城市軌道交通盾構(gòu)法隧道施工工藝

曹呂兵

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000）

1 城市軌道交通盾構(gòu)法施工概述

盾構(gòu)是一種具有保護(hù)罩的隧道掘進(jìn)設(shè)備，其借助盾構(gòu)襯砌的支撐點(diǎn)，在將設(shè)備支撐前進(jìn)的同時(shí)，利用刀盤(pán)切割巖土并清理排出碎屑，同時(shí)拼裝襯砌管片。盾構(gòu)技術(shù)是指采用盾構(gòu)機(jī)的護(hù)盾對(duì)隧道進(jìn)行支撐，避免施工中出現(xiàn)涌水、滲泥、塌方等問(wèn)題，切割土體后安裝管片，最后注漿的一系列作業(yè)方式。

盾構(gòu)法施工是城市軌道交通隧道建設(shè)中最常用的施工方式。要在全面了解城市軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用明挖法在隧道一端建造基坑，在基坑中安裝盾構(gòu)機(jī)，之后再繼續(xù)向開(kāi)挖面進(jìn)行掘進(jìn)，但需保證挖掘?qū)挾扰c裝配式襯砌相同，該項(xiàng)工作完成后安裝盾構(gòu)反力架等設(shè)備，形成外部支撐，然后采用千斤頂將切口環(huán)向前方入土層推進(jìn)，同步配合進(jìn)行襯砌裝配和地層開(kāi)挖，最后在裝配好的襯砌環(huán)上借助千斤頂推動(dòng)盾構(gòu)克服阻力進(jìn)行連續(xù)掘進(jìn)[1]。

2 工程概況

某市軌道交通4 號(hào)線起訖里程YDKl6+110～YDKl8+936.5，線路全長(zhǎng)2826.5m，最小豎曲線半徑3000m，最大坡度42.65%。區(qū)間線路間距12.7～15.7m，拱頂覆土7～50m。盾構(gòu)法施工時(shí)，隧道中使用厚300mm、環(huán)寬1.5m 管片，管片采用錯(cuò)縫拼裝，塊與塊、環(huán)與環(huán)間分別以12 根M24 環(huán)向螺栓和10 根M24 縱向螺栓連接。

3 盾構(gòu)法對(duì)地鐵施工的影響

3.1 正面影響

盾構(gòu)法具有安全性高、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)施工過(guò)程中能最大限度保證隧道施工的安全。使用盾構(gòu)法施工時(shí)，使用的設(shè)備不僅操作簡(jiǎn)單便捷，也能很好地提高施工效率。盾構(gòu)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音較小，不會(huì)周邊的居住條件造成較大影響。盾構(gòu)技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，可在不同的地質(zhì)條件中使用，若工程需要還可分階段建設(shè)多車(chē)道隧道。

3.2 負(fù)面影響

施工時(shí)土體易發(fā)生變形，這主要是由于盾構(gòu)遇到粘性土層時(shí)，土體極易發(fā)生變形或移位問(wèn)題；在盾構(gòu)向前推進(jìn)的過(guò)程中，也會(huì)在一定程度上造成土體的水平位移，從而改變土體水平產(chǎn)生變形；某種情況下，盾構(gòu)設(shè)備與土體間產(chǎn)生的摩擦也會(huì)引發(fā)土體水平位移。一旦發(fā)生水平位移，若得不到及時(shí)控制會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題，因此必須重視[2]。

4 盾構(gòu)法掘進(jìn)施工工藝

4.1 盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)況

本工程采用德國(guó)海瑞克生產(chǎn)的16280 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，此盾構(gòu)機(jī)規(guī)格為：長(zhǎng)11655mm，外徑dp6260mm，盾尾內(nèi)徑+6060mm，盾尾間隙30mm。該盾構(gòu)機(jī)主機(jī)部分由刀盤(pán)、推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、管片安裝機(jī)等組成，配套輔助系統(tǒng)由控制、供電、注漿、水、通風(fēng)、管片運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)組成。

4.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)

4.2.1 盾構(gòu)始發(fā)

本工程的始發(fā)臺(tái)采用加固的鋼結(jié)構(gòu)形式，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能承受盾構(gòu)機(jī)320t 自重和推進(jìn)時(shí)與土體間產(chǎn)生的摩擦力。此外，為增強(qiáng)始發(fā)臺(tái)的穩(wěn)定性，還要在始發(fā)臺(tái)兩側(cè)以每隔2m 的距離加設(shè)20a 工字鋼，保證橫向支撐。本工程實(shí)際施工區(qū)段的洞門(mén)下方屬于微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，為保證盾構(gòu)機(jī)在重心脫出始發(fā)臺(tái)后且掘進(jìn)到達(dá)掌子面時(shí)不出現(xiàn)下降、傾斜等問(wèn)題，盾構(gòu)中心要比設(shè)計(jì)的軸線高20mm，反力架下傾1.2%，同時(shí)保證反力架平面與盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線間適中處于垂直狀態(tài)。為保證盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)時(shí)保持良好的姿態(tài)，在安裝反力架和始發(fā)臺(tái)時(shí)，分別要將反力架的左右偏差、高程偏差、上下偏差控制在±10mm、±5mm、±10mm。同時(shí)，始發(fā)臺(tái)水平軸線垂直方向與反力架的夾角不超過(guò)±2%，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線豎直趨勢(shì)偏差應(yīng)不超過(guò)2%，水平偏差應(yīng)不超過(guò)±3%，具體見(jiàn)表1。

4.2.2 盾構(gòu)機(jī)吊裝

該盾構(gòu)機(jī)具有尺寸大、質(zhì)量大的特點(diǎn)，需分件吊裝。使用250t 履帶吊機(jī)完成設(shè)備吊裝下井；若有翻身等其他工作或環(huán)節(jié)，還需一臺(tái)90t 汽車(chē)吊機(jī)配合完成。

表1 右線始發(fā)臺(tái)架定位檢查數(shù)據(jù)

表2 三種掘進(jìn)模式的主要工作參數(shù)

4.2.3掘進(jìn)模式的選擇及操作控制

通常情況下，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)模式被分為敞開(kāi)、半敞開(kāi)、土壓平衡三種，不同的掘進(jìn)模式具有不同的特點(diǎn)和特定的適用條件，具體如表2 所示。

（1）敞開(kāi)式掘進(jìn)。對(duì)于此類(lèi)型的掘進(jìn)模式，通常開(kāi)挖室是不被加壓的，這時(shí)刀盤(pán)挖出的物料會(huì)直接落在開(kāi)挖室底部，再通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出，但此種模式只能在巖層自穩(wěn)能力較好且能在刀盤(pán)上安裝滾刀時(shí)使用。使用此掘進(jìn)模式后，刀盤(pán)和螺旋輸送機(jī)會(huì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在提高破巖率和輸送率的同時(shí)降低零部件損耗和動(dòng)力消耗[3]。

（2）半敞開(kāi)式掘進(jìn)。此類(lèi)型的掘進(jìn)模式會(huì)為盾構(gòu)機(jī)創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)平衡的運(yùn)行環(huán)境，這種模式下工作的盾構(gòu)機(jī)和螺旋輸送機(jī)均以平穩(wěn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)。但要注意將開(kāi)挖室中渣土的高度和螺旋輸送機(jī)入口保持平齊，以保證開(kāi)挖室內(nèi)部的空氣壓力。該模式介于土壓平衡與敞開(kāi)掘進(jìn)模式之間，其能向刀盤(pán)前方和土倉(cāng)內(nèi)注入添加劑，加快排土速度，減少刀盤(pán)磨損，減少掘進(jìn)動(dòng)力的消耗。

（3）土壓平衡掘進(jìn)。土壓盾構(gòu)屬于封閉式掘進(jìn)方式，其比較適用于地層硬、含砂率高、含有礫石、液性指數(shù)大的土質(zhì)，使用此種掘進(jìn)模式后盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中前端刀盤(pán)會(huì)旋轉(zhuǎn)掘削地層和土體，使掘削下來(lái)的土體進(jìn)入土艙。但此種方法使用時(shí)，要保證泥土壓和掘削面上地層的土壓、水壓平衡，若出現(xiàn)不平衡的狀態(tài)時(shí)可利用調(diào)節(jié)排土量的方式適當(dāng)調(diào)整。

4.2.4 開(kāi)挖監(jiān)控

（1）限定壓力。壓力限定后可實(shí)現(xiàn)地下水壓的平衡，防止因地下水大量涌入土倉(cāng)而破壞刀盤(pán)穩(wěn)定性；同時(shí)可平衡水平向的土壓力，避免刀盤(pán)前方出現(xiàn)坍塌；最后可分擔(dān)洞頂壓力，防止沉降，減少對(duì)地面的危害。

（2）控制土壓。在施工開(kāi)始前，工人會(huì)在盾構(gòu)機(jī)承壓隔板的不同部位提前安裝好土壓傳感器，其可將壓力傳輸?shù)娇刂剖业谋O(jiān)控屏上，操作人員以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)選擇限定壓力。

（3）控制挖方量。施工過(guò)程中要安排專(zhuān)人實(shí)時(shí)檢查盾構(gòu)機(jī)的開(kāi)挖路徑及排泥量，確保排出泥土未超量。

4.2.5 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)開(kāi)始前安排專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員計(jì)算初設(shè)正面土壓力值和壓力值，計(jì)算時(shí)可參考隧道埋深、土層性質(zhì)、地面超載等綜合因素，一般情況下設(shè)定值是計(jì)算值的1.05～1.1 倍。在得到施工啟動(dòng)條件后依次開(kāi)啟皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)和大刀盤(pán)，待三種機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后再將千斤頂緩慢推進(jìn)，待所有設(shè)備均按照計(jì)劃推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)會(huì)按照設(shè)計(jì)的正面土壓力自動(dòng)控制掘進(jìn)速度和出土速度。盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，顯示屏?xí)@示其行程、不同區(qū)域千斤頂壓力、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)扭轉(zhuǎn)和俯仰等參數(shù)，操作人員要及時(shí)記錄，結(jié)合儀表顯示、測(cè)量資料、施工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和參數(shù)，確保盾構(gòu)機(jī)按設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行掘進(jìn)。

5 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）進(jìn)洞時(shí)盾構(gòu)施工參數(shù)計(jì)算。在進(jìn)行盾構(gòu)隧道開(kāi)挖之前，要提前計(jì)算好各項(xiàng)參數(shù)，并盡快建立土壓力平衡。開(kāi)挖之前設(shè)置試驗(yàn)段，要認(rèn)真分析、控制試驗(yàn)段收集到的數(shù)據(jù)。后期正式施工開(kāi)始后及時(shí)總結(jié)和優(yōu)化施工技術(shù)參數(shù)。

（2）推進(jìn)速度。為確保盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)效率和土體穩(wěn)定性，在加強(qiáng)切割孔后方土體的同時(shí)保護(hù)刀盤(pán)中的刀具，并將初始速度控制在10mm/min。

（3）管片拼裝。在拼裝洞段管片時(shí)，既要確保間隙，還要保證裝配質(zhì)量，尤其要注意圓度、組裝時(shí)間、管片連接螺釘及其擰緊度等。

（4）控制出土量。嚴(yán)格控制開(kāi)挖初期的出土量。在土體加固范圍內(nèi)以控制開(kāi)挖量為基礎(chǔ)，結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)嚴(yán)格記錄出土量，一旦發(fā)現(xiàn)出土量超過(guò)設(shè)計(jì)值或標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)立即上報(bào)并采取有效措施。

（5）注漿量。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)的尾部進(jìn)入到土體的第一環(huán)到第三環(huán)時(shí)，注漿材料會(huì)被換成交強(qiáng)型并增加注漿量，避免洞口地面出現(xiàn)塌方和沉降。當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)終端工作區(qū)后可逐步拆除設(shè)備，但也可結(jié)合施工現(xiàn)狀選擇穿越施工區(qū)繼續(xù)向前。

6 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在跨入21 世紀(jì)之后，我國(guó)軌道交通行業(yè)正在大踏步前進(jìn)和發(fā)展，盾構(gòu)法是軌道交通建設(shè)中一項(xiàng)應(yīng)用極為廣泛的技術(shù)，如何高效運(yùn)用此項(xiàng)施工工藝是技術(shù)人員需要認(rèn)真探索的問(wèn)題。作為現(xiàn)代社會(huì)的建設(shè)者要不斷學(xué)習(xí)、實(shí)踐、積累經(jīng)驗(yàn)，不斷完善和創(chuàng)新盾構(gòu)法隧道施工工藝和施工技術(shù)，只有這樣才能為盾構(gòu)法隧道施工質(zhì)量的提升和施工的順利安全進(jìn)行提供更有利的保證，為我國(guó)軌道交通事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量。