淺談盾構法隧道下穿錨索區域施工的探索及應用

張帆

摘要：在城市市政隧道施工過程中經常會遇到下穿錨索區域的情況，本文以北京地鐵16號線某工程為例對盾構下穿錨索區域進行一次嘗試實踐證明通過施工過程對參數的控制完全能夠解決盾構被纏繞卡死等現象的發生，從而有效的節省施工成本和降低工期。

關鍵詞：成本節約；錨索區；盾構卡機

1工程概況

北京地鐵16號線工程某區間采用盾構法施工。成型隧道外徑6.0米、內徑5.4米采用預制混凝土管片襯砌，設備采用中鐵裝備φ6280mm土壓平衡盾構機。接收端頭基坑深度約16m，由于接收位置車站擴大端跨距較長，支護采用地下連續墻+錨索的形式。錨索采用1×7標準型鋼絞線，公稱直徑15.2mm（Fpyk=1860MPa），錨索水平間距1.5m，豎向設置6道，水平向下呈15°傾斜打入。基坑支護錨索侵入我區間隧道最大長度約29.5m，其中第二道錨索侵入6.3米（錨固段）、第三道錨索侵入17.5米（錨固段）、第四道錨索侵入25.2米（8米自由段+17.2米錨固段）、第五道錨索侵入13.6米（自由段）、第六道錨索侵入2米（自由段），參加下圖所示。

錨索與區間位置關系縱剖圖 錨索與隧道結構橫斷面圖

該段區域地質從上往下以此為1.2-2米的人工回填土其余以下部分均為粉土和粉質粘土層。隧道中間區域部分含有少量的粉細砂夾層。在接收段端頭沿隧道方向9米方向，隧道邊緣各3米范圍采用旋噴樁進行加固，加固后的土層經檢測自立性、均勻性良好，其無側限抗壓強度≥0.8Mpa，加固滲透系數要求小于1×10-6cm/sec。

2施工方案對比

在考慮到錨索鋼絞線可能在盾構機掘進過程中用于鋼絞線具有較大的抗拉能力，刀盤可能會被其鋼絞線進行纏繞，導致盾構機卡機等風險。在施工前初步考慮的實施方案有三種：

（1）通過現有鋼絞線和錨索施工等參數計算錨索破壞的所需要力與盾構機刀盤能夠提供的最大扭矩對比看能否滿足；

（2）通過地面開孔進行人工挖孔樁施工對其侵限區域鋼絞線的的處理；

（3）通過接收端東門位置進行暗挖，盾構在暗挖區間內進行接收，然后空退出洞。

三種方案施工的主要經濟指標和難易程度對比如下（均按照單個隧道考慮）：

方案一：①按照每天掘進平均10米計算，該段施工需要3天；②主要人工工資按照每班20人，人均150元/天，累計花費3萬元；③施工僅需要控制好掘進參數即可，同時做好地面沉降監測即可。

方案二：①按照四個直徑2米的孔樁設計，單孔每天進尺1米，2孔同時作業跳孔施工，需要30天。②采用C20混凝土護壁，厚度10cm累計，累計需用3.14*（0.6*0.6-0.5*0.5）*15*4=20.7m？，240，元/m？，人工費：150*8*30=3.6萬元，累計花費：4.10萬元；③需要地面具有施工條件，周邊不得有高達建筑物地下不得有管線，對環境要求較高，該工程處于城市主干道施工風險難度較大。

方案三：①按照每天進尺1米，同時考慮上下臺階布距。累計約35天；②借鑒該工程暗挖隧道的分包價2.4萬元/m計算（含所有材料人工）合計72萬元；③施工相對容易，但施工周期較長，施工過程需要對周邊建筑物管線進行密切監視。

通過三種方案的對比，由于該工程屬于地鐵工程地處城市主干道下方市政管線較多，道路兩側均有高達建筑物因此方案二實施難度較大，風險相對較高。

在方案一與方案三對比均能夠滿足施工條件，但在工期和成本上方案三明顯優勢不足。因此，方案一只要論證滿足施工條件則是最佳優選方案。

3理論驗證

由于鋼絞線的極限破壞拉力F=1860Mpa，在刀盤的切削作用下保證錨固端頭固定，提供刀盤扭矩的力能夠大于鋼絞線自身最大拉力即可，那么鋼絞線最小極限破壞拉力理論如下：

F=3.14*（15.2/2）2=337.5KN

該設備刀盤的開口半徑為6280mm，對應刀盤破壞鋼絞線需要的最小扭矩值為：

T=3375*（6.28/2）=1.06*103KN.m

常規土壓平衡盾構機的刀盤脫困扭矩至少在5000KN.m遠遠大于理論計算，理論滿足要求。

考慮到現場施工條件，盾構機在推進過程中采用土壓平衡模式進行隧道掘進保證掌子面的土壓穩定，通過盾構前期試驗段的掘進參數結合理論計算初步選定以下施工參數作為穿越該區域的掘進參數，具體如下表所示。

施工掘進的主要參數控制在于土倉壓力和渣土排出量的監測，其余參數與設備掘進速度相匹配即可，確保設備正常運轉。掘進過程通過正反轉刀盤和螺旋機來避免設備被鋼絞線纏繞被困，同時考慮到施工過程中若刀盤被纏繞則通過開倉通過人工割除的方式解決。

3現場驗證

在現場施工中主要采取的施工措施如下：

（1）在第一臺盾構到達該區域之前對設備進行全面的檢修，特別對刀盤的道具進行一次全面的檢查維修，設備處于最佳性能狀態。同時，對錨索錨固端進行檢查確保穩固。

（2）對現場所有的作業人員進行全面技術交底，明確該段施工的作業要點和注意事項，同時安排測量人員對地表沉降和構筑物進行嚴密監測；

（3）當班施工嚴密監視渣土口出渣情況和檢查渣土中的鋼絞線情況；

（4）在該段施工過程的實際掘進參數如下所示：

現場在掘進施工過程中地面監測數據正常，未出現沉降預警情況，在掘進過程中渣土出土順暢也未出現有刀盤扭矩突然增大等現象。在該區域的渣土中未發現明顯鋼絞線，在盾構機拆機過程也為發現有鋼絞線纏繞刀盤和螺旋機等現象。

通過實際掘進的參數對比，出現場除實際掘進速度和刀盤扭矩稍比理論設定的掘進參數要高以外其余參數基本一致，在第二條隧道穿越過程中也為出現任何異常均順利出洞。同種方法在長沙地鐵4號線某地鐵區間也同樣得到了驗證。

3結束語

通過對該工程盾構下穿錨索區域施工的一次嘗試，事實證明通過盾構機的自身參數控制是能夠將進行順利穿越，在今后的施工過程中我們還可以嘗試將從錨索設計成為可以拆卸式錨索等方向進行更深一步的探索研究。