地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)曲線始發(fā)與接收施工技術(shù)

周明軍

(中鐵十七局集團(tuán)，山西 太原 030006)

1 工程概況

武漢市地鐵二號線金漢區(qū)間漢口站北端頭盾構(gòu)進(jìn)出洞段為半徑350 m曲線，曲線平面圖見圖1。線路參數(shù)見表1。盾構(gòu)穿越地段為淤泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂。盾構(gòu)下部穿過承壓水層。盾構(gòu)進(jìn)洞方向加固長度6 m，出洞方向加固長度8 m。

圖1 漢口火車站北端頭井進(jìn)出洞曲線平面圖

表1 金漢區(qū)間曲線進(jìn)出洞線路參數(shù)

2 金漢區(qū)間盾構(gòu)曲線始發(fā)與接收難點(diǎn)

一般來說，地鐵隧道曲線半徑R＜300 m才被認(rèn)為是小曲線半徑，但曲線設(shè)置在盾構(gòu)進(jìn)出洞位置施工難度很大。存在的難點(diǎn)主要有:

1)隧道洞口設(shè)計軸線的控制

在曲線半徑較小隧道段，由于盾構(gòu)主體為直線，無法彎曲以與設(shè)計曲線擬合。隧道曲率越小，盾構(gòu)機(jī)主體的長度越大，隧道軸線的擬合難度越大。相應(yīng)地，盾構(gòu)推進(jìn)過程中的糾偏難度也就越大。這就需要施工時提前進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整以滿足軸線線形，另外，曲線段隧道推進(jìn)時，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的參數(shù)需要不斷調(diào)整，從而更加大了盾構(gòu)姿態(tài)及軸線控制的難度。

2)盾構(gòu)機(jī)在曲線半徑較小軸線上進(jìn)出洞施工控制

金漢區(qū)間線路進(jìn)入漢口火車站前進(jìn)入R=350 m曲線，盾構(gòu)機(jī)在車站端頭井內(nèi)的進(jìn)洞和出洞均在曲線上。盾構(gòu)在曲線半徑較小處進(jìn)洞，若盾構(gòu)姿態(tài)控制不好，就會造成盾構(gòu)進(jìn)洞困難甚至進(jìn)不了洞。若在盾構(gòu)出洞時姿態(tài)控制不好，盾構(gòu)一出洞就偏離設(shè)計線，將會造成隧道偏離設(shè)計中心線過大而改線，嚴(yán)重時甚至線路報廢。

盾構(gòu)井和盾構(gòu)進(jìn)出洞段全位于曲線半徑較小隧道段，由于始發(fā)場地的限制，盾構(gòu)的發(fā)射架、軌道、負(fù)環(huán)等無法布置成曲線，盾構(gòu)在始發(fā)或接收過程中只能按直線前進(jìn)，無法進(jìn)行糾偏調(diào)整，因此始發(fā)和接收線路、方向的選擇、后盾系統(tǒng)的布置是曲線半徑較小情況下進(jìn)出洞施工的關(guān)鍵。

3 盾構(gòu)機(jī)及管片的適用性評價

3.1 盾構(gòu)機(jī)適用性評價

本標(biāo)段使用的盾構(gòu)機(jī)在選型時設(shè)計為鉸接式盾構(gòu)，由于盾構(gòu)增加了鉸接部分，使盾構(gòu)切口至支撐環(huán)，支撐環(huán)至盾尾均形成活體，增加了盾構(gòu)的靈敏度，理論上可實(shí)現(xiàn)最小曲線半徑250 m的曲線掘進(jìn)，滿足R=350 m曲線施工需要。

1)盾尾間隙

本工程使用的盾構(gòu)機(jī)設(shè)計盾尾間隙為75 mm，可以滿足R=250 m時盾構(gòu)所需的最小盾尾間隙，滿足曲線始發(fā)要求。

2)計算盾構(gòu)鉸接油缸角度θ1和油缸行程差Δ

盾構(gòu)主體鉸接前體長度L=4.29 m，刀盤面板寬度為0.65 m，鉸接可調(diào)整角度按最大值20°來計算。

①計算最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin。Rmin=[(4.29+0.65)/2]/sin(1.50/2)=188.7 m;②在350 m曲線半徑軸線上，鉸接可調(diào)整角度 θ1=arcsin[(4.29+0.65)/(2×350)]=0.40;③盾構(gòu)一周鉸接油缸中心點(diǎn)形成的圓直徑為5 790 mm，水平橫向的鉸接油缸行程差Δ=2×5 790×sin0.40=80.8 mm。

本工程小松盾構(gòu)機(jī)的鉸接油缸最大伸長為134.6 mm，滿足要求。

3)超挖量DC計算

超挖量計算簡圖見圖2。

圖2 盾構(gòu)超挖量計算簡圖

①盾尾內(nèi)管片的傾斜量CT=Rf(1－cosθf)=350×(1－cos0.40)×1 000=8.53 mm，其中Rf為曲線半徑，θf為管片傾斜角度。

②盾構(gòu)機(jī)內(nèi)側(cè)曲線半徑Rs=R0－CT/2－D/2=350×1 000－8.53/2－6 280/2=346 855 mm。

在圖2中C點(diǎn)的坐標(biāo)(Xc，Yc)由圖中幾何關(guān)系經(jīng)計算為Xc=－1 327.98 mm，Yc=346 832.15 mm。

③OC與Y軸形成的轉(zhuǎn)彎角度=0.220。

盾構(gòu)機(jī)配備了超挖量為90 mm的超挖刀，滿足超挖要求。

3.2 管片適用性評價

管片設(shè)計為通用楔形管片，管片楔形量 δ=45 mm，管片外徑6 000 mm，管片環(huán)寬B=1 500 mm，利用這種管片最小可擬合半徑為R=225 m的曲線，但將產(chǎn)生通縫拼裝，當(dāng)拼裝點(diǎn)位選在8，9點(diǎn)與9，10點(diǎn)(拼裝點(diǎn)位可能因各施工單位的習(xí)慣不同有所差異)交替出現(xiàn)時，可擬合最小半徑為250 m，小于設(shè)計半徑，采用這種管片可滿足曲率要求。

4 始發(fā)線路計算

盾構(gòu)機(jī)在小曲線半徑段始發(fā)時應(yīng)該是刀盤中心和盾尾中心的連線在盾構(gòu)刀盤中心沿設(shè)計曲線的切線向前始發(fā)，隨曲率轉(zhuǎn)彎。由于受端頭井空間條件限制，盾構(gòu)機(jī)需先沿發(fā)射機(jī)直線前進(jìn)一段，盾尾脫離發(fā)射架后才能進(jìn)行糾偏。本工程小松盾構(gòu)機(jī)主體長9.6 m，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)切線始發(fā)示意

據(jù)圖3，盾構(gòu)機(jī)只能沿直線前進(jìn)9.6 m，在脫離了發(fā)射架后，才能根據(jù)自身千斤頂調(diào)節(jié)推進(jìn)方向。而此時，盾構(gòu)已經(jīng)偏離軸線138 mm，這個距離超出了施工規(guī)范要求(－50～+50 mm)，過大的偏離也不利于盾構(gòu)后階段的糾偏。所以，在曲線半徑較小段始發(fā)施工時，沿切線始發(fā)滿足不了施工要求，必須沿割線始發(fā)。以圖3為例，假如刀盤中心在隧道中心線上，那么以刀盤中心位置為圓心畫一個半徑9.6 m的圓，就能得到一個與隧道軸線的交點(diǎn)。這個交點(diǎn)的位置就是盾構(gòu)主體脫離發(fā)射架的位置，因此可以沿這條割線始發(fā)推進(jìn)，如圖4所示。

經(jīng)過計算，始發(fā)時隧道軸線處于R=350 m曲線半徑上，割線長度為9.6 m，割線與弧線間的最大偏差為33 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求，始發(fā)角度經(jīng)計算為87°24'55″。

圖4 盾構(gòu)割線始發(fā)示意

確定始發(fā)的割線推進(jìn)線路之后，再按照這個線路要求放置安裝發(fā)射架。

5 接收線路計算

延續(xù)曲線始發(fā)掘進(jìn)線路的設(shè)計思路，在盾構(gòu)曲線進(jìn)洞掘進(jìn)時，當(dāng)?shù)侗P靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，盾構(gòu)機(jī)已不具備糾偏條件，且此時必須取消全部鉸接，以整體直線進(jìn)洞方可保證順利上托架。從理論計算來說可按照曲線始發(fā)掘進(jìn)線路進(jìn)行掘進(jìn)，但因端頭加固影響，盾構(gòu)在進(jìn)入加固區(qū)后糾偏就已相當(dāng)困難，因此將直線掘進(jìn)區(qū)域向后退至加固區(qū)外側(cè)。按割線進(jìn)入，在盾構(gòu)機(jī)距端頭15.6 m位置后沿直線掘進(jìn)，經(jīng)計算，最大理論偏差87 mm，不滿足規(guī)范要求，如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)割線進(jìn)洞掘進(jìn)示意

因此必須選擇一條符合條件的割線，以圖5為基礎(chǔ)，將擬掘進(jìn)線路向偏差一側(cè)移動，形成一條和隧道中心相交的割線，如圖6所示。在端頭井外15.6 m處預(yù)設(shè)向右偏45 mm，在洞門處預(yù)設(shè)右偏45 mm，此時盾構(gòu)沿直線推進(jìn)后理論最大偏差41 mm，已是最大值，滿足規(guī)范要求，是可行的。經(jīng)計算，托架與端墻預(yù)設(shè)角度86°50'24″，在車站施工階段洞門鋼環(huán)安裝時將中心位置向右偏移45 mm。

圖6 盾構(gòu)割線掘進(jìn)優(yōu)化示意

6 盾構(gòu)曲線進(jìn)出洞施工關(guān)鍵技術(shù)

6.1 始發(fā)與接收盾構(gòu)基座設(shè)置

盾構(gòu)曲線始發(fā)時，尤其是小半徑曲線段始發(fā)時盾構(gòu)推進(jìn)反力的大小和方向都具有較大不確定性，負(fù)環(huán)管片和反力架能否穩(wěn)定可靠地將巨大的反力傳至地層是曲線始發(fā)能否成功的又一難點(diǎn)和關(guān)鍵。

在始發(fā)線路確定后，要精確定位始發(fā)發(fā)射架與反力架。與直線始發(fā)不同的是，在曲線始發(fā)時盾構(gòu)推進(jìn)反力與端頭井結(jié)構(gòu)呈一定角度，因此在加固時應(yīng)采取加強(qiáng)措施，可在端頭井中板環(huán)梁結(jié)構(gòu)、底板端頭井側(cè)壁植筋預(yù)埋鋼板，反力架支墩與鋼板焊接并加三角板防止側(cè)向位移，同時在發(fā)射架和反力架左右兩側(cè)設(shè)支撐，形成剛性固定。

6.2 始發(fā)階段姿態(tài)控制

1)始發(fā)姿態(tài)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時鉸接未開啟，其角度為0，盾構(gòu)機(jī)中軸線處于隧道設(shè)計軸線外側(cè)，即盾構(gòu)始發(fā)線路的延線上，盾構(gòu)始發(fā)坡度與隧道設(shè)計坡度相同，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，略高于設(shè)計高程。

2)盾構(gòu)主體脫離發(fā)射架前姿態(tài)控制

盾構(gòu)主體離開發(fā)射架，沿預(yù)定線路前進(jìn)，必要時可以對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，但絕不能多調(diào)。在刀盤進(jìn)入洞門加固體時，以慢速、勻速為推進(jìn)原則。經(jīng)計算，始發(fā)段土壓力設(shè)置為0.14 MPa，則推進(jìn)加固段時土壓力由0漸變至0.14 MPa左右。為了防止地面沉降過大，可以調(diào)整土壓力比計算值稍高一點(diǎn)，將土壓力逐漸加大到0.16 MPa。盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在5 mm/min以內(nèi)，刀盤的轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.5 r/min。

盾構(gòu)刀盤可以轉(zhuǎn)動后，開右邊超挖刀，超挖刀伸長量由0增加至25 cm，為盾構(gòu)脫離發(fā)射架后的糾偏預(yù)留余量。

3)盾構(gòu)主體脫離發(fā)射架后姿態(tài)控制

盾構(gòu)機(jī)主體脫離發(fā)射架后，就可以通過調(diào)整千斤頂推力進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，還可以用鉸接和超挖刀來配合調(diào)整姿態(tài)，以便盾構(gòu)可以盡快沿設(shè)計軸線推進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)在350 m的曲線半徑較小軸線段推進(jìn)時，刀盤應(yīng)向內(nèi)超出設(shè)計軸線20 mm左右。隧道30環(huán)之前的推進(jìn)，推進(jìn)速度最好慢速，控制在20～30 mm/min左右，刀盤轉(zhuǎn)速定在第2檔，即1 r/min以下，土壓力隨著推進(jìn)逐步穩(wěn)定在0.10～0.15 MPa。在此期間對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對推進(jìn)控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

6.3 注漿控制

同步注漿的作用是充填盾構(gòu)機(jī)殼體與管片外弧面間的空隙，以保證地面不會因超挖而沉降。注漿要對稱、均勻，否則會因管片周圍受力不均衡而引起隧道的變形、甚至使結(jié)構(gòu)受到不平衡壓力而破壞。

由于同步注漿采用雙液漿容易引起堵管，使得盾構(gòu)停機(jī)不能連續(xù)推進(jìn)，增大始發(fā)或接收施工中洞門的封堵風(fēng)險，所以，此階段的推進(jìn)中，同步注漿宜采用常規(guī)漿液，壁后補(bǔ)注漿則需采用雙液漿。因?yàn)殡p液漿是瞬凝型漿液，有早期強(qiáng)度高、填充均勻等特性，可以快速充填推進(jìn)或者糾偏引起的壁后空隙，防止地面沉降、隧道管片受外部壓力不均出現(xiàn)變形。

7 結(jié)語

盾構(gòu)曲線進(jìn)出洞施工風(fēng)險很大。金漢區(qū)間總共經(jīng)歷4次進(jìn)出洞，其中漢口站端兩次進(jìn)出洞均在半徑350 m曲線條件下進(jìn)行，本標(biāo)段能夠順利地完成多次進(jìn)出洞，說明了所制定的各項(xiàng)技術(shù)措施及實(shí)施方案合理可行。該施工控制思路及核心措施可為類似施工提供參考。

[1]郭藝真.淺覆土軟弱地層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)曲線始發(fā)技術(shù)[J].鐵道建筑，2013(2):49-51.

[2]包世波，張志宇，高超.基于特定參數(shù)下管片選型方法與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制措施[J].鐵道建筑，2011(9):44-46.