地铁叠线隧道盾构机空推通过明挖竖向联络通道的关键技术研究

摘 要：为研究盾构机空推穿越狭小空间竖向联络通道关键技术，本文以佛山在建轨道三号线工程安全控制盾构机穿越狭小空间叠线联络通道工程为实例，研究了端头水泥黏土膏浆加固技术、中板支架体系设计、现浇导台接收再始发方式、负环加固方式优化以及洞门切削参数控制等一系列的施工关键技术。该施工案例成功解决了盾构空推穿越狭小空间竖向联络通道的难题，并在穿越过程中对盾构机的三道盾尾刷、刀具刀箱等进行维修更换工作，最大程度地保障了盾构机在后续砂层段掘进施工过程的安全。

关键词：叠线隧道；竖向联络通道；盾构空推；膏浆加固

中图分类号：U 455" " 文献标志码：A

城市轨道交通区间隧道在路由宽度受限的情况下通常考虑采用叠线敷设的设计方案，因此，联络通道须采用竖向布置，先于地铁隧道明挖法施工。盾构机空推技术能起到平稳开挖和质量稳定的作用，因此广泛应用在地铁特殊接应段工程。为研究盾构机空推穿越狭小空间竖向联络通道关键技术，本文根据佛山在建轨道三号线工程安全控制盾构机穿越狭小空间叠线联络通道工程实例，介绍了盾构机空推穿越狭小空间的一些关键技术，并在其中对涉及的力学性能进行阐述，以期为我国盾构类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

佛山市城市轨道交通三号线工程南海广场站～叠滘站区间（简称南叠区间）位于广东省佛山市南海区，盾构机从南海广场站出发，沿南海大道向北敷设，下穿南海建筑机械厂综合楼、广东省机床厂建筑群和丽雅苑球场下的地下室桩基，下穿桂南国际鞋材城商品住宅后逐渐在竖向拉开距离，变为叠线（左线在下，右线在上），并转为沿着海三路向西敷设，穿越2#竖向联络通道最终到达叠滘站。南叠区间2#竖向联络通道纵向长为12.6m，横向宽为8.6m，深为41m。区间叠线隧道在2#联络通道处竖向间距约为9m。该地层从上到下依次为杂填土层、淤泥质粉细沙层、粉细沙层、强风化碎屑岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩层和微风化泥质粉砂岩层。

2 方案选定

盾构机穿越南叠区间2#联络通道施工有两套方案可供选择。方案一为先回填再穿越，该方案施工顺序为竖井回填→左（下）线盾构机掘进通过→右（上）线盾构机掘进通过→再次开挖施做竖向联通通道中隔板；方案二为盾构机空推通过的施工方案，该方案施工顺序为联络通道大小里程端头加固→接收左（下）线盾构机→检修后二次始发→搭设支架施工中隔板→接收右（上）线盾构机→检修后二次始发。经过方案比选和专家论证认为方案一需要先填后挖，工期较长，成本更高，无法为已经出现明显问题的盾尾刷提供更换条件，决定选择方案二作为盾构穿越2#联络通道的最终施工方案。

3 盾构机空推作业分析

盾构机的空推作业是指在没有土层掘进的情况下，仅通过盾构机本身的推力将机身向前推进。分析空推作业需要考虑以下方面：盾构机的推力和稳定性、地质条件评估、施工工艺方案[1]。为保证盾构机能安全通过联络通道，需要提前对各风险因素进行分析，并采用以下施工方案。1）在盾构穿越2#联络通道位置上部，存在一个较厚的粉细沙层。如果端头加固区的止水效果达不到要求，并且在地连墙与墙外加固体间的缝隙处理不到位，那么会导致盾构破除地连墙洞门时，基坑内外的水力发生连通，从而引发涌水涌沙事故[2]。2）南叠区间2#联络通道是一个截面为12.6m×8.6m且深为41m的竖井结构，空间狭小，施工死角多，如果盾构接收、始发期间发生漏水和涌砂，应急处置困难，就增加了淹埋基坑事故发生的风险。3）南叠区间盾构机穿越2#联络通道处于曲线上坡段，普通的托架方案无法满足该处线性拟合需要。4）当接收右（上）线盾构机时须完成中隔板施工，但盾构机自重为350t，支撑体系设计不当会使盾构机接收时的荷载对中板形成破坏性裂缝[3]，影响后期运营使用。5）因为联络通道空间极小，无法采样始发反力架，当盾构机二次始发切削洞门地连墙时产生反力会直接作用在负环管片上，造成管片扭转、变形。

盾构机最大反力如公式（1）所示。

fa=f1+f2+f3=μ1G1+μ2G1+μ3（G+G2） " " "（1）

式中：f3为盾构机本身的纵向分力；f2为导台和盾构机后挂台车间产生的摩擦阻力；f1为周围环境和盾体间的摩擦力。这3种力共同构成了盾构机空推的反作用力。μ1为导台和盾体间存在的摩擦系数，根据实际情况，一般取值在0.4～0.45，μ2导台和配套台车间存在的静摩擦力系数，根据实际情况，取值约0.2。G1为盾体的实际质量，约370t；μ3为纵向分力的系数，主要影响因素为构机掘进坡度。该段盾构机通过矿山法的纵坡为-25‰，μ3=0.02499。以上计算是基于盾体与导台间摩阻系数为0.4～0.45的理想状态下，实际情况可能要复杂些，如果推进时千斤项推进过快或推力过大就会导致盾构机产生滑动。

4 空推穿越安全控制关键技术

4.1 端头水泥黏土膏浆加固

端头水泥黏土膏浆加固主要用于保证隧道端头部分的稳定性和提高强度。为保证盾构机穿越联络通道过程中的加固体有较好的止水效果，分别采用水泥黏土膏浆对联络通道大小里程端进行加固，加固范围为8m×10m，并保证加固体完全覆盖并适应通道的形状。梅花布置方式采用多个注浆孔，注浆孔间距为1m，使水泥黏土膏浆可以均匀地分布在加固体表面，保证整个加固面积的稳定性。按照分排、分序的加密原则，首先施工外排，其次施工内排，最后施工中排。注浆工艺要求为必须埋设孔口管，孔口管使用ϕ91mm的PVC套管，并采用0.5∶1浓浆进行灌铸。孔口管埋设后，待凝1d，再进行下一工序施工。注浆过程按照“自下而上分段、孔口封闭和孔内循环灌浆”原则进行施工管控。加固体28d强度须为1.5MPa～3.0MPa，渗系数为1～3×10-7cm/s。通过以往工程类似经验和现场试验配比灌注黏土水泥膏浆浆液，具体配比参数详见表1，但在实际灌注过程中，材料配比在浆液的流动度参数满足要求的前提下可适当调整。

4.2 支撑体系设计

支撑体系设计是保障结构安全和保证稳定性的关键因素。为保证上行线盾构机到达南叠2#联络通道时的结构受力满足要求，不会对中板产生破坏性裂缝影响后期运营安全，需要在联络通道左线范围内搭设盘扣架做为支撑体系。支撑方案设计采用立杆规格为60mm×3.2mm“Z”形立杆，按照纵横向间距0.6m×0.6m，立杆步距1m布置，另外采用长度为1.6m的斜拉杆，横纵向每隔3m设置一道。支架主梁为槽钢[10，次梁方木（100mm×100mm），整个支架体系与中板底部密贴紧实。当盾构机通过时须进行变形监测。

4.3 采用现浇导台接收再始发方式通过联络通道

现浇导台接收再始发方式是一种常用于盾构隧道施工的方法。导台是指在盾构机推进过程中支承和导向管片的结构。南叠区间盾构机穿越2#联络通道处于曲线上坡段穿越，传统托架接收再始发方式无法满足工况施工，须在联络通道位置采用混凝土导台作为接收再始发托架以满足设计曲线及坡度要求[4]，保障盾构机安全可控的通过联络通道。

导台采用C35钢筋混凝土（早强）浇筑而成，钢筋均为ϕ16HRB400螺纹钢（箍筋预埋入2#联络通道结构底板30cm），钢筋保护层厚度为4cm。导台顶面每1.5m预埋一块厚2cm的钢板，平面尺寸为30cm×30cm，钢板厚度为20mm，当预埋钢板时，需严格控制钢板轴线和顶面标高。导台施工完成后定位安装预先加工完成的导轨并进行加固[5]，为盾构接收做好准备。导台剖面如图1所示。

4.4 负环管片加固

为满足盾构二次始发时所须反力要求[6]，在南叠区间2#联络通道结构侧墙施工的过程中，须提前预埋后期钢支撑钢板，预埋钢板尺寸为300mm×300mm。当后期盾构通过时在管片上半部每环增加2个20#工字钢进行支撑，并将所有工字钢支撑采用水平撑链接固定形成整体，同时负环采用钢丝绳捆绑拉紧、洞内采用槽钢进行纵向连接（在相应的吊装孔上安装管片吊装头，并通过槽钢将上半部管片吊装头连接起来，使前后成为一个整体，连接范围为前后8环）。负环管片支撑加固如图2所示。

4.5 盾构机接收再始发

盾构接收是指盾构机在完成隧道掘进任务后，将其从隧道中取出并结束施工的过程。盾构机推出洞门前，须认真检查端头加固情况、盾构刀盘底部与接收导台高差等情况，各项条件确认到位后，将盾构机推上接收基座。盾构推进过程中必须密切关注洞门地连墙和洞内管片加固的情况，一旦出现变形等异常情况，应及时停止推进[7]。

在导台导轨上涂抹黄油以减少摩擦阻力。当盾构在导台上推进时不转动刀盘，直接往前顶进。在推进过程中安排专人在刀盘前方观察刀盘是否受到阻碍，保持左右两组千斤顶推力大小均衡，避免隧道轴线偏移，总推力为300N～500N，速度lt;10mm/min 。推进过程中禁止调整盾构机姿态。

由于盾构到达进洞时推力较小，因此导致洞门附近的管片环与环间连接不够紧密，须做好此段管片的螺栓紧固和复拧紧工作，防止管片松弛而影响密封防水效果[8]。盾构机接收时穿越地连墙参数设置见表2。

在盾构机通联络通道后进行二次始发，并将磨穿地连墙时的土压初步定为0.6MPa～1.0MPa（在实际施工中须根据情况适当调整）。二次始发的重点是盾构机防扭，在刀盘接触地连墙约20cm开始旋转刀盘，安排专人打开人仓门，在人闸内观察前方土体情况，采用小推力慢刀盘转速进行推进[9]。待盾体全部脱出2#联络通道后，逐步将土压增至约1.5Pa，适当增加推力，恢复正常掘进。盾构机二次始发切削地连墙盾构参数见表3。

5 结语

南叠区间盾构机空推通过竖向联络通道施工过程中创造性地引入水泥黏土膏浆富水砂层加固技术，规避了常规旋喷桩、搅拌桩端头加固安全性和可靠性不足等问题。通过优化现浇导台并将其作为接收再始发的平台，能保证盾构机在短距离二次始发过程中隧道轴线与设计相符，为盾构机二次始发姿态控制提供了条件。在无反力架情况下盾构机二次始发，可以有效避免负环管片扭转、偏移。应用上述几点关键技术有效地缩短了工期，降低了施工成本。同时可为盾构空推穿越狭小空间的施工提供借鉴。

参考文献

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[3]谢如良.盾构机空推过地铁暗挖隧道施工技术研究[J].低碳世界，2021，11（1）：2.

[4]刘斌俊.城市地铁盾构空推过暗挖隧道技术分析—以长沙地铁盾构施工为例[J].中外建筑，2019（9）：3.

[5]欧阳磊.盾构机过矿山隧道空推施工关键技术及控制措施[J].福建建材，2020（2）：4.

[6]梁聪，孙盼盼，燕晓，等.新建地铁隧道盾构下穿京杭大运河关键施工技术[J].施工技术，2020，49（4）：4.

[7]彭金陵.超深富水地层地铁站明挖段关键防水技术研究[J].中国建筑防水，2022（5）：40-45.

[8]李智，郝云峰，王霞，等.明挖城市地下道路外部竖向疏散通道对隧道内人员疏散的影响分析[J].特种结构，2022，39（1）：6.

[9]崔金汉.城市地铁盾构联络通道建造关键技术及应用[J].土木工程，2022，11（4）：8.