市政地下通道結(jié)構(gòu)下方盾構(gòu)雙曲線始發(fā)施工技術(shù)

張子敏（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司， 上海 200438）

1 工程概況

上海市軌道交通 14 號(hào)線 12 標(biāo)浦東南路站—陸家嘴站區(qū)間上、下行線盾構(gòu)始發(fā)位置位于浦東南路站西端頭井處，盾構(gòu)始發(fā)后即全斷面位于東西通道底板下部、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，出洞即穿越東西通道。東西通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用 SMW（Soil Mixing Wall） 工法樁，盾構(gòu)始發(fā)位置于東西通道底板最小豎向凈距約 5.6 m。區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)后即進(jìn)入雙曲線的施工工況，平曲線為轉(zhuǎn)彎半徑 350.0 m 的左轉(zhuǎn)彎曲線段，長(zhǎng)度約40.0 m?？v曲線為半徑 3 000.0 m 的凸形圓曲線段。2 個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑均為軌道交通隧道線路設(shè)計(jì)的最小半徑。由于始發(fā)井位于上海市浦東新區(qū)浦東南路浦東大道路口，交通繁忙，盾構(gòu)施工同時(shí)需保證浦東大道上的車輛正常行駛，故始發(fā)井為半封閉結(jié)構(gòu)，端頭井盾構(gòu)機(jī)上部中板已施工完成，為盾構(gòu)始發(fā)布置帶來(lái)了困難。隧道與東西通道相互關(guān)系平剖面如圖 1所示。

圖1 隧道與東西通道相互關(guān)系平剖面圖

2 難點(diǎn)分析

2.1 與常規(guī)雙曲線施工不同

雙曲線線型掘進(jìn)屬于盾構(gòu)推進(jìn)控制的難點(diǎn)，按照常規(guī)線路設(shè)計(jì)一般將其設(shè)置在區(qū)間線路中段。本工程由于區(qū)間線路受制于避讓區(qū)間沿線建構(gòu)筑物樁基基礎(chǔ)，雙曲線段位于盾構(gòu)始發(fā)段，施工難度更高。

2.2 加固區(qū)對(duì)雙曲線始發(fā)的影響

始發(fā)井盾構(gòu)出洞加固采用三軸深層攪拌樁結(jié)合高壓旋噴樁施工工藝，加固總長(zhǎng)度為 11.0 m，其中三軸攪拌樁加固長(zhǎng)度為 10.5 m，加固深度為坑底至 －20.0 m，加固范圍為洞圈兩側(cè)向外延伸 3.0 m，水泥參量為 20%。攪拌樁加固區(qū)與地下連續(xù)墻間約 50 cm 空隙處，采用三重管高壓旋噴樁完成盾構(gòu)出洞加固，加固深度同深度高壓旋噴樁，水泥摻入量為 25%。加固區(qū)設(shè)計(jì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 1 MPa。盾構(gòu)始發(fā)加固區(qū)平剖面圖 2 所示。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)加固區(qū)平剖面圖

本工程由于軌道交通 14 號(hào)線與東西通道合建的特殊工況，盾構(gòu)出洞加固需在始發(fā)井完成后東西通道結(jié)構(gòu)施工前施工完成，施工時(shí)間距離盾構(gòu)始發(fā)時(shí)間約 2 a。至盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，土體加固強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，經(jīng)取芯達(dá)到 2 MPa。在如此高強(qiáng)度的加固土體內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)不具備有效的糾偏能力。若根據(jù)常規(guī)工藝發(fā)射架垂直于洞圈進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)體系布置，并模擬盾構(gòu)軸線偏差。盾構(gòu)切口推出加固區(qū)，水平偏差將達(dá)到偏右 197 mm；盾構(gòu)盾尾離開(kāi)加固區(qū)后，水平偏差將達(dá)到偏 681 mm，垂直偏差將達(dá)到偏 245 mm。上述數(shù)據(jù)并未包括后續(xù)糾偏過(guò)程中還會(huì)增大的偏差，無(wú)法滿足 ± 100 mm 軸線偏差要求。另外，由于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)正環(huán)后，盾構(gòu)機(jī)本體仍在加固土內(nèi)，糾偏能力有限，盾構(gòu)僅能進(jìn)行直線推進(jìn)，但此時(shí)管片軸線已根據(jù) 350.0 m 曲線段線路進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，管片與盾構(gòu)機(jī)盾尾鋼板會(huì)逐步擠壓導(dǎo)致成型管片碎裂、管片安裝困難，產(chǎn)生后續(xù)質(zhì)量問(wèn)題。

2.3 半封閉結(jié)構(gòu)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)布置的影響

本工程盾構(gòu)始發(fā)工況因受浦東大道東西通道施工影響及保持交通通行的需要，盾構(gòu)始發(fā)為半封閉結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)上部中板結(jié)構(gòu)已施工完成，不利于進(jìn)行始發(fā)反力架體系布置，反力架上端無(wú)法將后坐力傳遞至中板。并且雙曲線施工對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制要求較高，反力體系在盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)變形會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)始發(fā)后的軸線偏差。盾構(gòu)機(jī)上部中板下翻梁底標(biāo)高低于洞圈頂標(biāo)高，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)基座布置時(shí)，盾構(gòu)機(jī)中心無(wú)法對(duì)準(zhǔn)洞圈中心，造成盾構(gòu)始發(fā)時(shí)即已產(chǎn)生豎向偏差。

2.4 糾偏施工對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響

由于盾構(gòu)機(jī)始發(fā)段上部即東西通道結(jié)構(gòu)，隧道距東西通道底板豎向凈距僅 5.6 m。盾構(gòu)始發(fā)后的小半徑糾偏施工易產(chǎn)生超挖、注漿不充分、增加土體擾動(dòng)等次生影響，導(dǎo)致上部東西通道結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)穿越期間發(fā)生變形。

3 施工方法

通過(guò)上述難點(diǎn)分析，本工程盾構(gòu)雙曲線始發(fā)施工若不進(jìn)行方案優(yōu)化，會(huì)導(dǎo)致軸線偏差、管片碎裂、東西通道變形等影響。故施工目的在于確保盾構(gòu)軸線與管片軸線均能跟上設(shè)計(jì)軸線，并在施工過(guò)程中減少對(duì)上部結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。在實(shí)際施工中，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)在加固區(qū)內(nèi)掘進(jìn)及推出加固區(qū)后 2 個(gè)階段實(shí)施糾偏，同時(shí)通過(guò)預(yù)設(shè)管片軸線，確保糾偏過(guò)程中控制盾構(gòu)機(jī)與管片的夾角，使其在可控范圍。

3.1 優(yōu)化反力架體系

根據(jù)端頭井結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，加強(qiáng)反力架反力支座體系，采用三道直徑為 609 mm 的鋼管斜撐作為反力支座，確保盾構(gòu)始發(fā)后反力架能夠承受盾構(gòu)雙曲線糾偏時(shí)不均勻的總推力，確保后靠體系不變形。始發(fā)負(fù)環(huán)布置采用鋼結(jié)構(gòu)管片，具備足夠的強(qiáng)度及剛度，規(guī)避過(guò)去采用鋼筋混凝土管片受力后管片變形導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生變形。且負(fù)環(huán)采用滿環(huán)布置，確保盾構(gòu)始發(fā)后即具備往下糾偏的能力。

3.2 預(yù)設(shè)加固區(qū)內(nèi)盾構(gòu)軸線

盾構(gòu)始發(fā)第一階段施工為盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入加固土至刀盤出加固土，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)軸線出加固區(qū)時(shí)的平面坐標(biāo)及標(biāo)高，滿足盾構(gòu)刀盤出加固區(qū)后，切口位于設(shè)計(jì)軸線上。并考慮盾構(gòu)機(jī)與洞圈鋼板的關(guān)系，確保盾構(gòu)始發(fā)后盾構(gòu)機(jī)殼體及同步注漿系統(tǒng)不會(huì)與洞圈鋼板相碰，確定盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)方位角和坡度。始發(fā)方位角按割線布置，具體數(shù)據(jù)如下。① 區(qū)間盾構(gòu)上行線出洞段平曲線是緩和曲線及半徑為 349.873 m的左轉(zhuǎn)彎曲線，上行線出洞段豎曲線是徑為 3 000.000 m 的凸曲線。下行線出洞段平曲線是徑為 349.847 m 的左轉(zhuǎn)彎曲線，下行線出洞段豎曲線是半徑為 3 000.000 m 的凸曲線。② 為滿足盾構(gòu)出洞后 12 m 盾構(gòu)機(jī)切口位于軸線上，計(jì)算得出出洞 12 m 后的方位角，上行線方位角為 246°09′53.36″，下行線方位角為 245°32′57.48″，上行線與地墻垂直方向夾角為 0°49′29.57″，下行線與地墻垂直方向夾角為 0°55′32.48″。擬定本次上行線盾構(gòu)以方位角為 246°09′53.36″ 出洞，下行線盾構(gòu)以方位角 245°32′57.48″ 出洞。

在坡度選取上，另還需考慮盾構(gòu)上部已建中板下翻梁的影響，具體數(shù)據(jù)如下。① 區(qū)間盾構(gòu)上、下行線出洞段豎曲線是半徑為 3 000.000 m 的凸曲線，考慮盾構(gòu)出 12 m 加固區(qū)后盾構(gòu)機(jī)鉗行于豎曲線上，計(jì)算得出出洞 12 m后的坡度為 -9‰，擬定下行線盾構(gòu)始發(fā)坡度為 －8‰。②上行線區(qū)域距端頭井內(nèi)襯墻約 7 m 位置，活塞風(fēng)孔有 800 mm×900 mm 下翻梁。根據(jù)計(jì)算得出，如以洞門中心沿軸線方向按 －8‰ 出洞，則盾構(gòu)機(jī)上部將與該下翻梁有沖突，經(jīng)過(guò)對(duì)該下翻梁底標(biāo)高實(shí)測(cè)以及對(duì)軸線進(jìn)行模擬，擬定按坡度為－5‰、盾構(gòu)機(jī)中心按洞門中心下偏 9 cm 放置發(fā)射架。

3.3 調(diào)整加固區(qū)外盾構(gòu)軸線

因受到洞圈限制，盾構(gòu)始發(fā)方位角按照割線進(jìn)行布置。由于盾構(gòu)切口出加固區(qū)后，進(jìn)入正式的半徑為 350 m 的轉(zhuǎn)彎曲線段。雖然盾構(gòu)切口和盾尾均位于設(shè)計(jì)軸線上，但要確保后續(xù)推進(jìn)盾構(gòu)軸線鉗行于設(shè)計(jì)軸線，需進(jìn)行第二階段的糾偏施工，使盾構(gòu)推進(jìn)方向方位角盡快達(dá)到圓弧切線方向。根據(jù)第一階段加固區(qū)的割線布置，上行線盾構(gòu)出加固土后方位角為 246°09′53.36″，下行線盾構(gòu)出加固土后方位角為 245°32′57.48″，與 350 m 半徑切線方向夾角分別為 1°08′16.46″、1°02′19.46″。根據(jù)上述角度計(jì)算，此環(huán)上、下行線盾構(gòu)機(jī)千斤頂行程差需分別達(dá)到 131 mm、120 mm，盾構(gòu)機(jī)方可鉗行于 350 m 半徑軸線之上。由于當(dāng)盾構(gòu)機(jī)位于 350 m 轉(zhuǎn)彎曲線段時(shí)，按每環(huán) 1.2 m 計(jì)算，若要確保盾構(gòu)軸線不偏離，每環(huán)千斤頂理論行程差需達(dá)到 22 mm，因此考慮將盾構(gòu)機(jī)從割線方位角調(diào)整至切線方位角所需的行程差分?jǐn)傔M(jìn)后續(xù) 7～8 環(huán)每環(huán)推進(jìn)施工中，也就是盾構(gòu)切口出加固區(qū)后，每環(huán)行程需達(dá)到 40 mm。在縱坡上，由于放置發(fā)射架時(shí)已考慮始發(fā) 12 m 后出加固區(qū)的設(shè)計(jì)坡度，下行線已達(dá)到設(shè)計(jì)坡度 －9‰，上行線設(shè)計(jì)坡度與盾構(gòu)機(jī)夾角為4‰。根據(jù) 3 000.000 m 半徑計(jì)算得出，盾構(gòu)機(jī)需跟上設(shè)計(jì)坡度，每 2.5 環(huán)需往下調(diào)整 1‰，故上行線盾構(gòu)在實(shí)際推進(jìn)時(shí)調(diào)整為每 1 環(huán)下壓 1‰，可通過(guò)推進(jìn) 8 環(huán)將盾構(gòu)機(jī)縱坡調(diào)整至設(shè)計(jì)坡度。

3.4 預(yù)設(shè)管片軸線

盾構(gòu)始發(fā)負(fù)環(huán)段管片常規(guī)均設(shè)置成直線段。根據(jù)上文雙曲線始發(fā)工況分析，因發(fā)射架已按割線進(jìn)行布置，故管片初始軸線已與割線方位角一致，已有一定提前量，但該提前量無(wú)法滿足盾構(gòu)切口出加固區(qū)后第二階段糾偏要求。根據(jù)前文分析，第二階段需通過(guò) 7～8 環(huán)的長(zhǎng)度將盾構(gòu)機(jī)由割線方位角調(diào)整至切線方位角，每環(huán)行程差需達(dá)到 40 mm，總行程差將達(dá)到 320 mm，要滿足該總行程差需通過(guò)安裝轉(zhuǎn)彎環(huán)抵消每環(huán)千斤頂推出的行程。但 8 環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)僅能抵消 200 mm（25 mm×8 mm）行程差，所以負(fù)環(huán)段管片軸線與盾構(gòu)機(jī)始發(fā)段軸線相同，無(wú)法滿足后續(xù)糾偏要求。因此，實(shí)際施工中考慮調(diào)整負(fù)環(huán)段管片軸線，負(fù)環(huán)管片共 10 環(huán)，通過(guò)每環(huán)鋼管片設(shè)置 8 mm 的 90° 貼片，將盾構(gòu)切口出加固區(qū)時(shí)管片軸線逐步進(jìn)行調(diào)整，使盾構(gòu)機(jī)左側(cè)千斤頂長(zhǎng)于右側(cè)千斤頂，再加上正環(huán) 8 轉(zhuǎn)彎環(huán)，總計(jì)可抵消 280 mm 行程差，確保盾構(gòu)機(jī)在后續(xù)施工中具有糾偏余量。

3.5 具體實(shí)施注意事項(xiàng)

（1）超挖刀應(yīng)用。盾構(gòu)始發(fā)后即開(kāi)啟左、右兩側(cè)超挖刀，目的在于一是提高盾構(gòu)機(jī)頭部的靈活度，二是減小總推力，提高盾構(gòu)糾偏能力，三是刮松盾構(gòu)機(jī)周邊加固土體，使盾構(gòu)機(jī)在加固土內(nèi)具有一定的糾偏量。

（2）鉸接油缸應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)在鉸接位置過(guò)發(fā)射架后，即開(kāi)啟鉸接油缸行程至 2～3 cm，使盾構(gòu)機(jī)提前轉(zhuǎn)向，有利于第二階段的糾偏。

（3）填充注漿、同步注漿及二次注漿。由于始發(fā)段掘進(jìn)時(shí)使用了超挖刀，對(duì)土體存在一定超挖，且盾構(gòu)機(jī)糾偏，也不可避免會(huì)出現(xiàn)超挖，所以始發(fā)段填充注漿量及后續(xù)同步注漿量由常規(guī) 150% 調(diào)整為 200%，將管片與土體之間的空隙填充密實(shí)。二次注漿量及注漿時(shí)間根據(jù)東西通道監(jiān)測(cè)情況實(shí)施跟蹤施工。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)市政地下通道下方盾構(gòu)雙曲線始發(fā)的工況，通過(guò)優(yōu)化反力體系、預(yù)先計(jì)算加固區(qū)內(nèi)、外的盾構(gòu)軸線、預(yù)先計(jì)算管片軸線，并有效利用盾構(gòu)機(jī)設(shè)備采取了超挖刀、鉸接裝置等輔助措施，嚴(yán)控了同步注漿及二次注漿，最終將始發(fā)段軸線偏差控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，東西通道累計(jì)沉降控制在 5 mm 內(nèi)。以期為后續(xù)類似工程提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。