土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在地鐵施工中的應(yīng)用探究

胡紀(jì)寧

摘要：盾構(gòu)機(jī)是地鐵隧道施工的常見工程機(jī)械設(shè)備，其在施工過程中具有掘進(jìn)效率高、安全可靠性強(qiáng)、對周圍建筑影響作用小等特征，被廣泛的應(yīng)用在不同復(fù)雜地質(zhì)的地鐵項(xiàng)目施工建設(shè)中。以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為研究對象，分析其在實(shí)際地鐵項(xiàng)目施工的應(yīng)用特點(diǎn)，對盾構(gòu)機(jī)和刀盤進(jìn)行選型，闡述盾構(gòu)機(jī)隧道作業(yè)區(qū)裝配、盾構(gòu)起運(yùn)、盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)接收等關(guān)鍵施工工序?qū)嵤┮c(diǎn)，為相關(guān)地鐵工程盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)質(zhì)量提高提供借鑒。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；地鐵項(xiàng)目；選型；裝配；盾構(gòu)掘進(jìn)

0? ?引言

在地鐵隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)以其掘進(jìn)效率高、穩(wěn)定可靠、影響范圍小等特點(diǎn)，被地鐵隧道施工項(xiàng)目所應(yīng)用。對于應(yīng)對復(fù)雜條件下的硬巖地質(zhì)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)勢明顯[1]，本文圍繞土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在地鐵施工中的應(yīng)用展開探討，結(jié)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及某地鐵項(xiàng)目工程實(shí)際，針對其風(fēng)化硬質(zhì)巖土地層特征，對盾構(gòu)機(jī)及其部件進(jìn)行選型，提出一套完整的地鐵隧道施工應(yīng)用策略。

1? ?工程概況

某地鐵施工項(xiàng)目區(qū)間盾構(gòu)工程，線路分為左右雙向隧道。左區(qū)間隧道長713.6m，區(qū)間包含1條曲線隧道路段。右區(qū)間隧道長713.73m，區(qū)間包含2條曲線隧道路段。區(qū)間具備風(fēng)化硬質(zhì)巖土地層特征，工程采用2臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)的方式施工作業(yè)。

隧道區(qū)間呈“V”型坡度，第一區(qū)間坡度為-6.7‰，中間區(qū)間點(diǎn)位變坡后坡度為10.3‰，變坡位置設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。雙向隧道之間距離由初始掘進(jìn)位置16.1m漸變至15.3m，隧道進(jìn)出口買成11.7m，隧道中段埋深為13.8m。

2? ?土壓平衡盾構(gòu)機(jī)選型

2.1? ?盾構(gòu)機(jī)選型影響因素

盾構(gòu)機(jī)型號確定應(yīng)依據(jù)地質(zhì)狀況（包括砂石含量、砂石級配、巖土硬度等）、地下水分布、地鐵工程盾構(gòu)隧洞距離、隧洞曲度、盾構(gòu)機(jī)防護(hù)殼支撐情況、隧洞施工環(huán)境、載荷厚度等，盾構(gòu)機(jī)械進(jìn)行作業(yè)時(shí)，既要滿足盾構(gòu)挖掘操作面穩(wěn)固的要求，還應(yīng)保證隧洞的功能性和實(shí)施施工質(zhì)量，與隧洞支撐系統(tǒng)形成良好配合[2]。盾構(gòu)機(jī)選型影響因素如圖1所示。

2.2? ?盾構(gòu)機(jī)選型要點(diǎn)

為了讓盾構(gòu)機(jī)械滿足地鐵工程隧道區(qū)間綜合地質(zhì)狀況需要，提升掘進(jìn)效率，使盾構(gòu)機(jī)既可在軟質(zhì)或硬質(zhì)巖土層順利掘進(jìn)，還可在隧道小曲線半徑區(qū)間進(jìn)行施工作業(yè)，項(xiàng)目部施工前應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行科學(xué)選型。

2.2.1? ?型號初選

在滿足隧道功能設(shè)計(jì)、安全質(zhì)量、施工工期等條件的前提下，應(yīng)做好前期的水文、地質(zhì)勘測，形成數(shù)據(jù)分析，完成土壓型、封閉型、泥水型等型號的初選，并參照施工設(shè)計(jì)和施工斷面等條件確定盾構(gòu)機(jī)種類，確定襯砌層數(shù)及拼裝方式。

2.2.2? ?綜合比選

依據(jù)布諾姆氏法確定開挖掘進(jìn)面穩(wěn)固性，依據(jù)盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)涉及的注漿、凍結(jié)、氣壓、噴水等附加施工措施，以及地鐵隧道工程施工場地環(huán)境、費(fèi)用成本、工期、動(dòng)力供給等影響因素，建立盾構(gòu)機(jī)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的綜合比選，以最終完成盾構(gòu)機(jī)型號確定。

2.2.3? ?選型確定

依據(jù)本地鐵區(qū)間隧道工程施工實(shí)際情況，選定復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)。選取的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)具備9組液壓驅(qū)動(dòng)，最大推進(jìn)載荷為4325t，主軸直徑3105mm，額定扭矩6700kN·m，額定脫困扭矩8000kN·m，最大掘進(jìn)速度為90mm/min。為保證地鐵隧道作業(yè)中不同強(qiáng)度風(fēng)化巖及不同黏度土質(zhì)削切，刀盤切刀及刮刀均使用鈦合金銀釬焊材質(zhì)，采用錯(cuò)刃技術(shù)裝設(shè)，保證全隧道斷面覆蓋。

3? ?土壓平衡盾構(gòu)機(jī)隧道作業(yè)區(qū)裝配

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的裝配、出土及初始掘進(jìn)方式，同盾構(gòu)井室作業(yè)空間、出土工藝等息息相關(guān)。通常，地鐵隧道初始井室可分為設(shè)置出土口和未設(shè)置出土口兩種。設(shè)置出土口可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)一次成型裝配，采用正常工序掘進(jìn)即可；未設(shè)置出土口需通過管線挖掘，二次轉(zhuǎn)接裝配，不利于提升掘進(jìn)效率。盾構(gòu)裝配工序復(fù)雜，為了加快施工進(jìn)度，要對出土口進(jìn)行科學(xué)設(shè)置[3]。

3.1? ?盾構(gòu)初始點(diǎn)位井室裝設(shè)布控

本地鐵隧道區(qū)間項(xiàng)目土壓平衡盾構(gòu)機(jī)首次安裝的井室，未設(shè)置出土口，考慮到利用管線挖掘，二次轉(zhuǎn)接裝配效率較低，因此在井室站安裝由電葫蘆等機(jī)械構(gòu)成的水平出土裝置。在后續(xù)盾構(gòu)試運(yùn)行過程中，通過水平出土裝置運(yùn)至初始井室口位置，再利用門式起重機(jī)吊離，以實(shí)現(xiàn)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)出土作業(yè)。

3.2? ?盾構(gòu)機(jī)裝配前準(zhǔn)備

應(yīng)預(yù)先裝配好站內(nèi)軌道，軌道建成標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)確保臺車能夠到達(dá)指定初始井室及相應(yīng)反力架位置。鑒于洞口門鋼環(huán)實(shí)際位置與設(shè)計(jì)軸線位置存在一定偏差，所以應(yīng)依據(jù)洞口門鋼環(huán)中心線方位裝配初始架[4]。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞后，按設(shè)計(jì)軸線調(diào)整盾構(gòu)機(jī)方位，并配套裝設(shè)同軌道匹配連接的軌道排架，以為后續(xù)構(gòu)件裝設(shè)所用。應(yīng)確保初始架裝設(shè)穩(wěn)定牢靠，滿足支撐盾構(gòu)機(jī)自身裝配質(zhì)量及初始運(yùn)行的動(dòng)載荷。初始架位置距離洞口門應(yīng)＞1.5m，以為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)破除地連墻留出充足的作業(yè)空間。

3.3? ?盾構(gòu)機(jī)正式裝配

土壓盾構(gòu)機(jī)的裝配次序應(yīng)依據(jù)出土模式確定，本地鐵隧道區(qū)間項(xiàng)目為后部出土模式，因此盾構(gòu)機(jī)裝配應(yīng)在盾構(gòu)初始井，按先機(jī)尾后機(jī)頭的次序裝配。在裝配盾構(gòu)機(jī)盾體時(shí)，應(yīng)同時(shí)完成管線連接和機(jī)械調(diào)試。裝配過程中，反力架的裝設(shè)工序應(yīng)在盾體和后配套之間完成，以免影響反力架的正常裝設(shè)。

盾體安裝前，應(yīng)先將盾體螺旋機(jī)裝置、砂漿車、電瓶車及負(fù)環(huán)管片裝運(yùn)車吊裝，經(jīng)鋼軌拖至站內(nèi)完成裝配。隨后按相同次序依次，將盾構(gòu)機(jī)后配套臺車、牽引梁、管片吊梁及螺旋裝運(yùn)機(jī)吊裝進(jìn)站，并將構(gòu)件同牽引梁裝配連接。將初始托架臺車軌道拆卸后，裝配土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主機(jī)。

4? ?土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)起運(yùn)

4.1? ?隧道口門密封設(shè)置

因?yàn)橥翂浩胶舛軜?gòu)機(jī)外徑同隧洞口鋼環(huán)存在縫隙，為避免盾構(gòu)機(jī)械出洞導(dǎo)致縫隙處損失地下水和巖土，應(yīng)將洞口做密封處理。通過扇形鋼制壓板及橡膠蓋布構(gòu)件形成遮擋，以避免縫隙的水土流失。

4.2? ?裝設(shè)反力架和負(fù)環(huán)管片

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的初始后部支撐通過負(fù)環(huán)管片及反力架實(shí)現(xiàn)，應(yīng)保證反力架構(gòu)造可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)挖掘的正常額定推力，通常該值應(yīng)超過15000kN。裝設(shè)負(fù)環(huán)管片及反力架過程中，應(yīng)確保其始終垂直于盾構(gòu)機(jī)軸線，且具備牢靠的支撐效果。通過通縫裝拼工藝完成負(fù)環(huán)管片的拼接，以方便后續(xù)的拆卸。

4.3? ?加固處理隧道口門

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)正式裝配前，應(yīng)固結(jié)處置初始井室及接受井室端頭，具體可參考實(shí)際地質(zhì)狀況，選擇三軸攪拌樁加固技術(shù)或地面垂直旋噴樁加固技術(shù)完成。依據(jù)樁徑尺寸，合理選擇無縫搭接工藝。通過隧道口門的加固處理，實(shí)現(xiàn)止水固土的效果，以確保土壓平衡盾構(gòu)機(jī)初始處于標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，并有效避免隧洞口塌陷變形。

4.4? ?土壓測算與設(shè)定

盾構(gòu)土壓值的測算主要參考土質(zhì)狀況、隧道深度及地表載荷等條件[5]。其實(shí)現(xiàn)原理如下：通過盾構(gòu)機(jī)靠攏洞口門土體，由機(jī)械刀盤切入土體形成旋轉(zhuǎn)削切，使土充至土倉內(nèi)形成土壓，利用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土倉的土壓傳感裝置檢測采集土壓數(shù)據(jù)。開挖初始時(shí)期的土壓，主要參考反力架載荷狀況及加固裝置檢測值進(jìn)行判定，在確保推力充沛的條件下，將加固裝置上部土壓值提高至100kPa。利用掘進(jìn)進(jìn)尺調(diào)控出土數(shù)量，避免因出土量多、土壓小導(dǎo)致地表塌陷。

5? ?土壓平衡盾構(gòu)機(jī)隧道盾構(gòu)掘進(jìn)

5.1? ?盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)試運(yùn)行

待土壓平衡盾構(gòu)機(jī)全部行進(jìn)洞口門后，利用上端的灌漿裝置同步勻稱的向管片外側(cè)壓注漿液，使其填充滿縫隙。待土壓平衡盾構(gòu)機(jī)尾部行進(jìn)至加固區(qū)3m左右，利用注漿泵通過第三環(huán)管片注漿孔灌注漿液。做好洞口門封閉環(huán)板的加固處理，避免外翻形成漿液外流浪費(fèi)。

待土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)掘進(jìn)完成加固區(qū)，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壓數(shù)據(jù)及地表沉降數(shù)據(jù)，參考沉降狀況及時(shí)調(diào)整土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)速度、推進(jìn)力、注漿數(shù)量及土壓力。對比分析土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)試運(yùn)行情況，科學(xué)確定后續(xù)盾構(gòu)開挖參數(shù)設(shè)置，以為正式盾構(gòu)掘進(jìn)提供數(shù)據(jù)參考。

試運(yùn)行完成后，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)全面掘進(jìn)至洞口門，停止盾構(gòu)開挖，并拆除初始井室內(nèi)的負(fù)環(huán)管片、反力架支撐、初始托架，同時(shí)在初始井室內(nèi)安設(shè)軌道作業(yè)臺，延長連接相應(yīng)管線，并通過門機(jī)初始井室完成出土作業(yè)。

5.2? ?盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開挖

完成土壓平衡盾構(gòu)機(jī)試運(yùn)行作業(yè)及相應(yīng)輔助工作后，再次整體檢測調(diào)試盾構(gòu)機(jī)，保證平穩(wěn)恒定運(yùn)行符合施工要求。參考試運(yùn)行階段確定的盾構(gòu)開挖參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)施土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的正式掘進(jìn)開挖。其具體操作工序如下：先開啟螺旋傳送裝置出土閘門，同時(shí)啟動(dòng)傳送裝置、旋轉(zhuǎn)刀盤、螺旋輸送裝置；啟動(dòng)液壓千斤頂裝置，并設(shè)定全部千斤頂運(yùn)行油壓數(shù)值，在刀盤削切巖土同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械盾構(gòu)開挖。隨著土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)不斷掘進(jìn)，及時(shí)完成盾構(gòu)管片拼接施工及管片注漿施工。

5.3? ?注漿施工

錯(cuò)縫管片拼接完成后，及時(shí)實(shí)施管片注漿作業(yè)。為有效填充盾構(gòu)機(jī)尾部縫隙及開挖的地層缺失，調(diào)整地基錯(cuò)位，利用盾尾同步注漿及管片加固實(shí)施二次注漿工藝。將攪拌好的灌注漿液，運(yùn)至土壓平衡盾構(gòu)機(jī)同步注漿裝置附近，連接進(jìn)漿管。

通過土壓平衡盾構(gòu)機(jī)設(shè)置的同步注漿裝置，使?jié){液經(jīng)過管路灌注到管片縫隙中，使盾構(gòu)開挖同預(yù)設(shè)注漿作業(yè)同步完成，以提升襯砌穩(wěn)定性，并對地基塌陷進(jìn)行控制。二次注漿作業(yè)主要是補(bǔ)充土壓平衡盾構(gòu)機(jī)同步注漿欠缺，以有效輔助控制地表沉降[6]。

5.4? ?開挖量檢測與控制

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)配置專業(yè)的自動(dòng)導(dǎo)向測量裝置，主要通過激光靶、全站儀、測算控制器等構(gòu)件，完成盾構(gòu)挖掘的方向精準(zhǔn)測量控制。激光全站儀首次定位通過人為測設(shè)，之后即可利用導(dǎo)向測量系統(tǒng)自動(dòng)定位。為確保系統(tǒng)定位的科學(xué)準(zhǔn)確，應(yīng)通過人為檢測的方式，降低自動(dòng)導(dǎo)向測量裝置的測量偏差，從而確保隧洞盾構(gòu)貫通的精準(zhǔn)性。

6? ?土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)接收施工

6.1? ?準(zhǔn)備工作

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至地鐵隧道區(qū)間約最后100m時(shí)，應(yīng)提前做好盾構(gòu)機(jī)到站前的準(zhǔn)備。預(yù)先加固端頭土質(zhì)、裝設(shè)接收架體，并將洞口門拆除。為保證洞口牢固性，應(yīng)確保端頭土體凝結(jié)時(shí)長超過1個(gè)月。背襯注漿使用1：2的純水泥雙漿液注漿，以便建立起加固體止水環(huán)，避免地下水流入初始井室。

6.2? ?盾構(gòu)機(jī)接收要點(diǎn)

對盾構(gòu)掘進(jìn)控制點(diǎn)實(shí)施全面復(fù)核測量，保證盾構(gòu)姿態(tài)及方位對比預(yù)設(shè)洞軸線方向的一致性。將偏差應(yīng)控制在10mm以內(nèi)，刀盤切口點(diǎn)可稍高于軸線。接收架應(yīng)稍低于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)高程15mm，并將其加固連接至盾構(gòu)接收井室，同時(shí)配置相應(yīng)的堵漏、排水、二次注漿等設(shè)備及材料。

洞口門拆除過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)觀測土體形變情況，嚴(yán)格控制盾構(gòu)土壓數(shù)值，避免土壓過大。刀盤靠近封門時(shí)，降低盾構(gòu)速度。利用清除倉中泥土降低土壓平衡盾構(gòu)機(jī)正面土壓值，以保證封門拆除的安全性。封門拆除完成后，應(yīng)及時(shí)完成盾構(gòu)推進(jìn)和管片拼裝，以縮短出洞時(shí)長。通過水硬性漿液灌注洞圈與管片間縫隙，以降低水土的損失。

7? ?結(jié)束語

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在兼具掘進(jìn)盾構(gòu)效率高、穩(wěn)定可靠性強(qiáng)、對周邊建筑影響范圍小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巖土的穩(wěn)壓效果，被廣泛的應(yīng)用于各類復(fù)雜地質(zhì)的地鐵隧道施工項(xiàng)目中。

本文圍繞土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用展開研究，結(jié)合工程實(shí)際合理選定盾構(gòu)機(jī)和相應(yīng)構(gòu)件類型，并從地鐵隧道作業(yè)區(qū)裝配、盾構(gòu)起運(yùn)、盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)接收等關(guān)鍵工序方面論述土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工要點(diǎn)，為類似地鐵工程盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)順利實(shí)施提供參考。

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