盾構(gòu)法隧道異型斷面施工技術(shù)初探

 

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)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：①在平行設(shè)置的2個(gè)髓道之間建造地鐵車站等建筑物。②在地中建造組裝擴(kuò)徑盾構(gòu)的空間和各地下設(shè)施的收容空間等。③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，以滿足修建地鐵車站和安裝其他設(shè)備之需要。擴(kuò)徑盾構(gòu)的施工過程見圖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孔部及附近采取加固措施。擴(kuò)徑盾構(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)：①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。②開挖面作業(yè)空間的劃、會(huì)影響盾構(gòu)開挖作業(yè)效率，故需考慮其作業(yè)性進(jìn)行決定，一般需確保30cm以上的最小開挖空間。③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孔部及其附近加固隧道外，還需通過測(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)度相對(duì)較短的異型斷面區(qū)段制造或購買一臺(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)周圍環(huán)境的影響，而且能通過盾構(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)是無用盾構(gòu)修建兩側(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

 

以兩連島式車站為例，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)、開挖中導(dǎo)坑并修筑巾墻；(b)超前支護(hù)或地層加固、開挖左側(cè)導(dǎo)坑并修左邊墻；(c)超前支護(hù)或地層加固、開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)；(f)超前支護(hù)或地層加固、開挖右側(cè)導(dǎo)坑并修右邊墻；(g)超前支護(hù)或地層加固、開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)，都采用敞開開挖面的方法。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取得圍巖的穩(wěn)定，然后分步開挖，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�等一邊支護(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，已開發(fā)使用的有一種通過管片裝置的組合來加寬已設(shè)隧道的施工法，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看，以下一些技術(shù)問題非常重要，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．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程隧道的力學(xué)行為，即加固，管片拆除．開挖，模筑襯砌或拼裝特殊管片等過程。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)；對(duì)需設(shè)置立柱的地方，也需要研究立柱和管片的連接方式，在滿足其他要求情況下，盡量做成柔性接頭，如鉸接或彈性較等。

 

參考文獻(xiàn)

 

【1】朱偉，盾構(gòu)隧道施工技術(shù)現(xiàn)狀及展望（第三講）--盾構(gòu)隧道應(yīng)用前景及發(fā)展方向[j]。巖土工程界，5（1）：18-21

 

【2】張自強(qiáng)，河川。雙線盾構(gòu)隧道及聯(lián)絡(luò)通道復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力分析。鐵道學(xué)報(bào)，2002，24（6）：89～92