特殊工況條件下大盾構(gòu)機多次分體始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用

趙繼華

（太原鐵路樞紐西南環(huán)線有限責(zé)任公司，山西 太原030001）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，為緩解城市用地緊張和交通擁堵壓力，越來越多的城市開始地下盾構(gòu)隧道建設(shè)［1］。不同于地鐵等城市地下軌道或市政管道隧道，鐵路隧道斷面大，需大直徑盾構(gòu)機及與此配套的長大后配套設(shè)備來施工。而大城市隧道建設(shè)受限既有地表建筑環(huán)境情況，往往具有始發(fā)場地狹窄、始發(fā)覆土淺等特點，存在大盾構(gòu)機無法一次完成整體始發(fā)，而二次始發(fā)存在安全風(fēng)險大、工效成本高、始發(fā)緩慢等難題［2］，因此如何解決大盾構(gòu)機快速、安全、經(jīng)濟始發(fā)是一個頗具挑戰(zhàn)意義的課題。以太原鐵路樞紐西南環(huán)線東晉隧道φ12.14 m大盾構(gòu)機始發(fā)面臨的難題為例，詳述解決這一難題所采取的技術(shù)措施。

1 工程概況

東晉隧道是下穿太原市區(qū)的城市鐵路隧道，設(shè)計全長9 795雙延米，其中間段下穿太原市主市區(qū)4 850 m，設(shè)計為大直徑土壓盾構(gòu)法施工（見圖1），以規(guī)避明、暗挖沉降控制不良、拆遷量大和對城市正常功能使用的影響。

圖1 東晉隧道盾構(gòu)區(qū)間示意圖

1.1 盾構(gòu)設(shè)計概況

東晉隧道盾構(gòu)段區(qū)間長4 850 m，始發(fā)段104 m（明挖77 m+始發(fā)井27 m）、接收井27 m。隧道埋深8～24 m，盾構(gòu)最大坡度-11‰，曲線最小半徑R=1 200 m，隧道橫斷面為標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)，外徑11.7 m、內(nèi)徑10.6 m，隧道設(shè)計2 m環(huán)寬、550 mm厚、9塊雙面鍥形管片；采用1臺φ12.14 m土壓盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)機整機長135 m、質(zhì)量1 300 t，加3#臺車尾翼、調(diào)轉(zhuǎn)平臺后配套總長達212 m、總質(zhì)量2 800 t。

1.2 始發(fā)段地質(zhì)、水文、環(huán)境特征

1.2.1 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)始發(fā)地層表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），下覆第四系全新洪積層（Q4pl），隧道穿越地層巖性分別為新黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石、含圓礫粉質(zhì)黏土；其中以粉土、中砂、粉質(zhì)黏土、新黃土、礫砂成分最多，占比達82%。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于第四系粉土、砂土及卵石土地層；地下水埋深9.0～10.5 m，位于隧道結(jié)構(gòu)頂部。

1.2.3 環(huán)境條件

始發(fā)區(qū)地處太原市玉門河南岸與西中環(huán)快速路交叉處的東南象限，周邊臨近密集的老舊民居樓房，受北臨玉門河南岸、南近高壓鐵塔重要建構(gòu)筑物條件所限，盾構(gòu)始發(fā)段地表埋深9 m，設(shè)計77 m長明挖暗埋段+27 m長始發(fā)豎井，用于大盾構(gòu)機始發(fā)；在距進洞220 m處設(shè)計了換刀加固區(qū)，兼做始發(fā)段完成拆除負(fù)環(huán)管片后盾構(gòu)長時間停機點。

2 二次始發(fā)方案問題分析

盾構(gòu)機分體始發(fā)次數(shù)越少越利于資源配置效應(yīng)最大化的發(fā)揮。而本盾構(gòu)機始發(fā)基于環(huán)境條件和設(shè)計工況，在覆土不足1倍洞徑地層，現(xiàn)場明挖段+盾構(gòu)始發(fā)井全長104 m條件下，顯然不具備長212 m盾構(gòu)主機+后配套一次整體始發(fā)條件，因此設(shè)計給出的施工組織是分二次始發(fā)。

2.1 二次始發(fā)方案問題

首次始發(fā)盾構(gòu)井+明挖段長度僅能滿足長85 m盾構(gòu)機整機部分設(shè)備（刀盤+盾體+1#臺車+1#、4#連接橋+2#臺車）的下井組裝，其他后配套裝置需留置在地表輔以配合；由于無法形成系統(tǒng)集成，首次始發(fā)推進中所需物料只能借助明挖段設(shè)置的管片垂吊口下放后人工倒運，直至掘進進洞220 m換刀加固區(qū)，不但推進效率緩慢，還因盾構(gòu)工法施工中盾構(gòu)機不可反向運行，存在首次始發(fā)組裝的臺車、連接橋后移及后續(xù)二次始發(fā)加裝后配套推進期面臨的安全、工期、成本方面難題。

（1）安全方面。一是在220 m處停機進行盾構(gòu)機分解再組裝，面臨鄰近建筑物因盾構(gòu)機長時間停機易引起地層沉降、建筑物裂損的風(fēng)險［3-4］；二是停機期間臺車后移，洞內(nèi)電源斷開，盾構(gòu)機無法向刀盤前、盾殼周圍注入膨潤土漿液，存在盾體“抱死”和大下坡道“栽頭”風(fēng)險，甚至造成盾構(gòu)機難以啟動事故［5］；三是因首次始發(fā)無法形成盾構(gòu)機及后配套的系統(tǒng)集成，受物料供給緩慢存在成環(huán)管片脫出盾尾注漿不及時、量不足的可能，加劇地表沉降和洞體成環(huán)質(zhì)量問題［6-7］。

（2）工期方面。由于物料運輸不及時，造成推進緩慢，影響建設(shè)工期。

（3）成本方面。一是限于始發(fā)場地限制，第1次組裝無法將4節(jié)連接橋一并下井始發(fā)，造成作為最初運輸通道的軌下結(jié)構(gòu)無法及時跟進，掘進過程所用管片、耗材要搭拆超長棧橋作為臨時運輸通道，增加了投資；二是首次始發(fā)完后移臺車需購置大功率卷揚機提供動力，并訂制后移臺車軌道工裝，增加安拆成本。

2.2 優(yōu)化多次分體組裝始發(fā)方案

采取多次適時盾構(gòu)分體組裝始發(fā)方案［8］并輔以技術(shù)措施控制，可降低安全風(fēng)險，控制成本投入，實現(xiàn)高效施工成洞?？傮w思路是：本著盾構(gòu)機正常組裝始發(fā)順序，通過加固已進洞成環(huán)管片與周邊圍巖的一體性連接，加固負(fù)環(huán)下部體，拆除影響盾構(gòu)機組件下井的局部負(fù)環(huán)上部體管片，以滿足后續(xù)組件適時順利下井、組裝推進，至適當(dāng)位置短暫停機；施作后續(xù)組件下井、組裝、推進，直至裝齊所有后配套并完成盾構(gòu)機始發(fā)。

要實現(xiàn)上述盾構(gòu)機及后配套的多次組裝始發(fā)，必須解決后續(xù)盾構(gòu)機組件的下井問題，辦法只能是解體吊出影響下井的負(fù)環(huán)上部體管片，而要實現(xiàn)盾構(gòu)機正常掘進及管片拼裝，僅靠首次始發(fā)的成環(huán)管片段與周邊巖體提供的摩擦力達不到推進盾構(gòu)機前行的目的，仍需借助負(fù)環(huán)傳力和既有反力架提供支撐力。而要解決以上問題，一是要使首次始發(fā)進洞范圍的成環(huán)管片與其周邊圍巖形成整體受力；二是未拆除的負(fù)環(huán)下部體管片保證其具有整環(huán)負(fù)環(huán)管片功效，否則多次組裝始發(fā)方案就無法實現(xiàn)。因此，需對以上2個關(guān)鍵點采取相應(yīng)技術(shù)保障措施。

3 實施工序流程

盾構(gòu)多次分體始發(fā)工序流程見圖2。

圖2 盾構(gòu)多次分體始發(fā)工序流程

3.1 首次盾構(gòu)機組裝始發(fā)

盾構(gòu)機首次組裝總長約85 m，組裝件有刀盤+盾體+1#臺車+1#、4#設(shè)備橋+2#臺車，受明挖主體結(jié)構(gòu)的尺寸限制，盾構(gòu)始發(fā)時采取搭設(shè)臨時軌道拖拉的方法，將管片由明挖段預(yù)留吊裝口運輸至拼裝機下部，保證管片拼裝作業(yè)；當(dāng)盾構(gòu)掘進拼裝第8環(huán)時，將管片小車分3次吊裝下井；當(dāng)掘進拼裝第13環(huán)時，2#臺車前部輪對到達明挖段出口，開始“口”字預(yù)制件的安裝，拼裝好的“口”字預(yù)制件作為施工期間物料運輸通道。當(dāng)掘進并拼裝至第17環(huán)位置時完成首次始發(fā)。

3.2 二次盾構(gòu)組裝始發(fā)

盾構(gòu)掘進拼裝至正17環(huán)完成首次始發(fā)時，1#設(shè)備橋尾部剛好進入負(fù)3環(huán)，此時對1#、4#設(shè)備橋進行解體，并將4#設(shè)備橋+2#臺車后移進入明挖段洞內(nèi)，為設(shè)備橋下井組裝騰出空間。然后進行進洞成環(huán)管片、負(fù)環(huán)下部管片加固和負(fù)環(huán)上部管片拆除作業(yè)，其作業(yè)要點如下：

（1）進洞成環(huán)管片與圍巖加固。對1—14環(huán)成洞管片預(yù)留灌漿孔逐環(huán)進行鉆孔壓漿，打入中空錨桿，上方打入深度4 m，下方打入深度10 m，注入水泥砂漿直至孔口砂漿溢出，使成環(huán)管片與圍巖形成共同工作體。

（2）負(fù)環(huán)下部管片加固（見圖3）。①鋼絲繩穩(wěn)固負(fù)環(huán)底部：對所有負(fù)環(huán)管片底部（時鐘5、7點位）用φ50 mm的水鉆成孔，穿入φ32 mm鋼絲繩與導(dǎo)臺預(yù)埋吊環(huán)緊繃連接，保證負(fù)環(huán)整體抗力。②H型鋼上部控制：對每環(huán)負(fù)環(huán)管片中心位置兩側(cè)與豎井墻體預(yù)埋鋼板間、負(fù)環(huán)外沿（時鐘4、8點位）斜向與始發(fā)井下部結(jié)構(gòu)體預(yù)埋鋼板分別焊聯(lián)300 mm高H型鋼，保證負(fù)環(huán)上部拆除后下部管片的穩(wěn)定性及幾何圓度。

圖3 負(fù)環(huán)管片底部及兩側(cè)加固

（3）負(fù)環(huán)上部管片拆除。考慮連接橋及后續(xù)后配套最寬尺寸均不大于9 m，因此要拆除負(fù)環(huán)管片第10、7、6、5、4環(huán)上部各4塊，負(fù)環(huán)管片第9、8環(huán)上部各5塊，共計30塊負(fù)環(huán)管片，拆除過程要保證被拆管片與其他管片的相對穩(wěn)固。加固、拆除作業(yè)結(jié)束后即可進行3#、2#設(shè)備橋的依序下井、組裝，并與此前下井的1#、4#號設(shè)備橋進行一體連接。

（4）負(fù)環(huán)整體性受力加固（見圖4）。盾構(gòu)二次始發(fā)時，為避免正環(huán)偏心受力，對負(fù)3環(huán)與反力架間上半部加設(shè)8道φ609 mm縱向鋼管作為傳力頂撐，保證正環(huán)及傳導(dǎo)受力的一致。此后即可啟動盾構(gòu)機的二次始發(fā)，二次始發(fā)至掘進拼裝57環(huán)完成停機。

3.3 三、四次盾構(gòu)始發(fā)

圖4 負(fù)環(huán)上部傳力連接

二次始發(fā)至掘進拼裝57環(huán)，此時2#臺車剛好進入洞內(nèi)，由于3#拖車總長為20 m，需對負(fù)環(huán)上部鋼管頂撐、負(fù)3、負(fù)2環(huán)上半部分管片和反力架上半部分進行拆除，保證空間后組織3#臺車的吊放組裝，組裝完畢即進行第3次始發(fā)，掘進至3#臺車尾部進入正3環(huán)位置，完成第3次始發(fā)停機。然后進入第4次組裝始發(fā)，依次將回轉(zhuǎn)平臺吊裝組裝后移、后置平臺吊裝組裝，最終與前方后配套連為一體，進行第4次始發(fā)并掘進至110環(huán)換刀加固區(qū)停機，拆除所余負(fù)環(huán)和始發(fā)井軌道平臺，全面完成盾構(gòu)始發(fā)任務(wù)。

4 實施效果

太原鐵路樞紐西南環(huán)線盾構(gòu)區(qū)間φ12.14 m大直徑土壓平衡盾構(gòu)機多次分體始發(fā)技術(shù)的成功實施，避免了因長時間停機存在的地表鄰近建筑物沉降裂損、盾構(gòu)機刀盤“抱死”或盾體“栽頭”風(fēng)險，降低了設(shè)備啟動風(fēng)險和盾構(gòu)機后配套裝置后移所需較大成本投入問題，保證了始發(fā)掘進拼環(huán)管片成洞姿態(tài)質(zhì)量，較早實現(xiàn)軌下結(jié)構(gòu)同步掘進施工，提高了成洞效率，具有較高的安全可控性、質(zhì)量穩(wěn)定性和較好的經(jīng)濟效益，可為類似大直徑盾構(gòu)分體始發(fā)提供借鑒。