城市地铁联络通道盾构法建造关键技术及应用

肖 亮

浙江金禹建设工程有限公司 浙江杭州 310000

地下空间开发，地铁工程建设成为恢复并提升城市功能的发展方向。地下轨道建设，单线区间隧道连贯长度阈值为600m，超出阈值需要建设消防疏散通道、深隧排水通道等附加设施，会造成通道体量过于庞大[1]。盾构法技术对联络通道结构进行简化，于两条隧道间铺设额外通道，发挥排水、防火及疏散作用的同时，提高救援活动效率，有“逃生通道”之称。

1 联络通道盾构法建造技术的概括及原理

1.1 联络通道盾构法技术概括

盾构法建设需要完整的隧道构架基础，需在两条主要隧道通洞后于内部进行施工，一般采用矿山法暗挖施工，喷锚构筑法[2]。盾构法的施工规划设计方案包括主机、后配套系统及辅助系统，辅助掘进机施工及洞内运输。

1.2 联络通道盾构法技术原理

土压平衡盾构法是盾构法技术的基本原理，利用全断面切削刀盘，切削正面土体并储存到刀盘后的储藏封闭仓，封闭仓除贮藏土体外，还起到保持仓内压力与开挖面压力的平衡作用。

盾构机刀盘切削区结构按照力重分布的平衡与补偿采用自适应快速支撑体系，以适应隧道作业空间狭小及设备集成、性能变化的需求，可以快速转换受力体系[3]。

2 联络通道盾构法建造的关键技术及应用

2.1 用于高强度弧形混凝土管片切削的刀盘系统

与普通常规盾构刀盘的结构不同，联络通道掘进机的刀盘为锥形结构，使刀盘锥度与主隧道管片内径达成一致。在操作初期，掌子面先行对中心道具进行切削，随后随着主机挖掘不断向四周扩张。这样的设计有效降低掘进机在挖掘初期因缺乏土体包裹状态的保护形成的强烈机体振动，大幅提高始发姿态控制能力，如图1 所示。同时，接收端的设备同样需要特殊调整，为保证接收时掘进机的位置正确，减轻设备偏移，接收端的管片幅度需要与刀盘幅度呈现相反方向，并且对中心刀具反向锥形的特殊设计中，也需要保证其锥度与接收管片的外部直径达成一致，以保护掘进机机体的稳定性[4]。

图1 锥形刀盘与中心刀盘设计

此外，联络通道盾构法建设所用的刀盘设计，除了具备高强度混凝土切削工作所需的质量，还要拥有较大的开口率，用于保证软土地层环境下挖掘出的渣土流动性。根据地层土质的差异，盾构法建设的刀具分为滚刀与撕裂刀。通过模拟试验显示，滚刀的切削效果大于撕裂刀且需求的切削扭矩更低。锥形刀盘的特殊设计对掘进机主机的稳定性维护效果更加显著。

2.2 对联络通道的密封系统技术

地层稳定与渗透水是地下隧道挖掘作业的重要问题，门洞被破除后，洞门的结构设施必须具备抵抗地下水压力的能力，防止富水软弱地层环境下的泥水流失，导致地面坍塌。盾构法修建技术采用半套筒始发及全套筒接收相结合的方法，通过半套筒尾部密封刷与盾尾密封刷转换技术，在始发与接收的过程皆为封闭状态，完成挖掘隧道的全密封要求，保证作业场地的稳定性。在对套筒及尾刷密封压力的检测中，一般采用打压试验进行测量，如图2 所示[5]。

图2 封闭型进出洞套筒及密封性构造示意图

2.3“弱加固”、强支护的支撑系统

整个地下挖掘工程的主要力体承受关键在于主隧道的管片结构完整度。在联通隧道的作业过程中，刀盘对管片结构的切削会大幅降低受理体系的承重能力。因此，在切削作业进行的同时，工程的受力结构需要不断调整，直至工程结束新的受理体系形成。

2.3.1“弱加固”支撑技术

相异于隧道结构加固方法的冻结法及全断面加固法，“弱加固”技术的核心在于通过止水注浆材料及配比试验等局部注浆，对主隧道壁后、始发前洞门深孔、掘进中管片壁后进行注浆微加固及负环拆除前洞门止水注浆的交叉型加固[6]。此外，不同进程及部位的“弱加固”方法及具体作用也不尽相同，在对主隧道壁后的加固作业中，所用材料为双液浆配比，通过对土体扰动缝隙及收缩空隙的填充，达到隧道整体受力能力的加强；与之相反，单液浆配比注浆的方法应用于洞门深孔的微加固作业，对洞门周边的土体进行加固；挖掘过程中对管片壁后的注浆方式采用盾构法技术中的同步注浆，选用单液浆配比；拆除负环前洞门止水注浆通过洞门两环钢片上的球形阀门注浆头与主隧道注浆孔形成的交叉结构，通过特殊配置的超细水泥双浆液的注浆效果，达成对主隧道与联络接口的防渗水作用。

2.3.2“强支护”支撑技术

刀盘切削在施工推进时，主隧道需要提供一个反向作用力。钢混复合管片设计被应用于主隧道的洞门位置结构中，且通过深切口焊缝的方式将钢结构中的环缝及纵缝连成整体，达到对主隧道整体抗变形能力的提升。为了保证主隧道稳定的提供掘进反力以保证整体结构的安全，科研人员设计了隧道内支撑系统，其主要发挥作用一方面为对洞门附近管片的支撑加强，另一方面实现对反力的监控收集，分析主隧道整体的受力状况，确保整体工程的安全性。

2.4 环框梁施工技术

管片切削及注浆加固工作完成后，需要对管片与环框梁接触面进行清理，保证设备后续的工作能力。环框梁周围管片采用化学植筋方式，与管片连接缝处通过黏结剂粘贴兜绕成环的遇水膨胀橡胶条和设置预埋注浆管。在粘贴前需要对管片进行清洁，止水带与管片间不能存在空隙，在固定好的橡胶条后通过金属件固定、环绕成圈的方式在管片上设置注浆管[7]。

3 盾构法建设技术优化方向

3.1 优化导向系统配置及方法

盾构法联络通道与主隧道间呈现“T”字形结构，施工空间相对狭小。因此，地铁导向系统全站仪需安装于后支撑系统上，由于反作用力的影响，导向系统会逐渐发生偏移导致导向精度不高，需要人工对站点进行检测。根据盾构法联络通道的特殊性，科研人员拟定研发新型导向系统，核心技术包括：全自动全站仪、盾构机、激光靶、计算机智能调控、定向棱镜等。其中，全站仪、激光靶及定向棱镜分别安装于盾构机的后撑体系、盾构机内及稳定管片内壁上。其导向过程分为以下几个步骤：

（1）计算机网络通过中央控制箱对掘进中的盾构机进行定位，再对新增定向棱镜和盾构机上激光棒的方位角及三维坐标进行测量。（2）计算机输入信号端在接收到全站仪的无线电信号后，在对测量的数据分析中，先对新增三棱镜的三维坐标与原坐标进行对比，计算出两个坐标间的较差。在较差小于限差的情况下，通过计算得出目前盾构机与设计轴线之间的偏差。（3）由于全站仪部署在盾构机的后支撑系统上，掘进中的震动会使得支撑系统发生偏移，从而造成限差值的产生。当测量出的坐标与原坐标间的限差超过限值时，计算机中央控制箱的全站仪会对两个定性棱镜进行全面检测，并将测量出的距离、高差及夹角等数据反馈给中央系统，在既定程序的计算下得出测站点的最新坐标，并持续更新。（4）更新后的姿态较差将作为核减步骤的最终参考值，在盾构机最新的姿态较差与原本数值相差过大而超过限差时，计算机会自动发出报警系统并呈现信息，引导工程人员进行复核查验并做出调整。

3.2 优化洞内运输系统

进行隧道挖掘工作的机械设备普遍具有较大的质量及体积，通常情况下，一台重型挖土机械就要占据洞内大部分的空间，台车的总体质量可以达到180t，这对洞内的运输工作造成较大的阻碍及负担。盾构法建设技术出于对隧道荷载的考虑，采取双轨轨枕的设计，以将重型机械设备的整体荷载进行分散，减少隧道的运输压力，保证洞内运输系统的正常运行。隧道内的轨道铺设4 轨，轨枕之间的距离保持在0.6m，内侧轨距不大于0.9m，以供电力车的运行；盾构机械的台车使用的是钢轮配置，其本身没有动力系统，出行需要电力车的拖行，根据台车轨距的标准，隧道内轨道的外侧轨距保持在1.3m。

3.3 优化挖掘渣土运出方式

联络通道施工场地在布置了掘进主机、螺旋机等设备后，没有多余空间布置出土机器。目前盾构法建设施工，通过软管连接掘进机出土口与小型渣土斗进行渣土运输。这种工作方式在每次施工时需要停顿2～3 次用于软管清理，难以实现持续工作，效率较为低下。

3.4 智能化调控系统提升

数字化与信息化的技术应用使得工业生产迈向智能化，在联络通道盾构法建设中，数字化管控被应用于设备运行、施工技术参数及项目风险预测等方面，对整体工程的推进具有促进作用。在后续的发展方向上，可以提升该方面的应用程度，使数据管理多元化、数据表达可视化及数据分析统计等基础功能进一步提高。

3.5 移动式管片预应力支撑系统

在盾构法联络通道掘进方法的施工中主隧道的管片结构将承受掘进过程中形成压力的主要部分，因此其结构组成十分复杂，其机理构成是综合设备、地层及结构等多方面体系间的相互作用组成的，具有较强的综合承重能力。且在主隧道洞门管片被刀盘切削后，主隧道的受力能力将被进一步削弱，管片结构将承受更大的压力。同时，在隧道的整个挖掘工程中，管片内的应力分布会随着工程的进度及工序发生不断的变化与调整，随时形成一个新的受力体系，在这样的背景下，为了避免主隧道发生严重变形，且为了实现盾构推力的合理分配与加强内部支护能力，盾构法建设技术设计出移动式管片预应力支撑系统：系统的第一部分为可以自行行走的台车，用于挖掘主机与辅助设备的运输；第二部分为支撑环，采用液压伺服控制的方法实现对主隧道状况的监控，避免变形与过压情况的发生，起到对主隧道安全的保障作用。

4 结语

地下空间的发展顺应城市的发展需要，空间化及网络化是未来地铁工程及地下隧道的发展方向。联络通道盾构法技术的应用对隧道的稳定性及作用提升起到了十分有利的促进作用，但同时在多个方面存在不足，如导向技术及渣土运输等方面，相关部门应重视对这些方面的改进，使地铁建设技术的进一步提升。