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                                      礦山法隧道內盾構始發施工技術

                                      龔金弟
                                       (上海市基礎工程集團有限公司)
                                          隨著社會對隧道工程的持續需求,盾構法隧道的施工技術取得了長足的進步。作為盾構施工的關鍵工序,與盾構出洞及進洞相關的新工藝層出不窮。通常盾構進出洞都需要一個基坑作為工作井,在工作井中完成始發和接收工序。也有部分工程采用無工作井的作業方式實現盾構始發及接收。福州市地鐵1號線是福建省首條地鐵線路,需評估眾多安全因素,而且施工受地質條件及工期限制,不得不在已建礦山法隧道內始發盾構。本文結合福州地鐵1號線過閩江段施工實例,介紹礦山法隧道內盾構始發施工技術的實施情況。
                                      1案例情況
                                          福建省福州市地鐵1號線過閩江段(達道站—上藤站)區間總長度約1700m。該區間共分為3段:①礦山法改盾構法區段長約220m;②礦山法爆破區段長約350m;③原設計盾構法區段長約1150m。盾構機自上藤站始發后,在礦山法隧道內進行接收,并在礦山法隧道內牽引到位后,需在礦山法隧道內臨近掌子面再次進行始發。
                                          (1)地質條件。根據工程地質勘察報告,臨近礦山法隧道盾構始發段的主要為中等風化花崗巖、細砂和中砂。
                                          (2)隧道結構。礦山法隧道長約350m,由初襯及二襯組成,在隧道爆破完成后依次進行初襯和二襯施工,其中初襯內徑為7.7m,二襯內徑為6.9m。具體如圖1所示。
                                       
                                          盾構法隧道混凝土管片強度等級為C55,抗滲等級為P10,單環管片由6塊組成,分別為F塊、B1塊、B2塊、B3塊、L1塊、L2塊,管片內徑5.9m,外徑6.2m,管片環寬1.2m,隧道采用錯縫拼裝形式。
                                          (3)施工機械。施工所采用的盾構機直徑為6.45m,刀盤直徑為6.48m,盾構機本體長9.32m,臺車及后配套總長約63.50m。
                                      2出洞方案及難點
                                          根據地質資料可知,臨江段礦山法施工地層主要為中等風化花崗巖,其無側限抗壓強度平均為176MPa,最高達183MPa。這樣的地層條件對盾構施工無疑會造成困難。因此在有條件的情況下,應盡量采用礦山法爆破處理,縮短盾構在此地層中的掘進距離。因礦山法隧道臨近閩江底,需根據超前地質預報和掌子面圍巖情況確定爆破終止位置,待爆破施工完成后,依次進行初襯和二襯施工。根據工況條件,盾構機在礦山法隧道內始發,需解決以下問題。
                                          (1)盾構機發射架的設計。常規盾構機發射架為鋼材所制,而本次盾構機始發工況特殊,在礦山法隧道內盾構始發施工完成后,發射架并不能取出。從施工成本角度考慮,在礦山法隧道內澆筑一個混凝土發射架以滿足盾構始發需求,混凝土發射架長度需超過盾構機本體。
                                          (2)混凝土管片與礦山法二襯間的連接措施。由外形尺寸可知,礦山法隧道二襯內徑6.9m大于混凝土管片外徑6.2m,此時二襯無法與混凝土管片進行對接,因此需要設計一個連接件來解決此問題。連接件需滿足以下要求:①外形尺寸需同時滿足管片與二襯的連接;②解決與管片及二襯間的止水問題;③作為混凝土管片的后靠,滿足結構受力要求;④能夠在盾構本體與橋架之間有限的空間內進行澆筑或安裝。在此基礎上,連接件還是可考慮采用澆筑混凝土環形牛腿或鋼材加工形式;炷翝仓m具有成本低,與二襯連接止水性較好等優點,但工期較長?紤]到本工程工期緊迫,因此考慮采用鋼材設計此連接件(即鋼后靠)。由此可知,在礦山法隧道內需預留一段空間不進行二襯施工,以滿足盾構機始發需求。
                                      3準備工作及關鍵點
                                      3.1礦山法隧道施工及空間預留
                                          由前文可知,混凝土管片與二襯間連接件采用鋼材加工作為混凝泥土管片的后靠(以下簡稱“鋼后靠”),考慮到隧道止水效果,因此在臨江面最后一段二襯施工時在環向和端面處預埋整圈鋼板,待鋼后靠和混凝土管片安裝完成后,實施整環焊接以達到接縫止水效果。礦山法隧道二襯預埋件示意圖如圖2所示。
                                          根據礦山法隧道終止爆破掌子面里程,最終在礦山法隧道內臨江面預留一段長約18.5m的范圍不進行二襯施工,以滿足混凝土發射架施工和環形鋼后靠的安裝。
                                       
                                      3.2混凝土發射架澆筑
                                          在礦山法隧道施工完成后的預留空間內進行混凝土發射架施工,其長度約16.5m,并在發射架上設置預埋件用于焊接固定鋼軌道,制作混凝土發射架測量放樣時需考慮隧道坡度、設計標高和結構受力等因素以滿足盾構始發要求。
                                      3.3盾構機牽引
                                          盾構機在礦山法隧道內接收完成后,需分兩個階段進行牽引施工。第一階段為盾構機進洞后,將盾構機牽引至礦山法隧道橫通道位置;第二階段為待盾構機檢修確認設備性能完好及始發段礦山法隧道施工完成后,將盾構機牽引至混凝土發射架之上。盾構機牽引施工采用兩組同心千斤頂實施。牽引錨固點生在土艙壁上,而在礦山法隧道內分別有A、B兩種類型鋼板預埋件,A型預埋件用于固定千斤頂基座,B型預埋件用于固定盾構機軌道。在實施盾構機牽引時,需提前在盾構機本體底部鋪設鋼板進行耐磨保護。
                                      3.4鋼后靠安裝
                                          鋼后靠采用預加工,屬隧道永久性結構。安裝前送至現場實施安裝,大大降低了工期制約的影響。鋼后靠作為盾構始發的反力基座,整體為圓環,由外圓弧板和內圓弧板構成,共分為6塊,每塊長900mm,厚1075mm。外徑尺寸比礦山法隧道初襯略小,為7500mm;內徑尺寸與盾構隧道管片一致,為5500mm。每塊鋼后靠背部均設計有滑動滾輪,便于現場安裝,鋼后靠與管片間采用螺栓連接。在鋼后靠加工的同時根據盾構機和隧道的空間尺寸量身設計一套安裝機械手,并須滿足受力要求。
                                      4始發施工及關鍵點
                                          由于本次盾構機在礦山法隧道內進行始發,無土體坍塌和涌水等風險。所以在其他準備工作完成后,始發施工關鍵點在于隧道內管片安裝、隧道密封焊接及管片與初襯間的空隙充填。礦山法隧道內管片安裝在鋼后靠安裝完成后進行。在盾尾處進行管片拼裝,同時利用盾構機千斤頂將整環管片向鋼后靠方向推送;當管片脫離盾尾時,應注意管片與軌道間的高差,并及時用槽鋼墊平。
                                          根據隧道內工況,當第9環管片拼裝完成時,管片可抵達鋼后靠位置。在第一環管片即將接觸鋼后靠時,應對管片和鋼后靠姿態進行測量,并采用機械手對鋼后靠進行位置調整,確保鋼后靠上預留孔能對準其管片螺栓孔。當鋼后靠調整到位后,將混凝土發射架與鋼后靠之間的空檔進行延伸導軌的焊接,以保障管片在滑動至鋼后靠位置時不發生掉落移位。在管片拼裝完成后,為防止盾構機掘進時,管片受力發生位移旋轉,因此需打開管片注漿孔,插入鋼管至初襯內,并將鋼管與注漿頭焊接固定。
                                      4.2隧道密封焊接
                                          拼裝完成礦山法隧道內管片,且在千斤頂已完成頂緊后,需對鋼后靠前后位置進行密封焊接。其與隧道二襯間可利用預埋鋼板進行焊接。始發環管片為特制管片,在其每塊管片的凹槽側的內弧面預埋整圈鋼板,并對鋼板進行30°坡口處理,以增強焊接止水效果。
                                      4.3管片背后間隙充填
                                          根據背景工程工況,礦山法隧道內管片背后與初襯間隙約300m3,如果全采用漿液充填,則施工成本較大,因此將本次間隙充填施工分為兩步實施:①第一步在混凝土發射架拆模完成后,對其底部間隙采用黃砂填充;②第二步利用盾構機同步注漿系統向間隙處壓注漿液。待注漿理論方量完成后,因為隧道掘進方向豎向為下坡,所以打開臨近鋼后靠處第一環的管片頂部注漿孔對注漿效果進行確認。
                                      4.4盾構始發段參數制定原則
                                          當上述工作全部完成后,就可進行盾構正常掘進施工。盾構初始掘進時,地質有全斷面中風化花崗巖和上軟下硬地層,中風化花崗巖平均強度達176MPa,且巖石裂隙較少,所以在地層工況下盾構掘進參數應采用“高轉速、低貫入、低速推進”原則,在上軟下硬地層中盾構掘進參數應遵循“低轉數、低貫入、低速推進”原則。此類工況下,盾構參數的制定皆在保護刀盤和刀具,在降低其磨損消耗的同時,提高盾構施工效率。在有條件的情況下,應定期打開土艙,對刀具情況和開挖面情況進行檢查,并視情況對盾構參數進行調整。由于此時盾構已進入正常掘進段,所以不再對盾構掘進參數進行詳細描述。
                                      5結語
                                          盾構機在礦山法隧道內的始發施工,無論從風險還是技術角度來看,均不同于盾構機在端頭井內的始發施工。從技術角度看,更多需要考慮兩種尺寸不一的隧道之間的連接問題、隧道止水問題和隧道內管片安裝問題。隨著國內地鐵建設的持續發展,盾構機施工接觸的地質條件也更加復雜多變,因此可能會出現更多的礦山法隧道施工加盾構法隧道施工的組合形式。
                                          參考文獻:中國知網

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