陳 爽 朱牧原 魏力峰 房新勝

（1.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211800；2.西南交通大學(xué) 四川成都 610031）

1 引言

盾構(gòu)法作為暗挖法的一種，其施工作業(yè)大部分在地下進(jìn)行，具有不影響交通、施工機(jī)械化程度高、對附近居民和設(shè)施影響小等特點(diǎn)，在城市隧道工程中已得到廣泛應(yīng)用［1］。目前，針對盾構(gòu)在始發(fā)和接收端的關(guān)鍵施工技術(shù)以及盾構(gòu)施工過程中的管片變形問題均有大量的總結(jié)和探討。比如在計算模擬方面，陸鵬程［2］在考慮先期變形的情況下進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的相關(guān)探討；張愛等［3］結(jié)合實際工程進(jìn)行監(jiān)測，總結(jié)施工參數(shù)對隧道整環(huán)管片變形的影響規(guī)律；盧院等［4］利用有限元軟件分析錯縫拼裝盾構(gòu)管片的收斂變形規(guī)律。在實際施工技術(shù)方面，也取得了不少成果。文獻(xiàn)［5］針對長沙地鐵1號線，提出管片錯臺的成因以及防治措施；文獻(xiàn)［6］以南昌地鐵1號線某區(qū)間盾構(gòu)接收工程為背景，對富水砂層地質(zhì)中盾構(gòu)接收措施進(jìn)行分析和探討；文獻(xiàn)［7］以北京新機(jī)場線盾構(gòu)隧道工程為背景，探討大直徑土壓盾構(gòu)的始發(fā)相關(guān)技術(shù)。這些研究大多圍繞對盾構(gòu)進(jìn)出洞時地層沉降變形、涌水和塌方等的控制［8－10］，或是單純管片變形的防治，而對于在進(jìn)出洞等關(guān)鍵階段管片突發(fā)變形的情況沒有相關(guān)總結(jié)。本文以新建北京至張家口鐵路為背景，分析總結(jié)在盾構(gòu)接收段管片突發(fā)變形后的應(yīng)急措施、事故原因以及后續(xù)的襯砌方案，對其他類似工程提供參考。

2 工程概況

新建京張鐵路清華園隧道為一單洞雙線盾構(gòu)隧道，采用直徑為12.64 m的泥水平衡盾構(gòu)。在3－2區(qū)間盾構(gòu)機(jī)由位于清華同方大廈西側(cè)的3號盾構(gòu)始發(fā)井出洞，向南掘進(jìn)，到達(dá)位于原清華園火車站內(nèi)的2號盾構(gòu)接收井，全長1.741 km，如圖1所示。

圖1 3－2盾構(gòu)區(qū)間線路平面

隧道內(nèi)部管環(huán)外徑12.2 m、內(nèi)徑11.1 m，環(huán)寬2 m，采用6＋2＋1分塊設(shè)計。管片采用C50強(qiáng)度、P12抗?jié)B等級的混凝土。管片之間通過M36、8.8級直螺栓連接。

3 接收處問題描述

3－2區(qū)間盾構(gòu)接收處的加固區(qū)為U型素地連墻隔離區(qū)與地層旋噴注漿加固組合，如圖2所示。在洞門破除且盾構(gòu)機(jī)從加固區(qū)進(jìn)入接收井后，開始由洞門頂部向底部焊接洞門密封板。

圖2 接收加固區(qū)（單位：m）

當(dāng)密封板焊至洞門拱腰處，接收端加固區(qū)內(nèi)的6環(huán)洞門發(fā)生橢變和錯臺。為減小錯臺，應(yīng)第一時間進(jìn)行千斤頂支頂，但由于受空間及盾構(gòu)機(jī)臺車構(gòu)造的限制，僅能使用50 t千斤頂進(jìn)行支頂操作，實際支頂效果不佳，同時對變形管片進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，整體橢變度為9‰，錯臺最大值為5.5 cm，如圖3所示。

圖3 最大錯臺部位

4 初期管片變形控制

管片收斂變形過大，極易引起環(huán)縱縫滲漏水、管片開裂崩角等結(jié)構(gòu)病害，處理不及時，甚至?xí)霈F(xiàn)管片受力破壞，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)安全［11］。為了減小風(fēng)險，在洞門密封板焊接完成后，需及時對管片變形以及可能發(fā)生的滲水情況進(jìn)行控制。

（1）注漿固結(jié)

首先在接收端用管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行注漿密封，以達(dá)到加固管片的效果。當(dāng)出現(xiàn)漿液達(dá)到管環(huán)下部，引起管片上浮，管片頂部環(huán)間縫隙增大、個別縱向螺栓發(fā)生脫扣松動時，應(yīng)停止注漿并注入水泥水玻璃雙液漿加速砂漿固結(jié)。此后持續(xù)交替注入砂漿和雙液漿，直至管環(huán)外部空隙填充密實。在螺栓的處理上，對于松動且能夠取出的螺栓，將其取出后重新加工成長度合適的螺栓再次打入；對于松動且不能取出的螺栓，則對外露松動部分焊接固定后頂進(jìn)套管。

（2）接縫防水

管片加固后向接縫內(nèi)注入遇水膨脹止水膠，每次注入2 cm，等止水膠稍固化后再次注入，并在接縫大于1 cm部位注入丙乳砂漿。最后在管片接縫表面施作單組分聚氨酯密封膠嵌縫。

5 原因分析及事故評估

盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中姿態(tài)控制不當(dāng)、管片拼裝過程不規(guī)范、注漿參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)榷伎赡茉斐晒芷l(fā)生變形、錯臺［12］。本工程在管環(huán)變形后，立即進(jìn)行評估，認(rèn)為主要原因在于出洞過程中，同步注漿、推力等參數(shù)難以達(dá)到正常掘進(jìn)要求。同時認(rèn)為，管片雖有變形，但不影響正常使用，且變形后結(jié)構(gòu)整體安全，然而由于管片錯臺值已超20 mm限值，且止水帶變形較大，易滲水，需要采取防護(hù)措施以保證隧道的耐久性，為此需進(jìn)一步進(jìn)行襯砌處理。

6 接收處襯砌處理方案

針對隧道管片變形現(xiàn)狀，提出兩種思路：第一種，保持已經(jīng)拼裝完成的管片不變，在確?？梢哉Ｊ褂玫那闆r下，直接設(shè)置鋼板內(nèi)襯；第二種，直接進(jìn)行管片破除，該思路又分暗挖和明挖兩種方法，暗挖法需施作初次支護(hù)，而明挖法則在6環(huán)錯臺管片破除后先施作主體結(jié)構(gòu)再回填土。

6.1 鋼板內(nèi)襯方案

鋼板內(nèi)襯法已有一些實踐與研究，如在南京河西地區(qū)地鐵運(yùn)營盾構(gòu)隧道收斂變形治理中，就曾利用管片內(nèi)襯鋼環(huán)加固。翟五洲等［13］通過數(shù)值模擬對比未加固與鋼板加固兩種情況下錯臺變形隨荷載增大的變化情況，量化討論該方法對錯臺變形的控制效果。

（1）鋼板規(guī)格及布置

使用10 mm厚的鋼板施作單層襯砌，其布置區(qū)域為隧道軌下結(jié)構(gòu)面以上，環(huán)向?qū)?yīng)圓心角度為42°及29°兩種規(guī)格，每環(huán)共七片，其布置如圖4所示。

圖4 鋼板內(nèi)襯布置

鋼板從外包洞門位置縱向向內(nèi)布置七環(huán)，除了第一環(huán)幅寬為1.54 m外，其余各環(huán)幅寬均為2 m。同時需保證縱向間的焊縫與環(huán)向焊縫錯開、環(huán)向鋼板焊接縫與管片的拼接縫錯開，以增大剛度。

（2）施工工藝

在盾構(gòu)設(shè)備拆除完畢并完成軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)后，立即在鋼板的加固范圍內(nèi)搭設(shè)作業(yè)平臺并進(jìn)行管片修整、手孔密封等措施。采用龍門吊、叉車、手拉葫蘆等機(jī)械調(diào)運(yùn)，開始拼裝和焊接鋼板。

采用植筋的方法將管片與鋼板結(jié)合，以起到共同受力、共同變形的效果，鋼板間通過焊接連接，以形成一個良好的受力整體。

植筋孔徑25 mm，鉆孔深度為220 mm，孔環(huán)向間距1.5 m、縱向間距1 m，距鋼板邊緣50 cm，并注意避開管片中鋼筋位置。在完成鉆孔并清理干凈后注入植筋膠并植入C22鋼筋，如圖5所示。植筋完成后，鋼板與鋼筋間需進(jìn)行塞焊，待冷卻后對外露的多余鋼筋進(jìn)行打磨，使其表面與鋼板表面光滑度保持一致。

圖5 鋼板植筋（單位：mm）

（3）注漿與防腐作業(yè)

為完全填充鋼板與管片之間的空隙，確保兩者共同受力，需進(jìn)行水泥漿壓注。預(yù)先在軌面結(jié)構(gòu)上方1 m高度處預(yù)留兩個植筋孔，在拱頂兩側(cè)預(yù)留兩個排氣孔，并用嵌縫密封條和聚氨酯封堵隧道兩側(cè)鋼板與管片的接縫。以0.05～0.5 MPa的注漿壓力從預(yù)留植筋孔處壓注配合比為0.8∶1的硫鋁酸鹽水泥漿，分多次壓注。當(dāng)排氣孔中溢出水泥漿液時停止注漿并封堵排氣孔，在注漿孔處植入鋼筋。

最后處理鋼板表面，對焊縫焊點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械打磨。鋼板表面處理干凈后，用環(huán)氧瀝青涂料對鋼板進(jìn)行多層涂刷，涂料內(nèi)摻入顏料使之與管片顏色相仿。

6.2 管片破除方案

（1）暗挖方案

采用邊破除管片邊施作初支的方法來保證洞口土體穩(wěn)定，同時為保證洞口穩(wěn)定、避免隧道進(jìn)水，在管片破除前，需進(jìn)行加固區(qū)降水作業(yè)和管棚施工。前期在加固區(qū)每側(cè)布置4口降水井，共計8口，并在洞門環(huán)處打入管棚支護(hù)。環(huán)向每300 mm布置1根鋼管，共計99根。管棚施工完成后注漿加固并在洞門鋼環(huán)處施作內(nèi)襯環(huán)梁，支撐住洞門處的管棚鋼管以防止塌落。前期工作結(jié)束后，每環(huán)管片由人工持風(fēng)鎬破除，按第一次破除2.1 m高度、第二次破除4.5 m高度、第三次破除3.8 m高度的順序先破除上部管片并施作初支。初支架設(shè)利用盾構(gòu)接收加固區(qū)的特殊性，在地連墻范圍內(nèi)向上鑿除0.3 m混凝土，架設(shè)第一榀鋼格柵，通過植筋與地連墻錨固，此后各環(huán)均向外鑿除0.3 m后架設(shè)鋼格柵。在初支結(jié)構(gòu)施作完畢后，拆除腳手架并破除底部管片。為確保初支穩(wěn)固，需設(shè)置鎖腳錨桿加強(qiáng)支護(hù)。錨桿需穿透管棚間隙錨入土體。管片破除及初支結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 管片破除與初支結(jié)構(gòu)（單位：mm）

管片完全破除及初支架設(shè)完成后，采用LDPE膜及噴涂速凝橡膠瀝青做防水處理，12 h后進(jìn)行二襯施作。先施作仰拱，再搭好腳手架施作上部結(jié)構(gòu)二襯，待混凝土養(yǎng)護(hù)兩周后澆筑軌下結(jié)構(gòu)，完成整個洞室施工。

（2）明挖方案

明挖方案直接從隧道上方破除管片，即通過開挖基坑將管片吊起，然后再進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。

按照基坑施工方法，首先在加固區(qū)范圍圍繞U型素地連墻施作鉆孔灌注樁，隧道軸線兩側(cè)各10根樁，北側(cè)設(shè)置9根，樁底距盾構(gòu)隧道底5 m，共計29根?；又喂苍O(shè)6層，第一層為混凝土撐（1 000×1 000 mm），其余5層為?609（t＝16）鋼支撐。從平面看，北側(cè)冠梁拐角處施作兩道支撐，距南側(cè)地連墻邊界6 m起，每隔3 m設(shè)一道，共兩道，如圖7所示。

圖7 基坑平面

基坑開挖到位后，開始吊取管片。利用水鉆在管片上鉆開50 mm直徑的孔，再用雙股鋼絲繩穿孔與吊環(huán)連接，吊起管片。每環(huán)拆除均從頂部開始，然后拆除鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)塊等。如果受結(jié)構(gòu)限制，無法直接吊起，可采用人工風(fēng)鎬破除。拱腰以上管片全部破除后，再拆除腳手架破除底部管片。

三倉澆筑施工新襯砌，采用C40、P12抗?jié)B混凝土，利用定型模板和定型鋼架施作全圓襯砌，如圖8所示。按照從仰拱到拱腰再到拱頂?shù)捻樞?，逐步向上邊施作邊拆除基坑支撐。防水結(jié)構(gòu)為LDPE膜及噴涂速凝橡膠瀝青。

圖8 三倉澆筑

6.3 方案比選

就最終效果而言，明挖和暗挖均可實現(xiàn)二襯與已有管片表面保持一致，解決錯臺問題，使隧道整體更加美觀。但管片破除方案本身會破壞原有結(jié)構(gòu)，特別是暗挖方案，其管棚施工對已完成豎井結(jié)構(gòu)破壞較大，而且主體結(jié)構(gòu)鋼筋切除較多，會對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。而鋼板內(nèi)襯方案則不會改變原有結(jié)構(gòu)狀態(tài)，僅加強(qiáng)了其耐久性和安全性，但隧道在出洞處仍會存在凸臺。

從施工角度看，鋼板內(nèi)襯方案無需破除管片，因此工程量小，工期短。而對于管片破除方案，不管是明挖還是暗挖都存在以下兩種問題：

（1）安全性。本工程施工作業(yè)面位于承壓水層中，存在較大施工風(fēng)險，且暗挖方案使用管棚在軟弱圍巖內(nèi)采用大斷面一次性支撐作業(yè)，施工風(fēng)險很高；對于明挖方案而言，深大基坑的開挖，作業(yè)空間小且基坑高水壓風(fēng)險大，存在一定安全隱患。

（2）效率問題。管片破除方案需大量的前期準(zhǔn)備工作，而后期混凝土澆筑也需要養(yǎng)護(hù)時間。另外，本工程在冬季施工，鋼筋、混凝土工程均需采取保護(hù)措施，所以可能會出現(xiàn)工期延長等問題。經(jīng)估算，暗挖方案與明挖方案分別需要164 d與175 d，相比較而言工期較長，嚴(yán)重影響后續(xù)施工進(jìn)度。

綜上，選擇鋼板內(nèi)襯方案。

7 結(jié)束語

一方面，在盾構(gòu)接收處管片突發(fā)變形且無法糾正的情況下，首先要通過注漿固結(jié)與接縫防水等措施控制變形，以防嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。

另一方面，采用鋼板內(nèi)襯控制收斂變形為最簡單有效的補(bǔ)救措施，該方法已在一些工程中得到應(yīng)用，但由于鋼板內(nèi)襯沒有對原有變形進(jìn)行糾正，僅起到加強(qiáng)安全性和耐久性的作用，造成隧道現(xiàn)有結(jié)構(gòu)略有缺陷，所以僅適用于變形尚在初期階段且對整體結(jié)構(gòu)沒有影響的情況。相應(yīng)地，采用通過管片破除后施作初支和二襯的治理方案，可以消除管片變形帶來的缺陷，改善工程質(zhì)量，當(dāng)?shù)貙訔l件良好且工期不緊張，或者隧道變形嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全的情況下，可以考慮采用。