盾構(gòu)法隧道異型斷面施工技術(shù)初探

1、盾構(gòu)法隧道異型斷面施工技術(shù)初探【摘要】本文介紹廠異型斷面施工的兩種途徑：擴(kuò)徑盾構(gòu)法和盾構(gòu)法基礎(chǔ)上的人工擴(kuò)挖法。重點(diǎn)闡述和分析了盾構(gòu)法基礎(chǔ)上進(jìn)行人工擴(kuò)挖的步驟以及異型斷面需重視的主要技術(shù)問(wèn)題。探詢(xún)盾構(gòu)法隧道異型斷面施工技術(shù)，尋求盾構(gòu)法在城市地鐵工程中獲得大規(guī)模應(yīng)用的突破口，達(dá)到進(jìn)一步提高地鐵工程的建設(shè)質(zhì)量，縮短建設(shè)周期，總體上大幅度地降低工程造價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)法異型斷面施工1引言直接采用盾構(gòu)法施工或配合盾構(gòu)法施工異型斷面隧道已成為世界各國(guó)地下鐵道施工的最新技術(shù)和前沿之一。如英法海峽隧道渡線室采用盾構(gòu)通過(guò)后礦山法修建，倫敦地鐵曾采用鑄鐵管片拼裝渡線室等等。另一方面，由于我國(guó)盾構(gòu)

2、設(shè)備能力及設(shè)計(jì)施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足，目前上海、廣州、北京、南京、深圳等城市在已建和擬建的地下鐵道中，多數(shù)情況下均用明挖法和礦山法施工，盾構(gòu)法施工僅限于斷面型式單一，直徑較小的區(qū)間隧道。配合盾構(gòu)法施工異型斷面隧道，不管是直接用盾構(gòu)施工法或間接地在盾構(gòu)施工法的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)挖都尚未嘗試。這種現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了盾構(gòu)施工技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展和推廣。目前施工異型斷面可以有兩種途徑：一是采用擴(kuò)徑盾構(gòu)法，二是在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)方法擴(kuò)挖。盾構(gòu)隧道異型斷面一般是在原隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖修建的，擴(kuò)挖技術(shù)成為施工的關(guān)鍵技術(shù)。盾構(gòu)隧道在下述情況下需要進(jìn)行地中擴(kuò)挖：在平行設(shè)置的2個(gè)髓道之間建造地鐵車(chē)站等建筑物。在地中建造組裝擴(kuò)徑盾構(gòu)

3、的空間和各地下設(shè)施的收容空間等。在地中隧道分岔處或某種角度接合處。地中擴(kuò)挖的難點(diǎn)是，由于擴(kuò)挖的施工法、擴(kuò)挖部結(jié)構(gòu)及隧道接合部的接合法，產(chǎn)生了這部分結(jié)構(gòu)與防水兩方面問(wèn)題，對(duì)此必須在設(shè)計(jì)施工時(shí)進(jìn)行周密的研究。圖1是常遇異型斷面和擴(kuò)挖的場(chǎng)合。圖1異型斷面及其擴(kuò)挖2 擴(kuò)徑盾構(gòu)法修建異型斷面擴(kuò)徑盾構(gòu)施工法是劉原有盾構(gòu)隧道上的部分區(qū)間進(jìn)行直徑擴(kuò)展，以滿足修建地鐵車(chē)站和安裝其他設(shè)備之需要。擴(kuò)徑盾構(gòu)的施工過(guò)程見(jiàn)圖2。施工時(shí)，先依次撤除原有部分襯砌和挖去部分圍巖，修建能夠設(shè)置擴(kuò)徑盾構(gòu)機(jī)的空間作為其出發(fā)基地。隨著襯砌的撤除，原有隧道的結(jié)構(gòu)，作用荷載和應(yīng)力將發(fā)生變化，所以必須在原有隧道開(kāi)孔部及附近采取加固措施。擴(kuò)徑

4、盾構(gòu)在撤除襯砌后的空間里組裝完成后便可進(jìn)行掘進(jìn)，為使推力均勻作用干機(jī)休尾部的圍巖，需要設(shè)置合適的反力支承裝置。當(dāng)尾部圍巖抗力不足時(shí)，需要采用增加圍巖強(qiáng)度的措施，也可設(shè)置將推力轉(zhuǎn)移到原有管片上的裝置。擴(kuò)徑盾構(gòu)的施工工藝主要包括：次盾構(gòu)掘進(jìn)，修建一次盾構(gòu)基地，圓周盾構(gòu)，圓周盾構(gòu)掘進(jìn)，完成擴(kuò)徑盾構(gòu)出發(fā)基地，組裝擴(kuò)徑盾構(gòu)，擴(kuò)徑盾構(gòu)掘進(jìn)和完成擴(kuò)徑等。圈2擴(kuò)徑盾構(gòu)法擴(kuò)徑盾構(gòu)在國(guó)外也是一項(xiàng)先進(jìn)的施工技術(shù)，正獲得越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。圖3是擴(kuò)徑盾構(gòu)機(jī)及其修建的擴(kuò)徑隧道寫(xiě)真圖片。顯然，擴(kuò)徑部位是特殊的異型斷面，該部位的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜。表1是擴(kuò)徑盾構(gòu)施工實(shí)例。圖3擴(kuò)徑盾構(gòu)及其修建的擴(kuò)徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)徑盾構(gòu)需注意以下事項(xiàng)

5、：盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)應(yīng)盡可能縮短以縮小出發(fā)基地的規(guī)模。根據(jù)原有隧道內(nèi)的運(yùn)輸，對(duì)出發(fā)基地內(nèi)的組裝的大小及重量進(jìn)行分割。開(kāi)挖面作業(yè)空間的劃、會(huì)影響盾構(gòu)開(kāi)挖作業(yè)效率，故需考慮其作業(yè)性進(jìn)行決定，一10般需確保30cm以上的最小開(kāi)挖空間。配備能夠迅速進(jìn)行擴(kuò)徑管片組裝和和原有管片拆卸的裝置。由于修建擴(kuò)徑盾構(gòu)出發(fā)基地時(shí)，應(yīng)依次拆除部分襯砌和挖去部分圍巖，修建能夠設(shè)置擴(kuò)徑盾構(gòu)的空間，這將導(dǎo)致原有隧道的結(jié)構(gòu)作用荷載和應(yīng)力發(fā)生變化所以除需在原有隧道開(kāi)孔部及其附近加固隧道外，還需通過(guò)測(cè)量掌握襯砌應(yīng)力，在監(jiān)視圍巖狀態(tài)的同時(shí)謹(jǐn)慎施工。3 盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上人工擴(kuò)挖法修建異型斷面異型斷面隧道長(zhǎng)度相對(duì)盾構(gòu)施工總長(zhǎng)占據(jù)很小的比例，為長(zhǎng)度相

6、對(duì)較短的異型斷面區(qū)段制造或購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)擴(kuò)徑盾構(gòu)機(jī)不切合仍處于發(fā)展中國(guó)家的我國(guó)國(guó)情，現(xiàn)階段在我國(guó)大量采用擴(kuò)徑盾構(gòu)法施工尚有一段距離。結(jié)合中國(guó)國(guó)情，在修建需擴(kuò)挖的異型斷面時(shí)，宜采用在盾構(gòu)施工完成后用傳統(tǒng)方法進(jìn)行擴(kuò)挖的途徑。換言之，先采用在全部或部分暗挖區(qū)間以盾構(gòu)法施工先行貫通，在已經(jīng)形成的區(qū)間隧道基礎(chǔ)上再用不同方式對(duì)車(chē)站、渡線室、聯(lián)絡(luò)通道等特殊異型斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，這樣不僅可大幅縮短建設(shè)周期，提高地鐵工程的建設(shè)質(zhì)量，確保施工期間的安全，極大地減小對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，而且能通過(guò)盾構(gòu)法的長(zhǎng)距離應(yīng)用，產(chǎn)生規(guī)模效益，從總體上較大幅度地降低工程造價(jià)。圖4是以盾構(gòu)隧道為拱座基礎(chǔ)修建單拱結(jié)構(gòu)的示意圖，它的特點(diǎn)是無(wú)用盾構(gòu)修

7、建兩側(cè)隧道，在隧道內(nèi)部模筑混凝土拱座，然后用若干小型盾構(gòu)修筑上部拱式結(jié)構(gòu)體，在上部結(jié)構(gòu)體的保護(hù)下采用人工開(kāi)挖，此方法是典型的盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上進(jìn)行人工擴(kuò)挖修建異型斷面的實(shí)例之。圖4盾構(gòu)隧道為拱座基礎(chǔ)修建單拱結(jié)構(gòu)示意以?xún)蛇B島式車(chē)站為例，在雙線盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖成站的施工步驟大致為：（a）進(jìn)行地層加固和超前支護(hù)、開(kāi)挖中導(dǎo)坑并修筑巾墻；（b）超前支護(hù)或地層加固、開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)坑并修左邊墻；（c）超前支護(hù)或地層加固、開(kāi)挖左部拱頂上弧并修筑拱部結(jié)構(gòu)（現(xiàn)澆混凝土或裝配式）；（d）開(kāi)挖左洞余下部分并拆除管片；（e）修筑左洞仰拱（現(xiàn)澆混凝土或裝配式）；超前支護(hù)或地層加固、開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)坑并修右邊墻；（g）超前支護(hù)或地層加

8、固、開(kāi)挖右部拱頂上弧并修筑拱部結(jié)構(gòu)（現(xiàn)澆混凝土或裝配式）；（h）開(kāi)挖右洞余下部分j9拆除管片；（i）修筑右洞仰拱（現(xiàn)澆混凝土或裝配式。施工步驟見(jiàn)圖5。綜上，在盾構(gòu)法隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖主要包含以下步驟：地層加固和超前支護(hù)，管片拆除，擴(kuò)挖土體，臨時(shí)支護(hù)，模筑混凝土或管片安裝，拆除支護(hù)等步驟。一般地中擴(kuò)挖施工時(shí)，都采用敞開(kāi)開(kāi)挖面的方法。由于圍巖因先行隧道的施工已經(jīng)松動(dòng)，應(yīng)根據(jù)需要用輔助施工法等來(lái)取得圍巖的穩(wěn)定，然后分步開(kāi)挖，同時(shí)采取適當(dāng)措施以防止已設(shè)隧道或地中結(jié)構(gòu)物的變形?？刹捎娩撝浦Ъ芑蛱厥獾墓芷纫贿呏ёo(hù)圍巖，一邊慎重進(jìn)行擴(kuò)挖。作為特殊的地中擴(kuò)挖方法，已開(kāi)發(fā)使用的有一種通過(guò)管片裝置的組合來(lái)加寬已設(shè)隧

9、道的施工法，側(cè)向擴(kuò)挖已設(shè)隧道的施工法等等。對(duì)于聯(lián)絡(luò)通道或渡線，異型斷面位置應(yīng)力復(fù)雜，需認(rèn)真考慮接合方式，注意應(yīng)力惡化區(qū)域。4 盾構(gòu)法隧道異型斷面的主要技術(shù)問(wèn)題西南交通大學(xué)承擔(dān)了廣州地鐵3號(hào)線異型斷面施工技術(shù)研究課題，從先期計(jì)算分析和以往盾構(gòu)隧道課題研究成果來(lái)看，以下一些技術(shù)問(wèn)題非常重要，值得深入地細(xì)化分析:(1)從施工角度而言，重要的是保證擴(kuò)挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定和控制相鄰管片應(yīng)力的惡化，為此，需要重點(diǎn)研究管片拆除前對(duì)圍巖的超前加固和拆除后擴(kuò)挖過(guò)程中的臨時(shí)支護(hù)技術(shù)：包括設(shè)置臨時(shí)支柱，對(duì)管片后圍巖超前注漿加固處理等措施：其次需要研究運(yùn)用于異型斷面區(qū)段的特殊管片型式以及連接異型斷面與普通斷面的合理連接構(gòu)件

10、連接構(gòu)件要保證異型斷面處受力狀態(tài)合理，外觀上符合審美標(biāo)準(zhǔn)等。設(shè)計(jì)和研制適用于局部擴(kuò)挖的小型施工機(jī)械保證施工方便和容易操作，例如設(shè)計(jì)小型盾構(gòu)機(jī)械，可以用于圖4頂拱的施工，由于異型斷面管片后部圍巖異于普通盾構(gòu)隧道采用常規(guī)壁后注漿方式效果難以保證所以研究異型斷面處壁后注漿的具體方式比較重要：(2)從設(shè)計(jì)角度而言，主要需發(fā)展針對(duì)特殊異型斷面型式的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和模式。同時(shí)要能夠全面模擬施工過(guò)程隧道的力學(xué)行為，即加固，管片拆除開(kāi)挖，模筑襯砌或拼裝特殊管片等過(guò)程。在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖的最大不同就是在原基本穩(wěn)定的圍巖和管片系統(tǒng)基礎(chǔ)上拆除管片。管片拆除后圍巖和相鄰管片應(yīng)力將重分布，緊接著的開(kāi)挖將再次破壞上一次的應(yīng)力狀態(tài)，管片安裝后對(duì)這一應(yīng)力狀態(tài)又將產(chǎn)生新的調(diào)整，這些過(guò)程對(duì)于異型斷面的施工安全都極為重要，需要系統(tǒng)的分析計(jì)算，找出應(yīng)力變化和調(diào)整的規(guī)律，以便施工時(shí)采取相應(yīng)的對(duì)策；合理考慮連接部位各種因素的應(yīng)力應(yīng)變分析方法，以便能夠選擇和優(yōu)化連接構(gòu)件的幾何尺寸和連接方式，研究表明：襯砌連接部位采用搭接代替鋼接能顯著改善連接部位的應(yīng)力狀態(tài)