濕陷性黃土地區(qū)城市地鐵土壓平衡盾構(gòu)機的始發(fā)施工技術(shù)

申曉莉

摘? ? 要：結(jié)合西安地鐵四號線TJSG-12標含元殿站～大明宮站區(qū)間左線盾構(gòu)始發(fā)實例，闡述濕陷性黃土地區(qū)城市地鐵車站及暗挖隧道盾構(gòu)始發(fā)施工過程，為類似工程提供施工借鑒。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土;地鐵車站;暗挖隧道;盾構(gòu)始發(fā)

1? 引言

盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)是盾構(gòu)法建造隧道的關(guān)鍵工序，該施工技術(shù)的優(yōu)劣將直接影響盾構(gòu)隧道工程施工的成敗。盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)根據(jù)工程所處地層的水文、地質(zhì)、周邊環(huán)境條件、地下管線保護要求而制定，如何科學、合理地解決濕陷性黃土地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)機始發(fā)施工技術(shù)，是一項值得研究、探討的課題。

2? 工程概況

西安地鐵四號線TJSG-12標含元殿站～大明宮站盾構(gòu)區(qū)間左線起訖里程為ZDK19+154.606～ZDK19+916.830，長762.242m，其中里程ZDK19+249.433～ZDK19+417.275為淺埋暗挖隧道段，長167.842m，淺埋暗挖隧道凈空尺寸為7500（寬）×7650（高）mm。

區(qū)間左線盾構(gòu)機從含元殿站北端頭始發(fā)，沿太華路向北過掘進至f2暗挖隧道出洞，然后空推過f2暗挖隧道，由暗挖隧道北端頭始發(fā)向北掘進至大明宮站。盾構(gòu)掘進示意圖見圖1。本區(qū)間左線盾構(gòu)施工長度為594.4m，最大縱坡為24.5‰，最大埋深約18.4m。

2.1? 工程地質(zhì)

含元殿站～大明宮站區(qū)間地形平坦，場地呈中間高南北低之勢。地面高程介于403.60m～406.64m。隧道洞身穿越地層主要為：3-1-2新黃土層、3-4粉質(zhì)粘土、4-1-2老黃土層和3-2古土壤層。

2.2? 水文情況

本區(qū)間地下水屬于潛水類型，穩(wěn)定水位埋深15.7～17.2m之間，相應高程為379.02～384.58m。擬建場地的地下水主要受大氣降水及地下水徑流補給。潛水排泄方式主要為徑流排泄。地下水流向北北西。

2.3? 施工工藝

本區(qū)間左線盾構(gòu)施工分別先后從含元殿站北端頭始發(fā)、空推過f2暗挖段北端頭向北掘進至大明宮站。盾構(gòu)始發(fā)需做的工作主要包含：車站及暗挖隧道始發(fā)端頭加固、始發(fā)端頭降水、洞門密封及防水裝置安裝、車站及暗挖隧道始發(fā)架及反力架安裝、負環(huán)安裝及加固、洞門破除。

3? 施工方法

3.1? 始發(fā)端頭加固

3.1.1? 車站始發(fā)端頭加固

為防止拆除洞口圍護結(jié)構(gòu)時洞口土體塌陷及地下水流入始發(fā)井內(nèi)，在車站始發(fā)端頭采用單排Φ1000@1250mm素混凝土樁加固方式對一定范圍內(nèi)的土體進行加固處理。

3.1.2? 暗挖隧道始發(fā)端頭加固

f2暗挖隧道始發(fā)端頭采用1300mm厚C20素混凝土墻對洞門進行封閉加固處理，盾構(gòu)始發(fā)前鑿除部分素混凝土墻，然后刀盤磨穿剩余素混凝土墻向前推進。該素混凝土加固端墻與暗挖隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)同期施工，采用木模板與方木、工字鋼結(jié)合的方式作為端墻混凝土澆筑施工的支撐體系，后期可通過預留的同條件試塊檢查該加固端墻的強度。

3.2? 始發(fā)端頭降水

盾構(gòu)始發(fā)處降水可利用車站及暗挖施工時的降水井進行降水，確保水位降至底板以下1m，降水效果利用現(xiàn)場布置的水位觀測孔進行觀測。另外，盾構(gòu)始發(fā)前須在加固端墻上打設(shè)水平的水位觀測孔檢驗滲漏水情況。在洞身范圍內(nèi)垂直洞門加固端墻用風槍打水平觀測孔，水平探孔分上、中、下共計5個鉆探孔，直徑φ48mm，探孔進尺不小于2.5m，根據(jù)孔的滲水量判斷地層降水效果，觀察時間不少于12h。

3.3? 洞門密封、防水裝置安裝

在盾構(gòu)始發(fā)掘進時，為了防止洞內(nèi)水和回填注漿沿著盾構(gòu)機外殼向洞口方向流出，在內(nèi)襯墻上的盾構(gòu)機入口洞圈周圍安裝環(huán)行密封橡膠板止水裝置，該裝置在內(nèi)襯墻入口洞圈周圍安裝設(shè)有M20螺孔的預埋板A，用螺栓將密封橡膠簾布、壓緊環(huán)板B和折頁壓板栓連在預埋環(huán)板A上，折頁壓板采用鋼絲繩連接成一個整體。

安裝順序為：洞門圈預埋鋼環(huán)板A（車站及隧道施工時已預埋）→安設(shè)雙頭螺栓→橡膠簾布→壓緊環(huán)板B→折頁壓板→墊圈→螺母。

安裝注意事項：（1）安裝前檢查橡膠簾布是否完好，徑向尼龍線密集排列和螺栓孔是否完好;（2）安裝前清理環(huán)板和疏通預埋鋼板的孔并涂上黃油;（3）安裝前檢查螺栓絲扣是否完整無損;雙頭螺桿安裝時必須確保栓結(jié)牢固;（4）安裝洞門密封裝置依次從上往下、左右對稱順序進行;（5）為防止盾構(gòu)機推進時，刀盤損傷簾布橡膠板，在盾構(gòu)向前推進前應在簾布橡膠板外側(cè)及邊刀上涂抹黃油。

3.4? 始發(fā)基座、反力架安裝及加固

3.4.1? 車站始發(fā)基座

始發(fā)托架是盾構(gòu)機在始發(fā)井中的支撐和定位托架。始發(fā)架與反力架接觸位置用工字鋼卡緊。首先依據(jù)隧道在此處的設(shè)計軸心線確定始發(fā)托架中心線，通過測量放線，將托架中心線和托架支撐軌切點位置刻劃于始發(fā)井底或端墻及側(cè)墻上，以指示托架的安裝位置。為防止盾構(gòu)始發(fā)時會出現(xiàn)栽頭和整體下沉現(xiàn)象，將始發(fā)托架前部抬高30mm，后部抬高10mm安裝，托架安裝采用鋼板墊高找正。托架安裝就位后，在井底采用工字鋼將托架焊接固定。

3.4.2? 暗挖始發(fā)基座

本區(qū)間暗挖隧道斷面呈馬蹄形，凈空尺寸為7500（寬）×7650（高）mm，盾構(gòu)機刀盤外徑6280mm，盾體最大外徑6250mm，盾體與暗挖隧道二襯之間凈空不到700mm，始發(fā)空間極其狹小，盾構(gòu)在常規(guī)情況下始發(fā)時所采用的始發(fā)基座無法用于暗挖隧道內(nèi)的盾構(gòu)始發(fā)。根據(jù)實際狀況，此處采用混凝土導臺+導軌作為盾構(gòu)始發(fā)的基座，以解決該問題。

暗挖隧道設(shè)計包含隧底混凝土回填，線路中心回填厚度1250mm。將該回填分為兩次進行，第一次回填作為盾構(gòu)始發(fā)基座混凝土導臺，給盾構(gòu)始發(fā)提供條件。待盾構(gòu)全部施工完成后進行第二次回填，回填至最終設(shè)計要求即可。

導臺混凝土全部采用C30，導臺上鋼軌采用43kg/m軌。鋼軌下方每隔0.3m預埋20mm厚鋼板（尺寸300[×]100mm），鋼板下方須加設(shè)錨固筋，錨固筋采用HRB400鋼筋，直徑不小于25mm，長度不小于300mm，所有預埋鋼板采用2根直徑20mm鋼筋進行通長縱向連接。每個預埋件上焊接一對軌道卡扣，用以固定鋼軌。始發(fā)導臺設(shè)計見圖2、3。

由于盾體為圓形，座在始發(fā)導軌上會對導軌向外產(chǎn)生較大側(cè)壓力，若不采取加固措施則很容易造成導軌側(cè)翻。此處采用150×100×20mm鋼板作為斜撐，與地面呈30°夾角，間距600mm布設(shè)一道，斜撐鋼板下部與導軌基礎(chǔ)鋼板焊接牢固，可解決導軌側(cè)翻問題。具體見圖4。

3.4.3? 車站反力架安裝及加固

施工安裝順序：（1）車站主體結(jié)構(gòu)施工時，在底板、中板及側(cè)墻預埋鋼板預埋件;（2）在盾構(gòu)機的主機在托架上安裝好后，將反力架和基準環(huán)由下至上分別吊入井下進行組裝;（3）先將反力架的下橫梁吊到井下，進行拼裝，再將側(cè)梁和上部吊入與下部組裝在一起;（4）將基準環(huán)的下半部吊入井下與反力架進行連接，再將基準環(huán)的上半部吊入與反力架和基準環(huán)下半部連接，經(jīng)測量檢查、調(diào)整使基準環(huán)的中心與反力架的中心重合，然后安裝牢固;（5）根據(jù)測量的結(jié)果對反力架進行水平方向和標高的調(diào)整，使反力架和基準環(huán)的中心線與隧道的軸線一致，并報監(jiān)理單位進行復測;（6）為確保盾構(gòu)掘進過程中反力架的穩(wěn)定，在反力架與盾構(gòu)始發(fā)井主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置支撐進行加固。由于始發(fā)井限制，支撐分為斜撐和直撐，斜撐采用外徑為530mm（壁厚14mm）鋼管，直撐采用175工字鋼。

3.4.4? 暗挖反力架安裝及加固

由于暗挖隧道內(nèi)盾構(gòu)始發(fā)空間極其狹小，我們平時在車站或其它始發(fā)井內(nèi)采用的反力架體積較大無法安裝至暗挖隧道內(nèi)。因此，我們在這里根據(jù)暗挖隧道的空間尺寸設(shè)計出適合在暗挖隧道環(huán)境安裝及發(fā)揮作用的環(huán)形反力架。見圖5。

反力架斜支撐采用3根直徑530mm，壁厚14mm無縫鋼管進行對焊，一端與主梁焊接，另一端焊接于預埋鋼板上，斜撐與地板的角度為30°。

施工安裝順序：測量放線→預埋鋼構(gòu)件→反力架拼裝→位置校核及加固→完成安裝。

（1）為了更加方便、有效的安裝和加固反力裝置，在暗挖隧道二襯中預埋吊鉤與鋼板預埋件。暗挖隧道斷面內(nèi)共設(shè)置18個吊鉤，吊鉤采用直徑32mm圓鋼加工而成，反力架上方并排設(shè)計4個吊鉤，盾構(gòu)機上方設(shè)計14個吊鉤用于后期拆除負環(huán)管片和其它用。吊鉤與二襯主筋焊接或者綁扎，吊鉤嵌入二襯500mm，外漏80mm。另外，反力架底部預埋2塊1500×1500×20mm鋼板與反力架焊接作為固定措施之一。支撐反力架的斜撐下部施做6500×1175×800mm（從反力架底部算起高800mm）素混凝土臺，預埋共計6塊1500×750×20mm鋼板作為斜撐的支撐基礎(chǔ)。（2）反力架六大部分全部采用板車運至安裝現(xiàn)場，并利用暗挖隧道拱頂預埋的吊鉤進行吊裝。首先將下八字撐導入盾構(gòu)機尾部，將兩塊下八字撐吊至反力架設(shè)定位置，采用高強螺栓連接。然后連接反力架中柱，待下八字撐與中柱安裝牢固后，將反力架與二襯底板結(jié)構(gòu)上預埋的鋼板焊接牢固，然后鋼管斜撐與導臺處預埋鋼板焊接。最后將反力架上八字撐與中柱進行連接加固，并架設(shè)第三道斜撐，保證反力架的每一部分都有斜撐支撐。

3.5? 負環(huán)安裝及加固

3.5.1? 負環(huán)安裝

在始發(fā)時，盾構(gòu)機依靠負環(huán)管片提供支撐進行掘進，負環(huán)管片為標準環(huán)，拼裝方式為錯縫拼裝，安裝使用管片拼裝機直接安裝。本區(qū)間車站及暗挖隧道內(nèi)均安裝7環(huán)負環(huán)管片，以滿足始發(fā)段的尺寸要求及保證洞門環(huán)梁長度500mm。

在安裝負環(huán)管片前，在盾構(gòu)機盾尾內(nèi)安設(shè)4～8根厚度50mm（盾構(gòu)機盾尾直徑為6230mm，盾尾結(jié)構(gòu)體鋼板厚度為40mm，管片外徑為6000mm），寬度50mm，長度2000mm的硬質(zhì)方鋼，等待盾構(gòu)機完全進入洞內(nèi)，洞口開始進行同步注漿時，將方鋼拆除。見圖6所示。

負7環(huán)第一塊管片的定位。在拼裝負7環(huán)管片的第一塊管片時，首先在負7環(huán)管片的B2B管片內(nèi)弧面上劃出管片偏移18°后位于弧底的位置，封頂塊F在1點位置，拼裝順序為B2B—B3B—B1B—L2B—L1B—F，如圖7所示。

鄰接塊L1B和L2B的安裝。鄰接塊安裝時，在盾尾盾殼上焊接“L”型管片拉鉤，可將管片臨時拖住，避免其跌落，待此環(huán)拼裝完成后割去“L”型管片拉鉤，整體向后平移至反力架處，再用“L”形鋼板將管片固定在反力架上。

3.5.2? 負環(huán)加固

（1）支墊負環(huán)管片。由于始發(fā)支座軌道與管片外側(cè)有125mm的空隙（盾構(gòu)始發(fā)臺的尺寸是按照盾構(gòu)機的前體6250mm設(shè)計，管片外徑為6000mm），為了避免負環(huán)管片全部推出盾尾后下沉，在始發(fā)臺導軌上用方木楔楔緊，使其將負環(huán)管片托起。

在拼裝好第二環(huán)負環(huán)管片后，讓盾構(gòu)機繼續(xù)向前掘進，使盾尾密封刷脫離第一環(huán)管片，將150mm×100mm的三角木楔楔進負環(huán)與支撐架之間的空隙內(nèi)，左右兩側(cè)各楔兩個木楔。

（2）緊固鋼絲繩。用兩根16mφ18的鋼絲繩繞過負環(huán)管片頂部，將繩頭分別留在支撐架左右兩側(cè)，每個繩頭上穿上緊線器，將緊線器的另一端掛在支撐架的吊耳上，旋轉(zhuǎn)緊線器，將鋼絲繩拉緊。

盾構(gòu)機繼續(xù)向前掘進，重復上述1、2步，直至盾尾進入洞門后，將負環(huán)管片全部用鋼絲繩固定。

（3）安裝負環(huán)緊固架。先將負環(huán)緊固架吊入盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)，用M20的螺栓將負環(huán)緊固架分別與左右支撐架連接在一起，然后吊入縱梁與緊固架用M16的螺栓連接。

（4）加三角木楔。在縱梁與負環(huán)管片的空隙內(nèi)楔入300mm×250mm的三角木楔，每環(huán)負環(huán)管片左右兩側(cè)各楔入兩個木楔。

3.6? 洞門破除

3.6.1? 車站洞門破除

洞門破除的主要目的是割掉盾構(gòu)機通過范圍內(nèi)車站圍護結(jié)構(gòu)的鋼筋，使盾構(gòu)機順利進入端頭圍巖。

（1）破除洞門的時間應在盾構(gòu)機調(diào)試達到穩(wěn)定推進條件后。洞門在與盾構(gòu)機間應預留不小于1.5m的作業(yè)空間。

（2）為保證圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，破除分三階段進行，破除見示意圖8。第一階段破除圍護樁內(nèi)側(cè)600mm，鑿除時按先上后下、先中間后兩側(cè)的順序進行。第二階段破除剩余混凝土，破除完畢后，用風鎬修整洞門周圍混凝土面，使洞門周圍圓順;第三階段破除外圍殘留鋼筋混凝土，將洞門周邊鋼筋修整切割圓順，盡量縮短洞門土體無支撐時間;第一階段洞門破除的時間為盾構(gòu)始發(fā)前10d;第二階段洞門破除的時間為盾構(gòu)始發(fā)前5d;第三階段洞門破除的時間為始發(fā)前2h。

（3）洞門破除后，盾構(gòu)機應迅速靠上掌子面土體，以免土體發(fā)生坍塌。確保洞門掌子面穩(wěn)定。

3.6.2? 暗挖洞門破除

本區(qū)間暗挖隧道原設(shè)計盾構(gòu)始發(fā)時刀盤直接磨穿混凝土素墻，但由于刀盤厚度（1000mm）大于暗挖隧道洞門二襯端墻厚度（550mm），刀盤轉(zhuǎn)動過程中其側(cè)面的摩擦會對已安裝的洞門簾布和扇形壓板造成損壞。因此該素混凝土端墻還須進行部分鑿除，以規(guī)避刀盤轉(zhuǎn)動損壞洞門簾布和扇形壓板的問題。為解決這一重點問題，只能將盾構(gòu)機再向前推進650mm，讓刀盤避過洞門簾布和扇形壓板后再運轉(zhuǎn)，洞門破除范圍見圖9。

因本工程情況特殊，洞門只需破除一小部分，工程量較小，根據(jù)經(jīng)驗，可在盾構(gòu)始發(fā)前10天開始進行洞門破除。

洞門鑿除前，須確保洞門端墻素混凝土強度達到100%，并在加固端墻上打設(shè)水平的水位觀測孔檢驗降水效果。

洞門鑿除采用人工鑿除，分兩大步驟進行，首先進行全斷面鑿除，鑿除厚度不小于200mm。然后鑿除洞門中心點周圍900mm范圍素混凝土，鑿除厚度不小于450mm。

開鑿前，搭設(shè)雙排腳手架，鑿除時按先上后下、先中間后兩側(cè)的順序進行。鑿除完畢后，用風鎬修整洞門周圍混凝土面，使洞門周圍圓順。

4? 結(jié)束語

盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)是盾構(gòu)法施工技術(shù)的關(guān)鍵，也是盾構(gòu)施工成敗的一個重要標志，必須全力做好始發(fā)階段的各個環(huán)節(jié)。為確保始發(fā)達到預期效果，應根據(jù)現(xiàn)場條件選擇最合適的方法。

參考文獻：

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