反袜套气弹簧抗风险装置在盾构到达工程中的应用

2012-09-25顾沉颖段创峰魏林春赵艳鹏

城市道桥与防洪 2012年3期

顾沉颖,段创峰,魏林春，赵艳鹏

（1.上海隧道工程股份有限公司，上海200082；2.上海城建（集团）公司，上海200122）

0 引言

在盾构隧道工程中，对于盾构到达的安全措施，传统工艺主要采用搅拌桩加固处理，也有采用冰冻法、水中到达等方式，但由于地下工程的诸多不确定性给盾构到达工程带来诸多隐患。而在诸如我国上海等软土地区，地层中含有大量地下水，土体自立性较差，因此在盾构到达时，极易发生地下水携带土体颗粒从盾构与洞门之间的空隙中进入工作井，从而引起地面沉降、隧道塌方等重大事故。为了防止此类事故发生，一般在基坑内盾构进洞预留的洞圈位置安装一圈密封止水垫圈来保证盾构进洞的安全，洞圈密封垫圈虽有一定的止水作用，但在盾构机进洞过程中非常容易发生外翻，损坏等问题，从而导致洞圈漏水、漏泥，而且一旦发生破坏造成泄漏，现场处理非常困难。

本文在传统的铰链板装置的基础上加装了一种可以提供恒定压力的气弹簧，形成了一种全新的反袜套气弹簧抗风险装置（以下简称反袜套气弹簧装置），并成功应用于郑州地铁某区间盾构到达工程，为盾构到达工程中的风险控制提供了一个新的技术和思路。

1 工程概况

某工程为郑州市城市快速轨道交通1号线04合同段，其中七里河站—新郑州站站区间隧道是该标段的一个组成部分，采用两台直径为Ф6 140 mm铰接式土压平衡盾构机）施工。隧道内径Ф5 400 mm，管片环宽1.5 m，厚度0.30 m。盾构进洞处隧道断面分布于粉土、粉质粘土、细砂层中，地下水位深度略高于盾构进洞断面，隧道顶覆土约10.321 m。盾构进洞采用深层搅拌桩结合旋喷桩进行加固。

2 气弹簧反袜套装置设计

2.1 气弹簧反袜套装置原理

盾构进洞反袜套装置的工作原理如图1所示，装置主要由气弹簧、铰链板、钢垫块、橡胶帘布等组成。

图1 气弹簧反袜套装置简图

气弹簧反袜套密封装置在盾构到达之前现场安装完成。盾构机穿越洞门时挤压橡胶帘布使其外翻，并推动气弹簧产生压缩变形，气弹簧的反作用力通过铰链板作用于橡胶帘布，使橡胶帘布能够紧紧压住盾壳，从而形成稳定的密封环境。钢套环通过焊接并与洞圈通过螺栓连接，形成一个整体，具有较大的刚度，可以确保整个装置的安全运行。

盾构完成最后一环管片拼装后继续推进直至盾构脱出气弹簧反袜套装置。此时，橡胶帘布紧紧压住管片。通过管片注浆孔向外注浆，迅速填充洞门与管片之间的间隙，从而封堵洞门。待浆液凝固挡住动圈内泥水后，拆除盾构进洞反袜套密封装置，盾构进洞施工结束。

在盾构到达过程中，整个密封装置能够抵挡巨大的水土压力，防止洞圈漏泥、漏水，保证盾构安全、顺利进洞。

整套装置的关键在于气弹簧的使用，气弹簧一般由缸筒、活塞（杆）、密封件和外部连接件组成（见图2）。高压氮气或惰性气体和油液在缸内自成回路。活塞上的阻尼使有杆腔和无杆腔相通，使两腔压力相等。利用两腔受力面积差和气体的可压缩性产生弹力。

图2 气弹簧实景

气弹簧具有结构轻巧，工作行程大；运动平稳，能起阻尼缓冲作用；在伸缩过程中可以向铰链板提供恒定不变的压力，并且安装操作简便，安全可靠。

2.2 反袜套气弹簧装置设计

反袜套气弹簧装置设计时主要考虑以下几个问题：

（1）装置设计密封压力：要求装置能够承受盾构进洞加固失效时，地层中的水压力。

（2）装置直径：要求装置可在盾构以最大轴线偏差量进洞时顺利通过装置。

（3）气弹簧选型：根据上述两点确定气弹簧的工作压力和行程。

（4）橡胶帘布：橡胶帘布的宽度必须与气弹簧的长度相适应，并根据洞圈螺栓孔的位置进行开孔。

（5）钢环内设置若干梯形筋板以增加装置的整体刚度。

（6）装置分块：装置的分块需考虑运输、安装、拆解工作。

（7）钢环的尺寸必须考虑与基坑内部结构的干涉情况。

通过上述设计要求，以及施工过程的要求分析，经过论证设计出盾构到达气弹簧反袜套装置如图3所示。

3 盾构到达准备施工

3.1 隧道洞圈复核测量

由于气弹簧反袜套装置通过螺栓与洞圈连接而洞圈在制作和安装的过程中会产生一定的误差，因此为保证装置顺利安装，需对以下几点内容进行复核测量：

图3 气弹簧反袜套装置设计图

（1）上下两半部分预埋洞圈螺栓孔中心与洞门预制钢板内沿的距离；

（2）预制钢环环板的宽度；

（3）进洞洞圈横向、纵向直径与设计直径之间的误差；

（4）螺孔的数量和间距；

（5）螺孔的深度和螺纹的长度。

3.2 盾构姿态复核测量

盾构贯通前的测量是复核盾构所处的方位、确认盾构姿态、评估盾构进洞时的姿态和拟定盾构进洞段的施工轴线、推进坡度的控制值和施工方案等的重要依据，以使盾构在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好的姿态进洞，在盾构接收基座上准确就位。

此外需对右线隧道盾构进洞推进里程及拼装环号进行复核，以确定最后一环管片精确里程。

3.3 盾构接收基座及轨道安放

根据洞门的确切方位，对盾构基座安放位置进行准确放样。基座安装时按照测量放样的基线，吊入井下就位拼装、焊接。基座按平坡安放，基座就位后，进行支撑加固加强其整体稳定性。基座与洞圈内衬墙净距应确保进洞新型抗风险装置的安装空间。

为了使盾构进洞时有良好的导向，在洞圈上安放导向轨。导向轨在洞圈底部放置2根，延伸至进洞密封橡胶帘布处（与洞圈内衬墙平齐）。盾构基座上的两根导向轨延伸至新型抗风险装置下部钢环结构处。

3.4 装置安装

装置安装的流程如图4所示。首先搭设安装止水装置的脚手架；洞门保护层凿除的同时，洞圈上安装一圈弧形插板用于封堵洞门；沿洞圈一周72个螺栓孔安装固定螺栓；将装置和橡胶帘布吊运至井下，整体安装帘布的同时，在各个分块装置上开设注浆孔用于封堵洞门；上述准备工作完成后，开始分块安装各个分块，安装顺序自下而上吊装，先将预制钢环吊装对准螺杆到位，安装特殊垫片及垫圈后，预紧螺母，然后调整预制钢环分块之间的间隙，再用螺栓连接相邻预制钢环分块，最后将预制钢环与洞门连接钢板连接固定。