城市地铁联络通道盾构法建造关键技术及应用

程永龙，叶 蕾，张付林，王小涛，夏汉庸

（1.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016；2.宁波轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315000）

随着城镇化不断推进，城市人口持续增长，城市地面空间日益匮乏，开发地下空间、实现城市功能需求已成城市发展的新方向。各类地下空间结构的连接通道建设需求不断上升。以轨道交通为例，在城市轨道交通建设中，单线区间隧道连贯长度大于600m 时，必须设联络通道用作消防疏散[1]，加上公路隧道联络通道、综合管廊出线井、深隧排水通道等地下工程，联络通道的建设体量十分庞大。

在软土地层城市地铁联络通道建设中，为了保证施工安全，多采用冷冻或水平注浆作为加固方法，矿山法进行暗挖施工。X.D.Hu 等[2]和Fang Y.S[3]研究了传统工法面临的挑战和安全保障措施，刘军等[4]应用数值模拟计算方法研究了盾构管片力学行为。冷冻法虽取得广泛应用，但由于加固工艺的局限性，不仅工期长、成本高，且冻融沉降不易控制，存在一定的质量风险。为了解决上述技术难题，上海隧道股份在南京地铁盾构区间联络通道实施了网格式积压顶管的施工[5]，欧洲和香港相继在大直径隧道项目开展了顶管法施工联络通道的工程探索[6～7]，而在城市地铁中使用盾构法修建联络通道未见相关研究报告。

本文依托宁波城市轨道交通地铁隧道联络通道项目，介绍了城市轨道交通狭小空间内盾构法联络通道的关键技术和应用情况，为软土地层城市地铁联络通道以及其他旁出工程施工提供了一个新的技术参考。

1 工程概况及施工难点

该城市轨道交通工程鄞南区间范围内均为第四纪松散沉积物，地质时代为第四纪全新世Q43～上更新世Q31，属第四系滨海平原沉积层，主要由饱和黏性土、粉性土以及砂土组成。盾构法联络通道项目位于盾构隧道区间YCK8+330.000 处，地面为公园绿地，联络通道埋深17.803m，两隧道中心距离17.4m。根据地勘资料，联络通道主要穿越地层为②2b 层灰色淤泥质黏土、③2 层灰色粉质黏土、④1 层灰色淤泥质粉质黏土及④2 层灰色黏土（图1）。

图1 工程地面条件及地质状况

轨道交通主隧道采用外径∅6 200mm、内径∅5 500mm 管片，双线隧道之间设置联络通道用于紧急情况下人员的疏散逃生。为了便于盾构施工，联络通道采用圆形可拼装式管片实现衬砌，管片内部空间用于消防疏散。联络通道管片直径越大，内部空间越大，对消防疏散越有利；但联络通道直径越大，主隧道横向可利用的施工空间越有限，盾构法施工时能布置的主机长度越短，设备集成难度越大。综合考虑疏散空间和主机布置空间两方面的需求，管片规格确定为外径∅3 150mm、内径∅2 650mm、环宽∅550mm，成型通道可实现1 400mm×2 050mm 的消防空间，成型联络通道结构如图2 所示。

图2 联络通道结构设计

传统工法联络通道洞门采用钢管片洞门，地层加固完成后拆除联络通道位置洞门管片进入施工。盾构法为了减少加固时间和成本的投入，联络通道位置洞门管片采用环宽1 500mm 的钢砼结合的复合式管片，6 块复合管片拼装成盾构始发和接收的洞门，洞门开挖区域为玻璃纤维筋混凝土结构，施工时盾构刀盘可直接切削通过，洞门周边区域为钢管片（图3、图4）。

图3 联络通道洞门管片设计

图4 玻璃纤维筋复合管片

在富水软弱地层中，主隧道和联络通道的特殊设计，为机械法进行联络通道的施工提供了基础，对于联络通道的施工的设备的选择，盾构与顶管均为可行方案。对比盾构和顶管的工作原理及施工过程，采用盾构法和顶管法进行联络通道施工各有优劣，如表1 所示。

表1 盾构法与顶管法优缺点

盾构法在技术拓展性上优于顶管法，可推广至各类支线管廊工程，是对T 接隧道技术的重要技术探索，因此本工程采用盾构法进行施工。但基于城市轨道交通隧道狭小的施工空间，联络通道掘进机必须解决以下难题：①高强度弧形混凝土管片切削技术；②狭小空间内始发和接收技术；③主隧道管片的稳定支护技术。

2 联络通道用盾构关键技术

联络通道用盾构需从既有城市轨道交通隧道内始发和接收，且集开挖、出渣、支护等功能于一体，对联络通道盾构集成度要求非常高。考虑联络通道掘进机洞内运输及施工配套需求将整机进行集成设计，整机包含主机、后配套系统及一些辅助施工系统，结构如图5 所示。始发端设计设备掘进所需的配套系统及始发台车，接收端设计设备接收所需的配套系统，整机技术指标如表2 所示。

图5 联络通道掘进机整机结构

表2 技术指标

2.1 适应高强度弧形混凝土管片切削的刀盘系统

盾构法联络通道施工技术是在微加固或者不加固条件下进行，始发接收时洞门管片由盾构刀盘直接切削破除。由于管片为弧形高强度玻璃纤维筋混凝土结构，且进出洞时弧度相反，需要对刀盘和刀具进行特殊设计。

如图6 所示，不同于常规盾构刀盘，联络通道掘进机刀盘采用锥形结构设计，锥度与主隧道管片内径相仿，始发时中心刀具先行接触掌子面进行切削，随着主机向前掘进，切削轨迹由中心向周边不断拓展，在始发阶段主机缺乏土体包裹的状态下能够有效降低主机的振动，有利于始发姿态的控制。而接收端管片弧度与刀盘锥度相反，为了避免接收时主机姿态发生偏转，中心刀具采用反向锥形设计，锥度与接收端管片外径相仿，保证主机接收姿态的稳定。

图6 锥形刀盘及中心刀设计

联络通道刀盘在满足整体刚度和结构强度的前提下，设计较大开口率，既能够满足高强度混凝土的切削需求，又能保证软土地层渣土流动性。刀具的配置可根据地层选择滚刀或者撕裂刀。为了验证锥形刀盘破除管片的能力，进行了足尺模拟试验，试验结果表明，锥形刀盘的设计对主机姿态的稳定有十分积极的作用，满足洞门管片的切削需求。后续的施工经验也表明，滚刀破除管片的效率大于撕裂刀，且需要的切削扭矩大大降低。锥形刀盘模拟试验切削效果如图7 所示。

图7 锥形刀盘模拟试验切削效果

2.2 狭小空间内始发接收密封系统

联络通道盾构始发或接收破除洞门后，洞门密封必须保证能够抵抗地下水压力，否则地下水将夹杂地层中的砂土漏出，导致地层流失，造成地面塌方等事故。因此，富水软弱地层中进行联络通道施工始发与接收端头的密封设计是项目成功的重要保障。

本项目采用半套筒始发（图8）和全套筒接收（图9）技术，即在始发及接收洞门外，采用特制钢套筒与洞门钢管片连接。始发套筒内设置多道钢丝密封刷与主机盾壳形成封闭的压力腔。接收套筒采用全封闭的结构，盾构到达前对接收套筒进行介质填充，保持压力平衡。联络通道掘进完成，盾构到达指定接收位置时，对洞门进行注浆止水，确保安全后，断开洞门套筒连接，便可进行拆机撤场。

图8 始发半套筒

图9 接收全套筒

2.3 移动式管片预应力支撑系统

盾构法联络通道施工掘进过程中，主隧道管片结构是盾构掘进发力的主要受力体之一，其受力机理复杂，涉及设备-结构-地层多体系相互作用，且刀盘切削主隧道洞门管片，主隧道原有受力体系会被削弱。在整个联络通道的施工过程中，管片内应力分布特征随着施工工序的变化发生着动态调整，直至联络通道建成才能构建新的结构受理体系。为了避免联络通道施工过程中主隧道发生过大的变形，实现盾构推力进行合理分配，同时强化主隧道的内部的支护，设计了移动式管片预应力支撑系统（图10）。支撑系统由两部分组成。

图10 移动式管片预应力支撑系统

1）安装有行走机构的台车，用于放置主机和辅助施工装备，能够在机车的牵引下实现设备的快速移动。

2）用于隧道保护的支撑环，支撑系统采用液压伺服控制，能够实时监控隧道变形及支撑压力的变化，确保主隧道的安全稳定。

除上述3 项关键技术以外，本项目还针对性的设计了狭小空间管片半自动拼装技术[7]、主机姿态调整及导向技术、数字化施工管控技术[8]及联络通道接头处理技术等，相关细节已在其他文章中发表，本文不再详述。

3 工程应用情况

首个联络通道工程盾构施工用时18 天，大致可分为3 个阶段：始发端管片切削阶段、土层掘进阶段和接收端管片切削阶段。在始发和接收时，高强度管片的切削给设备带来了较大挑战，平均切削扭矩300～350kNm，推进速度缓慢。进入地层后，扭矩降低，推进速度大幅提升，最高日掘进4 环，日进度如图11 所示。掘进速度、推力、扭矩等参数如图12 所示。

图11 首个联络通道工程日进度

图12 土层中掘进参数时程曲线

联络通道施工过程中在地面影响区域范围及始发、接收主隧道管片布置多个监测点进行监测，结果显示，地表最大沉降约22mm，横剖面沉降槽宽度约60m，始发、接收主隧道管片不同状态下收敛变形量均控制在4mm 以内，施工效果整体符合预期，联络通道建成效果如图13 所示。

图13 联络通道建成效果

4 结语

面对地下空间开发不断向空间化、网络化方向发展的趋势，联络通道机械化施工的需求不断提升。本文结合某城市轨道交通联络通道工程，提出了一种以“微加固、可切削、严密封、强支护”为基本特征的联络通道施工工法，并介绍了锥形切削刀盘、始发接收套筒、移动式预应力支撑系统等关键技术，工程应用效果符合预期，提高了联络通道施工的机械化水平，保障了施工人员的安全。随着工艺的不断优化，施工时间正在逐渐缩短，目前可在一周左右完成一条联络通道的掘进，极大地缩短城市轨道交通的建设周期。该工法在城市地铁联络通道工程的工程应用为其在诸如污水、电力、信息管网等众多“T 接”地下工程的应用积累了经验，给地下空间开发提供了一种新的技术选项。