盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究

吳志遠(yuǎn)，柴艷飛，魏東波，代 堅(jiān)，孫鵬清，張 鵬，戴雪輝，許哲哲

(中國(guó)建筑第六工程局有限公司，天津 300450)

0 引言

盾構(gòu)始發(fā)和接收施工是盾構(gòu)法施工中最重要的部分，也是重大風(fēng)險(xiǎn)源，甚至是盾構(gòu)法施工成敗的關(guān)鍵。因此在盾構(gòu)始發(fā)和接收施工中，施工單位往往投入大量的人力、物力，采用較為保守的施工方法，以保證施工安全。

考慮到盾構(gòu)機(jī)吊裝施工對(duì)基坑安全性的影響，現(xiàn)有盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)一般要求地鐵車站始發(fā)端封頂且頂板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可開(kāi)展盾構(gòu)始發(fā)施工，確保在已拆除妨礙盾構(gòu)機(jī)吊裝的始發(fā)端頂部支撐的情況下，車站主體結(jié)構(gòu)能為基坑提供有效的支撐。現(xiàn)有施工技術(shù)較為簡(jiǎn)單、保守，但由于每個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的地質(zhì)條件、水文條件、車站基坑支護(hù)形式、車站主體結(jié)構(gòu)布置形式等因素各不相同，故盾構(gòu)吊裝施工對(duì)基坑安全的影響程度應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息，針對(duì)不同建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析更為科學(xué)、合理；且現(xiàn)有施工技術(shù)未能使車站主體結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)始發(fā)形成交叉施工，施工組織明顯不夠緊湊，未能發(fā)揮人、材、機(jī)的最大效能，因此現(xiàn)有盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)在注重施工安全的同時(shí)，在一定程度上提高了施工成本，延長(zhǎng)了施工周期。

施工過(guò)程中，當(dāng)遇到現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜、工期緊張、環(huán)境管控等特殊原因，需要在車站始發(fā)端未封頂?shù)墓r下開(kāi)展盾構(gòu)機(jī)始發(fā)施工時(shí)，現(xiàn)有施工技術(shù)將不能有效指導(dǎo)施工。針對(duì)以上問(wèn)題，本文以鄭州某地鐵工程為例，闡述了盾構(gòu)法隧道施工快速始發(fā)技術(shù)(下文簡(jiǎn)稱盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù))，該技術(shù)能夠在始發(fā)端未封頂?shù)那闆r下，快速展開(kāi)盾構(gòu)始發(fā)施工，并使始發(fā)施工與車站主體結(jié)構(gòu)施工交叉進(jìn)行，以縮短施工周期，降低施工成本。

1 工程概況

鄭州某地鐵車站為明挖地下2層島式結(jié)構(gòu)，車站始發(fā)端頂部支撐為φ800mm鋼支撐；端墻、側(cè)墻、中板厚度分別為800，800，400mm，中板采用盤(pán)扣式模板支撐架；始發(fā)端土體采用三軸攪拌樁及高壓旋噴樁加固，加固后土體28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過(guò)0.8MPa；盾構(gòu)機(jī)的中盾最重，約100t，起重設(shè)備為260t大型履帶式起重機(jī)。

2 盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù)措施

2.1 盾構(gòu)機(jī)吊裝可行性計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù)中，盾構(gòu)機(jī)吊裝時(shí)車站始發(fā)端尚未封頂，因此需通過(guò)計(jì)算分析盾構(gòu)機(jī)吊裝的可行性。計(jì)算在車站始發(fā)端中板、側(cè)墻及端墻均已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但未施做頂板，且妨礙第1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)吊裝的始發(fā)端頂部支撐已拆除情況下的始發(fā)端地基承載力、盾構(gòu)機(jī)吊裝時(shí)基坑抗傾覆系數(shù)和始發(fā)端端墻強(qiáng)度，并將計(jì)算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行比較，滿足要求后，方可展開(kāi)快速始發(fā)施工。本文工程實(shí)例中，中盾為盾構(gòu)機(jī)最重的部分，故取中盾吊裝荷載為計(jì)算荷載。

2.1.1數(shù)值模擬輔助計(jì)算

為了驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，可采用數(shù)值模擬方法模擬上述工況盾構(gòu)機(jī)吊裝過(guò)程中始發(fā)端圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移、土體位移及車站主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力，建模關(guān)鍵點(diǎn)如下：以有限元法為例，需要根據(jù)不同地質(zhì)情況合理選擇土體本構(gòu)模型，若土層主要由硬土、砂土等組成，則可選用修正的莫爾-庫(kù)倫模型；若土層主要由正常固結(jié)黏土組成，則可選用修正的劍橋模型；圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間可采用嵌入約束，圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間可采用綁定約束，車站結(jié)構(gòu)與土體之間可采用硬接觸。

本文采用ABAQUS有限元軟件創(chuàng)建三維模型，取車站端頭為研究對(duì)象，在中盾吊裝工況(最不利工況)下分析，土層參數(shù)如表1所示，土體本構(gòu)模型選用修正的莫爾-庫(kù)倫模型，模型尺寸為145m×90m×75m。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.1.2數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖1,2所示，車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力需小于規(guī)范中鋼筋、混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形需小于設(shè)計(jì)預(yù)警值，基坑周邊土體需無(wú)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖1 車站主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖2 土體位移

2.2 門(mén)形框架布置

完成始發(fā)端頂部支撐、中板、側(cè)墻和端墻的施工后，在施工始發(fā)端外車站中板時(shí)，采用門(mén)形框架Ⅰ支撐位于盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車始發(fā)位置上方的中板，所有門(mén)形框架Ⅰ構(gòu)成盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車始發(fā)空間；采用門(mén)形框架Ⅱ支撐位于盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車始發(fā)空間后方的、電瓶車軌道上方中板，門(mén)形框架Ⅱ和Ⅰ構(gòu)成電瓶車運(yùn)輸空間，平面布置如圖3所示。

2.2.1框架Ⅰ組裝

門(mén)形框架Ⅰ可以采用型鋼制作，在本文工程實(shí)例中，門(mén)形框架Ⅰ的立柱采用單根工字鋼，橫梁采用雙拼工字鋼，立柱和橫梁焊接，如圖4所示。門(mén)形框架Ⅰ制作與安裝步驟如下。

圖4 門(mén)形框架Ⅰ

1)地面組裝 門(mén)形框架Ⅰ的立柱為單根I28b，橫梁為雙拼I28b，立柱與橫梁采用焊接連接，門(mén)形框架Ⅰ的凈寬度應(yīng)大于盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車最大寬度500mm，并在地面完成組裝。

2)地下安裝 拼裝完成并驗(yàn)收合格后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件采用塔式起重機(jī)、門(mén)式起重機(jī)或汽車式起重機(jī)等運(yùn)輸，并與模板支撐架同時(shí)安裝；門(mén)形框架Ⅰ應(yīng)布置在盾構(gòu)機(jī)軌道線路上的臺(tái)車長(zhǎng)度范圍內(nèi)(即盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度與始發(fā)端凈寬度的差值)，且沿基坑長(zhǎng)度方向間隔布置，間距推薦值為3m。

2.2.2框架Ⅱ組裝

如圖5所示，門(mén)形框架Ⅱ可以由腳手架的桿件組裝而成，通過(guò)設(shè)置加固結(jié)構(gòu)來(lái)滿足承載力和位移要求。通常情況下，模板支撐架體間距明顯小于電瓶車寬度，且由于車站始發(fā)端尚未封頂，中板架體不能拆除，因此在該工況下為保證盾構(gòu)渣土水平運(yùn)輸，必須增加電瓶車軌道范圍內(nèi)中板架體橫向凈距。為解決以上問(wèn)題，可直接采用型鋼制作的門(mén)形框架Ⅱ代替相應(yīng)部分架體，但采用型鋼單獨(dú)制作門(mén)形框架Ⅱ，造價(jià)相對(duì)較高，且盾構(gòu)電瓶車寬度明顯小于臺(tái)車寬度，所以在滿足承載力和位移要求的前提下，可采用由腳手架桿件組裝的門(mén)形框架Ⅱ，橫向凈距大于電瓶車最大寬度且留有500mm的安全距離，并在其周邊設(shè)置加固結(jié)構(gòu)，加固結(jié)構(gòu)的參數(shù)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)、驗(yàn)算，以保證施工安全。門(mén)形框架Ⅱ的平面布置如圖3所示，沿基坑長(zhǎng)度方向設(shè)置，間距以3m為宜，與中板模板支撐架同時(shí)安裝。

圖5 門(mén)形框架Ⅱ

2.3 拆除始發(fā)端支撐

如圖6所示，由于始發(fā)端盾構(gòu)吊裝孔上滿布支撐，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法吊裝下井，故需拆除妨礙第1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)吊裝的部分頂部支撐，為盾構(gòu)機(jī)吊裝下井留出空間。

圖6 始發(fā)端頂部支撐

2.4 吊裝盾構(gòu)機(jī)

利用大型履帶式起重機(jī)將盾構(gòu)機(jī)及其組裝、調(diào)試用的所有大型設(shè)備和材料全部吊裝下井，保證中板吊裝孔封閉后，可以正常進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)組裝、調(diào)試。

盾構(gòu)機(jī)吊裝時(shí)，應(yīng)先吊裝臺(tái)車，下井后將臺(tái)車移動(dòng)至位于門(mén)形框架Ⅰ下的始發(fā)位置，保證盾構(gòu)吊裝孔下有足夠的空間，然后吊裝盾構(gòu)主機(jī)及其他后配套設(shè)備。

在盾構(gòu)機(jī)吊裝過(guò)程中，需持續(xù)監(jiān)測(cè)履帶式起重機(jī)附近地表沉降、冠梁和擋土墻位移、始發(fā)端端墻變形和始發(fā)端剩余頂部支撐的支撐軸力，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)變化速率突增、累計(jì)變化值過(guò)大，則需立刻停止吊裝，待查明原因并采取加固措施后，方可繼續(xù)進(jìn)行吊裝施工。

2.5 封閉始發(fā)端中板吊裝孔

本文工程實(shí)例的具體做法：在吊裝孔上搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)，用于形成封閉板骨架，在封閉板骨架上鋪設(shè)覆蓋整個(gè)吊裝孔的蓋板如圖7所示。鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸需根據(jù)承載力確定，超出孔洞邊緣的推薦尺寸為250mm。

圖7 板骨架布置

2.6 盾構(gòu)始發(fā)與始發(fā)端主體交叉施工

在始發(fā)端中板上的吊裝孔封閉后，在封閉板骨架上方架設(shè)頂板模板支撐架體，進(jìn)行車站始發(fā)端頂板模板、鋼筋、混凝土施工，同時(shí)在底板上進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)組裝和調(diào)試。始發(fā)端頂板和盾構(gòu)機(jī)的組裝、調(diào)試交叉施工可以縮短工期，降低成本。

封閉板骨架能夠保證頂板正常施工，蓋板可以有效防止頂板施工過(guò)程中發(fā)生高空墜物，保證下方人員的安全。

2.7 盾構(gòu)渣土池與頂板防水交叉施工

始發(fā)端頂板澆筑完成后，進(jìn)行頂板防水施工，同時(shí)在始發(fā)端基坑一側(cè)開(kāi)挖盾構(gòu)渣土池。傳統(tǒng)施工方法中渣土池通常布置在車站頂板上，方便運(yùn)輸渣土，但由于頂板防水施工未完成，故將渣土池布置在車站基坑側(cè)邊。渣土池與始發(fā)端頂板交叉施工可以縮短工期，降低成本。

渣土池平面尺寸及深度需根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的出土量以及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合確定。

2.8 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)

渣土池施做完成后，開(kāi)始盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)。在掘進(jìn)過(guò)程中，采用電瓶車將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的渣土經(jīng)過(guò)門(mén)形框架Ⅰ和門(mén)形框架Ⅱ水平運(yùn)輸至出土孔，再采用門(mén)式起重機(jī)將渣土運(yùn)輸至渣土池內(nèi)。循環(huán)本步驟保持盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)。

3 工程效果

鄭州某地鐵工程，原計(jì)劃于2019年9月10日開(kāi)始進(jìn)行車站始發(fā)端頂板施工，計(jì)劃于2019年11月23日開(kāi)始盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)，共74天工期，如表2所示。

表2 原計(jì)劃工期

采用盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù)后，實(shí)際于2019年9月10日開(kāi)始進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)吊裝施工，于2019年10月25日開(kāi)始盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)，共45天工期，如表3所示。

表3 實(shí)際工期

本文工程實(shí)例采用盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù)與采用現(xiàn)有施工技術(shù)相比，共縮短工期29d，29d內(nèi)施工成本如表4所示，共節(jié)約成本105萬(wàn)元。

表4 施工成本

4 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)工程實(shí)際情況，若盾構(gòu)機(jī)吊裝可行性計(jì)算結(jié)果滿足安全要求，則可采用盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù)，此技術(shù)相比現(xiàn)有施工技術(shù)可大大縮短工期，節(jié)約成本。

2)依據(jù)計(jì)算結(jié)果合理拆除妨礙第1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)吊裝的始發(fā)端頂部支撐，合理布置門(mén)形框架、封閉中板吊裝孔、優(yōu)化渣土池布置，可有效解決盾構(gòu)始發(fā)與車站主體結(jié)構(gòu)交叉作業(yè)的難題。

3)本文主要研究了盾構(gòu)機(jī)快速始發(fā)技術(shù)在隧道施工中應(yīng)用的可行性及關(guān)鍵實(shí)施步驟，可為類似工程提供參考。