狹窄空間土壓平衡盾構(gòu)分體始發(fā)施工技術
——以新加坡地鐵C715項目盾構(gòu)隧道為例

鐘志全

(中建隧道建設有限公司， 重慶 401320)

0 引言

盾構(gòu)分體始發(fā)是當豎井空間較小、不能滿足整體始發(fā)時，將盾構(gòu)盾體或一部分主要的后配套臺車先下井組裝，全部或另一部分后配套臺車在地面上安裝，在盾構(gòu)掘進長度達到能夠使部分或所有后配套臺車下井的條件后，再分批或一次性將后配套臺車下井組裝，然后繼續(xù)掘進，完成始發(fā)工作再按整體始發(fā)的模式將后配套臺車下井組裝后始發(fā)[1-2]。

目前國內(nèi)學者對盾構(gòu)分體始發(fā)進行了一定的研究。文獻[3]以長沙市軌道交通4號線阜埠河站—碧沙湖站盾構(gòu)區(qū)間工程為背景，介紹了分體始發(fā)盾構(gòu)設備改造原則、改造方案及始發(fā)方案；文獻[4]以十堰市地下綜合管廊北京北路盾構(gòu)段工程為例，介紹了一種超狹窄豎井盾構(gòu)分體始發(fā)施工方法；文獻[5]對盾構(gòu)分體始發(fā)相應技術參數(shù)進行了研究；文獻[6-13]結(jié)合具體的工程實例，從始發(fā)方案、設備選型、施工方法、反力環(huán)和楔形環(huán)設計、始發(fā)托架、列車編組、注漿控制等方面對土壓平衡盾構(gòu)分體始發(fā)技術進行了詳細探討與研究；文獻[14-15]結(jié)合工程實例對盾構(gòu)分體始發(fā)的幾種方案進行了對比，并選出最佳分體始發(fā)方案。以上文獻對盾構(gòu)分體始發(fā)技術的研究大多集中在托架、反力架等井下始發(fā)設備改造及掘進過程控制方面，而對于如何通過后配套臺車、出渣系統(tǒng)等設備的適應性改造，達到節(jié)約管線和提高工效等方面的研究較少，相關的技術經(jīng)驗總結(jié)更少。

新加坡C715項目盾構(gòu)工程始發(fā)豎井長度僅22 m，施工時只能采用盾體單獨下井的分體始發(fā)方式。本文在該項目施工經(jīng)驗基礎上，總結(jié)了狹窄空間條件下盾構(gòu)分體始發(fā)的設備改造方案和施工關鍵技術，以期為相似工程提供一些參考。

1 工程概況

新加坡北東延長線(NEL)C715項目盾構(gòu)隧道雙線總長約1.4 km，隧道外直徑6 400 mm，管片寬1 400 mm。工程采用2臺φ6 670 mm的土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)及后配套設備總長約100 m，其中盾體長約9.4 m，共設8節(jié)臺車。

因相鄰段明挖隧道施工進度緩慢，無法提供始發(fā)場地，只能在豎井中始發(fā)。該盾構(gòu)始發(fā)豎井結(jié)構(gòu)長26 m、寬23.8 m、深19.7 m，左右線各留有1個吊裝孔，豎井設置3道圈梁，始發(fā)井內(nèi)凈空長僅22 m。始發(fā)豎井結(jié)構(gòu)見圖1。由于受始發(fā)空間限制，盾構(gòu)無法在井下整機組裝連接后再實施常規(guī)始發(fā)，因此，根據(jù)盾構(gòu)構(gòu)造并結(jié)合施工場地條件采用了盾體單獨下井的分體式始發(fā)方法。

圖1 始發(fā)豎井結(jié)構(gòu)(單位： mm)

2 分體始發(fā)方案設計

2.1 原設計方案

原設計方案擬先將盾構(gòu)主機下井，1—8號后配套臺車及設備橋則全部放置在地面，主機與后配套臺車之間由延伸管線連接，待掘進至P55環(huán)，將后配套設備全部下井組裝調(diào)試后再進行掘進，掘進期間使用小型渣斗在螺旋輸送機出土口處直接接收渣土。

該方案雖然能滿足施工要求，但是存在一些不足： 1)由于盾構(gòu)掘進中所需的耗材均在地面后配套臺車上，長距離連接管線不僅會降低泡沫劑的穩(wěn)定性，影響渣土改良效果,還會產(chǎn)生壓降，降低油脂的泵送能力，油脂黏附在管壁上，增加材料消耗及堵管的風險。2)經(jīng)估算，掘進期間動力、液壓、流體、控制電纜及泡沫油脂等管路每根延伸約210 m，管線消耗量大。3)施工中只能使用4 m3的小型渣斗在螺旋輸送機出土口處直接接收渣土，出渣緩慢，每掘進一環(huán)出渣高達17次，嚴重影響掘進效率。分體始發(fā)原方案示意見圖2。

圖2 分體始發(fā)原方案設計示意圖(單位： m)

2.2 優(yōu)化設計方案

為了解決管線成本高及出渣效率低等問題，對原方案進行分析研究。研究發(fā)現(xiàn)： 在盾體下井組裝后，豎井底板還剩余約10 m的空間可以利用；另外，8號臺車全長8.5 m，臺車上的設備為風筒、工人休息室及水管卷盤，空間大，且頂部有1個6 m×2 m用于安裝風筒的預留孔洞。由此提出改進設計： 1)改造8號臺車，將油脂、泡沫、反注漿沖洗等設備移至該臺車上，下井與盾體連接； 2)地面后配套臺車重新排列組合，將5號臺車與原1號臺車位置對換，其余后配套臺車之間按順序正常連接； 3)改造出渣系統(tǒng)，即通過管道將螺旋輸送機出土口延伸，以增加放置渣斗的空間，達到使用9 m3渣斗出土的目的。

該方案具有以下優(yōu)點： 1)盾構(gòu)掘進所需耗材裝置均隨盾構(gòu)前進，節(jié)約了油脂、泡沫及反注漿管路約3 170 m，且避免了常規(guī)方案中泡沫及油脂傳送所產(chǎn)生的問題； 2)通過地面后配套臺車重組，縮短5號臺車上6根動力電纜約273 m，并減少地面占用空間； 3)始發(fā)階段每掘進一環(huán)僅需8次出渣，較使用4 m3小渣斗出渣相比，掘進效率提高1倍以上。分體始發(fā)優(yōu)化方案示意見圖3。

圖3 分體始發(fā)優(yōu)化方案示意圖

3 設備適應性改造

3.1 8號臨時臺車改造

1)將8號臺車上風筒、工人休息室及水管卷盤等在始發(fā)掘進階段無需使用的設備拆除； 2)將原位于2號臺車的泡沫原液罐、泡沫混合液罐及泡沫發(fā)生裝置，3號臺車上的反注漿沖洗系統(tǒng)，4號臺車上的注脂系統(tǒng)等裝置拆卸移至8號臨時臺車上； 3)分別將8根泡沫管路、3根油脂管路、4根反注漿沖洗管路與盾體連接，使這些裝置在始發(fā)試掘進期間跟隨盾體前進； 4)同步注漿管路、流體管路從地面延伸下井后，從臺車頂部兩側(cè)空余的位置延伸至盾體上，在安裝管路時不能遮擋預留孔洞，避免垂直運輸過程中損壞管片或管路。8號臨時臺車改造見圖4。

圖4 8號臨時臺車改造

3.2 出渣系統(tǒng)改造

在螺旋輸送機出土口下方安裝1個寬850 mm、長770 mm、高270 mm的卸料斗，卸料斗后方連接1根管道，在管道末端用葫蘆(2 t)將管道與8號臨時臺車相連。卸料斗示意見圖5。掘進時通過螺旋輸送機將土艙內(nèi)渣土擠壓至管道下方?？康? m3渣土車中。在卸料斗靠近盾體的一側(cè)分別安裝1根進水管和1根進氣管。當渣土較黏稠時，使用葫蘆調(diào)低管道末端位置，根據(jù)出渣情況，選擇打開進水管稀釋渣土，增加渣土流動性，通過進氣管加壓將土斗內(nèi)渣土擠壓至管道完成出土。當渣土較稀時，調(diào)高管道末端位置，防止發(fā)生噴涌現(xiàn)象。改造后出渣示意見圖6。

3.3 管片小車改造

本工程盾構(gòu)分體始發(fā)時，由于吊運管片的雙軌梁和存放管片的喂片機均無法與主機連接，且受高度限制，普通的管片小車無法搭載管片進入拼裝區(qū)域，故只能將管片在8號臨時臺車尾部卸載，此時管片距拼裝機約4 m。然后，通過手拉葫蘆人工拖拉或鋼絲繩卷揚機拖拉的方式進行管片運輸及倒運。該管片轉(zhuǎn)運方式工人勞動強度大，且管片在拖拉過程中及拼裝機區(qū)域旋轉(zhuǎn)時存在操作安全隱患和管片破損風險。

式中,γc為耦合系數(shù)；為距離爆心的比例距離；n為衰減指數(shù)，一般對于50 GPa以上的強沖擊區(qū)n≈3.0，在5～20 GPa的過渡壓力區(qū)，n≈1.4～1.8，在固體彈塑性變形區(qū)，n≈1.1～1.2。

圖5 卸料斗示意圖(單位： mm)

(a) 設計圖

針對上述工程問題，設計了一種應用于盾構(gòu)分體始發(fā)階段、且能夠保證管片安全順利轉(zhuǎn)運的小車(見圖7)。該小車主要由車體、托盤、旋轉(zhuǎn)支撐座及防自轉(zhuǎn)鎖扣組成，其中，拖盤位于旋轉(zhuǎn)支撐座的上方，且能夠繞旋轉(zhuǎn)支撐座的中心旋轉(zhuǎn)，車體高度較原管片小車低。管片轉(zhuǎn)運小車的工作原理如下： 1)旋轉(zhuǎn)盤防自轉(zhuǎn)鎖扣向上翻起，旋轉(zhuǎn)盤被固定； 2)將管片吊放于轉(zhuǎn)運小車上； 3)待管片穩(wěn)定后，管片轉(zhuǎn)運小車在人工或卷揚機的拖拉作用下，沿軌道行走至管片拼裝區(qū)域； 4)此時若需要調(diào)整管片角度，則打開旋轉(zhuǎn)盤防自轉(zhuǎn)鎖扣，將管片旋轉(zhuǎn)至所需角度。至此，管片轉(zhuǎn)運小車完成1次管片轉(zhuǎn)運。

圖7 管片轉(zhuǎn)運小車

該小車能搭載管片順利進入管片拼裝區(qū)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后正常卸片，與人工拖拉管片的方式相比，既保證了施工人員的安全，又避免了運輸過程中管片破損。

3.4 安裝PLC中繼柜

PLC系統(tǒng)通過通訊線及控制電纜將地面主控室和螺旋輸送機、管片拼裝機、注漿系統(tǒng)等盾體內(nèi)設備連接起來，具有收集輸入信號、根據(jù)程序自動控制設備運行、監(jiān)控設備參數(shù)、報警以及故障記錄等作用。在原方案設計中，30多根控制電纜及電機電纜需要從井下連接到地面主控室。線路越長，信號越不穩(wěn)定，并且增加了維護難度。因此，在8號臺車上安裝PLC中繼柜，通過1根工業(yè)通訊線，將信號從地面主控室傳輸至井下中繼柜內(nèi)的PLC從站，然后再傳輸至盾體上各個電氣柜的PLC從站，實現(xiàn)對井下設備的控制。井下系統(tǒng)的故障信號及監(jiān)測數(shù)據(jù)也可通過中繼柜經(jīng)工業(yè)通訊線反饋到地面主控室的上位機中。設置PLC中繼柜可以節(jié)省人力，減少線路占用空間，增強信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低設備故障率。

4 盾構(gòu)分體始發(fā)技術

盾構(gòu)分體始發(fā)施工流程見圖8。

圖8 盾構(gòu)分體始發(fā)施工流程

4.1 安裝洞門密封

始發(fā)階段由盾構(gòu)推進破除洞門。洞門密封采用直徑7.7 m、寬1.4 m的小鋼套筒，鋼套筒外側(cè)安裝壓板及橡膠簾布。始發(fā)前使用水泥漿填充地下連續(xù)墻與鋼套筒之間的間隙，防止同步注漿漿液外泄。

4.2 安裝反力架

按照設計要求，反力架端面垂直于始發(fā)軸線布設，反力架中線與始發(fā)中線重合。反力架位置見圖9。在始發(fā)掘進期間，在PLC系統(tǒng)中設定最大推力為允許推力的80%。在反力架上安裝4個紙棱鏡，測量工程師在盾構(gòu)掘進過程中全程監(jiān)控反力架位移情況。

4.3 第1階段施工

該階段主機盾體及8號臨時改造臺車下井，始發(fā)掘進T8—P55環(huán)。采用1臺平板車搭載9 m3的小渣斗，以及卷揚機牽引平板車、龍門吊垂直運輸渣斗的方式進行出渣。該階段無法使用雙軌梁，掘進完成后，管片小車通過卷揚機每次僅能運輸1塊管片進入拼裝機區(qū)域。第1階段水平運輸示意見圖10。

圖9 反力架位置示意圖(單位： mm)

圖10 第1階段水平運輸示意圖

4.4 第2階段施工

盾構(gòu)掘進至P55環(huán)后，將后配套臺車吊裝下井，其步驟為： 1)電瓶車下井，斷開動力電纜、液壓軟管、流體及注漿管路，依次拆除T8—T2上部負環(huán)管片以及反力架； 2)拆除臨時8號臺車上的油脂、泡沫系統(tǒng)； 3)分別將1號臺車、連接橋及2號臺車依次下井組裝后與盾體連接； 4)依次將3、4、5號臺車吊裝下井后與2號臺車連接，并連接液壓軟管、流體以及油脂泡沫等管路； 5)將6、7號臺車吊裝下井與5號臺車連接，連接動力電纜及剩余管線； 6)移除剩余的負環(huán)管片以及始發(fā)托架； 7)沿隧道軸線延伸豎井工作平臺，盾構(gòu)重新調(diào)試后掘進至P115環(huán)。

該階段可使用皮帶機及雙軌梁，洞內(nèi)運輸采用1節(jié)電瓶車+1輛管片車+1輛12.1 m3渣土車，通過增加渣斗的容量，進一步提高了出渣效率；電瓶車牽引提升了運輸速度，管片運輸分3次完成，施工效率相對第1階段有所提升。第2階段水平運輸示意見圖11。

4.5 第3階段施工

盾構(gòu)掘進至P115環(huán)后，增加1列電瓶車，此時豎井可同時容納3個12.1 m3的渣斗。洞內(nèi)運輸采用標準機車編組： 1節(jié)電瓶車+2輛管片車+3輛12.1 m3渣土車； 1節(jié)電瓶車+1輛平板車+1輛管片車+3輛12.1 m3渣土車。

圖11 第2階段水平運輸示意圖

由于明挖隧道不能提供始發(fā)空間，該階段施工期間，2輛電瓶車交叉進行出渣及材料運輸，停靠在井口的電瓶車在吊渣的同時斷開機頭，機頭及管片小車駛過岔道后倒退至豎井另一條軌道上，完成管片等材料吊裝后再返回井口與渣斗連接，待另一輛電瓶車出洞后再進入隧道，達到循環(huán)施工，至此進入正常掘進階段。第3階段水平運輸示意見圖12。

圖12 第3階段水平運輸示意圖

考慮井口停放的電瓶車可能出現(xiàn)故障導致無法運行，將岔道布置在P37環(huán)處，使另一輛電瓶車的3個渣斗有足夠的空間停靠在故障電瓶車的軌道上。該電瓶車的管片小車能夠移至井口吊裝材料，確保僅有1臺電瓶車的情況下可以繼續(xù)進行掘進施工。

5 結(jié)論與討論

1)本工程通過將油脂、泡沫等系統(tǒng)改裝至8號臨時臺車，使這些設備跟隨盾構(gòu)掘進，可保證泡沫劑傳輸穩(wěn)定，加強渣土改良效果；同時，縮短油脂傳輸距離，保證了油脂的泵送能力，避免油脂附著在管壁上，造成油脂浪費及堵管風險。

2)通過8號臺車改造，節(jié)約了油脂、泡沫及反注漿管線約3 170 m；通過地面后配套臺車重組，節(jié)約了動力電纜約273 m。

3)通過在螺旋輸送機下方增設卸渣裝置，分體始發(fā)期間可使用9 m3渣斗出土，經(jīng)實際應用，分體始發(fā)出渣效率較原方案提高1倍以上，可縮短工期26 d。

4)通過在8號臨時臺車上設置PLC中繼柜，僅需1根工業(yè)通訊線即可實現(xiàn)地面主控室對井下各個掘進系統(tǒng)的控制，與原方案中30余根電纜從井下連接至地面相比，減少了管線占用空間，增強了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

5)通過設計能夠旋轉(zhuǎn)的管片運輸車，保證了管片在拖拉過程中的人員安全，避免了管片在拼裝機區(qū)域旋轉(zhuǎn)時發(fā)生破損。

在新加坡地鐵項目工程難題中的應用，證明了該技術的合理性及可行性，可在類似豎井空間極為狹窄、盾體下井后仍有足夠空間可進行出渣和管片等材料垂直運輸?shù)姆煮w始發(fā)工程中推廣應用。

本工程分體始發(fā)第1階段通過改造出渣裝置，即安裝卸料斗和鋼管，并使用大渣斗進行出渣的方法，主要適應于黏土、砂土等軟弱地層。在未來的工作中，將針對砂礫、軟巖等不同地質(zhì)條件下出渣設備及渣土車改良做進一步的探索和研究，以提高掘進工效，使本文研究的分體始發(fā)技術更具實用性。