程永龍，葉 蕾，張付林，王小濤，夏漢庸

（1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016；2.寧波軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著城鎮(zhèn)化不斷推進，城市人口持續(xù)增長，城市地面空間日益匱乏，開發(fā)地下空間、實現(xiàn)城市功能需求已成城市發(fā)展的新方向。各類地下空間結構的連接通道建設需求不斷上升。以軌道交通為例，在城市軌道交通建設中，單線區(qū)間隧道連貫長度大于600m 時，必須設聯(lián)絡通道用作消防疏散[1]，加上公路隧道聯(lián)絡通道、綜合管廊出線井、深隧排水通道等地下工程，聯(lián)絡通道的建設體量十分龐大。

在軟土地層城市地鐵聯(lián)絡通道建設中，為了保證施工安全，多采用冷凍或水平注漿作為加固方法，礦山法進行暗挖施工。X.D.Hu 等[2]和Fang Y.S[3]研究了傳統(tǒng)工法面臨的挑戰(zhàn)和安全保障措施，劉軍等[4]應用數(shù)值模擬計算方法研究了盾構管片力學行為。冷凍法雖取得廣泛應用，但由于加固工藝的局限性，不僅工期長、成本高，且凍融沉降不易控制，存在一定的質量風險。為了解決上述技術難題，上海隧道股份在南京地鐵盾構區(qū)間聯(lián)絡通道實施了網(wǎng)格式積壓頂管的施工[5]，歐洲和香港相繼在大直徑隧道項目開展了頂管法施工聯(lián)絡通道的工程探索[6～7]，而在城市地鐵中使用盾構法修建聯(lián)絡通道未見相關研究報告。

本文依托寧波城市軌道交通地鐵隧道聯(lián)絡通道項目，介紹了城市軌道交通狹小空間內盾構法聯(lián)絡通道的關鍵技術和應用情況，為軟土地層城市地鐵聯(lián)絡通道以及其他旁出工程施工提供了一個新的技術參考。

1 工程概況及施工難點

該城市軌道交通工程鄞南區(qū)間范圍內均為第四紀松散沉積物，地質時代為第四紀全新世Q43～上更新世Q31，屬第四系濱海平原沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成。盾構法聯(lián)絡通道項目位于盾構隧道區(qū)間YCK8+330.000 處，地面為公園綠地，聯(lián)絡通道埋深17.803m，兩隧道中心距離17.4m。根據(jù)地勘資料，聯(lián)絡通道主要穿越地層為②2b 層灰色淤泥質黏土、③2 層灰色粉質黏土、④1 層灰色淤泥質粉質黏土及④2 層灰色黏土（圖1）。

圖1 工程地面條件及地質狀況

軌道交通主隧道采用外徑?6 200mm、內徑?5 500mm 管片，雙線隧道之間設置聯(lián)絡通道用于緊急情況下人員的疏散逃生。為了便于盾構施工，聯(lián)絡通道采用圓形可拼裝式管片實現(xiàn)襯砌，管片內部空間用于消防疏散。聯(lián)絡通道管片直徑越大，內部空間越大，對消防疏散越有利；但聯(lián)絡通道直徑越大，主隧道橫向可利用的施工空間越有限，盾構法施工時能布置的主機長度越短，設備集成難度越大。綜合考慮疏散空間和主機布置空間兩方面的需求，管片規(guī)格確定為外徑?3 150mm、內徑?2 650mm、環(huán)寬?550mm，成型通道可實現(xiàn)1 400mm×2 050mm 的消防空間，成型聯(lián)絡通道結構如圖2 所示。

圖2 聯(lián)絡通道結構設計

傳統(tǒng)工法聯(lián)絡通道洞門采用鋼管片洞門，地層加固完成后拆除聯(lián)絡通道位置洞門管片進入施工。盾構法為了減少加固時間和成本的投入，聯(lián)絡通道位置洞門管片采用環(huán)寬1 500mm 的鋼砼結合的復合式管片，6 塊復合管片拼裝成盾構始發(fā)和接收的洞門，洞門開挖區(qū)域為玻璃纖維筋混凝土結構，施工時盾構刀盤可直接切削通過，洞門周邊區(qū)域為鋼管片（圖3、圖4）。

圖3 聯(lián)絡通道洞門管片設計

圖4 玻璃纖維筋復合管片

在富水軟弱地層中，主隧道和聯(lián)絡通道的特殊設計，為機械法進行聯(lián)絡通道的施工提供了基礎，對于聯(lián)絡通道的施工的設備的選擇，盾構與頂管均為可行方案。對比盾構和頂管的工作原理及施工過程，采用盾構法和頂管法進行聯(lián)絡通道施工各有優(yōu)劣，如表1 所示。

表1 盾構法與頂管法優(yōu)缺點

盾構法在技術拓展性上優(yōu)于頂管法，可推廣至各類支線管廊工程，是對T 接隧道技術的重要技術探索，因此本工程采用盾構法進行施工。但基于城市軌道交通隧道狹小的施工空間，聯(lián)絡通道掘進機必須解決以下難題：①高強度弧形混凝土管片切削技術；②狹小空間內始發(fā)和接收技術；③主隧道管片的穩(wěn)定支護技術。

2 聯(lián)絡通道用盾構關鍵技術

聯(lián)絡通道用盾構需從既有城市軌道交通隧道內始發(fā)和接收，且集開挖、出渣、支護等功能于一體，對聯(lián)絡通道盾構集成度要求非常高?？紤]聯(lián)絡通道掘進機洞內運輸及施工配套需求將整機進行集成設計，整機包含主機、后配套系統(tǒng)及一些輔助施工系統(tǒng)，結構如圖5 所示。始發(fā)端設計設備掘進所需的配套系統(tǒng)及始發(fā)臺車，接收端設計設備接收所需的配套系統(tǒng)，整機技術指標如表2 所示。

圖5 聯(lián)絡通道掘進機整機結構

表2 技術指標

2.1 適應高強度弧形混凝土管片切削的刀盤系統(tǒng)

盾構法聯(lián)絡通道施工技術是在微加固或者不加固條件下進行，始發(fā)接收時洞門管片由盾構刀盤直接切削破除。由于管片為弧形高強度玻璃纖維筋混凝土結構，且進出洞時弧度相反，需要對刀盤和刀具進行特殊設計。

如圖6 所示，不同于常規(guī)盾構刀盤，聯(lián)絡通道掘進機刀盤采用錐形結構設計，錐度與主隧道管片內徑相仿，始發(fā)時中心刀具先行接觸掌子面進行切削，隨著主機向前掘進，切削軌跡由中心向周邊不斷拓展，在始發(fā)階段主機缺乏土體包裹的狀態(tài)下能夠有效降低主機的振動，有利于始發(fā)姿態(tài)的控制。而接收端管片弧度與刀盤錐度相反，為了避免接收時主機姿態(tài)發(fā)生偏轉，中心刀具采用反向錐形設計，錐度與接收端管片外徑相仿，保證主機接收姿態(tài)的穩(wěn)定。

圖6 錐形刀盤及中心刀設計

聯(lián)絡通道刀盤在滿足整體剛度和結構強度的前提下，設計較大開口率，既能夠滿足高強度混凝土的切削需求，又能保證軟土地層渣土流動性。刀具的配置可根據(jù)地層選擇滾刀或者撕裂刀。為了驗證錐形刀盤破除管片的能力，進行了足尺模擬試驗，試驗結果表明，錐形刀盤的設計對主機姿態(tài)的穩(wěn)定有十分積極的作用，滿足洞門管片的切削需求。后續(xù)的施工經(jīng)驗也表明，滾刀破除管片的效率大于撕裂刀，且需要的切削扭矩大大降低。錐形刀盤模擬試驗切削效果如圖7 所示。

圖7 錐形刀盤模擬試驗切削效果

2.2 狹小空間內始發(fā)接收密封系統(tǒng)

聯(lián)絡通道盾構始發(fā)或接收破除洞門后，洞門密封必須保證能夠抵抗地下水壓力，否則地下水將夾雜地層中的砂土漏出，導致地層流失，造成地面塌方等事故。因此，富水軟弱地層中進行聯(lián)絡通道施工始發(fā)與接收端頭的密封設計是項目成功的重要保障。

本項目采用半套筒始發(fā)（圖8）和全套筒接收（圖9）技術，即在始發(fā)及接收洞門外，采用特制鋼套筒與洞門鋼管片連接。始發(fā)套筒內設置多道鋼絲密封刷與主機盾殼形成封閉的壓力腔。接收套筒采用全封閉的結構，盾構到達前對接收套筒進行介質填充，保持壓力平衡。聯(lián)絡通道掘進完成，盾構到達指定接收位置時，對洞門進行注漿止水，確保安全后，斷開洞門套筒連接，便可進行拆機撤場。

圖8 始發(fā)半套筒

圖9 接收全套筒

2.3 移動式管片預應力支撐系統(tǒng)

盾構法聯(lián)絡通道施工掘進過程中，主隧道管片結構是盾構掘進發(fā)力的主要受力體之一，其受力機理復雜，涉及設備-結構-地層多體系相互作用，且刀盤切削主隧道洞門管片，主隧道原有受力體系會被削弱。在整個聯(lián)絡通道的施工過程中，管片內應力分布特征隨著施工工序的變化發(fā)生著動態(tài)調整，直至聯(lián)絡通道建成才能構建新的結構受理體系。為了避免聯(lián)絡通道施工過程中主隧道發(fā)生過大的變形，實現(xiàn)盾構推力進行合理分配，同時強化主隧道的內部的支護，設計了移動式管片預應力支撐系統(tǒng)（圖10）。支撐系統(tǒng)由兩部分組成。

圖10 移動式管片預應力支撐系統(tǒng)

1）安裝有行走機構的臺車，用于放置主機和輔助施工裝備，能夠在機車的牽引下實現(xiàn)設備的快速移動。

2）用于隧道保護的支撐環(huán)，支撐系統(tǒng)采用液壓伺服控制，能夠實時監(jiān)控隧道變形及支撐壓力的變化，確保主隧道的安全穩(wěn)定。

除上述3 項關鍵技術以外，本項目還針對性的設計了狹小空間管片半自動拼裝技術[7]、主機姿態(tài)調整及導向技術、數(shù)字化施工管控技術[8]及聯(lián)絡通道接頭處理技術等，相關細節(jié)已在其他文章中發(fā)表，本文不再詳述。

3 工程應用情況

首個聯(lián)絡通道工程盾構施工用時18 天，大致可分為3 個階段：始發(fā)端管片切削階段、土層掘進階段和接收端管片切削階段。在始發(fā)和接收時，高強度管片的切削給設備帶來了較大挑戰(zhàn)，平均切削扭矩300～350kNm，推進速度緩慢。進入地層后，扭矩降低，推進速度大幅提升，最高日掘進4 環(huán)，日進度如圖11 所示。掘進速度、推力、扭矩等參數(shù)如圖12 所示。

圖11 首個聯(lián)絡通道工程日進度

圖12 土層中掘進參數(shù)時程曲線

聯(lián)絡通道施工過程中在地面影響區(qū)域范圍及始發(fā)、接收主隧道管片布置多個監(jiān)測點進行監(jiān)測，結果顯示，地表最大沉降約22mm，橫剖面沉降槽寬度約60m，始發(fā)、接收主隧道管片不同狀態(tài)下收斂變形量均控制在4mm 以內，施工效果整體符合預期，聯(lián)絡通道建成效果如圖13 所示。

圖13 聯(lián)絡通道建成效果

4 結語

面對地下空間開發(fā)不斷向空間化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢，聯(lián)絡通道機械化施工的需求不斷提升。本文結合某城市軌道交通聯(lián)絡通道工程，提出了一種以“微加固、可切削、嚴密封、強支護”為基本特征的聯(lián)絡通道施工工法，并介紹了錐形切削刀盤、始發(fā)接收套筒、移動式預應力支撐系統(tǒng)等關鍵技術，工程應用效果符合預期，提高了聯(lián)絡通道施工的機械化水平，保障了施工人員的安全。隨著工藝的不斷優(yōu)化，施工時間正在逐漸縮短，目前可在一周左右完成一條聯(lián)絡通道的掘進，極大地縮短城市軌道交通的建設周期。該工法在城市地鐵聯(lián)絡通道工程的工程應用為其在諸如污水、電力、信息管網(wǎng)等眾多“T 接”地下工程的應用積累了經(jīng)驗，給地下空間開發(fā)提供了一種新的技術選項。