鋼套筒輔助始發(fā)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究

呂穎聰

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東青島 260000）

1 工程概況和地質(zhì)水文條件

1.1 工程概況

山東省體育站體育中心站—泉城公園站區(qū)間線路自省體育中心站出站后，沿經(jīng)十路南側(cè)向東地下敷設(shè)，側(cè)穿玉函立交橋，下穿經(jīng)十路廣場(chǎng)西溝橋，側(cè)穿魯商泉城中心城市廣場(chǎng)，下穿濟(jì)南市體委傳達(dá)室、人行天橋，側(cè)穿濟(jì)南市政府與社會(huì)資本合作管理中心后到達(dá)泉城公園站。區(qū)間右線隧道長(zhǎng)約505.8m，左線隧道長(zhǎng)約505.8m，區(qū)間平面最小曲線半徑為450m，區(qū)間縱斷面為單坡，最大坡度為18.5‰，區(qū)間不設(shè)聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)間采用管片設(shè)計(jì)：襯砌環(huán)外徑6400mm，內(nèi)徑5800mm，厚300mm，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)寬1.5m。

1.2 地質(zhì)水文條件

1.2.1 工程地質(zhì)

擬建場(chǎng)地主要揭露的地層主要有第四系①層人工填土、?2層黏土、?4層黏土、?6層含碎石黏土、?層殘積土、?1層碎石、?2層膠結(jié)礫巖；燕山晚期?1層全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、?2層強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、?3層中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖等地層；寒武系-奧陶系?1溶蝕破碎白云巖、?2中風(fēng)化白云巖以及溶洞充填物，見(jiàn)圖1。

圖1 山東省體育站—泉城公園站區(qū)間情況地質(zhì)圖

1.2.2 水文地質(zhì)

（1）地表水情況：隧道下穿場(chǎng)地附近的地表水系主要有廣場(chǎng)西溝等。河寬約8m，深度約10.0m，為季節(jié)性河流。局部有存水，水量很小，根據(jù)資料，暴雨過(guò)后，溝內(nèi)水位可上升至1～2m，河底經(jīng)混凝土硬化處理。

（2）地下水情況：據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，擬建區(qū)間場(chǎng)地地下水豐富，場(chǎng)地單井涌水量1000～5000m3/d，分布于山前沖洪積傾斜平原后緣一帶。濟(jì)南泉域北部有侵入輝（閃）長(zhǎng)巖體隔水層阻隔，南部巖溶水補(bǔ)給區(qū)在水頭壓力作用下不斷向該區(qū)徑流、富集，涌水量較大。勘察期間，區(qū)間范圍內(nèi)裂隙巖溶水總體趨勢(shì)呈自西向東水位逐步抬升，穩(wěn)定水位埋深20.1～23.45m，相應(yīng)水位高程為27.63～30.7m。

2 雙重管高壓旋噴樁加固+鋼套筒始發(fā)術(shù)

該區(qū)間省體育中心站東端頭井盾構(gòu)始發(fā)地基加固：采用φ800@500雙重管高壓旋噴樁加固，并采用鋼套筒作為始發(fā)輔助措施。

2.1 雙重管高壓旋噴樁加固

省體育中心站東端頭井800mm地下連續(xù)墻混凝土采用C35，鋼筋采用玻璃纖維筋，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)具備切削玻璃纖維筋及混凝土的能力。盾構(gòu)始發(fā)端頭采用φ800@500雙重管高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固，縱向加固長(zhǎng)度為盾構(gòu)洞口外3m，加固范圍為管片結(jié)構(gòu)外3m。雙重管法施工是一種常用的地基加固方法。

在施工過(guò)程中，鉆機(jī)將旋噴注漿管及噴頭鉆至樁底設(shè)計(jì)高程，并通過(guò)旋噴管將預(yù)先配制好的純水泥漿液壓入土體中。噴射流為純水泥漿液，通過(guò)噴嘴的噴射沖擊和切削土體，實(shí)現(xiàn)水泥漿液與土體顆粒的置換，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

首先將旋噴管引至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后噴射高壓水泥漿液，通過(guò)噴嘴的噴射沖擊和切削土體，實(shí)現(xiàn)水泥漿液與土體顆粒的置換。這一過(guò)程通常先將漿液管下到預(yù)定止水帷幕范圍最深點(diǎn)，然后從底部開(kāi)始自下而上進(jìn)行高壓噴射注漿切割土體，鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升，使水泥漿液與土體充分?jǐn)嚢杌旌稀ｋp重管法施工同時(shí)進(jìn)行開(kāi)孔和灌注樁體，形成一定直徑的柱狀固結(jié)體，從而有效加固地基。噴射速度一般控制在17～19cm/min，泵壓為28～30MPa。雙重管高壓旋噴樁加固范圍示意見(jiàn)圖2。

圖2 雙重管高壓旋噴樁加固范圍示意圖

2.2 鋼套筒始發(fā)

2.2.1 鋼套筒設(shè)計(jì)

該標(biāo)段采用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行兩個(gè)區(qū)間的盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)在省體育中心站大里程端頭下井組裝、始發(fā)，掘進(jìn)至泉城公園站小里程端頭解體吊出。左右線均采用鋼套筒始發(fā)，洞門(mén)簾布折頁(yè)板接收，負(fù)環(huán)采用9環(huán)1.2m管片（外徑6400mm，內(nèi)徑5800mm），洞門(mén)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為60cm。鋼套筒一般按2.5m/段設(shè)置，該項(xiàng)目采用直徑（內(nèi)徑）6950mm，由筒體、工作環(huán)、過(guò)渡環(huán)等部分組成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求可設(shè)置多個(gè)觀察窗和填料口，工作環(huán)采用新式內(nèi)外環(huán)嵌套形式，并在接縫中間加入兩條1cm×3cm的橡膠止水膠條。筒體上下蓋和前后端相交的“十”字接縫處打入遇水膨脹密封膠，防止加壓時(shí)出現(xiàn)滲漏水。

（1）過(guò)渡環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合負(fù)環(huán)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，例如采用1.2m環(huán)寬負(fù)環(huán)，設(shè)計(jì)負(fù)環(huán)9環(huán)，則負(fù)環(huán)總長(zhǎng)可達(dá)10.8m，結(jié)合洞門(mén)環(huán)梁澆筑預(yù)留空間一般要求為400～800mm，選取600mm的預(yù)留量，依據(jù)此計(jì)算過(guò)渡環(huán)應(yīng)為200mm寬，所以過(guò)渡環(huán)的設(shè)計(jì)不應(yīng)定尺，需充分考慮洞門(mén)環(huán)梁澆筑要求及負(fù)環(huán)排布[1]。

（2）內(nèi)外環(huán)設(shè)計(jì)總體理念是內(nèi)環(huán)作為受力支撐體系，外環(huán)作為密封體系，內(nèi)外環(huán)之間的密封依靠?jī)傻来叫蚊芊饧幼⒂椭纬擅芊馇唬ㄒ?jiàn)圖3）。

圖3 內(nèi)外鋼環(huán)示意圖

（3）盾構(gòu)采用鋼套筒始發(fā)時(shí)，其支撐體系為：盾構(gòu)機(jī)千斤頂傳導(dǎo)推力至管片、管片傳導(dǎo)推力至工作環(huán)內(nèi)環(huán)、工作環(huán)內(nèi)環(huán)傳導(dǎo)至反力架，通過(guò)內(nèi)環(huán)的浮動(dòng)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)密封效果，這種受力體系對(duì)反力架焊接支撐的要求相對(duì)傳統(tǒng)鋼套筒而言更加低一些，要求其按托架方式始發(fā)時(shí)設(shè)置反力架即可。

2.2.2 施工工藝要點(diǎn)

（1）盾構(gòu)用鋼套筒作為大尺寸鋼結(jié)構(gòu)件，在安裝前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)檢查，新制造鋼套筒主要核對(duì)配合尺寸，二次周轉(zhuǎn)鋼套筒主要檢查有無(wú)變形，符合組合順序。

（2）過(guò)渡環(huán)可根據(jù)負(fù)環(huán)排布尺寸計(jì)算需要的長(zhǎng)度，弧形板要能夠貼合洞門(mén)鋼環(huán)，弧度誤差不宜過(guò)大，應(yīng)分塊設(shè)置。

（3）嚴(yán)格控制反力架和工作環(huán)之間的間隙，不得大于2cm，避免內(nèi)環(huán)的補(bǔ)償量不足以補(bǔ)償間隙，造成鋼套筒外環(huán)受力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致洞門(mén)鋼環(huán)被拔出，影響結(jié)構(gòu)安全。

（4）鋼套筒填料宜采用多次分別充填，常用3次填料法施作，即在安裝盾構(gòu)機(jī)前針對(duì)導(dǎo)軌之間空間采用砂袋填充，安裝盾構(gòu)機(jī)后針對(duì)盾構(gòu)機(jī)與筒體間的間隙采用細(xì)砂填充，最后在鋼套筒上蓋安裝完畢，負(fù)環(huán)拼裝推出盾尾后進(jìn)行整體填充[2]。

3 盾構(gòu)始發(fā)反扭矩分析

盾構(gòu)始發(fā)反扭矩是指盾構(gòu)機(jī)在開(kāi)始挖掘時(shí)產(chǎn)生的反向扭矩。它的作用是在克服盾構(gòu)機(jī)自身重量和填充砂土摩擦力的基礎(chǔ)上，防止盾體和鋼套筒發(fā)生扭轉(zhuǎn)和傾覆。始發(fā)反扭矩的大小取決于盾構(gòu)機(jī)自身重量產(chǎn)生的阻滯扭矩和填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩之和。通過(guò)控制始發(fā)反扭矩，可以保證盾構(gòu)機(jī)在開(kāi)始挖掘時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

3.1 盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩

盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩是指盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切削土體時(shí)所產(chǎn)生的扭矩力。刀盤(pán)扭矩是盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的關(guān)鍵參數(shù)之一，它決定了盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)能力和切削效率。刀盤(pán)扭矩的大小取決于多個(gè)因素，包括刀盤(pán)直徑、刀具類型、土體性質(zhì)等。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)需要產(chǎn)生足夠的刀盤(pán)扭矩來(lái)克服地層的阻力，以保證盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)和挖掘工作。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩的計(jì)算如公式（1）所示。

式（1）中：T為盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩（kN/m）；D0為盾構(gòu)機(jī)外徑（m）；α0為穩(wěn)定掘削扭矩系數(shù)，土壓盾構(gòu)α0=14～23kN/m3；α1為刀盤(pán)支撐系數(shù)，中心支撐式刀盤(pán)α1=0.8～1，中間支撐α1=0.9～1.2，周邊支撐式α1=1.1～1.4；α2為土質(zhì)系數(shù)，對(duì)密實(shí)砂礫、泥巖而言，α2=0.8～1；對(duì)固結(jié)粉砂、黏土而言，α2=0.8～0.9；對(duì)松散砂而言，α2=0.7～0.8；對(duì)軟粉砂而言，α2=0.6～0.7。

3.2 盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，如果盾構(gòu)殼體出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)或發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)自身重量作用在地下的摩擦力將產(chǎn)生阻滯扭矩。阻滯扭矩的計(jì)算如公式（2）所示。

式（2）中：TG為盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩；fG為盾體與基座的阻滯摩擦系數(shù)；G為盾體的重量（kg）；R為盾隧道半徑（m）；sinx為盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角度（°）。

3.3 填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩

當(dāng)盾構(gòu)在鋼套筒輔助設(shè)備里始發(fā)時(shí)，鋼套筒內(nèi)填充密實(shí)砂土并施加一定壓力，用于保持掌子面的穩(wěn)定。填充砂土與盾構(gòu)機(jī)外殼之間的摩擦力會(huì)阻礙盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，產(chǎn)生一定的阻滯扭矩。該微段受到的土壓力dF和填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩Ts計(jì)算如公式（3）所示。

式（3）中：dF為該微段受到的土壓力（MPa）；P為鋼套筒內(nèi)填充砂土壓力（MPa）；L和r分別為盾體長(zhǎng)度和半徑（m）；ds為鋼套筒表面的弧長(zhǎng)（m），其對(duì)應(yīng)的圓心角為dφ，ds=rdφ；Ts為填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩（kN/m）；fs為盾體與砂土的摩擦系數(shù)。

盾構(gòu)始發(fā)反扭矩Tb=TG+Ts，其中TG為盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩，Ts為填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩。始發(fā)反扭矩的大小決定了盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)能力和穩(wěn)定性。如果始發(fā)反扭矩過(guò)大，可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無(wú)法推進(jìn)或推進(jìn)速度減慢。為滿足正常始發(fā)的需要，一是需要合理控制盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩、盾構(gòu)自重產(chǎn)生的阻滯扭矩和填充砂土產(chǎn)生的阻滯扭矩；二是始發(fā)反扭矩Tb應(yīng)大于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩T[3]。

4 盾構(gòu)參數(shù)控制

采用盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)技術(shù)要嚴(yán)格控制施工相關(guān)參數(shù)，主要有以下幾個(gè)方面（見(jiàn)表1）。

表1 負(fù)6～正3環(huán)管片盾構(gòu)參數(shù)控制

第一，嚴(yán)格控制平衡始發(fā)的推進(jìn)參數(shù)。將刀盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)和反力架的承載力控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)，推進(jìn)速度也要控制在合理的范圍，不宜過(guò)快。

第二，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)（推力、掘進(jìn)的速度和土艙的壓力）。始發(fā)階段面對(duì)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)采用不同的掘進(jìn)參數(shù)：一是正6～負(fù)5環(huán)，盾構(gòu)刀盤(pán)切削地連墻（玻璃纖維筋），穿越地層為C35混凝土玻璃纖維筋。二是負(fù)4～負(fù)3環(huán)，盾構(gòu)刀盤(pán)切削雙重管高壓旋噴樁加固區(qū)，縱向加固為隧道洞口外3m。三是負(fù)2～正1環(huán)，盾體穿越加固區(qū)，盾尾穿越洞門(mén)，盾構(gòu)刀盤(pán)切削碎石、黏土。四是正2～正3環(huán)，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行正常掘進(jìn)。

第三，控制注漿參數(shù)，根據(jù)掘進(jìn)速度控制注漿速度，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行注漿。嚴(yán)格控制同步注漿的注漿壓力與注漿量，盡早充填盾尾間隙，及時(shí)支撐管片周圍巖體，防止地層產(chǎn)生過(guò)大變形并保證盾尾密封效果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在始發(fā)區(qū)域加固的基礎(chǔ)上采用密閉的鋼套筒輔助始發(fā)，可以有效解決涌水、涌砂等安全問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)鋼套筒的設(shè)計(jì)、施工工藝、始發(fā)反扭矩和參數(shù)控制等方面進(jìn)行闡述，為相關(guān)工程施工提供了技術(shù)理論指導(dǎo)。然而，仍需要進(jìn)一步研究和探索，以進(jìn)一步完善盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，有效提高隧道施工的安全性、效率和質(zhì)量。