大直徑盾構始發洞門處理新技術

孫太石 陳世明

（西安市地下鐵道有限公司，710018，西安∥第一作者，高級工程師）

1 工程概況

北京鐵路地下直徑線ZJX－2標工程全長6 282m，其中盾構區間長5 227m。全線共設4座施工豎井，位于DK6＋795.6的4#井為盾構始發井。盾構隧道采用φ11.97m泥水平衡盾構施工。盾構隧道管片內徑為10.5m，管片外徑為11.6m。

盾構始發井深31m，形狀為17m×15m（設計凈空尺寸）的矩形，圍護結構為1 000mm厚地下連續墻，內襯為1 000mm厚的鋼筋混凝土。

2 工程地質水文條件

根據地質勘探情況分析，盾構始發井所處地層自上而下可分為人工堆積層、第四紀全新統沖洪積層和第四紀晚更新統沖洪積層等三大類。其中，人工堆積層為素填土、雜填土，埋深在0～4.85m；第四紀全新統沖洪積層為細砂、圓礫、卵石，埋深在4.85～14.7m；第四紀晚更新統沖洪積層為卵石、圓礫、細砂、卵礫石等，埋深在14.7～40.0m。隧道斷面主要為卵石土。具體地質情況見圖1。

圖1 地質橫斷面圖

本地質段主要是孔隙潛水，水位標高為＋21.3～＋21.7（水位埋深為23.13～24.31m）。含水層主要為卵石層、圓礫層及其所夾砂層。涌水量為37 200m3／d。

3 傳統施工技術介紹

盾構破除洞門和端頭地層加固是保證盾構始發的關鍵。傳統方法是：在做始發豎井的地下連續墻維護結構時，始發洞門處的連續墻不做特殊處理，鋼筋籠仍采用普通鋼筋，混凝土的選擇也可不做特殊要求；盾構始發時人工分區分塊破除洞門混凝土。人工破除洞門混凝土時一般分區分塊進行，邊破除混凝土邊割除鋼筋籠，并及時噴射纖維混凝土作為臨時堵頭墻，保持連續墻外側土體的穩定。洞門混凝土破除采用人工開鑿的方法，不僅作業環境極其艱苦，同時由于墻體的開鑿破壞及土體的暴露，易出現土體塌方，危險性較大（特別是大深度情形下）。

4 NOMST工法

4.1 NOMST工法概述

NOMST （Novel Material Shield—cuttable Tunnel—Wall System），即盾構直接掘削新型材料墻體的方式。把盾構機要穿過的擋土墻上的相應部位用NOMST材料（多指NOMST的型材或現澆）制作，使通常的盾構機的切削刀具可直接切削該NOMST，實現盾構機直接進、出洞的施工方法稱之為NOMST工法。

本工程盾構始發破除洞門采用NOMST工法。始發豎井地下連續墻開洞處的鋼筋籠全部采用玻璃纖維筋，混凝土采用以石灰石為粗骨料的細石混凝土，抗壓強度為C20等級。盾構始發時利用盾構機刀盤直接切削連續墻一次性進洞。由于盾構直徑較大（直徑為11.97m），側土壓力很大，而玻璃纖維筋與普通鋼筋接頭處抗拉強度較低，只有普通鋼筋抗拉強度的10%，為此，在始發端頭區施做2排素混凝土樁，以保證始發豎井開挖的安全性。

4.2 混凝土粗骨料選擇

混凝土的可掘削性和強度完全取決于粗骨料和加強筋的性能（材質和尺寸）。以天然砂石為粗骨材的混凝土，其強度一般均大于40MPa，通常的盾構刀具是無法直接掘削的。因此，必須尋找新的可掘削性的粗骨材，但又不能使混凝土的強度下降得過多。根據刀具磨損的實踐經驗及相關科研的調研，盾構開挖巖層，刀具磨損主要受巖石石英含量的影響。由于盾構切削混凝土時的進刀量主要受混凝土的粗骨料的影響，因此可選擇同水泥化學成分類似的石灰石材料做骨料。石灰石壓碎指標值明顯偏低，且該粗骨料混凝土結構性能單一，對增大進刀量及減小刀具磨損都很有利。從掘削性和價格方面考慮，選擇石灰石做粗骨料較為恰當。

4.3 加強筋選擇

通常混凝土中的加強筋為鋼筋。顯然，盾構的刀具無法掘削鋼筋，故必須尋求新的材料制作加強筋。新的加強筋必須是盾構刀具易于掘斷的材料。使用新的加強筋時，應保證混凝土結構的剛性、抗壓強度、黏接強度等物理特性。由試驗比較發現，炭素纖維筋和玻璃纖維筋的強度及掘削性均較好，是兩者兼顧的加強筋材。由于碳素纖維筋的價格遠高于玻璃纖維筋，因此本工程選擇玻璃纖維筋替代洞口連續墻的普通鋼筋。玻璃纖維筋的力學性能指標見表1。

表1 玻璃纖維筋的力學性能指標

5 盾構始發洞門處地下連續墻施工技術

5.1 總體施工方案

地下連續墻深41m，厚1m。盾構開洞口范圍內有3幅（總寬12.6m）地下連續墻。連續墻開洞處鋼筋籠全部采用玻璃纖維筋（開挖輪廓線左右各0.3m，上下各1.5m范圍內）。每幅槽孔的鋼筋籠均分為上、中、下三節加工，分節下放鋼筋籠，接頭處采用“U”型卡連接牢固。用泥漿下直升導管法澆筑混凝土，洞口上下各3m范圍內全部采用以石灰石為粗骨料的細石混凝土，且混凝土強度等級為C20，其余范圍采用C30混凝土。

5.2 槽孔開挖

地下連續墻槽孔開挖采用旋挖鉆機配合液壓抓斗成槽。

5.3 鋼筋籠加工

地下連續墻鋼筋籠長41m。鋼筋籠分三節加工吊裝。底部一節為普通鋼筋籠，長11.545m；洞門部分采用玻璃纖維筋籠，長16.97m；洞門頂部一節為普通鋼筋籠，長16.485m。鋼筋籠主筋接頭均搭接1m。玻璃纖維主筋和普通鋼筋主筋之間采用“U”型卡連接，玻璃纖維箍筋之間采用細鐵絲綁扎。玻璃纖維筋籠配筋如圖2所示。

圖2 玻璃纖維筋籠配筋圖

5.4 鋼筋籠吊裝

由于碳素纖維鋼筋的抗剪切強度很低，故鋼筋籠屬于柔性結構。在起吊之前，必須在鋼筋籠內外兩側安裝“井”字型鋼管骨架進行加固，防止吊裝過程中玻璃纖維筋受剪切斷裂。加固使用的鋼架在鋼筋籠下放過程中逐步拆除。鋼筋籠加固如圖3所示。

圖3 盾構開洞段鋼筋籠加固示意圖

如果在起吊過程中發生吊點脫落或加固鋼架變形致使起吊無法繼續時，必須將鋼筋籠放回平臺，重新加固后再繼續起吊。鋼筋籠吊裝見圖4所示。

圖4 盾構開洞處鋼筋籠吊裝

5.5 混凝土澆筑

混凝土采用泥漿下直升導管法澆筑。混凝土塌落度控制在220mm，并優化配合比，保證混凝土的擴散度。必須控制好C30和C20兩種強度混凝土界面的高度。

6 始發端頭處理措施

由于玻璃纖維筋與普通鋼筋接頭處抗拉力強度較低，只有普通鋼筋抗拉強度的10%，而在始發洞門處的地下連續墻采用C20混凝土，因此，為保證4號豎井開挖的安全性，在始發洞門前端施做2排素樁。素樁長34.62m（豎井開挖深度為31.62m），樁徑為1.0m，樁間距為2.0m，成梅花型布置，共計19根素樁（見圖5）。素樁采用M10砂漿灌注。

7 結語

盾構始發洞門破除是保證盾構始發順利進行的重要措施。針對北京卵石土地層，本工程采用盾構直接掘削玻璃纖維筋連續墻的方式，縮短了盾構始發工期，提高了盾構始發的安全性，也為類似工程采用新工藝新材料提供了寶貴的施工經驗。

圖5 端頭加固區素混凝土樁平面布置圖

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