常用盾構(gòu)土中接收施工工藝適用性分析

王傳富

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

1 概況

目前，隨著城市地鐵隧道及公路隧道發(fā)展速度的加快，盾構(gòu)施工遇到的土層和環(huán)境條件也越來越復(fù)雜，且隨著隧道長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，盾構(gòu)隧道的埋深也向著不斷加深的趨勢(shì)發(fā)展。目前越來越多的盾構(gòu)進(jìn)出洞的土層涉及承壓含水層，在水動(dòng)力的作用下，盾構(gòu)的進(jìn)出洞施工容易引發(fā)透水事故。在針對(duì)盾構(gòu)進(jìn)洞的風(fēng)險(xiǎn)控制工藝上，通常采用明洞接收及鋼套筒接收等土中盾構(gòu)進(jìn)洞施工工藝，來控制盾構(gòu)的進(jìn)洞風(fēng)險(xiǎn)。

本文就明洞接收與鋼套筒接收這2種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析比較，試探索今后施工的合適應(yīng)用范圍。

2 鋼套筒接收工藝

接收鋼套筒是一端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)鋼套筒由1個(gè)過渡連接環(huán)、4個(gè)筒體（具體視盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度及端頭井尺寸設(shè)定）、1個(gè)后蓋板、3根后靠以及左、右工字鋼支撐等組成（圖1）。

圖1 鋼套筒盾構(gòu)接收布置示意

鋼套筒需根據(jù)盾構(gòu)接收洞圈尺寸、法蘭孔位置、端頭井尺寸，提前在工廠內(nèi)加工完成，于盾構(gòu)接收前在端頭井內(nèi)進(jìn)行組裝，各部件之間采用螺栓進(jìn)行連接。筒體各部件之間密封采用橡膠密封墊，并且筒體連接前在內(nèi)壁上涂抹快速水泥，起到內(nèi)側(cè)密封作用。鋼套筒組裝完成后，需通過氣壓、水壓等方式進(jìn)行密封性檢查，檢查焊接位置、螺栓連接位置的密封性是否達(dá)到要求。施工人員于安裝完成后在鋼套筒內(nèi)進(jìn)行洞門鑿除工作，完成混凝土鑿除和外排鋼筋割除后，通過預(yù)留孔向鋼套筒內(nèi)進(jìn)行填料，并實(shí)施盾構(gòu)進(jìn)洞。最后拆除鋼套筒，盾構(gòu)機(jī)吊裝退場(chǎng)。

3 明洞接收工藝

明洞結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，利用端頭井一側(cè)內(nèi)襯墻，再施作兩面?zhèn)葔Α?塊頂板，形成1個(gè)封閉的鋼筋混凝土箱體，頂部預(yù)留2個(gè)預(yù)留孔，作為施工人員進(jìn)出通道、凍結(jié)管排管通道及內(nèi)部填充的澆筑窗口（圖2、圖3）。明洞結(jié)構(gòu)墻體、頂板的厚度及配筋需滿足盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞的推力要求。明洞結(jié)構(gòu)需在盾構(gòu)進(jìn)洞前施工完成，墻體、頂板與車站結(jié)構(gòu)連接位置，應(yīng)在車站結(jié)構(gòu)施工時(shí)預(yù)留接駁器，若接駁器失效，也可采用植筋形式進(jìn)行鋼筋連接。

圖2 明洞結(jié)構(gòu)布置立面示意

圖3 明洞結(jié)構(gòu)布置剖面示意

施工人員在明洞結(jié)構(gòu)施工完成后，于明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行洞門鑿除，鑿除下來的混凝土碎塊可直接堆放在明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)，作為明洞內(nèi)砂漿回填墊層，防止盾構(gòu)機(jī)接收時(shí)出現(xiàn)磕頭現(xiàn)象。明洞內(nèi)可填充砂漿或泡沫混凝土，填充完畢后將頂部預(yù)留孔封閉，實(shí)施盾構(gòu)進(jìn)洞施工。待盾構(gòu)機(jī)完全推進(jìn)到位后，最后將明洞結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)周邊砂漿鑿除，完成進(jìn)洞作業(yè)。

4 2種盾構(gòu)接收工藝的比較分析

2種施工工藝從本質(zhì)上來說均為土中進(jìn)洞施工工藝，在風(fēng)險(xiǎn)地層實(shí)施盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)能夠起到盾構(gòu)機(jī)在全封閉狀態(tài)下接收的施工工藝，但兩者在盾構(gòu)進(jìn)洞前的準(zhǔn)備工作、施工周期、對(duì)端頭井空間的要求、施工經(jīng)濟(jì)性等大相徑庭，也決定了2種工藝的適用性各不相同，以下嘗試從不同因素對(duì)2種施工工藝進(jìn)行比較分析。

4.1 施工周期分析

4.1.1 施工準(zhǔn)備工作

明洞接收工藝因明洞結(jié)構(gòu)全部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)施工必須等待盾構(gòu)接收端頭井結(jié)構(gòu)全部完成后方可進(jìn)場(chǎng)施工，準(zhǔn)備工作需進(jìn)行鋼筋工程、模板排架工程、混凝土分次澆筑工程、模板排架拆除工程，從端頭井結(jié)構(gòu)完成至開始洞門鑿除工作需要約2個(gè)月。

鋼套筒接收工藝可提前根據(jù)端頭井洞門洞圈尺寸、端頭井結(jié)構(gòu)尺寸在廠內(nèi)進(jìn)行鋼套筒鋼結(jié)構(gòu)加工，端頭井完成后可立即進(jìn)場(chǎng)安裝，部件較少且安裝簡(jiǎn)單、快速，約1周時(shí)間可具備洞門鑿除條件，對(duì)工期影響較小。

4.1.2 拆除工作

由于明洞結(jié)構(gòu)是利用車站結(jié)構(gòu)制作成一個(gè)箱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部砂漿填充量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼套筒的內(nèi)部砂漿填充量，盾構(gòu)接收完成進(jìn)行拆除工作時(shí)，不僅需將明洞結(jié)構(gòu)本身的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑿除，還需將結(jié)構(gòu)內(nèi)硬化的砂漿進(jìn)行鑿除，方可進(jìn)行盾構(gòu)吊裝工作。且由于端頭井與盾構(gòu)機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系，造成整個(gè)鑿除工作無(wú)法完全采用機(jī)械鑿除，部分部位的鑿除工作必須采用人工進(jìn)行鑿除，鑿除下來的混凝土及砂漿廢料也需吊運(yùn)出場(chǎng)，工作面小，鑿除效率低，大大增加了作業(yè)時(shí)間，盾構(gòu)接收完成至盾構(gòu)吊裝退場(chǎng)需要約1.5個(gè)月。而鋼套筒僅需拆除上半部殼體，即可進(jìn)行盾構(gòu)吊裝退場(chǎng)，與常規(guī)施工周期相差無(wú)幾。

4.2 施工空間適用性分析

4.2.1 結(jié)構(gòu)空間的適用性

明洞接收工藝的選擇應(yīng)考慮明洞結(jié)構(gòu)在車站端頭井內(nèi)的可行性，因明洞結(jié)構(gòu)尺寸較大，應(yīng)提前判斷明洞結(jié)構(gòu)墻體及頂板與車站梁、柱、板等是否相互影響，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行明洞結(jié)構(gòu)制作。

鋼套筒接收工藝因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)占地面積小，鋼套筒直徑尺寸與洞圈大小一致，基本不受端頭井空間尺寸限制。

4.2.2 與凍結(jié)加固工藝相結(jié)合的適用性

采用明洞接收工藝，若同時(shí)結(jié)合水平凍結(jié)工藝，外圈及內(nèi)圈的凍結(jié)管均被包裹在明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)，且大量的凍結(jié)去回路管須從明洞結(jié)構(gòu)穿過連接至凍結(jié)站。穿墻管的防水及回填質(zhì)量直接會(huì)影響盾構(gòu)進(jìn)洞的風(fēng)險(xiǎn)控制。

采用鋼套筒接收工藝，通常情況下鋼套筒尺寸與洞門圈尺寸一致，只有內(nèi)圈的凍結(jié)管位于鋼套筒內(nèi)，外圈凍結(jié)管位于鋼套筒外側(cè)，在內(nèi)圈凍結(jié)管拔除后，一并封閉回填，回填材料不會(huì)影響外圈凍結(jié)管的冷凍效果。

4.3 施工經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于明洞接收工藝，由于目前市面上存在多種不同直徑的盾構(gòu)機(jī)及洞圈尺寸，相對(duì)于鋼套筒，明洞可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況因地制宜，但采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也意味著每次施工均需重新制作明洞結(jié)構(gòu)，無(wú)法周轉(zhuǎn)使用。對(duì)于鋼套筒接收工藝，由于其為裝配式結(jié)構(gòu)，可以提前根據(jù)工況要求進(jìn)行加工生產(chǎn)，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后直接進(jìn)行拼裝后即可使用。且由于是裝配式結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)行重復(fù)利用?？梢坏┒軜?gòu)機(jī)直徑、洞圈直徑發(fā)生變化，原有的鋼套筒則無(wú)法使用，必須重新加工。所以從施工經(jīng)濟(jì)性角度來說，2種工藝各有利弊。

4.4 施工效果分析

4.4.1 推進(jìn)軸線影響

采用明洞接收工藝時(shí)，因明洞結(jié)構(gòu)將整個(gè)端頭井包裹形成一個(gè)封閉空間，并采用砂漿回填代替常規(guī)鋼質(zhì)接收架的作用，防止因測(cè)量誤差致使接收架的擺放不到位，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤啃食導(dǎo)軌，最終無(wú)法進(jìn)行正常進(jìn)洞。

另外，明洞結(jié)構(gòu)相對(duì)鋼套筒內(nèi)腔體積要大得多，且已回填密實(shí)，整個(gè)進(jìn)洞過程與常規(guī)盾構(gòu)推進(jìn)無(wú)異，操作相對(duì)較簡(jiǎn)易，不用擔(dān)心因盾構(gòu)機(jī)糾偏或軸線偏差而導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤及盾構(gòu)機(jī)本體與筒體啃食或摩擦，明洞結(jié)構(gòu)更適用于曲線段的進(jìn)洞工況。

采用鋼套筒接收工藝時(shí)，鋼套筒下方仍需安裝接收架，測(cè)量精度要求高，在確保盾構(gòu)機(jī)與鋼套筒同心的狀態(tài)下，盾構(gòu)機(jī)與鋼套筒單邊間隙只有17 cm，另考慮外置同步注漿管的厚度，理論最小的間隙小于10 cm，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒后基本沒有糾偏的余量，所以鋼套筒接收工藝不適宜應(yīng)用于曲線段進(jìn)洞工況。

4.4.2 結(jié)構(gòu)密封性

明洞結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土形式與車站側(cè)墻共同形成一個(gè)密閉結(jié)構(gòu)，并加以回填砂漿，雙道介質(zhì)保護(hù)下，能有效避免盾構(gòu)進(jìn)洞過程中產(chǎn)生透水事故。

鋼套筒為預(yù)制構(gòu)件組裝結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組裝形式采用螺栓連接，雖已采用橡膠密封墊及涂抹快速水泥作密封處理，但其密封性是明顯要弱于明洞結(jié)構(gòu)。

4.4.3 對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)的次生影響

對(duì)于2種施工工藝來說，施工的核心問題是進(jìn)行回填后，使盾構(gòu)機(jī)在土中完成進(jìn)洞施工作業(yè)。在核心問題上能夠量化的區(qū)別是回填材料的消耗量，通常選擇強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)的膠凝材料，類似砂漿作為回填材料，該種材料的特點(diǎn)為隨著強(qiáng)度的增長(zhǎng)逐步釋放水化熱，砂漿的溫度會(huì)逐步提高，溫度過高對(duì)盾構(gòu)進(jìn)洞施工有以下不利影響：若有凍結(jié)加固，砂漿溫度過高會(huì)破壞凍結(jié)加固體，使凍結(jié)加固失去有效性；溫度過高也會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)溫度過高，造成進(jìn)洞期間設(shè)備發(fā)生故障，無(wú)法連續(xù)作業(yè)。

根據(jù)上述情況分析，鋼套筒內(nèi)腔體積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于明洞內(nèi)腔體積，同樣水化熱的影響也要小于明洞結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于目前常用的土中進(jìn)洞施工工藝，明洞接收工藝與鋼套筒接收工藝都有其各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，通過對(duì)施工周期、施工空間適用性、施工經(jīng)濟(jì)性及施工效果這4個(gè)方面進(jìn)行分析，總結(jié)了其各自的適用要求，為后續(xù)復(fù)雜地層下實(shí)施盾構(gòu)進(jìn)洞，如何選取最有利的土中進(jìn)洞工藝提供了參考。