趙繼華

（太原鐵路樞紐西南環(huán)線(xiàn)有限責(zé)任公司，山西 太原030001）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，為緩解城市用地緊張和交通擁堵壓力，越來(lái)越多的城市開(kāi)始地下盾構(gòu)隧道建設(shè)［1］。不同于地鐵等城市地下軌道或市政管道隧道，鐵路隧道斷面大，需大直徑盾構(gòu)機(jī)及與此配套的長(zhǎng)大后配套設(shè)備來(lái)施工。而大城市隧道建設(shè)受限既有地表建筑環(huán)境情況，往往具有始發(fā)場(chǎng)地狹窄、始發(fā)覆土淺等特點(diǎn)，存在大盾構(gòu)機(jī)無(wú)法一次完成整體始發(fā)，而二次始發(fā)存在安全風(fēng)險(xiǎn)大、工效成本高、始發(fā)緩慢等難題［2］，因此如何解決大盾構(gòu)機(jī)快速、安全、經(jīng)濟(jì)始發(fā)是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)意義的課題。以太原鐵路樞紐西南環(huán)線(xiàn)東晉隧道φ12.14 m大盾構(gòu)機(jī)始發(fā)面臨的難題為例，詳述解決這一難題所采取的技術(shù)措施。

1 工程概況

東晉隧道是下穿太原市區(qū)的城市鐵路隧道，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)9 795雙延米，其中間段下穿太原市主市區(qū)4 850 m，設(shè)計(jì)為大直徑土壓盾構(gòu)法施工（見(jiàn)圖1），以規(guī)避明、暗挖沉降控制不良、拆遷量大和對(duì)城市正常功能使用的影響。

圖1 東晉隧道盾構(gòu)區(qū)間示意圖

1.1 盾構(gòu)設(shè)計(jì)概況

東晉隧道盾構(gòu)段區(qū)間長(zhǎng)4 850 m，始發(fā)段104 m（明挖77 m+始發(fā)井27 m）、接收井27 m。隧道埋深8～24 m，盾構(gòu)最大坡度-11‰，曲線(xiàn)最小半徑R=1 200 m，隧道橫斷面為標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)，外徑11.7 m、內(nèi)徑10.6 m，隧道設(shè)計(jì)2 m環(huán)寬、550 mm厚、9塊雙面鍥形管片；采用1臺(tái)φ12.14 m土壓盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長(zhǎng)135 m、質(zhì)量1 300 t，加3#臺(tái)車(chē)尾翼、調(diào)轉(zhuǎn)平臺(tái)后配套總長(zhǎng)達(dá)212 m、總質(zhì)量2 800 t。

1.2 始發(fā)段地質(zhì)、水文、環(huán)境特征

1.2.1 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)始發(fā)地層表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），下覆第四系全新洪積層（Q4pl），隧道穿越地層巖性分別為新黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石、含圓礫粉質(zhì)黏土；其中以粉土、中砂、粉質(zhì)黏土、新黃土、礫砂成分最多，占比達(dá)82%。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

地下水類(lèi)型為第四系孔隙潛水，賦存于第四系粉土、砂土及卵石土地層；地下水埋深9.0～10.5 m，位于隧道結(jié)構(gòu)頂部。

1.2.3 環(huán)境條件

始發(fā)區(qū)地處太原市玉門(mén)河南岸與西中環(huán)快速路交叉處的東南象限，周邊臨近密集的老舊民居樓房，受北臨玉門(mén)河南岸、南近高壓鐵塔重要建構(gòu)筑物條件所限，盾構(gòu)始發(fā)段地表埋深9 m，設(shè)計(jì)77 m長(zhǎng)明挖暗埋段+27 m長(zhǎng)始發(fā)豎井，用于大盾構(gòu)機(jī)始發(fā)；在距進(jìn)洞220 m處設(shè)計(jì)了換刀加固區(qū)，兼做始發(fā)段完成拆除負(fù)環(huán)管片后盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)點(diǎn)。

2 二次始發(fā)方案問(wèn)題分析

盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)次數(shù)越少越利于資源配置效應(yīng)最大化的發(fā)揮。而本盾構(gòu)機(jī)始發(fā)基于環(huán)境條件和設(shè)計(jì)工況，在覆土不足1倍洞徑地層，現(xiàn)場(chǎng)明挖段+盾構(gòu)始發(fā)井全長(zhǎng)104 m條件下，顯然不具備長(zhǎng)212 m盾構(gòu)主機(jī)+后配套一次整體始發(fā)條件，因此設(shè)計(jì)給出的施工組織是分二次始發(fā)。

2.1 二次始發(fā)方案問(wèn)題

首次始發(fā)盾構(gòu)井+明挖段長(zhǎng)度僅能滿(mǎn)足長(zhǎng)85 m盾構(gòu)機(jī)整機(jī)部分設(shè)備（刀盤(pán)+盾體+1#臺(tái)車(chē)+1#、4#連接橋+2#臺(tái)車(chē)）的下井組裝，其他后配套裝置需留置在地表輔以配合；由于無(wú)法形成系統(tǒng)集成，首次始發(fā)推進(jìn)中所需物料只能借助明挖段設(shè)置的管片垂吊口下放后人工倒運(yùn)，直至掘進(jìn)進(jìn)洞220 m換刀加固區(qū)，不但推進(jìn)效率緩慢，還因盾構(gòu)工法施工中盾構(gòu)機(jī)不可反向運(yùn)行，存在首次始發(fā)組裝的臺(tái)車(chē)、連接橋后移及后續(xù)二次始發(fā)加裝后配套推進(jìn)期面臨的安全、工期、成本方面難題。

（1）安全方面。一是在220 m處停機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)分解再組裝，面臨鄰近建筑物因盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)易引起地層沉降、建筑物裂損的風(fēng)險(xiǎn)［3-4］；二是停機(jī)期間臺(tái)車(chē)后移，洞內(nèi)電源斷開(kāi)，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法向刀盤(pán)前、盾殼周?chē)⑷肱驖?rùn)土漿液，存在盾體“抱死”和大下坡道“栽頭”風(fēng)險(xiǎn)，甚至造成盾構(gòu)機(jī)難以啟動(dòng)事故［5］；三是因首次始發(fā)無(wú)法形成盾構(gòu)機(jī)及后配套的系統(tǒng)集成，受物料供給緩慢存在成環(huán)管片脫出盾尾注漿不及時(shí)、量不足的可能，加劇地表沉降和洞體成環(huán)質(zhì)量問(wèn)題［6-7］。

（2）工期方面。由于物料運(yùn)輸不及時(shí)，造成推進(jìn)緩慢，影響建設(shè)工期。

（3）成本方面。一是限于始發(fā)場(chǎng)地限制，第1次組裝無(wú)法將4節(jié)連接橋一并下井始發(fā)，造成作為最初運(yùn)輸通道的軌下結(jié)構(gòu)無(wú)法及時(shí)跟進(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程所用管片、耗材要搭拆超長(zhǎng)棧橋作為臨時(shí)運(yùn)輸通道，增加了投資；二是首次始發(fā)完后移臺(tái)車(chē)需購(gòu)置大功率卷?yè)P(yáng)機(jī)提供動(dòng)力，并訂制后移臺(tái)車(chē)軌道工裝，增加安拆成本。

2.2 優(yōu)化多次分體組裝始發(fā)方案

采取多次適時(shí)盾構(gòu)分體組裝始發(fā)方案［8］并輔以技術(shù)措施控制，可降低安全風(fēng)險(xiǎn)，控制成本投入，實(shí)現(xiàn)高效施工成洞?？傮w思路是：本著盾構(gòu)機(jī)正常組裝始發(fā)順序，通過(guò)加固已進(jìn)洞成環(huán)管片與周邊圍巖的一體性連接，加固負(fù)環(huán)下部體，拆除影響盾構(gòu)機(jī)組件下井的局部負(fù)環(huán)上部體管片，以滿(mǎn)足后續(xù)組件適時(shí)順利下井、組裝推進(jìn)，至適當(dāng)位置短暫停機(jī)；施作后續(xù)組件下井、組裝、推進(jìn)，直至裝齊所有后配套并完成盾構(gòu)機(jī)始發(fā)。

要實(shí)現(xiàn)上述盾構(gòu)機(jī)及后配套的多次組裝始發(fā)，必須解決后續(xù)盾構(gòu)機(jī)組件的下井問(wèn)題，辦法只能是解體吊出影響下井的負(fù)環(huán)上部體管片，而要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)及管片拼裝，僅靠首次始發(fā)的成環(huán)管片段與周邊巖體提供的摩擦力達(dá)不到推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)前行的目的，仍需借助負(fù)環(huán)傳力和既有反力架提供支撐力。而要解決以上問(wèn)題，一是要使首次始發(fā)進(jìn)洞范圍的成環(huán)管片與其周邊圍巖形成整體受力；二是未拆除的負(fù)環(huán)下部體管片保證其具有整環(huán)負(fù)環(huán)管片功效，否則多次組裝始發(fā)方案就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，需對(duì)以上2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)采取相應(yīng)技術(shù)保障措施。

3 實(shí)施工序流程

盾構(gòu)多次分體始發(fā)工序流程見(jiàn)圖2。

圖2 盾構(gòu)多次分體始發(fā)工序流程

3.1 首次盾構(gòu)機(jī)組裝始發(fā)

盾構(gòu)機(jī)首次組裝總長(zhǎng)約85 m，組裝件有刀盤(pán)+盾體+1#臺(tái)車(chē)+1#、4#設(shè)備橋+2#臺(tái)車(chē)，受明挖主體結(jié)構(gòu)的尺寸限制，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)采取搭設(shè)臨時(shí)軌道拖拉的方法，將管片由明挖段預(yù)留吊裝口運(yùn)輸至拼裝機(jī)下部，保證管片拼裝作業(yè)；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)拼裝第8環(huán)時(shí)，將管片小車(chē)分3次吊裝下井；當(dāng)掘進(jìn)拼裝第13環(huán)時(shí)，2#臺(tái)車(chē)前部輪對(duì)到達(dá)明挖段出口，開(kāi)始“口”字預(yù)制件的安裝，拼裝好的“口”字預(yù)制件作為施工期間物料運(yùn)輸通道。當(dāng)掘進(jìn)并拼裝至第17環(huán)位置時(shí)完成首次始發(fā)。

3.2 二次盾構(gòu)組裝始發(fā)

盾構(gòu)掘進(jìn)拼裝至正17環(huán)完成首次始發(fā)時(shí)，1#設(shè)備橋尾部剛好進(jìn)入負(fù)3環(huán)，此時(shí)對(duì)1#、4#設(shè)備橋進(jìn)行解體，并將4#設(shè)備橋+2#臺(tái)車(chē)后移進(jìn)入明挖段洞內(nèi)，為設(shè)備橋下井組裝騰出空間。然后進(jìn)行進(jìn)洞成環(huán)管片、負(fù)環(huán)下部管片加固和負(fù)環(huán)上部管片拆除作業(yè)，其作業(yè)要點(diǎn)如下：

（1）進(jìn)洞成環(huán)管片與圍巖加固。對(duì)1—14環(huán)成洞管片預(yù)留灌漿孔逐環(huán)進(jìn)行鉆孔壓漿，打入中空錨桿，上方打入深度4 m，下方打入深度10 m，注入水泥砂漿直至孔口砂漿溢出，使成環(huán)管片與圍巖形成共同工作體。

（2）負(fù)環(huán)下部管片加固（見(jiàn)圖3）。①鋼絲繩穩(wěn)固負(fù)環(huán)底部：對(duì)所有負(fù)環(huán)管片底部（時(shí)鐘5、7點(diǎn)位）用φ50 mm的水鉆成孔，穿入φ32 mm鋼絲繩與導(dǎo)臺(tái)預(yù)埋吊環(huán)緊繃連接，保證負(fù)環(huán)整體抗力。②H型鋼上部控制：對(duì)每環(huán)負(fù)環(huán)管片中心位置兩側(cè)與豎井墻體預(yù)埋鋼板間、負(fù)環(huán)外沿（時(shí)鐘4、8點(diǎn)位）斜向與始發(fā)井下部結(jié)構(gòu)體預(yù)埋鋼板分別焊聯(lián)300 mm高H型鋼，保證負(fù)環(huán)上部拆除后下部管片的穩(wěn)定性及幾何圓度。

圖3 負(fù)環(huán)管片底部及兩側(cè)加固

（3）負(fù)環(huán)上部管片拆除。考慮連接橋及后續(xù)后配套最寬尺寸均不大于9 m，因此要拆除負(fù)環(huán)管片第10、7、6、5、4環(huán)上部各4塊，負(fù)環(huán)管片第9、8環(huán)上部各5塊，共計(jì)30塊負(fù)環(huán)管片，拆除過(guò)程要保證被拆管片與其他管片的相對(duì)穩(wěn)固。加固、拆除作業(yè)結(jié)束后即可進(jìn)行3#、2#設(shè)備橋的依序下井、組裝，并與此前下井的1#、4#號(hào)設(shè)備橋進(jìn)行一體連接。

（4）負(fù)環(huán)整體性受力加固（見(jiàn)圖4）。盾構(gòu)二次始發(fā)時(shí)，為避免正環(huán)偏心受力，對(duì)負(fù)3環(huán)與反力架間上半部加設(shè)8道φ609 mm縱向鋼管作為傳力頂撐，保證正環(huán)及傳導(dǎo)受力的一致。此后即可啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的二次始發(fā)，二次始發(fā)至掘進(jìn)拼裝57環(huán)完成停機(jī)。

3.3 三、四次盾構(gòu)始發(fā)

圖4 負(fù)環(huán)上部傳力連接

二次始發(fā)至掘進(jìn)拼裝57環(huán)，此時(shí)2#臺(tái)車(chē)剛好進(jìn)入洞內(nèi)，由于3#拖車(chē)總長(zhǎng)為20 m，需對(duì)負(fù)環(huán)上部鋼管頂撐、負(fù)3、負(fù)2環(huán)上半部分管片和反力架上半部分進(jìn)行拆除，保證空間后組織3#臺(tái)車(chē)的吊放組裝，組裝完畢即進(jìn)行第3次始發(fā)，掘進(jìn)至3#臺(tái)車(chē)尾部進(jìn)入正3環(huán)位置，完成第3次始發(fā)停機(jī)。然后進(jìn)入第4次組裝始發(fā)，依次將回轉(zhuǎn)平臺(tái)吊裝組裝后移、后置平臺(tái)吊裝組裝，最終與前方后配套連為一體，進(jìn)行第4次始發(fā)并掘進(jìn)至110環(huán)換刀加固區(qū)停機(jī)，拆除所余負(fù)環(huán)和始發(fā)井軌道平臺(tái)，全面完成盾構(gòu)始發(fā)任務(wù)。

4 實(shí)施效果

太原鐵路樞紐西南環(huán)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間φ12.14 m大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)多次分體始發(fā)技術(shù)的成功實(shí)施，避免了因長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)存在的地表鄰近建筑物沉降裂損、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)“抱死”或盾體“栽頭”風(fēng)險(xiǎn)，降低了設(shè)備啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)和盾構(gòu)機(jī)后配套裝置后移所需較大成本投入問(wèn)題，保證了始發(fā)掘進(jìn)拼環(huán)管片成洞姿態(tài)質(zhì)量，較早實(shí)現(xiàn)軌下結(jié)構(gòu)同步掘進(jìn)施工，提高了成洞效率，具有較高的安全可控性、質(zhì)量穩(wěn)定性和較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類(lèi)似大直徑盾構(gòu)分體始發(fā)提供借鑒。