刀盤底部與接收導(dǎo)臺高差等情況，各項(xiàng)條件確認(rèn)到位后，將盾構(gòu)機(jī)推上接收基座。盾構(gòu)推進(jìn)過程中必須密切關(guān)注洞門地連墻和洞內(nèi)管片加固的情況，一旦出現(xiàn)變形等異常情況，應(yīng)及時停止推進(jìn)[7]。

在導(dǎo)臺導(dǎo)軌上涂抹黃油以減少摩擦阻力。當(dāng)盾構(gòu)在導(dǎo)臺上推進(jìn)時不轉(zhuǎn)動刀盤，直接往前頂進(jìn)。在推進(jìn)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(jìn)過程中禁止調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。

由于盾構(gòu)到達(dá)進(jìn)洞時推力較小，因此導(dǎo)致洞門附近的管片環(huán)與環(huán)間連接不夠緊密，須做好此段管片的螺栓緊固和復(fù)擰緊工作，防止管片松弛而影響密封防水效果[8]。盾構(gòu)機(jī)接收時穿越地連墻參數(shù)設(shè)置見表2。

在盾構(gòu)機(jī)通聯(lián)絡(luò)通道后進(jìn)行二次始發(fā)，并將磨穿地連墻時的土壓初步定為0.6MPa～1.0MPa（在實(shí)際施工中須根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整）。二次始發(fā)的重點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)防扭，在刀盤接觸地連墻約20cm開始旋轉(zhuǎn)刀盤，安排專人打開人倉門，在人閘內(nèi)觀察前方土體情況，采用小推力慢刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行推進(jìn)[9]。待盾體全部脫出2#聯(lián)絡(luò)通道后，逐步將土壓增至約1.5Pa，適當(dāng)增加推力，恢復(fù)正常掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)二次始發(fā)切削地連墻盾構(gòu)參數(shù)見表3。

5 結(jié)語

南疊區(qū)間盾構(gòu)機(jī)空推通過豎向聯(lián)絡(luò)通道施工過程中創(chuàng)造性地引入水泥黏土膏漿富水砂層加固技術(shù)，規(guī)避了常規(guī)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(yōu)化現(xiàn)澆導(dǎo)臺并將其作為接收再始發(fā)的平臺，能保證盾構(gòu)機(jī)在短距離二次始發(fā)過程中隧道軸線與設(shè)計(jì)相符，為盾構(gòu)機(jī)二次始發(fā)姿態(tài)控制提供了條件。在無反力架情況下盾構(gòu)機(jī)二次始發(fā)，可以有效避免負(fù)環(huán)管片扭轉(zhuǎn)、偏移。應(yīng)用上述幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)有效地縮短了工期，降低了施工成本。同時可為盾構(gòu)空推穿越狹小空間的施工提供借鑒。

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