地铁隧道工程双区间盾构掘进与接收施工

练 翔

(中铁十八局集团 第四工程有限公司，天津 300350)

双区间盾构掘进是目前地铁隧道工程施工中常用的技术措施，可有效加快施工进度，尽快完成施工任务，缩短建设成本,但对施工技术和施工质量有很高的要求，不仅需要对盾构掘进过程进行精准把控，更要切实做好接收工作，以保证双区间盾构掘进的质量。就目前此项技术的应用现状而言，依然存在局限性，而且难度较大。基于不同地区地质水文条件差异明显，类似工程的成功经验无法全部借鉴，只能结合实际情况，选择有针对性的技术和措施，才能更好地保障施工质量。

1 工程概述

渌水道站—双港站区间右线设计起讫里程为DK35+513.487—DK37+080.640，区间长1 567.153 m；左线设计起讫里程为DK35+513.487—DK37+080.640，其中长链0.110 m，区间长1 567.263 m。本段区间出渌水道站后，沿微山路铺设，以R450 m曲线向左偏转，以R450 m曲线向右偏转，以半径600 m曲线向左偏转，到达双港站。本段区间左右线平行布置，线间距13.2～17.3 m，区间纵断面呈V形坡。本段采用盾构法施工，区间结构型式为圆形单洞单线隧道，下穿环美公寓临街商铺，侧穿环美公寓7#楼，过外环辅路、外环线，下穿外环河，下穿微山路桥，侧穿郭黄庄单层建筑群，过赤龙街，以及众多现状地下管线。盾构自双港站小里程端双线始发，渌水道站大里程端双线接收。渌水道站—双港站区间使用2台盾构机分别从双港站小里程端左右线始发，渌水道站大里程端左右线接收，本区间盾构机共2次下井2次吊出。渌水道站—双港站区间盾构示意图见图1。

图1 渌水道站—双港站盾构区间筹划示意图

2 双区间盾构施工的要点

在工程里程CK35+512.268—CK36+804.330之间穿越承压水层，在盾构掘进施工中，需要高度重视承压水对隧道掘进造成的影响，避免发生涌水而影响开挖面的稳定性，从而引发地面沉降、塌陷等安全问题。为解决不良地质条件造成的影响，要避免发生流砂、管涌等问题，首先要严格控制盾构土仓平衡压力。在施工地面隆起允许的前提下，可略微提升盾构机的正面平衡压力，促使盾构正面的土体能够形成挤压疏干效应，从而达到降低土仓内部土体的动水压力，避免螺旋输送机中的土体发生液化[1]。此外，在具体施工中还要严格按照土压平衡模式进行掘进控制，以最大限度保证土仓中的土压能够有效平衡水土压力，避免在刀盘位置形成负压区，致使地下水涌向刀盘。其次，要严格控制盾构机推进速度，最大的推进速度不能超过30 mm/min，以降低刀盘扭矩和推力，减少对周围土体造成的扰动，以保证盾构推进能够持续不断地进行，避免盾构长时间处于搁置状态[2]。最后，要严格控制盾构推进时的纠偏量，盾构姿态变化不能过大，每纵坡变化量不能超过0.2%，水平姿态纠偏量不能超过3 mm/环。

3 双区间盾构掘进技术在地铁隧道工程中的应用

3.1 盾构掘进参数和技术

在案例工程施工中，采取了土压平衡式盾构机，融合了先进的电子计算机系统，可有效控制刀盘的转速、推进的速度和前进的方向，同时将实际推进情况以及各种参数实时反映在计算机屏幕上，按照显示的数据，调整和优化施工方案，实现对盾构掘进的全过程与实时控制。始发基座采用钢结构形式，它是盾构机在工作井始发时坐落的基座，主要承受盾构机的重力与推进时盾构机产生的摩擦力和扭转力。图2为始发基座结构剖面图。始发基座分段下井、井下螺栓连接、调整始发基座梁及始发基座中线使其与盾构始发线路重合，距车站端头洞门钢环400 mm后固定其位置。根据始发基座安装高程与端头井底板高程差，对车站底板进行填充C30素混凝土或在基座底部垫型钢、钢轨。为防止盾构机出洞后“栽头”，始发基座整体比设计高程高出20 mm。始发基座在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩。在盾构始发之前，在精确测量定位后进行加固与支撑。在盾构掘进施工中，还涉及诸多技术参数计算。

图2 始发基座结构剖面图

3.1.1 始发基座稳定性计算

在盾构推进过程中，盾构自身形成的重力荷载由轨道承担，这就对盾构始发基座的稳定性有严格要求。本工程施工中，盾构总重量G为329 t，其中：盾构刀盘重量G1=62 t，长度L1=3.375 m；前盾总成重量G2=120 t，L2=2.1 m；中盾重量G3=110 t，长度L3=2.83 m；盾尾重量G4=37 t,长度L4=3.73 m。由上面盾体各部件的重量和长度，可知结构最不利位置在前盾总成，因此只需检算前盾总成下方的支撑架是否满足受力要求即可[3]。

将纵梁简化为等截面压杆模型进行计算：

(1)

式(1)中:Iz—纵梁在受力方向的惯性矩,m4；d—Q235钢板厚度，取0.03 m；l—纵梁与前盾接触长度，取2.1 m。由欧拉公式计算纵梁的临界力：

=9 327 kN

(2)

式(2)中：Fcr—纵梁的弯曲临界压力,kN；E—弹性模量，Q235钢的弹性模量一般取200 GPa；h—纵梁的有效高度，取0.5 m。荷载分项系数取1.2，动载系数取1.25，则盾构前盾总成下方每根钢轨荷载q：

(3)

假设钢轨荷载均匀分布传递到支承架纵梁，则纵梁荷载q=429 kN/m,则单根钢轨所受压力F：

F=ql=429×2.1=900.9 kN

(4)

F小于纵梁的临界压力，所以满足使用条件。

3.1.2 土仓压力的设定

基于土力学原理，当土质渗透系数较大时，正面水土压力的理论值采用水土分算：

P0=Pc+Pw=K0(γ′H+q)+rwH

(5)

式(5)中：Pc—土压力,kN；Pw—水压力,kN；rw—土的有效内摩擦角,°；H—盾构工作面中心处深度,m；γ′—土的有效重度,kN/m3；q—地面超载,kN。土质渗透系数较小时，土仓可以采用水土合算。

P0=K0γH

(6)

式(6)中：γ—土的饱和重度,kN/m3；K0—土的静止侧压力系数。

实际盾构推进过程中为了补偿后期的沉降，考虑到土仓压力的波动及衰减，以及为了弥补盾尾沉降损失造成的沉降，一般来说土压力的设定要稍高于理论土压力，但也不宜于过大，过大则使地层产生隆起变形。在地面控制良好的情况下，可以适当减小土仓压力，这样有利于掘进推力、掘进速度、刀盘扭矩的控制。

3.1.2 推进出土量控制

土压平衡式盾构是以切口环作为密闭土仓。盾构推进中切削后的土体进入密闭土仓，随着进土量增加建立一定的土压力，再通过螺旋输送机完成排土，而土仓压力值是通过出土量来控制的。因此，出土量的多少、快慢与设定的土压力值密切相关，可通过计算每环理论出土量与实际每环出土量相比较，判断出土量是否正常[4]。

每环理论出土量(1.5 m环宽)=π×(6.86/2)2×1.5=55.4 m3/环；

每环理论出土量(1.2 m环宽)=π×(6.86/2)2×1.2=44.4 m3/环；

实际出土量由于地下水作用及渣土松散，要比理论出渣量要大。

3.2 盾构掘进方向的控制和调整

在本工程中，盾构机采用了DDJ自动导向系统和人工测量辅助进行全过程的自动监测。该控制系统配置了先进的导向系统、自动定位系统、掘进程序软件和显示器等，可对盾构掘进全过程进行动态化控制，发现偏差及时纠正，以保证盾构始终在设计范围中运行。随着盾构机推进导向系统后视基准点的前移，为保证施工和精度，需要有专门的人工测量来精确定位。本工程每周至少进行两次人工测量，对自动导向系统的量测数据进行全面复核，保证盾构掘进时的位置与姿态等都满足设计要求[5]。一旦发现超过允许范围，要及时进行调整和纠偏。

3.3 小半径曲线施工

在进行小半径曲线施工中，可采取大楔形量的管片，能够很好地拟合小半径曲线，楔形量需要按照管片的种类、宽度、外径、曲线半径等合理确定[6]。但在具体施工中，容易受到管片配筋的制约，很多混凝土管片的楔型量通常小于75 mm。楔形量和管片外径之间的关系见表1。本工程施工区间400 m曲线段采用宽度1.2 m管片。

表1 楔形量和管片外径之间的关系表

针对小半径曲线上隧道纵向位移较大，在隧道开挖面后50～60 m范围，对管片设置加强肋以增强隧道纵向刚度，控制其纵向位移。盾构掘进过程中，管片在承受侧向压力后将向弧线外侧偏移[7]。为了使隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，在盾构掘进时应考虑给隧道预留一定的偏移量。

4 盾构接收技术应用要点

4.1 盾构第一次接收

隧道工程中钢筋混凝土破除完成，并清除完洞门范围中的残渣和泥土之后，应及时推进盾构施工。盾构到地连墙位置时，尽量不清除渣土，以保证盾构机推进的安全性。在盾构推进时，当刀盘脱出加固土体之后，前方没有土层，所以推进时没有出土，每推进1.5 m及时拼装管片，以缩短施工工序的循环时间[8]。洞圈封堵完成之后，及时利用管片吊装孔进行壁后填充注浆，工程注浆浆液的配合比为1∶1，注浆压力控制在0.2 MPa左右。隧道内注浆时要综合考虑浆液是否会沿着盾壳和管片之间的间隙流出，因此，在本工程盾构第一次接收时，在钢板上、下、左、右四个位置开设了注浆孔，在洞圈之外进行补压浆液。具体施工示意图见图3。

图3 盾构第一次接收示意图(mm)

4.2 盾构第二次接收

第二次接收可通过盾构机径向注浆孔和弧形板上注浆孔进行全面观察，在保证注浆效果的基础上，拆除弧形板，并及时跟进盾构掘进，直到盾构机完全推上接收托架[9]。如果在盾构第二次接收时，依然存在渗漏水现象，进壁之后需要及时开展壁后压注油溶性聚氨酯，遇水膨胀之后，形成止水塞，封闭隧道纵向渗水通道。而当最后一环脱离盾尾之后，对管片和钢环之间的缝隙上填充棉絮，并用木楔子进行固定，在管片预埋钢管和钢环之间焊接上弧形钢板，最后对到达段(10环)压注水泥-水玻璃双液浆[10]。为了释放空隙中的空气和水，同时在弧形钢板顶部、底部、两腰各安装1×φ50阀门(可用于注浆)，在压浆的同时将阀门打开进行泄压、泄水。本工程盾构第二次接收示意图见图4。

图4 盾构第二次接收示意图

5 结 语

在地铁隧道工程施工中，采取双区间盾构掘进施工技术，可有效提升施工速度，更好地保障施工质量。但双区间盾构掘进对技术标准的要求比较高，需要结合工程所在区域的地质水文条件选择针对性的双区间盾构掘进施工技术与施工参数，并做好常见地质灾害问题的防治工作，才能更好地保障施工质量。此外，盾构接收也是双区间盾构掘进的重点，需要进行二次盾构接收，以实现精确对接，保证施工安全，提升施工质量和效率。