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狭小空间条件下盾构分体始发施工技术研究

0 引言
目前,盾构法因具有施工安全、速度快、劳动强度低、对外界影响小、自动化与信息化程度高等优势,已成为地铁、铁路、公路、过江通道、市政排水管网、水利、电力、综合管廊隧道施工的首选方法。盾构法施工主要分为始发、区间掘进和到达3阶段,其中,盾构始发是盾构法施工的一个关键环节,也是施工难点之一。
盾构始发通常是在已建好的车站或者专为盾构始发而修建的竖井中进行,始发方式主要分为2种:一种为整体始发,即当地铁车站或始发竖井长度大于盾构及后配套设备长度时,将盾构连同后配套台车一起吊入始发端,连成整体并调试完成后一起始发掘进;另一种为分体始发,当盾构始发井尺寸较小不能满足整体始发时,将盾构盾体或一部分主要的后配套台车吊入始发端,另一部分台车或全部后配套台车安装在地面上,在盾构掘进长度达到能使所有的后配套台车放入的长度后,再按整体始发的模式将后配套台车吊装下井进行始发。
短小竖井适用于施工场地狭小的大城市,具有节省工程投资、结构占地面积小等优点,但对盾构施工影响较大、对设备要求高,具有始发难度大、掘进效率低等缺点。
刘金峰对武汉轨道交通6号线马钟区间盾构分体始发施工技术进行了研究,始发井长度为17m;张志鹏等对小半径隧道盾构分体始发施工技术进行了研究,始发井长度为19m;邵翔宇等对小半径曲线隧道内盾构分体始发技术进行了研究,始发可用空间总长度约44m;王刚对北京地铁8号线鼓楼大街站—什刹海站区间盾构冬季下穿平瓦房区分体始发施工技术进行了研究,轨排井长度为44.2m,施工完成后作为盾构始发井;石亚磊等对盾构分体始发施工技术在核电厂取水工程中的应用进行了研究,始发场地全长46m;杨若对三菱盾构分体始发技术进行了研究,始发井内净空长度为47.9m;张俊英对盾构分体始发施工技术进行了研究,盾构井长度为48m。以上文献中始发井的长度均大于盾构主机长度,未见始发井长度小于盾构主机长度的情况。
武汉江夏清水入江项目八分山片排水改造工程盾构隧道工程2^＃始发井长度为8m,盾构始发施工难度大,国内目前无类似条件的盾构始发施工情况。本文以盾构在2^＃始发井始发施工为例,研究了狭小空间条件下土压盾构分体始发的施工技术及相关施工措施。
1 工程概况
1.1 工程概述
武汉江夏区清水入江项目八分山片排水改造工程总长4.9km,整体沿武昌大道铺设。其中,隧道段起于一道口,终于金龙大街,全长约3.424km,隧道内径为4250mm,外径为4750mm,采用盾构法施工。由于2^#始发井受规划项目用地、地上与地下管线及周边环境的限制,业主所提供的盾构始发井平面净空尺寸仅为8m×8m。
隧道区间覆土厚度为5~11m,洞身主要穿越黏土、含砾粉质黏土、红黏土层、强风化泥岩、中风化泥岩。2^#井始发端洞顶上覆土厚度约为5.1m,洞顶以上范围主要是厚约1.5m的填土和厚约3.6m的黏土,黏土状态主要为硬塑,渗透性较差,渗透系数约为0.02×10^-8m/s。2^#始发井区域地质剖面如图1所示。

1.2 工程选用盾构机型
根据盾构区间工程地质和水文地质情况以及研究分析,经过比选最终采用土压平衡盾构进行隧道施工。盾构开挖直径为4.98m,盾构主机总长9.15m,隧道内径较小,台车数量较多,一共有14节,盾构及其后配套拖车总长度为105m。
1.3 始发条件
盾构2^#始发井为矩形井,平面净空尺寸为8m×8m,井壁厚0.7m,深12.9m,未设独立的出渣井,同时,始发井也作为垂直运输通道及隧道内外联系通道。受始发空间的限制,盾构无法在井下整机组装连接后再实施正常始发或常规分体始发。
为确保洞口始发段稳定,保证初始阶段盾构在敞开式掘进模式下向前掘进,对盾构始发端区域的土体采用高压旋喷桩的方法进行注浆加固处理。
针对始发井长度小于盾体长度的情况,需根据盾构机械构造结合施工场地条件寻求可行的分体式始发方法。
2 分体始发设备改造
2.1 改造原则
分体始发方案的确定会直接影响到盾构始发的安全、施工效率、设备功能的发挥程度。本工程盾构改造要以保证盾构顺利分体始发为前提,同时,施工安全、效率要符合要求,具体遵循以下几点原则:
1）最大限度地利用盾构原有设备,减少对盾构主体结构不必要的改造;
2）要满足设备正常使用及场地有限情况下台车位置的选择,尽量减少管路、电缆线长度;
3）满足始发时渣土及管片等垂直运输以及人员进出等空间条件;
4）满足始发阶段掘进完成后其余台车一次下井的要求。
2.2 推进装置
盾构采用分体组装、分体始发的方式,前期组装时因盾体不完整、台车管路未连接无法依靠盾构进行自主推进,因此,增设推进装置进行前期盾体辅助推进。推进装置结构见图2。

推进装置由9台千斤顶和千斤顶支架组成。千斤顶支架是由角钢焊接成的U型桁架结构,千斤顶总推力可以达到10800kN,满足初始阶段推进要求。
2.3 负环结构
传统始发负环管片一般采用全环形式,但在本工程无独立出渣井且始发空间狭小的情况下,全环管片无法满足始发要求,因此,通过一种半环管片和钢管支撑相结合的结构形式来解决狭窄空间条件下始发过程中垂直运输通道的问题。
根据管片宽度及始发井的结构尺寸,负环结构由2个小半环管片(由2块邻接块组成)、4个大半环管片(3块标准块组成)、1个全环管片和始发推进支架等组成。负环结构示意图见图3。

由于采用半环始发方式,为了增加负环在盾构推进时的受力稳定性,避免管片受力不均致使管片损伤以及轴线偏移,且不影响出土,在半环上部增设4根钢支撑。
2.4 始发段皮带机
盾构进行分体始发掘进施工,始发掘进至计算好的长度(即满足皮带机3节工作的空间,约30m),安装部分皮带机。皮带机尾端临时安放于型钢支架上,支架底部采用滑轮放置在双排轨道上。
双轨梁起重机的主要作用是通过双轨梁电动环链葫芦将管片从运输车上吊起运送至拼装机处。双轨梁起重机通过吊杆下端设置的夹轮进行连接,吊杆顶端与隧道顶部的连接螺栓进行临时连接固定,盾构管片拼装时即安装吊杆与夹轮,整个双轨梁起重机可随盾构向前移动。
始发段皮带机中部、前端部分与双轨梁起重机的吊梁通过吊杆进行固定。始发段皮带机、型钢支架可随双轨梁起重机向前移动。临时皮带机安装示意图如图4所示。待试掘进完成台车下井组装后,重新安装全部皮带机。

2.5 临时出渣系统
垂直运输均采用吊车或龙门吊进行,水平运输按照始发井内及隧道内可利用的空间分阶段设计。
1）负环阶段出渣:负环始发阶段由于盾体尚未进入隧道内且井口空间狭小,采用小土斗进行出渣,用卷扬机作牵引,吊车配合进行吊运。
2）前30m出渣:盾构进入隧道后,轨道已同步铺设,此时采用4m³渣土箱出运渣土,管片车运输管片,仍用卷扬机进行水平牵引,至隧道口后用龙门吊吊出。
3）始发剩余阶段出渣:随着掘进距离的增大,采用列车编组进行运输,使用8m³渣土车出渣,管片车运输管片,电瓶车进行水平牵引。
3 盾构组装与分体始发的实施
3.1 分体始发总体思路与实施流程
因受场地条件的限制,采用分体组装与分体始发方式进行施工,其初始掘进流程与一般的盾构始发掘进相比有较大的不同。首先,盾构主机下井分部组装,并推进至隧道暗挖段,此过程中,采用类似顶管模式即临时推进装置推进盾构前盾及中盾部分向前掘进,负环管片随前盾及中盾一起推进。后配套台车通过加长管线连接,中盾尾部推进至洞门圈时,安装尾盾,进行分体始发掘进。盾构组装与分体始发流程见图5。

3.2 始发端加固及2m暗挖段施工
为了确保盾构始发隧道口凿除后隧道口周边土体与暗挖段的稳定,减小地面沉降,保证盾构始发姿态的稳定,结合隧道口处水文地质情况,采用高压旋喷桩注浆加固方法对盾构始发端头上方土体进行加固。加固纵向为始发起始端6m范围,横向宽度为始发井宽度,即8m范围。加固完成后进行取芯验证土体加固效果。
始发井井壁混凝土达到设计强度、土体加固完成且强度符合设计要求后,进行围护结构破除施工。
由于始发井长度小于盾构主体长度,前盾与刀盘在推进装置推到隧道口时,盾构与后配套未连成整体,无法提供刀盘切削土体的动力,因此,围护结构割除后采用暗挖法对起始端进行开挖。由于盾构长9.15m,始发井长8m,井壁厚0.7mm,始发井外侧围护结构厚0.4m,为确保盾构组装推进所需要的最小长度,经计算预留1m操作空间时暗挖段长度不应小于1.85m。同时,考虑到始发端覆盖层以黏土为主,为确保暗挖段施工安全,暗挖段长度确定为2m。开挖完成后及时施作支护,支护结构由钢拱架、钢筋网片、喷射混凝土及锚杆组成,暗挖段隧道支护结构内径大于盾构外径约20cm。暗挖段布置示意图如图6所示。

3.3 始发基座、反力架及推进装置安装
始发基座采用钢结构,由钢板、槽钢等焊接成U型结构,底部宽4.6m,顶部宽3.04m,高1.4m,长7.2m,分成3节。安装时依据盾构设计始发姿态对始发基座进行精确定位并与底板上预埋件焊接,高度偏差不大于30mm,左右高程偏差不大于20m。
为节省井内空间,根据现场条件,反力架采用板式结构,主要由受力面板和背带组合而成,面板采用厚25mm钢板,背带采用H250mm×250mm型钢,间距为200mm。反力架在地面上拼装完成后吊入井下,背贴始发井壁,背带与井壁预埋钢板连接,确保稳定。始发井井壁厚700mm,外侧为围护结构及土体,满足始发要求。
始发基座、反力架安装完成后进行推进装置安装,与反力架紧贴,如图7所示。

3.4 前盾、刀盘组装及首次推进
采用吊机将前盾缓慢摆放在始发架上。然后,将刀盘吊装下井,将前盾与刀盘进行连接。
利用推进装置上安装的千斤顶和型钢将盾构的前盾和刀盘同时向前辅助推进,将刀盘推进至暗挖隧道交接处。前盾、刀盘组装推进如图8所示。

3.5 中盾、螺旋机安装并与后配套连接,进行二次推进
中盾吊装与刀盘吊装类似,吊装至始发架后缓慢靠近前盾,千斤顶的前端与盾构的前盾用铰销连接,然后进行螺旋输送机的安装,用吊车和手动葫芦配合进行组装。
后配套台车布置在始发井附近地面,盾构与尾部台车通过管路连接,调试完成后进行掘进出渣,半环负环管片在地面拼装,环形相邻块及相邻环间管片之间采用弯螺栓进行连接,拼装完成后采用地面龙门吊吊装下井置于始发基座上,吊放到合适位置后采用电动葫芦进行精确调位,半环负环管片与始发底板采用钢管进行固定,底部采用方木垫块支垫。负环半环管片拼装示意图如图9所示。

初试阶段0~6m内,盾构在敞开式掘进模式下向前掘进,同时采用简易料斗配合螺旋输送机出渣,过程中合理设置土舱压力、掘进速度、出渣量等参数。具体参数控制如下:1）推进装置千斤顶推力在4000kN以下;2）土舱压力为0.015~0.045MPa;3）刀盘转速为l.0~1.5r/min;4）掘进速度为10~15mm/min;5）出渣量为28m³/环。二次推进示意图如图10所示。

3.6 螺旋机拆除、尾盾安装
在二次推进过程中,由于螺旋输送机及负环管片的影响,无法进行尾盾安装。当盾构中盾尾部推进至洞门圈附近,即前盾和中盾推进约5m时,拆除5环负环管片和螺旋输送机,拆除的管片和螺旋输送机通过地面龙门吊吊出始发井,留出尾盾安装空间。
为防止盾构已安装部分出现后退现象,负环管片拆除前,将进土门开启,以减少正面土压力;及时监测土压力情况和盾构水平位移情况,同时在中盾外侧设置上下2层斜撑,并与井壁及底板连接。尾盾安装完成后,尽量在短时间内安装好负环管片和临时支撑,保证临时支撑均匀受力。
盾构推进千斤顶、管片拼装机和部分液压设备等设备沿盾构尾盾内周边布置,本工程盾构直径较小,盾构主机内部设备、组件均已在厂家组装完成。尾盾吊装就位后直接利用推进装置将尾盾向中盾靠近,进行尾盾与中盾连接。
3.7 再次安装螺旋机,盾构向前掘进
将螺旋机重新吊装下井进行二次组装,并进行管路连接,做好掘进准备。
盾构组装完成后向前掘进,负环管片安装与推进交替进行。由于负环管片为半环结构,掘进过程中,为确保盾构环负环管片区域的千斤顶能够有支撑点,每向前掘进1环后及时安装半环负环上部钢支撑,钢支撑与千斤顶之间通过连接钢板进行转换,连接钢板与管片间采用弯螺栓进行连接。
3.8 始发掘进施工
盾构尾部到达洞门后转换为保压始发掘进模式继续向前掘进。通过不同阶段的掘进情况分析,得出盾构在不同掘进工况下的掘进参数建议值。分体始发阶段的主要掘进参数控制如下:1）掘进推力为3000~4500kN;2）土舱压力为0.065~0.09MPa;3）刀盘转速为l.5~2.2r/min;4）掘进速度为15~20mm/min;5）刀盘扭矩小于1500kN·m;6）注浆量为3m³/环;7）出渣量为32m³/环。
盾构进行分体始发掘进施工,管片拼装与推进交替进行,在盾构掘进过程中,管片通过管片车运输至盾构与后配套连接处后,通过管片吊机吊运至管片拼装机下方,1环掘进完成后进行管片拼装。始发掘进至满足皮带机工作空间后安装部分皮带机。始发掘进示意图如图11所示。

盾构掘进到104m时,完成分体始发掘进,将临时的中间台架和其上的皮带机驱动部分拆下放置于平板车上运出,将1^#台车及其随车组件吊放至井内后拖至盾构尾部,并与盾构的连接同时完成管路和电路的连接,将剩余台车和皮带机吊装下井,进行整机组装,分体始发结束并安装,完成安装后进行调试,进行正常掘进施工。
4 结论与讨论
1）与传统长竖井始发相比,小尺寸工作井分体始发在经济与社会效益上具有明显优势,对于城市繁忙狭窄、土地资源紧张地段的盾构施工具有重要意义。
2）辅助推进装置用于分体始发初始阶段盾构推进,解决了盾构前期组装时因盾体不完整、台车管路未连接、无法依靠盾构进行自主推进的难题,为盾构始发初始推进提供动力。
3）可拆卸半环负环管片和钢管支撑相结合的负环结构解决了狭窄空间条件下始发过程中垂直运输通道的问题,并且负环结构可重复利用,节约工程成本。
4）本工程在进行分部组装与始发推进第1阶段是采用敞开式掘进模式掘进的,主要适用于地质情况良好的地段,在未来工作中将针对不同地质条件做进一步的研究和探索,使分体始发技术更具有实用性。