城市地鐵聯絡通道盾構法建造關鍵技術及應用

肖 亮

浙江金禹建設工程有限公司 浙江杭州 310000

地下空間開發，地鐵工程建設成為恢復并提升城市功能的發展方向。地下軌道建設，單線區間隧道連貫長度閾值為600m，超出閾值需要建設消防疏散通道、深隧排水通道等附加設施，會造成通道體量過于龐大[1]。盾構法技術對聯絡通道結構進行簡化，于兩條隧道間鋪設額外通道，發揮排水、防火及疏散作用的同時，提高救援活動效率，有“逃生通道”之稱。

1 聯絡通道盾構法建造技術的概括及原理

1.1 聯絡通道盾構法技術概括

盾構法建設需要完整的隧道構架基礎，需在兩條主要隧道通洞后于內部進行施工，一般采用礦山法暗挖施工，噴錨構筑法[2]。盾構法的施工規劃設計方案包括主機、后配套系統及輔助系統，輔助掘進機施工及洞內運輸。

1.2 聯絡通道盾構法技術原理

土壓平衡盾構法是盾構法技術的基本原理，利用全斷面切削刀盤，切削正面土體并儲存到刀盤后的儲藏封閉倉，封閉倉除貯藏土體外，還起到保持倉內壓力與開挖面壓力的平衡作用。

盾構機刀盤切削區結構按照力重分布的平衡與補償采用自適應快速支撐體系，以適應隧道作業空間狹小及設備集成、性能變化的需求，可以快速轉換受力體系[3]。

2 聯絡通道盾構法建造的關鍵技術及應用

2.1 用于高強度弧形混凝土管片切削的刀盤系統

與普通常規盾構刀盤的結構不同，聯絡通道掘進機的刀盤為錐形結構，使刀盤錐度與主隧道管片內徑達成一致。在操作初期，掌子面先行對中心道具進行切削，隨后隨著主機挖掘不斷向四周擴張。這樣的設計有效降低掘進機在挖掘初期因缺乏土體包裹狀態的保護形成的強烈機體振動，大幅提高始發姿態控制能力，如圖1 所示。同時，接收端的設備同樣需要特殊調整，為保證接收時掘進機的位置正確，減輕設備偏移，接收端的管片幅度需要與刀盤幅度呈現相反方向，并且對中心刀具反向錐形的特殊設計中，也需要保證其錐度與接收管片的外部直徑達成一致，以保護掘進機機體的穩定性[4]。

圖1 錐形刀盤與中心刀盤設計

此外，聯絡通道盾構法建設所用的刀盤設計，除了具備高強度混凝土切削工作所需的質量，還要擁有較大的開口率，用于保證軟土地層環境下挖掘出的渣土流動性。根據地層土質的差異，盾構法建設的刀具分為滾刀與撕裂刀。通過模擬試驗顯示，滾刀的切削效果大于撕裂刀且需求的切削扭矩更低。錐形刀盤的特殊設計對掘進機主機的穩定性維護效果更加顯著。

2.2 對聯絡通道的密封系統技術

地層穩定與滲透水是地下隧道挖掘作業的重要問題，門洞被破除后，洞門的結構設施必須具備抵抗地下水壓力的能力，防止富水軟弱地層環境下的泥水流失，導致地面坍塌。盾構法修建技術采用半套筒始發及全套筒接收相結合的方法，通過半套筒尾部密封刷與盾尾密封刷轉換技術，在始發與接收的過程皆為封閉狀態，完成挖掘隧道的全密封要求，保證作業場地的穩定性。在對套筒及尾刷密封壓力的檢測中，一般采用打壓試驗進行測量，如圖2 所示[5]。

圖2 封閉型進出洞套筒及密封性構造示意圖

2.3“弱加固”、強支護的支撐系統

整個地下挖掘工程的主要力體承受關鍵在于主隧道的管片結構完整度。在聯通隧道的作業過程中，刀盤對管片結構的切削會大幅降低受理體系的承重能力。因此，在切削作業進行的同時，工程的受力結構需要不斷調整，直至工程結束新的受理體系形成。

2.3.1“弱加固”支撐技術

相異于隧道結構加固方法的凍結法及全斷面加固法，“弱加固”技術的核心在于通過止水注漿材料及配比試驗等局部注漿，對主隧道壁后、始發前洞門深孔、掘進中管片壁后進行注漿微加固及負環拆除前洞門止水注漿的交叉型加固[6]。此外，不同進程及部位的“弱加固”方法及具體作用也不盡相同，在對主隧道壁后的加固作業中，所用材料為雙液漿配比，通過對土體擾動縫隙及收縮空隙的填充，達到隧道整體受力能力的加強；與之相反，單液漿配比注漿的方法應用于洞門深孔的微加固作業，對洞門周邊的土體進行加固；挖掘過程中對管片壁后的注漿方式采用盾構法技術中的同步注漿，選用單液漿配比；拆除負環前洞門止水注漿通過洞門兩環鋼片上的球形閥門注漿頭與主隧道注漿孔形成的交叉結構，通過特殊配置的超細水泥雙漿液的注漿效果，達成對主隧道與聯絡接口的防滲水作用。

2.3.2“強支護”支撐技術

刀盤切削在施工推進時，主隧道需要提供一個反向作用力。鋼混復合管片設計被應用于主隧道的洞門位置結構中，且通過深切口焊縫的方式將鋼結構中的環縫及縱縫連成整體，達到對主隧道整體抗變形能力的提升。為了保證主隧道穩定的提供掘進反力以保證整體結構的安全，科研人員設計了隧道內支撐系統，其主要發揮作用一方面為對洞門附近管片的支撐加強，另一方面實現對反力的監控收集，分析主隧道整體的受力狀況，確保整體工程的安全性。

2.4 環框梁施工技術

管片切削及注漿加固工作完成后，需要對管片與環框梁接觸面進行清理，保證設備后續的工作能力。環框梁周圍管片采用化學植筋方式，與管片連接縫處通過黏結劑粘貼兜繞成環的遇水膨脹橡膠條和設置預埋注漿管。在粘貼前需要對管片進行清潔，止水帶與管片間不能存在空隙，在固定好的橡膠條后通過金屬件固定、環繞成圈的方式在管片上設置注漿管[7]。

3 盾構法建設技術優化方向

3.1 優化導向系統配置及方法

盾構法聯絡通道與主隧道間呈現“T”字形結構，施工空間相對狹小。因此，地鐵導向系統全站儀需安裝于后支撐系統上，由于反作用力的影響，導向系統會逐漸發生偏移導致導向精度不高，需要人工對站點進行檢測。根據盾構法聯絡通道的特殊性，科研人員擬定研發新型導向系統，核心技術包括：全自動全站儀、盾構機、激光靶、計算機智能調控、定向棱鏡等。其中，全站儀、激光靶及定向棱鏡分別安裝于盾構機的后撐體系、盾構機內及穩定管片內壁上。其導向過程分為以下幾個步驟：

（1）計算機網絡通過中央控制箱對掘進中的盾構機進行定位，再對新增定向棱鏡和盾構機上激光棒的方位角及三維坐標進行測量。（2）計算機輸入信號端在接收到全站儀的無線電信號后，在對測量的數據分析中，先對新增三棱鏡的三維坐標與原坐標進行對比，計算出兩個坐標間的較差。在較差小于限差的情況下，通過計算得出目前盾構機與設計軸線之間的偏差。（3）由于全站儀部署在盾構機的后支撐系統上，掘進中的震動會使得支撐系統發生偏移，從而造成限差值的產生。當測量出的坐標與原坐標間的限差超過限值時，計算機中央控制箱的全站儀會對兩個定性棱鏡進行全面檢測，并將測量出的距離、高差及夾角等數據反饋給中央系統，在既定程序的計算下得出測站點的最新坐標，并持續更新。（4）更新后的姿態較差將作為核減步驟的最終參考值，在盾構機最新的姿態較差與原本數值相差過大而超過限差時，計算機會自動發出報警系統并呈現信息，引導工程人員進行復核查驗并做出調整。

3.2 優化洞內運輸系統

進行隧道挖掘工作的機械設備普遍具有較大的質量及體積，通常情況下，一臺重型挖土機械就要占據洞內大部分的空間，臺車的總體質量可以達到180t，這對洞內的運輸工作造成較大的阻礙及負擔。盾構法建設技術出于對隧道荷載的考慮，采取雙軌軌枕的設計，以將重型機械設備的整體荷載進行分散，減少隧道的運輸壓力，保證洞內運輸系統的正常運行。隧道內的軌道鋪設4 軌，軌枕之間的距離保持在0.6m，內側軌距不大于0.9m，以供電力車的運行；盾構機械的臺車使用的是鋼輪配置，其本身沒有動力系統，出行需要電力車的拖行，根據臺車軌距的標準，隧道內軌道的外側軌距保持在1.3m。

3.3 優化挖掘渣土運出方式

聯絡通道施工場地在布置了掘進主機、螺旋機等設備后，沒有多余空間布置出土機器。目前盾構法建設施工，通過軟管連接掘進機出土口與小型渣土斗進行渣土運輸。這種工作方式在每次施工時需要停頓2～3 次用于軟管清理，難以實現持續工作，效率較為低下。

3.4 智能化調控系統提升

數字化與信息化的技術應用使得工業生產邁向智能化，在聯絡通道盾構法建設中，數字化管控被應用于設備運行、施工技術參數及項目風險預測等方面，對整體工程的推進具有促進作用。在后續的發展方向上，可以提升該方面的應用程度，使數據管理多元化、數據表達可視化及數據分析統計等基礎功能進一步提高。

3.5 移動式管片預應力支撐系統

在盾構法聯絡通道掘進方法的施工中主隧道的管片結構將承受掘進過程中形成壓力的主要部分，因此其結構組成十分復雜，其機理構成是綜合設備、地層及結構等多方面體系間的相互作用組成的，具有較強的綜合承重能力。且在主隧道洞門管片被刀盤切削后，主隧道的受力能力將被進一步削弱，管片結構將承受更大的壓力。同時，在隧道的整個挖掘工程中，管片內的應力分布會隨著工程的進度及工序發生不斷的變化與調整，隨時形成一個新的受力體系，在這樣的背景下，為了避免主隧道發生嚴重變形，且為了實現盾構推力的合理分配與加強內部支護能力，盾構法建設技術設計出移動式管片預應力支撐系統：系統的第一部分為可以自行行走的臺車，用于挖掘主機與輔助設備的運輸；第二部分為支撐環，采用液壓伺服控制的方法實現對主隧道狀況的監控，避免變形與過壓情況的發生，起到對主隧道安全的保障作用。

4 結語

地下空間的發展順應城市的發展需要，空間化及網絡化是未來地鐵工程及地下隧道的發展方向。聯絡通道盾構法技術的應用對隧道的穩定性及作用提升起到了十分有利的促進作用，但同時在多個方面存在不足，如導向技術及渣土運輸等方面，相關部門應重視對這些方面的改進，使地鐵建設技術的進一步提升。