重載鐵路黃土隧道盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)

畢清泉 （中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

目前的鐵路隧道施工中，以礦山法為主，輔以少量的TBM和盾構(gòu)法，其中盾構(gòu)法主要用于下穿河流、海峽及城市軟土地層中。針對蒙華鐵路白城隧道斷面，以及穿越的砂質(zhì)和新黃土地層，礦山法施工需要輔助工法和大剛度的支護，代價較大，而采用盾構(gòu)法施工則刀具開挖較為便利，結(jié)構(gòu)主要為單層預(yù)制管片，無額外的施工支護成本，優(yōu)點明顯。白城隧道原始設(shè)計采用礦山法施工，出于施工安全、進度、環(huán)保及經(jīng)濟等方面考慮，后變更為采用大斷面馬蹄形盾構(gòu)配合預(yù)制拼裝管片的異形盾構(gòu)法施工。本文以此工程為例，著重闡述基于重載鐵路黃土山嶺隧道的異形盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)。

1 工程概況

蒙華鐵路白城隧道位于靖邊縣境內(nèi)，為單洞雙線馬蹄形隧道，采用異形盾構(gòu)法施工，隧道全長3345m，其中隧道進出口分別為202.4m、99m明洞，隧道掘進3043.6m，線路全段位于直線上，隧道縱坡為人字坡，坡度分別為4.5‰、3‰、-3.112‰。隧道最大埋深為81m，最小埋深為7m。隧道主要穿越地層為砂質(zhì)新黃土（Q3eol），隧道洞身范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層（Q4eol）粉砂、細砂，第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層（Q3eol）砂質(zhì)新黃土，圍巖級別為Ⅴ2730m、、Ⅵ級305m。隧道進口以細砂為主，隧道出口以粉砂為主。隧道范圍內(nèi)無地下水，線路范圍內(nèi)需穿越“三管三線一塔”，即延長天然氣管道、延長供水管道、長慶石油管道；包茂高速、海機線、大車路；高壓線塔。

2 盾構(gòu)設(shè)備組主要掘進參數(shù)選取

馬蹄形盾構(gòu)機整機長度約為110m，重約1300t，主要由開挖系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、盾體、推進系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、拼裝機以及后配套等系統(tǒng)組成，適用于粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細砂為主的地層，盾構(gòu)施工的關(guān)鍵就是根據(jù)盾構(gòu)機掘進的地質(zhì)條件及時準確的確定掘進參數(shù)，且直接關(guān)系到施工的進度、安全和質(zhì)量。設(shè)備照片及參數(shù)如圖1、表1。

圖1 單洞雙線馬蹄形隧道盾構(gòu)機

設(shè)備的主參數(shù)表 表1

2.1 盾構(gòu)機刀盤參數(shù)

采用9個輻條式刀盤組合的形式，采用前后交叉式布置，相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉，每個刀盤相互獨立，可實現(xiàn)雙向無級調(diào)速。在前盾切口環(huán)處布置切刀，對盲區(qū)進行輔助切削，同時在土倉隔板上預(yù)留高壓水接口及連接風(fēng)鉆的萬向接口（其擺動范圍為±20°的圓錐面），始發(fā)時便于對盲區(qū)進行人工處理，提高設(shè)備的整體開挖率。

盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩在不同的地質(zhì)條件不同的施工階段所取的參數(shù)也隨之改變。土壓平衡盾構(gòu)機掘進砂質(zhì)新黃土地層時，刀盤轉(zhuǎn)速過高對周圍地層的擾動較大，容易造成地層失穩(wěn)，出碴量過大，地表沉降量超限，并且加大刀盤、刀具的磨損；刀盤轉(zhuǎn)速過低，刀盤切削下來的碴土和泥漿（或泡沫）未攪拌充分，刀盤扭矩高，推進速度慢，渣土在土倉底部堆積，造成出渣困難。

因此在在砂質(zhì)新黃土地層中不同掘進地段合理選擇刀盤參數(shù)尤為重要，見表2。

刀盤掘進參數(shù)表 表2

2.1 推進油缸參數(shù)

馬蹄形盾構(gòu)機擁有平行掘進、上下坡掘進、左右拐彎等施工能力；且橫縱斷面尺寸較常規(guī)圓形盾構(gòu)大大增加，開挖面各點壓力更加不均，盾構(gòu)或管節(jié)發(fā)生滾轉(zhuǎn)偏差對隧道凈空位置的影響明顯都對馬蹄形盾構(gòu)姿態(tài)控制及滾轉(zhuǎn)糾偏功能的要求更高。本設(shè)備吸取圓形盾構(gòu)線性控制要點，推進液壓系統(tǒng)為盾構(gòu)機提供向前掘進的推力，采用44根推進油缸，最大推進力13200T。推進油缸圓周方向分成6個分區(qū)，油缸成單、雙缸布置，共18個小組。每個分組中的一根油缸有內(nèi)置式位移傳感器，位移行程可顯示于上位機；裝有位移傳感器的推進缸控制閥組上還裝有壓力傳感器，通過調(diào)整每區(qū)油缸的推進壓力來進行盾構(gòu)的糾偏和調(diào)向。

盾構(gòu)向前推進是靠安裝在支撐環(huán)（即我們經(jīng)常所說的中體）周圍的千斤頂推力，各千斤頂?shù)暮贤屏词嵌軜?gòu)的總推力，必須大于各種阻力的總和，否則盾構(gòu)機就無法向前推進。盾構(gòu)機推進各種阻力和的理論計算比較復(fù)雜，在實際施工過程中盾構(gòu)機的總推力一般按經(jīng)驗公式求得：

式中：Fj——盾構(gòu)機總推力（kN）

Pj——開挖面單位截面積的推力（kN），盾構(gòu)機Pj的取值范圍是：

土壓平衡盾構(gòu)機在砂質(zhì)新黃土地層中的掘進速度一般控制在20～30mm/min。

盾構(gòu)機推進油缸各組的行程差一般應(yīng)控制在60mm以內(nèi)。如果不考慮推力不均而引起的油缸行程差，推進油缸具體參數(shù)見表3。

2.3 馬蹄形斷面土壓平衡穩(wěn)定措施

馬蹄形盾構(gòu)開挖斷面為馬蹄形變曲率形狀，開挖面土體的各點的穩(wěn)定性不同，同時采用九個不同直徑刀盤聯(lián)合開挖，部分區(qū)域存在交叉擾動，而且每個區(qū)域土體的擾動靈敏性又不同，因此土壓平衡穩(wěn)定性存在波動性較大。針對穿越砂質(zhì)新黃土地層特性，采用以齒刀、刮刀和魚尾刀為主切削土層，以低轉(zhuǎn)速、小扭矩、小推力推進。

推進油缸參數(shù) 表3

土倉內(nèi)土壓力值P應(yīng)略大于靜水壓力和地層土壓力之和P0，即P=KP0(K值介于1.0～3.0)；土倉壓力通過采取設(shè)定掘進速度、調(diào)整排土量或設(shè)定排土量、調(diào)整掘進速度兩種方法建立，并應(yīng)維持切削土量與排土量的平衡，以使土倉內(nèi)的壓力穩(wěn)定平衡。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工準備→端頭加固→始發(fā)基座施工→反力架支撐系統(tǒng)施工→始發(fā)導(dǎo)洞施工→盾構(gòu)機組裝與調(diào)試→盾構(gòu)機始發(fā)掘進。

3.2 施工工藝操作要點

3.2.1 施工準備

按設(shè)計加工馬蹄形異型盾構(gòu)機、始發(fā)背靠架及洞門密封裝置，并且集中預(yù)制裝配式管節(jié)。

3.2.2 端頭加固

白城隧道范圍內(nèi)為砂質(zhì)新黃土，原狀土穩(wěn)定性較好，地表約3m為細砂層。在大斷面異型盾構(gòu)機始發(fā)掘進時，通過洞門密封裝置、套拱及掘進過程中的保壓措施，可保證洞頂?shù)貙臃€(wěn)定，無需再進行端頭加固施工。

3.2.3 始發(fā)基座施工

①盾構(gòu)始發(fā)基座定型、定位

盾構(gòu)始發(fā)基座全長24m，寬16m，兩側(cè)高3m，為與盾構(gòu)機外輪廓適應(yīng)的C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，保證始發(fā)基座與底板結(jié)構(gòu)成為整體，承受盾構(gòu)機的重力荷載和推進時的摩擦力，滿足剛度、強度和穩(wěn)定性的要求。

盾構(gòu)機組裝前，依據(jù)隧道設(shè)計軸線、洞門位置、盾構(gòu)機的尺寸及門吊吊裝盲區(qū)，反推出始發(fā)基座的空間位置為：DK206+567.4開始施作，向大里程方向25.4m，始發(fā)基座終點里程DK206+592.8。見圖2。

②盾構(gòu)始發(fā)基座施工

始發(fā)基座按照測量放樣的基線，與下覆既有鋼筋混凝土底板植剪力筋進行連接，綁扎鋼筋立設(shè)模板，埋設(shè)鋼軌連接預(yù)埋件，澆筑混凝土成型。在始發(fā)基座預(yù)埋件上安裝3根120kg/m鋼軌作為盾構(gòu)機導(dǎo)向軌道，底部導(dǎo)軌居中，上部兩根鋼軌距中心4.8m。由于盾構(gòu)較重，盾體放置于始發(fā)基座上后不能隨意前后移動，盾尾與中盾需要焊接連接，故在盾尾與中盾連接處，預(yù)留寬800mm，高700mm的盾尾焊接槽，焊接槽處不設(shè)置導(dǎo)向鋼軌，且在焊接槽前方的導(dǎo)軌打斜坡口處理。

圖2 始發(fā)基座斷面結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.4 反力架支撐系統(tǒng)施工

盾構(gòu)的反力由已施工明洞提供，即由2模C40加強明洞結(jié)構(gòu)代替常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)專用反力架提供反力，明洞仰拱連通，盾構(gòu)始發(fā)時，推力主要集中在下半部，詳見圖2。

3.2.5 始發(fā)導(dǎo)洞施工

在接收套拱向小里程方向，施作13.5m長始發(fā)導(dǎo)洞，拱架內(nèi)徑為12390mm，即在開挖輪廓線外155mm，距管片外緣340mm，在管片脫出盾尾后，按照要求進行洞門的密封，用1mm鐵皮分塊制作好，精確定位后焊接在導(dǎo)洞拱架上，即將管片與套拱之間的縫隙進行封閉，同時在拱架內(nèi)安設(shè)支撐，防止在噴漿或者同步注漿時，封閉塊發(fā)生變形，鐵皮必須牢固地嵌入噴漿料且單面緊靠拱架，灌注混凝土或砂漿填筑時不得松動而影響使用。在施作過程中鋼環(huán)位置的縱向偏差為3mm，低于標準偏差5mm。始發(fā)導(dǎo)洞大里程與套拱連接，小里程進洞端焊接預(yù)埋鋼環(huán)，保證盾構(gòu)在通過拱架區(qū)時呈密封狀態(tài)。

圖3 洞門預(yù)埋鋼環(huán)

圖4 密封裝置示意圖

3.2.6 盾構(gòu)機組裝與調(diào)試

采用250t履帶吊1臺，230t門吊1臺，配以相應(yīng)的吊具、機具、工具，將主機按照組裝圖在始發(fā)基座上拼裝完成，再吊裝螺旋輸送機，然后進行后配套連接，完成空載、負載調(diào)試。

圖5 主機組裝圖

圖6 后配套組裝圖

3.2.7 盾構(gòu)始發(fā)掘進施工

根據(jù)始發(fā)場地的長度及設(shè)計洞口的寬度，確定需要在導(dǎo)臺上拼裝的管片數(shù)量。盾構(gòu)機經(jīng)調(diào)試驗收確認正常，明洞加強段施作完畢及其他準備工作（洞門加固、管路連接）全部完成后進行初始掘進管片拼裝。管片拼裝第一環(huán)必須注意斷面的圓度和與隧道軸線的垂直度，為整環(huán)拼裝做準備。

一般情況下，第一環(huán)管片在盾殼內(nèi)的正常安裝位置進行拼裝。在安裝第一環(huán)管片之前，為保證第一環(huán)管片不破壞盾構(gòu)機尾部的密封刷及第一環(huán)管片在拼裝好以后能順利向后推行，在盾殼內(nèi)安設(shè)厚度不小于盾尾間隙的槽鋼，以使管片在盾殼內(nèi)的位置得到保證。

盾構(gòu)位于始發(fā)臺上時盡量不要進行姿態(tài)調(diào)整，盾尾離開始發(fā)臺后盾構(gòu)已處于相對自由的狀態(tài)，一般通過盾構(gòu)推進千斤頂?shù)暮侠磉x用來調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，必要時可通過調(diào)整管片楔形量來調(diào)整，以使盾構(gòu)逐步沿隧道設(shè)計軸線推進。整個盾構(gòu)掘進過程中，糾偏實行“勤糾、量小”的原則，每環(huán)姿態(tài)調(diào)整量控制在6mm以內(nèi)；盾構(gòu)軸線偏離設(shè)計軸線不大于±50mm，地面隆陷控制在+10mm～-30mm。

在始發(fā)掘進時，嚴格控制盾構(gòu)機的各組油缸壓力，盾構(gòu)機總推力小于5000T，刀盤扭矩（總）小于3500kN·m。

始發(fā)時在始發(fā)基座上推進速度控制在20～30mm/min，盾構(gòu)進入原狀土的前12m推進速度控制在20～30mm/min以內(nèi)，在盾構(gòu)機盾尾完全進入原狀土后可逐步提高到30～40mm/min左右。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)白城隧道工程特點，通過對始發(fā)端頭加固、始發(fā)基座安設(shè)、反力架支撐系統(tǒng)安設(shè)、洞門密封裝置安裝、盾構(gòu)始發(fā)參數(shù)優(yōu)化進行探索與試驗，安全、快速的圓滿完成了白城隧道大斷面馬蹄形盾構(gòu)始發(fā)進洞任務(wù)。同時因地制宜，優(yōu)化始發(fā)方案，利用明洞開挖和結(jié)構(gòu)加強及進洞處既有套拱防護，節(jié)省反力架、負環(huán)制安和豎井、始發(fā)端墻施做，實現(xiàn)可觀的工程效益。為解決山嶺隧道盾構(gòu)始發(fā)施工的關(guān)鍵技術(shù)難題提供寶貴的案例借鑒。