花岗岩地层大直径盾构长距离空推技术难点与应对

2022-02-11周智

广东土木与建筑 2022年1期

周智

（中铁建华南建设有限公司广州 510006）

0 引言

随着城市地铁建设的不断发展，地铁隧道的直径和埋深在不断地加大，这给城市地铁隧道施工提出了新的挑战。不仅如此，随着埋深增加，地层的性质发生改变，由土层或者强、中风化的岩层逐渐变成了微风化岩层等硬度和完整性较大的地层。在这种条件下，采用盾构机难以在硬岩地层中掘进，只能采用矿山法施工，或者是矿山法+盾构机空推拼装管片的方式通过，国内外已有相当数量的盾构空推相关的文献报道［1-3］。

所谓盾构空推技术，就是盾构机往前顶推前进，伴随盾尾拼装管片，但盾构机前方不存在需要开挖的土体，是一个空洞或者临空面，故名为空推。盾构空推技术，在盾构机完成区间隧道开挖，通过车站段并进行二次始发的情况下较为常见［4］，我国的重庆地铁［5］就有过相关实践。这种情况下，一般是因为始发井口附近难以满足盾构吊装需求，需要盾构机运动到前方满足条件的井口，所以需要进行盾构机空推过站。在另外一些情况下，如盾构机前方地层硬度过大无法进行盾构施工时，也需要灵活调节施工方式，采用空推通过暗挖隧道［6］，再进行二次始发。我国的城市地铁建设经过多年的发展，也多次遇到过类似的情况，并在长沙地铁［7］、广州地铁六号线［8］、某城市地铁［9］中成功地采用了盾构空推工法。这些报道中，盾构隧道的直径多为地铁隧道中常见的6 m 左右直径，属于常规直径盾构。在盾构空推施工中，盾构机的行进轨迹对施工质量和安全至关重要，需要特别加以关注和控制。赵志龙等人［10］研究了长春地铁2号线某标段中采用的钢板+导轨的控制方式并得到了相关启示，李昌峰等人［11］在实际工程中，利用钢板滑动法，解决了盾构空推过站中遇到的问题。此外，还有利用构造轨道的方法［1］，帮助控制空推盾构机的轨迹的相关报道。

在前人的研究中可见，目前随着城市地铁建设的不断发展，所遇到硬岩地层逐步增多，采用盾构空推通过矿山法隧道这一方式通过硬岩地层已经较为常见。但另一方面，随着盾构隧道直径的增加，矿山法隧道的内轮廓也在加大，盾构管片外径和矿山法隧道内轮廓之间的空间也在加大，难以填充的缝隙将影响管片施工质量。此外，由于盾构空推通过矿山法隧道时，周围地层无法对盾构机的运动产生有效约束，这便给盾构机行进过程中的姿态控制和线路控制提出技术难题。因此，本文将基于花岗岩地层中的大直径盾构空推中可能的技术难点，针对性地提出一些解决方案。在此基础上，本文通过对具体案例进行剖析，总结相关经验以供类似工程参考。

1 大直径盾构空推主要技术难点

在盾构空推过程中，由于盾构机的作业面是由矿山法开挖后，在围岩表面喷锚或者喷射混凝土所形成，因此其表面必定凹凸不平，甚至有一些地方有较大的起伏，如图1 所示。在这种情况下，盾构机通过时，其姿态必定受到作业面表面的不平整所影响，甚至产生较大的扰动。另一方面，如图1所示，由于大直径盾构机（φ8 800 mm）自身的外径较大，空推所需要的矿山法初支内径必然比较大。这样一来，不可避免地在管片拼装完成后，由于孔隙存在和填充不及时，引起管片变形，影响施工质量。此外，由于空推段盾构机前方面临着临空面，与常规推进时所处工况不同，盾构机顶推力和姿态控制等难度必定增加。在本文中，笔者基于地铁隧道大直径盾构空推相关经验和项目管理经验，总结出大直径盾构空推所面临的3 大技术难点：盾构机轨迹把控难，拼装管片易变形，盾构机控制难，现对上述三大难点展开论述如下：

图1 大直径盾构空推主要难题示意Fig.1 Schematic Diagram of Main Problems of Air Thrust of Large Diameter Shield

1.1 空推中盾构机轨迹难把控

大直径盾构机在通过空推段时，由于盾构机的外径小于初支的内径，加上初支施工过程中造成的初支外表面凹凸不平，极易引起盾构机在初支轮廓内发生偏转、移位等现象，如图2所示。可知，在平面内，由于初支内表面的不平顺，引起盾构机盾尾千斤顶与管片之间接触应力的不均匀，容易造成盾构机在平面内旋转。此外，由于盾构机与隧道初支轮廓之间空隙的存在，以及顶推力的不均匀分布，也容易引起大直径盾构机在空推过程中发生偏转，甚至使得盾构机轴线偏离设计轴线。这样一来，大直径盾构机行进的轨迹将在空推施工中逐渐偏转，且越来越难以把控，影响后续管片拼装的准确性和工程质量。

图2 大直径盾构机空推过程中发生偏转Fig.2 The Large Diameter Shield Machine Deflects in the Course of Empty Pushing

1.2 空推中拼装管片易变形

由图1可知，在大直径空推过程中，还伴随着盾尾前进和管片拼装。在这一过程中，由于管片外径和初支内轮廓存在着较大的缝隙。如果这一缝隙无法及时填充，将会引起拼装后的管片变形，并带动已经拼装好的邻近管片发生变形。此外，管片变形和1.1 节所述的盾尾顶推力不均匀分布是相互作用的，不均匀的顶推力分布加速的管片变形，管片变形又进一步地恶化了顶推力不均匀分布的趋势。而在大直径盾构空推过程中，由于管片直径较大，连接更加复杂，局部的变形极其容易引起整体的变形和管片移位，影响施工质量。因此，如何控制大直径盾构空推过程中的管片变形也是大直径盾构空推过程中所面临的难题之一，对施工质量有着重大影响。

1.3 空推中盾构机控制难

大直径盾构机相比6 m左右直径的常规盾构机而言，其体量、重量、控制难度本身就有十分显著的提升。在盾构空推过程中，经过上两节的论述，可以发现盾尾的顶推力和盾尾管片的变形相互影响，加大了盾构机的控制难度。这一问题可以从盾构空推过程中，前面、侧面是临空面，而后面则是容易扰动的新装管片，使得大直径盾构机在空推过程中缺少有效约束来反映。大直径盾构机空推过程中，前面、侧面（除底面接触外）都没有与初支接触，难以形成有效的自由度限制，使得盾构机可以向这些方向移动和转动。进一步地，不均匀的顶推力分布也加剧了盾构机的偏转。如此一来，盾构机的控制将更加困难，特别是对于盾构机顶推力的控制，因为在大直径盾构空推过程中，也只有通过控制顶推力这一影响因素来控制盾构机的姿态和前进方向了。而大直径盾构机本身的体量、重量等级，显著地增加了其姿态的控制难度。

2 主要应对思路

在本节中，根据大直径盾构空推所面临的主要技术难题，笔者将结合相关项目的管理经验，针对性地提出一些应对的思路和方法。针对大直径盾构机空推过程中轨迹把控难这一问题，提出了通过加强测量放线精度和预设线路限制这一方案，来控制大直径盾构机的轨迹。针对大直径盾构机空推拼装管片易变形这一难点，本文提出快速填充初支与管片间隙这一措施。针对盾构机控制难，采用不间断数据采集结合数据分析，并据此对大直径盾构机的顶推力进行精确控制的方案来解决这一难题。

2.1 加强测量放线精度和预设线路限制

从第1 节的讨论中可以发现，大盾构机在空推过程中，其轨迹难以把控的主要原因有：初支衬砌的平顺性较差，以及盾构机仅底面受到初支约束，侧面和正面缺少有效限制导致其易发生轨迹波动。对于轨迹容易波动这一问题，最为常规的解决方案便是通过加强测量，加密测量间距，以便及时发现大直径盾构机的轨迹波动，及时纠偏。此外，还需加强放线精度，通过结合加密测量间距，更方便快捷地校核空推过程中大直径盾构机的实际轨迹与预设轨迹的差异，及时纠偏。

笔者的经验表明，仅仅是加密测量和提升放线精度，并不能从根本上解决上述两大原因引起的大直径盾构机轨迹变动。因此，还需从提升盾构机通过底面的平顺性和增加盾构机侧向约束的方式，如安装侧面导轨、在初支表面进行平顺处理等方式，提升盾构机轨迹的准确和可控性。

2.2 快速填充初支与管片间隙

笔者的经验，和第1节的讨论均可表明，盾构管片的变形主要原因是侧向有效约束的缺乏，以及盾构顶推力的不均匀分布。所谓侧向有效约束的缺乏，实际上是由于大直径盾构管片的外轮廓与初支内轮廓之间的较大缝隙未能及时填充和固定所引起的。而盾构顶推力的不均匀，在一定程度上也是因为未能及时填充缝隙，所引起的管片下沉和变形所造成的。

因此，根据笔者的相关经验，快速填充初支和管片之间的较大缝隙，并保证填充的密实度和坚固性对于减少管片变形，提升施工质量是十分有益的。所谓快速，其前提条件是填充介质的流量足够大，在管片拼装完成后，可以在较短的时间内充满缝隙，在管片变形前就施加好限制。另一方面，在填充介质到位后，还需要固定填充介质，减少填充介质动动，避免因填充介质活动造成新的孔隙。

2.3 盾构顶推力精确监测控制

从上面的讨论和分析可以发现，大直径盾构空推过程中，顶推力的控制对于盾构机姿态控制、盾构管片变形控制两方面均有较大益处。由于大直径盾构机空推过程中，顶推力基本上是唯一的可以控制的因素，因此顶推力的精确监控对盾构机轨迹、管片施工质量、盾构机控制等方面至关重要。

所谓精确，一方面是测量和控制的精度要足够，即保证测量数据和顶推力的控制精度和顶推力调控的位置要足够准确，不能出现显著偏转而不能及时发现。另一方面，精确还在于监测数据的及时反馈，以及顶推力调控的及时性。通过精度和时效性的双重保障，可以使得盾构顶推力可以很好地调节和控制，而保证大直径盾构机在空推过程中控制的有效，保证施工质量。

3 案例分析

本节中，将基于一个具体的大直径盾构空推案例，对该案例中所采用的大直径盾构长距离空推关键技术进行剖析，并结合前述各节所总结出的大直径盾构空推主要技术难题和应对思路，总结工程经验，为类似工程提供参考。

3.1 工程概况

广州市轨道交通22 号线某盾构井区间设计单线长约2.5 km。区间管片外径8.5 m，内径7.7 m，环宽1.6 m，管片壁厚400 mm，为通用衬砌环，双面楔形量46 mm。因区间地层多为全断面〈8Z〉中风化混合花岗岩、〈9Z〉微风化混合花岗岩，以及工期紧、任务重等特点，设计变更增加暗挖段，采取盾构空推拼管片方式通过。区间暗挖段设计左线起止里程为：ZDK37+336.000～ZDK37+930.000（单线长约594 m）、右线起止里程为：YDK37+304.000～YDK37+910.000（单线长约606 m），双线设计长约1 200 m暗挖段，如图3所示。

图3 案例工程线路设计概况Fig.3 Overview of Case Engineering Circuit Design

本工程中，矿山法隧道采用圆形断面设计，底部预留盾构机导台施工空间，预留盾构管片外侧与矿山法初支内侧间隙325 mm，拼管片后拟采用吹填豆粒石及注浆充填密实。暗挖隧道初支直径9.15 m，盾构机开挖直径为8.84 m（含保径刀），理论填充空隙为9 m³/m（14.4 m³/环）。

3.2 圆弧盾构导台

为保证大直径盾构空推过程中，盾构机运动轨迹的准确性，以及管片安装的施工质量，采用在初支衬砌表面，施作圆弧形导台这一方式，保证大直径盾构机通过表面的平顺性和为盾构机施加必要的约束。

暗挖空推拼管片段隧道底部60°范围设置盾构机导台，如图4 所示，倒台采用C35 混凝土，内净空R=4 400 mm，厚度275 mm，导台两端与中心底部高度867 mm。横纵向钢筋采用φ10@150×150 单层居中布置，导台内弧长4 632 mm，外弧长5 547 mm。

图4 圆弧盾构导台设计Fig.4 Arc Shield Guide Platform Design（mm）

3.3 豆粒石加速填充和注浆

为及时填充管片间隙，该工程通过变更盾构机配套，加大盾构管片预留孔两种方式，提升豆粒石的喷射和填充效率，保证间隙可以被快速填充。根据豆粒石洞内喷射的需要及满足现场临时支撑管片的作用，需自制1个7 m³的豆粒石储料罐。豆粒石储料罐尺寸根据管片平板车设计，满足垂直及水平运输的需要。电瓶车配置2 个管片车+2 个渣土车平板（豆砾石）+1 个砂浆车+管片平板（材料）+车头，共配置2 列电瓶车，实现机械化上料、快速在洞内喷射豆粒石。此外，本工程还原设计管片吊装孔孔径为φ40 mm，考虑从洞内管片壁后喷射豆粒石需要，提高喷射效率，在不改变原有管片配筋的基础上，将管片吊装孔孔径扩大至φ75 mm，如图5所示。

图5 直线加速器机房隔墙典型尺寸Fig.5 Typical Size of Partition Wall in Linear Accelerator Room（mm）

图5 增大管片注浆孔Fig.5 Increase the Grouting Hole of Segment（mm）

3.4 全过程信息化监测

随着技术的发展，信息化、自动化监测技术被广泛应用于轨道交通建设中。在本工程中，将信息化平台，结合到盾构机上。通过将盾构机和相关自动化监测结果，上传到云平台上，并在云平台中处理和显示相关结果，保证了大直径盾构空推过程中的精确监测，为准确控制提供基础。本工程中，通过利用左右线暗挖空推段施工中各项参数变化，在云平台上自动生成折线图，如图6所示。可以发现，左右线盾构机过暗挖空推段时土压为0 bar，推力7 000～11 000 kN，推力明显减小，掘进速度90～100 mm/min，掘进速度增大。这也从侧面表明，云平台和自动化监测技术的应用，可以提升大直径盾构空推过程中的信息化程度，保障盾构空推施工的准确性。