趙立鋒

(中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司,西安 710054)

1 概述

盾構(gòu)到達(dá)是盾構(gòu)施工中的重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之一。當(dāng)?shù)竭_(dá)端頭地層條件較差時(shí)，為了保證到達(dá)施工安全，傳統(tǒng)的地層加固方法有旋噴樁(攪拌樁)加固法，常見(jiàn)的還有凍結(jié)法、鋼板樁置換法、水中到達(dá)法、深井到達(dá)法、化學(xué)注漿加固法、挖填法、豎井加氣法等[1-4]。由于以上工法均要求對(duì)洞門(mén)端頭進(jìn)行各種施工，或者對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求較高，而且加固質(zhì)量難以保證，仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，南京地鐵3號(hào)線TA08標(biāo)浮大區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)法隧道施工遇到的特殊工程地質(zhì)條件，采用土壓平衡盾構(gòu)到達(dá)鋼套筒輔助工藝解決了施工難題，確保了盾構(gòu)到達(dá)安全。鋼套筒的設(shè)計(jì)采用，不僅豐富了傳統(tǒng)到達(dá)施工工藝的內(nèi)容，更提高了盾構(gòu)到達(dá)風(fēng)險(xiǎn)控制的安全性，有效地將盾構(gòu)到達(dá)風(fēng)險(xiǎn)降低至可控范圍。

2 采用鋼套筒接收的原因

盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)之所以風(fēng)險(xiǎn)較大，主要是受地層條件限制，尤其是在軟弱地層中始發(fā)與到達(dá)更是風(fēng)險(xiǎn)控制的難點(diǎn)[5]。南京地鐵3號(hào)線8標(biāo)浮大區(qū)間浮橋站盾構(gòu)接收端頭地質(zhì)主要為稍密粉土(②-1c3)、稍密粉砂(②-3d3)、粉細(xì)砂(②-4d2)。均屬于透水地層，穩(wěn)定性差，盾構(gòu)接收過(guò)程中容易產(chǎn)生涌水、涌砂，且盾構(gòu)接收端頭距花海數(shù)碼電子商場(chǎng)樓16層的最近距離為6 m，盾構(gòu)機(jī)接收風(fēng)險(xiǎn)很大。為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、確保施工安全和施工質(zhì)量，南京軌道公司在招標(biāo)文件中明確要求南京地鐵3號(hào)線所有的盾構(gòu)接收必須采用水中進(jìn)洞，經(jīng)過(guò)綜合分析工程各節(jié)點(diǎn)工期及經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，對(duì)原方案進(jìn)行了變更，提出了相對(duì)成熟的鋼套筒輔助接收技術(shù)，鋼套筒接收成功后接收井清理回填泥漿數(shù)量大大小于水中進(jìn)洞接收成功清理的泥漿回填數(shù)量，清理工期單個(gè)接收比水中進(jìn)洞節(jié)省15 d左右，鋼套筒接收比水中進(jìn)洞接收每次節(jié)省20多萬(wàn)元。

3 盾構(gòu)機(jī)到達(dá)輔助接收新工法的應(yīng)用

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)輔助新工法，即在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)進(jìn)站時(shí)，端頭加固不具備或未完全具備施工作業(yè)條件時(shí)，為了有效地規(guī)避盾構(gòu)機(jī)進(jìn)站到達(dá)存在的安全隱患，采用三軸攪拌樁加固輔助垂直冷凍結(jié)合盾構(gòu)機(jī)站內(nèi)鋼套筒接收的新工藝。

3.1 接收端端頭加固設(shè)計(jì)

浮橋站接收端頭加固施工采用φ850@600 mm三軸深層攪拌樁，外側(cè)2排攪拌樁為4攪4噴，其余采用2攪2噴，排與排之間間距500 mm，攪拌樁與車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)間采用一排φ850@500 mm的三重管高壓旋噴樁處理，加固區(qū)域長(zhǎng)度6 m，隧道上、左、右外邊界各3 m，下部加固深度(加固長(zhǎng)度其中靠近洞門(mén)側(cè)3 m加固深度為隧道外邊線4 m，遠(yuǎn)離隧道洞門(mén)側(cè)3 m加固深度為隧道外邊界3 m)，同時(shí)輔助垂直冷凍法施工。其加固布置如圖1、圖2所示。

圖1 浮橋站南端頭加固平面(單位：mm)

3.2 鋼套筒的設(shè)計(jì)

盾構(gòu)接收鋼套筒主要用于輔助盾構(gòu)到達(dá)接收，整個(gè)裝置設(shè)計(jì)為一端開(kāi)口、另一端封閉的容器[6]，開(kāi)口端與洞門(mén)預(yù)埋環(huán)板相連，形成一個(gè)整體密閉的容器，容器內(nèi)充滿回填料，用于支撐盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)對(duì)洞門(mén)回填混凝土形成的反力，防止大塊的混凝土塊掉入鋼套筒底部或進(jìn)入環(huán)流堵塞管路[4]。整個(gè)鋼套筒結(jié)構(gòu)由筒體、后端蓋板、頂推托輪組、反力架和前后左右支撐等部分組成，盾構(gòu)接收鋼套筒的總體安裝示意如圖3所示。

圖3 鋼套筒整體示意

(1)筒體 筒體部分長(zhǎng)10 500 mm(盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度9 680 mm)，內(nèi)徑6 700 mm，分4段，每段2 500 mm，每段又分為上、下兩半圓，如圖4所示。筒體材料用16 mm厚的Q235A鋼板，每段筒體的外周焊接縱、環(huán)向筋板形成網(wǎng)狀，以保證筒體剛度，筋板厚20 mm，高150 mm，間隔約550 mm×600 mm。

圖4 筒體設(shè)計(jì)示意(單位：mm)

每段筒體的端頭和上、下兩段圓弧接合面均焊接連接法蘭，法蘭用24 mm厚的Q235A鋼，上、下兩段連接處以及兩段筒體之間均采用M30×90 8.8級(jí)螺栓連接，中間加3 mm厚橡膠墊，以保證密封效果。另外在筒體底部框架分4塊制作。底部框架承力板用20 mm厚Q235A鋼板，筋板用20 mm Q235A鋼，底板用20 mm Q235A鋼板，如圖5所示。托架與下部筒體焊接連成一體，焊接時(shí)托架板先與筒體焊接，再焊接橫向筋板，焊接底板和工字鋼。托架組裝完后，工字鋼底邊與車(chē)站底板預(yù)埋件焊接，托架須用型鋼與車(chē)站側(cè)墻頂緊，鋼套筒上部采用槽鋼與中板梁頂緊。

圖5 接收鋼套筒底部框架示意

(2)后端蓋 后端蓋為平面蓋，材料用30 mm厚的Q235A鋼板，平面環(huán)板加焊4道厚30 mm、高500 mm的鋼板筋板，井字形焊接在后端蓋上。后蓋邊緣法蘭與鋼套筒端頭法蘭采用M30×130 8.8級(jí)螺栓連接。后端蓋設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 鋼套筒后端蓋設(shè)計(jì)示意(單位：mm)

(3)反力架 盾構(gòu)始發(fā)反力架緊靠在端頭井負(fù)一層環(huán)框梁和底橫梁上。反力架用I20型鋼做斜撐，與車(chē)站底板頂緊，反力架上部頂在中板上。反力架定好位置后，先用400t千斤頂頂平面蓋和反力架，消除洞門(mén)到后蓋板的安裝間隙后，反力架上下均布4道I20的型鋼與后端蓋平面板頂緊，承力工字鋼管兩端用楔形塊墊實(shí)并焊接。

(4)筒體與洞門(mén)的連接 在原洞門(mén)環(huán)板預(yù)埋板的基礎(chǔ)上，鋼套筒與洞門(mén)環(huán)板之間設(shè)一過(guò)渡連接板(厚度為20 mm)，過(guò)渡連接板的長(zhǎng)度可以根據(jù)盾構(gòu)接收井的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，洞門(mén)環(huán)板與過(guò)渡連接板采用燒焊連接，鋼套筒的法蘭端與過(guò)渡連接板采用M36×65 8.8級(jí)螺栓連接。在過(guò)渡連板2、4、8、10點(diǎn)(鐘表點(diǎn)位)位置有4個(gè)觀測(cè)孔(帶球閥)，用來(lái)檢查洞門(mén)密封質(zhì)量。

(5)進(jìn)料口 為了滿足浮橋站的盾構(gòu)接收需求，鋼套筒上預(yù)留2個(gè)下料口，2個(gè)下料口均位于第2塊上，第1個(gè)下料口位于靠近第2塊、第3塊連接部位的正上方，第2個(gè)下料口在靠近留在第2塊、第3塊連接部位12點(diǎn)(鐘表點(diǎn)位)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)34°位置(面向洞門(mén))。

(6)泄料閘及排漿孔 在后端蓋平面板設(shè)置1個(gè)泄料閘門(mén)，1個(gè)帶球閥注排漿管(編號(hào)06)。第二次洞門(mén)鑿除的渣土和盾構(gòu)接收完成后最后殘留的回填料都需要從泄料閘運(yùn)出。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)及注意事項(xiàng)

浮大區(qū)間浮橋站接收端盾構(gòu)埋深大，加之盾構(gòu)到達(dá)端頭地質(zhì)復(fù)雜，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)大，盾構(gòu)鋼套筒接收施工工序繁多，因此各工序之間的銜接必須緊密，盾構(gòu)到達(dá)鋼套筒接收施工順序流程見(jiàn)圖7。

圖7 盾構(gòu)到達(dá)鋼套筒接收施工順序流程

4.1 施工關(guān)鍵技術(shù)操作要點(diǎn)

(1)鋼套筒安裝定位及氣密性檢驗(yàn) 鋼套筒定位時(shí)必須嚴(yán)格控制鋼套筒底部高程，確保洞門(mén)中心線與鋼套筒中心線重合，鋼套筒組裝完成后，在筒體內(nèi)加氣檢查其密封性，氣壓為0.2 MPa，若在12 h內(nèi)，氣壓保持在0.18 MPa上，則可滿足鋼套筒接收要求，如果小于0.18 MPa，找出泄氣部位，檢查并修復(fù)其密封質(zhì)量，然后再次進(jìn)行試壓，直至滿足試壓要求。

(2)盾構(gòu)機(jī)穿越地下連續(xù)墻及進(jìn)入鋼套筒施工 盾構(gòu)進(jìn)洞段的推進(jìn)施工分3個(gè)階段。階段劃分區(qū)域詳見(jiàn)圖8。

圖8 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞階段劃分區(qū)示意(單位：mm)

第一階段：盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至加固體，但刀盤(pán)尚未抵達(dá)凍結(jié)體。刀盤(pán)中心刀進(jìn)入加固體1.97 m后，切斷刀盤(pán)前后的水力聯(lián)系，刀盤(pán)中心刀進(jìn)入加固體3.5 m后，盾構(gòu)停機(jī)檢查，要求盾構(gòu)機(jī)處于最佳狀態(tài)，蒸汽發(fā)生器安裝并試用后，再次開(kāi)始推進(jìn)，準(zhǔn)備進(jìn)入第二階段的推進(jìn)。推進(jìn)速度在1～2 cm/min為宜。在刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中土倉(cāng)內(nèi)及刀盤(pán)前加注膨潤(rùn)土漿液進(jìn)行潤(rùn)滑和改良土體，嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，特別是盾構(gòu)切口的姿態(tài)，控制目標(biāo)為水平±15 mm，垂直+10～+20 mm，土倉(cāng)壓力控制在0.10～0.12 MPa，盾構(gòu)掘進(jìn)總推力控制在7 000～10 000 kN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.5～0.8 rpm/min。

第二階段：盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)穿越凍結(jié)體盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)后，隨時(shí)觀測(cè)渣土溫度，當(dāng)渣土溫度低于0°時(shí)，打開(kāi)蒸汽發(fā)生器，防止螺旋被凍住。刀盤(pán)中心刀進(jìn)入加固體3.812 m后，開(kāi)始從中盾第一排徑向注漿孔向盾殼外注聚氨酯，切斷刀盤(pán)前后的水力聯(lián)系。刀盤(pán)穿越凍結(jié)體時(shí)，推進(jìn)速度宜控制在1 cm/min以下，保證土倉(cāng)內(nèi)一定土壓，防止出空土倉(cāng)盾構(gòu)機(jī)抬頭上浮，盾構(gòu)機(jī)在拼裝管片時(shí)，刀盤(pán)要求每隔3 min轉(zhuǎn)動(dòng)1次，防止刀盤(pán)被凍住，土倉(cāng)壓力控制在0.05～0.08 MPa，盾構(gòu)掘進(jìn)總推力控制在7 000～8 000 kN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.5～0.8 rpm/min。

第三階段：進(jìn)鋼套筒掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)推出冷凍體后，盾構(gòu)開(kāi)始開(kāi)進(jìn)第三階段推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)中心刀進(jìn)入加固體7.28 m后，第一環(huán)特殊管片脫出盾尾，注漿封堵。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)中心刀進(jìn)入加固體10.88 m后，第一環(huán)特殊管片脫出4.8 m。開(kāi)始用第一環(huán)特殊管片上預(yù)留的注漿孔注雙液漿，形成環(huán)形的密封帶，阻止后方的水進(jìn)入盾尾前方。第一環(huán)注完以后，每脫出盾尾一環(huán)管片，依次進(jìn)行注雙液漿。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)中心刀進(jìn)入加固體17.28 m后(刀盤(pán)中心刀距離鋼套筒后蓋板0.82 m)，盾尾脫離洞門(mén)鋼環(huán)停止同步注漿，二次注漿距離盾尾太近，會(huì)造成雙液漿進(jìn)入盾尾刷和同步注漿排漿孔，破壞盾尾密封刷和阻斷同步注漿管道，因此鋼套筒接收時(shí)雙液漿選擇在特殊管片脫出盾尾4環(huán)后開(kāi)始二次注漿。

第三階段參數(shù)設(shè)置：推速<5 mm/min；推力<5 000 kN，視實(shí)際推力大小，以不超過(guò)此值為原則；刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.5～0.8 rpm/min。在鋼套筒內(nèi)以管片拼裝模式掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)在鋼套筒內(nèi)掘進(jìn)過(guò)程中，要確保與外界聯(lián)系，密切觀察鋼套筒頂部的情況，一旦發(fā)現(xiàn)變形量超量或有滲漏時(shí)，必須立即停止掘進(jìn)，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。進(jìn)套筒時(shí)姿態(tài)控制：必須以實(shí)際測(cè)量的鋼套筒安裝中心線為準(zhǔn)控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，要求中心線偏差控制在±1 cm之內(nèi)。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入鋼套筒內(nèi)之后，要注意姿態(tài)控制。

4.2 施工注意事項(xiàng)

鋼套筒安裝精度和質(zhì)量是新技術(shù)成功與否的外在關(guān)鍵控制因素。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)穿越新做端頭加固連續(xù)墻和水泥砂漿墻并進(jìn)入鋼套筒則是新技術(shù)成敗關(guān)鍵的內(nèi)在控制因素。應(yīng)以施工預(yù)控為主。加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)操控、注漿管理和盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵工序或環(huán)節(jié)的精細(xì)化管理[7]，對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，主要注意以下幾個(gè)方面。

(1)洞門(mén)預(yù)埋A環(huán)板與隧道前進(jìn)方向垂直一端厚度應(yīng)為20 mm，且A環(huán)板上不允許有螺栓孔。

(2)接收端零環(huán)管片采用背覆鋼板特殊環(huán)管片，零環(huán)管片外露長(zhǎng)度大于200 mm，以便于利用弧形鋼板將洞門(mén)與背覆鋼板管片封堵，見(jiàn)圖9。

圖9 進(jìn)洞環(huán)背覆鋼板特殊管片示意(單位：mm)

(3)隧道靠近接收端洞門(mén)處最后8環(huán)管片設(shè)計(jì)為特殊開(kāi)孔環(huán)管片，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒后，利用特殊管片上的16個(gè)孔對(duì)管片與土體之間的間隙二次注漿，在盾尾形成8道環(huán)箍，對(duì)洞門(mén)進(jìn)行有效密封，見(jiàn)圖10。

圖10 管片新增注漿孔示意(單位：mm)

(4)根據(jù)鋼套筒頂部安裝的壓力表的讀數(shù)，及時(shí)調(diào)整推進(jìn)壓力，避免推進(jìn)壓力過(guò)大，對(duì)鋼套筒密封處出現(xiàn)滲漏狀況，壓力過(guò)大時(shí)，打開(kāi)鋼套筒后板蓋上的排漿口，進(jìn)行卸壓。

(5) 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒階段實(shí)測(cè)洞門(mén)姿態(tài)很關(guān)鍵，根據(jù)實(shí)測(cè)的洞門(mén)姿態(tài)，修正盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，確保盾構(gòu)機(jī)夠順利進(jìn)入鋼套筒，盾構(gòu)接收階段掘進(jìn)參數(shù)以盾構(gòu)接收時(shí)3個(gè)階段為指導(dǎo)。

5 輔助到達(dá)工法效果功效分析

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)接收采用上述鋼套筒接收工藝實(shí)施后，從實(shí)際鋼套筒安裝、填料、以及盾構(gòu)機(jī)穿越冰凍體進(jìn)入鋼套筒內(nèi)的效果看很成功，工期達(dá)到了業(yè)主的要求。鋼套筒內(nèi)施作的水泥砂漿導(dǎo)臺(tái)在預(yù)防盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)“載頭”的同時(shí)，確保了盾構(gòu)機(jī)平緩進(jìn)入接收鋼套筒。盾構(gòu)機(jī)隧道管片拼裝和鋼套筒整體拼接質(zhì)量?jī)?yōu)良，鋼套筒與A環(huán)板連接處有輕微滲水，規(guī)避了盾構(gòu)機(jī)在車(chē)站前長(zhǎng)期停機(jī)帶來(lái)的巨大工程風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)站內(nèi)鋼套筒到達(dá)輔助接收新工法在南京地鐵3號(hào)線TA08標(biāo)浮大區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)隧道的成功應(yīng)用，解決了該方法在土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)上使用的問(wèn)題，有效避免了出洞過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)。雖然接收鋼套筒屬于高精度，設(shè)備造價(jià)較高，但可以循環(huán)使用，具有較大的提升空間和推廣應(yīng)用前景。同時(shí)，鋼套筒盾構(gòu)接收方法的成功使用，改變常規(guī)盾構(gòu)接收時(shí)需要做的盾構(gòu)橡膠簾布防水裝置及接收托架安裝的工作，提高了盾構(gòu)到達(dá)接收洞門(mén)的密封質(zhì)量及管片的拼裝質(zhì)量，為以后類(lèi)似工程提供了多方實(shí)踐性的科學(xué)依據(jù)。

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