富水易液化砂层盾构始发施工技术探讨

徐 泉

(南通市建设安全生产监督站，江苏 南通 226000)

1 引言

当前，随着中国经济的高速发展，原有的城市交通系统已无法满足人们的出行需求，同时，越来越拥挤的道路也制约着城市的发展。鉴于以上问题，我国许多一二线城市开始修建地铁隧道以解决日益突出的城市交通问题。城市轨道交通的发展离不开盾构施工法的运用，从目前的施工经验来看，盾构法在施工的始发阶段很容易出现工程事故[1]。本文通过对始发技术的阐述，以期找到好的方法保证盾构始发施工顺利、快速和安全地进行。

2 盾构始发施工技术

2.1 端头加固施工

在盾构始发之前需要进行端头加固施工，目的是保证洞门破除和始发掘进的安全性。始发端头加固一般采用深层搅拌桩加固法、旋喷桩加固法、旋挖素砼桩法、地面水平和垂直注浆加固法、冻结法等。施工中，需要根据不同的地层环境和施工环境选择合适的加固方法，目的是保证加固效果和控制施工成本。

2.1.1 端头加固工艺

南—太区间始发端头地层主要为粉质黏土、粉砂层，结合地层情况、水文条件以及周边环境，采用Φ850@600三轴搅拌桩加固，桩间搭接250 mm。加固体与地下连续墙或槽壁加固之间300 mm的空隙采用Φ800三重管高压旋喷桩加固，桩间搭接300 mm，加固体外围采用Φ850@600三轴搅拌桩套打止水帷幕止水。端头加固详见图1。

图1 南—太区间始发端头加固示意图

2.1.2 端头加固效果检测

端头加固完后需要对加固土体进行取芯检测，目的是检测加固体的强度和渗漏情况。具体措施如下：

(1)加固完成数周后对加固体强度进行检查，分别在两个桩上离桩芯15、30和45 cm的地方进行全取芯钻孔。检测标准为28 d无侧限抗压强度qu不小于1.0 MPa，渗透系数不大于1×10 cm/s。检验不合格者，应在不合格的点附近进行补喷或采取有效补救措施。

(2)在加固体的强度达到要求以后，盾构始发前15～20 d对加固体的渗漏性进行检查。在车站端头洞门内水平钻9孔，成“米”字形均匀布置，长度深入搅拌桩加固体0.5 m，孔径50 mm，检测标准为探孔不能出现连续流沙、流水。同时在洞门下部及洞门两侧侧墙位置各增加两个探孔，以确保洞门凿除过程安全。洞门探孔布置详见图2。

图2 洞门探孔布置

2.2 洞门破除

目前各城市地铁隧道施工中，洞门围护结构主要采用钢筋混凝土地下连续墙或玻璃纤维筋(GFRP)结构。其中，玻璃纤维筋结构(GFRP)一般不需要人工破除，刀盘可以直接开挖，而钢筋混凝土地下连续墙结构则需要经过人工破除。洞门破除施工工期长，所以洞门破除时间选择在盾构机调试和盾尾内负环管片拼装完成之后，目的是保证洞门破除后，刀盘能及时进入掌子面，减少土层暴露时间。在破除过程中，要随时测量破除洞口的尺寸，避免钢筋或混凝土因为破除不彻底造成卡刀盘事故。

2.3 安装洞门密封装置

洞门密封装置的安装是盾构始发之前一道很重要的工序，作用是防止始发时出现涌水涌沙事故。洞门密封装置主要由翻板、止水卷帘、双头螺栓、圆环板和钢护筒等组成。洞口密封装置的安装主要分两步：第一步是在车站端墙结构中安装洞门钢环；第二步是在盾构机下井组装之前，将密封装置安装在预埋洞门钢环上。同时，根据端墙和地下连续墙厚度情况，可以增加一节延伸钢护筒，确保刀盘进入洞门切削土体前，止水卷帘能及时紧裹盾体。结合本区间始发端头地层含水量大、透水性高的特点，为防止始发时出现涌水涌沙，采取在预埋钢环内增加一道洞门刷和安装两道止水卷帘的方法。盾尾进入洞门后，再次焊接一圈圆弧板将管片外部和延伸钢环的缝隙封闭，洞门密封装置详见图3。通过对密封装置安装方法的改变，本区间始发时洞口未出现漏水漏沙现象，顺利完成始发作业。

图3 南—太区间洞门密封装置安装示意图

2.4 反力架、始发架的安装

2.4.1 反力架、始发架安装位置的确定

反力架的安装位置由负环管片数量决定，位置确定好后，需要在始发井口下沉段和车站负一层结构施工过程中预先安装好钢板，为后续反力架底座和斜支撑安装提供基础。

始发架的安装位置由盾体长度及始发井口尺寸确定，一般始发架的末端离反力架前端面(沿掘进方向)的距离在15 cm左右，此距离能满足盾尾刷和止浆板下压的空间需求。

2.4.2 反力架、始发架的定位

反力架、始发架安装之前，由测量人员根据洞门中心实际位置确定反力架、始发架的中线安装位置。安装原则为保证始发架、反力架、盾体、洞门四者圆心重合，遇到曲线始发或抬头始发掘进时，安装关系可以根据实际情况变动。

2.4.3 始发架、反力架的安装加固

始发架为盾构主机提供前期支撑力，推进中主要受到摩擦力和扭矩影响，所以在盾构始发之前，必须对始发架两侧及前方进行加固，一般采用“工”字钢加固支撑。

反力架主要为推进提供反作用力，始发时盾构推力为800～1 200 T，故反力架承受的纵向力比较大，所以对加固要求比较高，一般采用后背直支撑和斜支撑结合的加固方法。直支撑主要支撑在车站负二层及结构侧墙上，斜支撑上部焊接在反力架上，底部焊接在负一层预埋钢板上。斜支撑通常有2～3道，通过焊接剪刀撑连接在一起。特别需要注意的，在遇到上坡始发掘进时，反力架在安装时需要有一定的倾斜量。

2.5 负环管片安装

2.5.1 负环管片环数的确定

负环管片是指隧道成型后，拼装在始发井口的管片，一般在隧道掘进100环后拆除。负环管片的数量主要由设计图纸上0环伸出洞门的长度、始发井口长度、盾构主机长度等因素决定。假设井口长度为L，0环伸出洞门距离为L1，反力架宽度为d、后背支撑长度为L2，负环宽度为D，则需要环数A=(L-L1-d-L2)/D，后背支撑长度L2由盾构主机长度和计算结果决定，以使负环环数为整数。负环布置详见图4。

图4 负环管片环数计算示意图

2.5.2 首环管片的拼装

由于拼装首环管片时没有后支撑力，同时管片外径小于盾尾内径，管片拼装容易不成圆形或下沉，所以在拼装前根据盾尾间隙情况，提前在盾尾里面中下部位置焊接相应尺寸的钢管或钢筋类材料。只有保证盾尾间隙均匀的情况下，推进千斤顶才能顺利将管片后移。

在首环拼装过程中，上部管片块比较危险，易掉落，所以在拼装中一般在盾尾内焊接“7”字型钢板固定管片，以保证安全。管片拼装点位主要采取顶部拼装，目的是方便后期拆除负环管片。

2.5.3 首环管片后移

首环管片拼装完成后，首先用下部油缸后移管片，观察管片上部情况，再采用相应上部油缸作调整。后移过程中速度不能太快，各个方向要有人员盯控，以防管片偏离卡住盾尾。根据管片参数将管片移到合适位置后，就可以开始下一环负环的拼装。一般拼装2环后，再整体后移至反力架。

2.6 盾构的始发

2.6.1 空载推进

在开始推进的过程中，盾构机因为没有土压等原因，所以一般选择用拼装模式推进。推进过程中，需要注意观察刀盘和洞门密封装置的接触情况以及盾体上的防扭块是否需要割除。推进之前可以在盾体上做好标记，根据刀盘前端和掌子面的距离情况，结合盾体前进距离，判断推进中刀盘前端和掌子面的情况，为能否转动刀盘提供参考依据。

2.6.2 始发时盾构姿态的控制

始发时盾构姿态是很难作出调整的(包括完全进入加固区内)，所以在盾构机组装时，就要保证盾构机有一个很好的始发姿态。为了防止盾构机进洞后出现“栽头”现象，始发架安装时可以将前部抬高2 cm，或在洞门底部内采取安装引轨、灌混凝土等措施。

2.6.3 始发参数控制

始发阶段，刀盘进入加固区域后，正面土体强度大，往往造成推力大。为了保护反力架，要求在满足掘进速度的情况下，尽量减小推力,一般采取较低土压掘进。实际情况中，加固区内也不容易建立土仓压力，所以推进中需要严格控制出土量。同时，掘进过程中要严格控制掘进速度，减少刀盘贯入度，减小刀盘扭矩。若遇到出加固区后即开始下穿建(构)筑物时，可向土仓内注入膨润土，提前建立土压。

2.6.4 洞门封堵

在盾尾完全进入洞门后，根据始发端头加固区域长度确定停机封洞门位置。注浆之前先将盾尾部分注满膨润土，防止双液浆流入盾尾刷对其造成损害。注浆过程中，隔一段时间，盾构机往前推进10～15 cm，以防盾体外部被土体包裹。

3 结束语

盾构始发是一项比较复杂繁琐的施工作业，除本文讲述的几点外，期间还会涉及大型设备吊装、高压电传送、大型设备的组装等各种高风险作业。所以盾构始发前需要精心做好各种准备工作，机具、材料和人员全部到位，各工序作业才能连续不断地进行下去。