地铁隧道土压平衡盾构始发掘进施工技术

2022-07-29张明锋

建筑机械化 2022年7期

张明锋，李玲

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430000；2.武汉铁路桥梁职业学院，湖北武汉 430000；3.武汉市工程建设执法稽查站，湖北武汉 430000)

1 工程概况

某地铁区间隧道双线全长8.55km，其中，左线全长4.26km，右线全长4.29km，本区间共采用2 台∅6 440mm 土压平衡式盾构机进行掘进施工。该项目始发段处于全风化与强风化混合花岗岩（砂土状）层中，围岩等级为Ⅲ级硬土，根据地质勘察资料及周边环境情况，本区间始发段长度为100m，始发段均处于直线段，先后以-2‰（49.6m）和-25‰下坡段掘进，结合项目计划右线先行始发，在掘进50m 后再进行左线始发。盾构始发作为隧道开挖的关键，如若施工控制不严，则极易导致盾构偏离轴线或姿态控制不好，进而影响整个隧道的掘进施工质量，因此务须要加强始发掘进施工质量控制。

2 盾构始发掘进施工技术要点

2.1 施工前期准备

2.1.1 端头加固施工

该盾构隧道左、右线始发端头均位于强风化岩层，端头井所处地层上部为粉质黏土层、粗砂层、中砂层以及含有机质黏土层，结合施工图纸及实际地质条件，经综合比选后决定采用∅600mm 双管高压旋喷桩进行端头土体加固，加固长度取6m，加固宽度为盾构外径两侧外扩3m以及顶部、底部外扩3m，对于中风化岩层应加固至中风化岩层顶。通过端头土体加固，能够有效避免盾构机在进出洞时出现“叩头”或“抬头”，确保了盾构进出洞口的安全性与稳定性。

2.1.2 加固效果检测

1）垂直取芯检测完成始发端土体的加固后，应采用垂直钻探取芯对加固土体均匀性、抗压性等进行检测，保证土体各项指标满足要求，且28d 无侧限抗压强度不低于1.0MPa，渗透系数小于1.0×10-6/cm/s[1]。垂直取芯时抽检样品数量在总桩量的占比应不低于2%～5%，且取芯数量应不得少于3 根，钻探取芯应远离隧道结构，完成取样后应按要求对钻孔位置回填处理。

2）水平探孔检测始发掘进前，应按照设计要求在加固洞门的中心、环向均匀布设9 个∅42mm 观察孔（图1），观察孔应贯穿地下连续墙并取1/2 加固长度，取芯长度应＞4m；然后检查取芯土体及出水量情况，对于加固检查结果不满足要求的，可采取高压水平注浆或地面压密注浆，提升始发端土体的自稳性，进而保证盾构始发的可靠性、安全性[2]。

图1 水平探孔布置

2.1.3 始发设施安装

1）基座安装 ①结合隧道设计轴线底面、洞门以及盾构机尺寸，预估始发基座空间位置，然后通过测量放线的基线进行基座安装，基座安装时的实际高程应比设计高程抬高约2cm，以免始发时盾构姿态控制不好而出现“栽头”；②结合盾构顶进推力参数，采用HW150×150 型钢对始发基座两侧进行横向支撑加固，始发架与钢支撑焊接牢固，保证始发基座的稳定性（图2）；③始发基座底部进行硬化平整处理，并通过浇筑C30 砼或双快水泥保证基座底部土体的承载性及稳固性，盾构机组装时应于基座轨道涂刷硬质润滑油，以有效降低盾构始发掘进时的阻力。

图2 始发基座加固示意

2）反力架安装完成盾构机的吊装且与后配套连接前安装反力架，其与始发基座共同为盾构始发提供初始推力，反力架安装施工要点如下：①地铁隧道结构浇筑施工前，应预先将2cm厚的钢板埋件埋设在底板位置，以为反力架后期焊接做好准备；②反力架加工选择专业厂家，完成加工后应先试拼装，在拼装符合要求且基准面平整度达标后方可正式进场；③在进行反力架下井安装前，应先对实际安装位置予以精准定位，保证反力架左右偏差≤±10mm，上下偏差≤±10mm，高程偏差≤±5mm[3]；④反力架采用汽车吊分块吊装下井，分节安装并按要求定位调整，其端面与始发基座水平轴应保持垂直，调整到位后将反力架与中、底板的预埋件通过焊接固定牢靠。在完成始发基座及反力架的安装后，进行盾构吊装下井、组装与调试，以为盾构始发做好准备。

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2.1.4 洞门密封施工

盾构始发施工中，为避免周围土体或浆液沿盾构机外径与洞门内径间的空隙流失，应结合隧道施工实际进行洞门密封施工，具体施工流程如下。

1）在进行洞门密封施工前，应由专人对密封材料进行质量检查，保证橡胶帘布、扇形压板以及螺栓孔质量能够满足洞门密封施工要求。

2）对洞口渣土等杂质予以彻底清理，然后将预埋钢板预留孔位置进行疏通，清理完成后均匀涂抹黄油。

3）将螺栓穿入洞圈周围对应的螺母内，然后将事先准备好的橡胶帘布、圆环板进行安装、固定，并将扇形压板套在旋好螺母的螺栓上。

2.1.5 负环管片安装

该项目左右线盾构始发前，应在洞口与反力架间拼装负环，负环拼装时的中线坡度与盾构始发设计坡度一样。负环管片采用7 环，具体拼装位置应结合图纸管片排列及负环环数予以确定。负环拼装要点如下。

1）按照负7 环、负6 环、负5 环、负4 环、负3 环、负2 环、负1 环的顺序进行拼装，负环拼装时应先将管片拼装处的千斤顶回缩到位，留出管片位置准备进行拼装作业，同时，在盾壳底部垫设12#槽钢，保证顶推管片时其轴线与盾构机轴线相互重合，且管片到位脱出时不会损坏盾尾刷。

2）拼装过程均通过遥控操作，调整好安装头与管片位置后，采用管片吊车将管片吊起放至输送平台转运至指定安装位置，先拼装落底块再拼装盾尾左右两侧的标准块，然后拼装管片上方2块邻接块及1 块封顶块，管片拼装到位后应及时将相应位置的千斤顶撑靴伸出固定管片，以免管片发生倾覆，然后移走管片拼装机。

3）负7 环管片拼装完成后，用千斤顶将管片整体顶推后移至指定位置，顶推速度不得过快。然后，将负6 环管片运输至指定安装位置，并根据上述负7 环的拼装步骤进行拼装，完成整环管片的拼装后，采用纵向螺栓与负7环连接成整体。

4）负7 环管片脱离盾壳后，始发基座导轨与管片外径间的空隙打入三角木楔以支撑管片，防止负环管片顶推时出现偏移或上浮。然后，按照上述方法进行负5 环拼装，剩余的负环管片按照始发掘进段管片拼装方法进行拼装。

2.2 始发掘进施工

该项目洞门位置围护结构为玻璃纤维筋，始发洞门无须凿除，在确定洞门处无钢筋侵入并拆除洞门预埋钢环内支撑后直接顶推破除。

2.2.1 施工技术要点

盾构始发掘进时，应结合盾构始发技术参数按要求进行顶推掘进，施工要点如下。

1）根据盾构隧道高程点及中线安装始发托架，在进行始发托架、反力架、首环负环的定位时，应精准控制好三者的安装精度，并通过可通视控制点对盾构进行精准测量，保证盾构机始发掘进的轴线与洞门止水布帘中心保持重合，并按要求对盾构掘进姿态予以复测，确认无误后方可开始始发。

2）首环负环管片的定位时，其后端面应垂直于盾构掘进中线，其轴线与盾构掘进轴线应相互重合，同时，保证始发掘进施工中负环管片端面与反力架基准面相互平行，且两者的上下左右面应实现无缝贴合，整体受力保持均匀一致。

3）盾构在始发阶段时土仓内尚未形成平衡的土压，因此，初始掘进时宜缓慢匀速掘进，以最大限度减轻对地层的扰动，初始阶段应采取减少出渣或不出渣的方式，使盾构土仓内尽快实现土压平衡，避免土体失衡而出现的水土流失或土体坍塌。

4）在盾构始发初始阶段，由于反力架所提供的支撑推力较为有限，因此，始发掘进时应采取低速缓慢掘进，并控制掘进施工总推力不超过1 000t，同时保证此推力下刀盘切削时的扭矩应小于始发基座提供的反扭矩[4]。

5）始发阶段的盾构设备尚处于磨合阶段，因此，在此阶段须严格控制好掘进时推力、扭矩等参数，保证盾构机各个位置的密封润滑油脂涂抹饱满均匀，同时，加强对盾构掘进状态的实时监控，一旦发现盾构掘进姿态出现偏差或异常，应及时检查并予以纠正处理。

6）盾构始发的初始阶段，为避免盾构机顶推时出现“磕头”，可适当加大盾构底部千斤顶的推力，为盾构正常掘进提供可靠支撑。同时，整个始发施工中，应注意做好对反力架变形的实时动态监控，及时掌握反力架的异常情况，保证掘进施工中反力架受力的安全稳定。

7）鉴于始发阶段的特殊性，该阶段地面出现沉降的概率较大，因此，须根据盾构隧道实际地质条件，合理选择盾构掘进参数，以便于尽早建立与盾构相符的工况条件，并加强对掘进时出渣量及土仓内土压的严密监测，同时做好掘进段地面沉降的观测与控制。

2.2.2 施工控制要点

由于始发段地层软硬不一、掘进曲线及坡度变化等因素的影响，导致盾构掘进时极易因姿态控制不好而偏离设计轴线。而一旦隧道掘进偏差过大，就会导致隧道衬砌质量差，造成衬砌结构出现开裂、脱空等质量缺陷，故须严加把控盾构掘进施工控制。

1）掘进方向控制 ①在软硬不均的地层掘进时，应根据隧道开挖断面地层的分布情况，在硬地层一侧适当加大千斤顶油缸的推力，在软地层一侧适当减小千斤顶油缸的推力，通过分区操作盾构机实现对掘进方向的控制；②该项目始发段100m 处于直线段上，先后以-2‰（49.6m）和-25‰下坡段掘进，在下坡地段掘进时，应适当加大上部千斤顶油缸的顶推力，确保管片在向上推力的作用下按设计轴线顶进，防止管片发生上浮；③在曲线段掘进施工中，应根据转弯曲线实际情况提前预判，左转弯曲线应加大右侧油缸推力，右转弯曲线应加大左侧油缸推力，进而保证管片能够沿设计轴线正常掘进[5]。

2）掘进姿态调整由于地铁盾构隧道所处地质条件的复杂性，使得盾构始发掘进施工中极易受外界因素影响而偏离轴线，或在下坡段、曲线段时的姿态控制不好，也会出现偏离设计轴线。此时，就要对掘进姿态进行调整、纠偏，保证隧道掘进姿态在允许的偏差范围内（表1），具体调整方法如下：①分区操作调整相应位置油缸的推力与速度进行掘进姿态调整，进而使姿态偏差控制在规范要求范围内；②在变坡及曲线段，提前做好预纠偏，或通过超、欠挖进行掘进姿态纠偏，对于滚动角发生偏差超限时，可将盾构刀盘翻转，以此实现滚动角偏差的纠偏；③在进行盾构姿态偏差的纠正时，务须要严格控制纠偏量不超过3mm/m，防止急纠、超纠而导致管片受损[6]。