城市大直徑泥水盾構(gòu)洞內(nèi)接收施工新技術(shù)

1、作者簡(jiǎn)介 張曉輝（1991-），男，河南洛陽(yáng)市人，主要從事盾構(gòu)隧道工程的施工及研究工作；E-mail：1114605416城市大直徑泥水盾構(gòu)洞內(nèi)接收施工新技術(shù)張曉輝，龍成明（中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)北京鐵路地下直徑線項(xiàng)目部，北京 100045）摘要：本文通過北京地下直徑線長(zhǎng)距離大直徑泥水盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)接收施工實(shí)例，介紹了大直徑泥水盾構(gòu)在洞內(nèi)接收過程中采用的接收端地層加固、接收端設(shè)備層加固、端墻破除及設(shè)置砂漿體反力支撐等幾項(xiàng)新的關(guān)鍵施工技術(shù)方法。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)洞內(nèi)接收、端墻破除、砂漿體置換1引言 近年來我國(guó)城市地下交通建設(shè)蓬勃發(fā)展。隨著盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)的日趨成熟和盾構(gòu)機(jī)施工機(jī)械化程度高、施工速度快、對(duì)底層及周

2、邊環(huán)境影響小、人員工作環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，盾構(gòu)施工法成為城市地下交通建設(shè)的首選工法。但由于受限于城市既有建筑環(huán)境影響，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)接受端的接受方式受到很大的限制；盾構(gòu)機(jī)很難實(shí)現(xiàn)豎井直接接收，而更多的采用旁井接收或洞內(nèi)接收，這就對(duì)接收端施工技術(shù)提出了更高的要求。北京鐵路地下直徑線地處北京市中心城區(qū)，由于本項(xiàng)目不設(shè)盾構(gòu)接收井，盾構(gòu)接收通過在東端暗挖段洞內(nèi)設(shè)置擴(kuò)大段，作業(yè)空間小，無(wú)法使用大型吊裝設(shè)備等諸多困難及施工難題，工程通過系統(tǒng)的思考、分析和論證，深入的研究與實(shí)踐，形成了可靠的盾構(gòu)接收施工技術(shù)，對(duì)大直徑泥水平衡盾構(gòu)的洞內(nèi)接收具有較大的借鑒價(jià)值。2工程概況2.1盾構(gòu)接收端概況 盾構(gòu)接收端位于前門東大街南側(cè)

3、輔路，該位置南側(cè)距隧道7.5米位置為前門東大街6號(hào)樓，北側(cè)為地鐵二號(hào)線,另在接收端范圍在有兩條與隧道平行的管線，分別是：橫斷面結(jié)構(gòu)尺寸為2.0*2.0m的電力管線；直徑為1000的上水管線。本項(xiàng)目不設(shè)盾構(gòu)接收井，設(shè)計(jì)考慮通過在東段暗挖段與盾構(gòu)銜接位置對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的暗挖段進(jìn)行擴(kuò)大，盾構(gòu)到達(dá)后刀盤破除洞門襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)入暗挖擴(kuò)大段，然后停機(jī)分解刀盤及其它各系統(tǒng)，盾殼棄于洞內(nèi)，最后直接在盾殼內(nèi)澆筑鋼筋混凝土實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)接收及拆機(jī)。盾構(gòu)接收的暗挖擴(kuò)大段已提前施工完成，襯砌內(nèi)壁里程為DK1624DK1609.15（共14.85米長(zhǎng)）。該段暗挖段寬凈寬13米，最大凈高13.85米，為弧形斷面，拱部?jī)?nèi)壁設(shè)計(jì)半徑為8

4、.25米。設(shè)計(jì)該段底部做設(shè)備安裝層使用，中間通過中層板將上下進(jìn)行分隔，支撐柱及中層板施工已完成，其中中層板距盾構(gòu)接收端墻凈距為1650mm。根據(jù)擴(kuò)大段采用洞樁法施工，其中盾構(gòu)洞門墻豎向每障隔4米設(shè)置有角撐。盾構(gòu)洞門端頭墻厚1350mm，其中初期支護(hù)分兩次施作，厚度為350+150mm，二襯為850mm厚鋼筋混凝土墻。設(shè)計(jì)停機(jī)里程為DK1+623.1，即盾構(gòu)刀盤離開洞門端頭墻900mm。根據(jù)接收端設(shè)計(jì)既有建筑，及周邊環(huán)境要求，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接切削出洞。故此根據(jù)多方專家會(huì)議論證，需對(duì)原接收端端墻進(jìn)行破除、置換，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)直接切削出洞和方便后續(xù)拆機(jī)工作。具體施工方案參見下文。2.2盾構(gòu)接收端工程

5、地質(zhì)及水文地質(zhì)情況盾構(gòu)接收端隧道覆土11.28m，小于1倍盾構(gòu)直徑，地層主要粉質(zhì)粘土及砂層為主。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，盾構(gòu)接收端附近區(qū)域地下水以孔隙潛水為主，地下水位埋深22m，位于刀盤底部以上1.3m。此外因刀盤中心區(qū)域存在一層粘土隔水，刀盤中心以上存在局部層間滯水。根據(jù)設(shè)計(jì)情況，盾構(gòu)接收豎井施工前進(jìn)行了降水處理，其降水井深度為2832m，降水井與隧道結(jié)構(gòu)邊緣凈距為1.5.m,降水井間距6-7m。2.3施工難點(diǎn)分析 （1）接收端位于前門東大街南側(cè)輔路處，且周圍又受前門東大街6號(hào)樓和既有管線、地鐵2號(hào)線影響，為此對(duì)施工造成的地層擾動(dòng)要求嚴(yán)格。 （2）由于盾構(gòu)洞門墻設(shè)計(jì)為850mm厚的C35鋼筋混凝

6、土墻，并且二襯結(jié)構(gòu)后尚有兩層合計(jì)厚度達(dá)500mm厚的初支鋼筋混凝土墻，為此造成難以利用盾構(gòu)刀盤實(shí)現(xiàn)直接切削出洞。 （3）接收暗挖擴(kuò)大段斷面尺寸大，施工過程采取了洞樁法施作，并沿豎向不同高度設(shè)置了橫撐及角撐。而接收由于無(wú)法直接利用盾構(gòu)切削，需提前鑿除洞門墻混凝土，為此難以保證洞門墻鑿除過程中自身的穩(wěn)定。 （4）預(yù)留暗挖擴(kuò)大段凈高僅13.85米，結(jié)構(gòu)至盾構(gòu)刀盤頂部空間高度僅330mm，難以安裝吊具進(jìn)行盾構(gòu)刀盤分解拆除；同時(shí)由于擴(kuò)大段設(shè)備層中層板及立柱已施工，盾構(gòu)機(jī)的拆除空間受限較大。3施工方案3.1總體方案思路結(jié)合盾構(gòu)接收難點(diǎn)分析，為確保盾構(gòu)安全順利接收，整體方案考慮如下：首先在接收端進(jìn)行地層加固

7、，加固采取“隔離樁+注漿加固”；隨后接著在接收端墻切除前對(duì)闊大段設(shè)備層進(jìn)行加固處理。在端頭加固完成后，自下而上利用水鉆、繩鋸、液壓漲裂機(jī)、風(fēng)鎬等設(shè)備工具將端墻分層分塊破除，同步用砂漿對(duì)端墻進(jìn)行置換。根據(jù)盾構(gòu)拆機(jī)作業(yè)需要及砂漿體受力檢算，將整個(gè)盾構(gòu)洞門端墻范圍內(nèi)鋼筋混凝土（含0.5m厚初支及1m厚二襯）全部置換為M5號(hào)砂漿，對(duì)暗挖擴(kuò)大段同步進(jìn)行砂漿回填，回填體頂部寬3.0m，底部寬12.0m。接著盾構(gòu)直接切削洞門端墻置換后的砂漿體進(jìn)洞，盾構(gòu)到達(dá)后直接切削砂漿墻到達(dá)停機(jī)位置后，自上而下分層破除砂漿墻體并同步進(jìn)行刀盤分解拆機(jī)工作。3.2具體方案3.2.1接收端加固盾構(gòu)到達(dá)端地層加固采取“隔離樁+注漿

8、加固”進(jìn)行加固處理具體為隧道北側(cè)及南側(cè)采用隔離樁對(duì)北側(cè)既有地鐵、南側(cè)居民樓進(jìn)行隔離保護(hù)，隔離樁樁徑1米、間距1.5米的，樁長(zhǎng)21米，隔離樁與隧道結(jié)構(gòu)凈距0.5米。隔離樁施工完成后對(duì)兩排樁間的土體進(jìn)行注漿加固，整體注漿加固范圍為15m*15m，加固區(qū)東側(cè)6m范圍注漿孔間距按0.8*0.8m梅花形布置，加固區(qū)西側(cè)9m范圍注漿孔間距按1.5*1.5m梅花形布置，鉆孔深度25m，地面以下5m不注漿。加固示意圖如下圖1、圖2：圖1 盾構(gòu)接收端加固平面圖圖2 盾構(gòu)接收端加固橫斷面圖3.2.2盾構(gòu)接收端設(shè)備層受力檢算設(shè)備層受力檢算基本條件及參數(shù)：砂漿體高9m,計(jì)算重度20kN/m3,設(shè)備層柱高5m，柱中間有

9、橫向支撐，柱間距3m，柱截面配筋圖如圖3。盾構(gòu)達(dá)到時(shí)按刀盤頂部泥水預(yù)設(shè)壓力為1.0bar計(jì)算，設(shè)備層上砂漿體高9m,設(shè)備層與砂漿體接觸面縱向長(zhǎng)12m,M5砂漿抗剪強(qiáng)度按規(guī)范取0.12MPa，計(jì)算過程取隧道軸線區(qū)域橫向1m。圖3 設(shè)備層立柱配筋截面圖（一）設(shè)備層立柱抗壓強(qiáng)度計(jì)算：?jiǎn)沃惺艿膲毫Γ簡(jiǎn)沃试S軸線壓力：結(jié)論：設(shè)備層頂面填筑9米高砂漿體，設(shè)備層立柱的抗壓承載力滿足強(qiáng)度要求。（二）設(shè)備層立柱抗彎?rùn)z算：圖4 設(shè)備層立柱受橫向力檢算示意圖立柱群底部承受的總彎矩（未考慮軌道板與邊墻連接產(chǎn)生的影響）： 單個(gè)立柱抗彎承載力（柱單側(cè)按9根20鋼筋計(jì)算）：僅考慮立柱對(duì)應(yīng)高度范圍內(nèi)的水平推力產(chǎn)生的彎矩：

10、結(jié)論：因未考慮設(shè)備層軌道板與二襯剛接影響，盾構(gòu)水平泥水壓力全部作用在設(shè)備層立柱上會(huì)則其強(qiáng)度不足，但實(shí)際軌道板通過增強(qiáng)抗剪能力處理，大部分水平剪力通過軌道板傳遞至二襯，因此通過詳細(xì)計(jì)算確定，采取設(shè)備層縱向加固措施。具體措施參見下文。（三）砂漿體抗剪強(qiáng)度計(jì)算：設(shè)備層頂面抗剪強(qiáng)度：設(shè)備層頂面需承受泥水壓力引起的水平剪力：圖5 砂漿體抗剪強(qiáng)度示意圖結(jié)論：由上式得出在僅考慮砂漿自身抗剪強(qiáng)度條件下，砂漿體底部抗剪強(qiáng)度不足，故采取豎向加筋措施從而提高砂漿體抗剪強(qiáng)度以滿足實(shí)際需要。3.2.3設(shè)備層立柱加固 根據(jù)設(shè)備層立柱抗彎?rùn)z算結(jié)果對(duì)設(shè)備層立柱采取縱向加固措施。加固采用規(guī)格22cm*22cm的熱軋工字鋼。經(jīng)力

11、學(xué)檢算加固強(qiáng)度滿足要求，具體加固樣式如圖六所示。圖6 設(shè)備層立柱加固平面圖3.2.4洞門拆除與置換流程本工程擴(kuò)大段接收洞門襯砌采用C35鋼筋混凝土，襯砌外側(cè)處置分兩層采用鋼格柵+C25噴射混凝土，厚度分別為15cm和35cm，端頭墻總厚度為1350mm。因此盾構(gòu)接收方案實(shí)施的關(guān)鍵是如何快速高效拆除端頭墻體及如何保證墻體拆除后背后土體的穩(wěn)定?？紤]整個(gè)端頭墻混凝土切除體積較大，及為提高墻體切除過程中端頭附近土體穩(wěn)定性，端墻切除過程自下而上分四個(gè)層次，每層次分3個(gè)區(qū)域累計(jì)12部分進(jìn)行分塊切除，相應(yīng)區(qū)域拆除后即使用M5砂漿對(duì)端頭墻區(qū)域及擴(kuò)大段進(jìn)行回填，端頭墻拆除分塊圖及分塊重量統(tǒng)計(jì)表如圖7所示。圖7

12、端頭墻拆除分塊圖具體端頭墻拆除及砂漿回填流程如下：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，擬采用“水鉆鉆孔+繩鋸切割”的方式分塊拆除洞門端墻。具體洞門拆除方法如下： 第一步：首先對(duì)設(shè)備層頂面軌道板進(jìn)行鑿毛處理，并在軌道板頂面植入短鋼筋，鋼筋長(zhǎng)度為10cm，梅花型布置，間距50cm。在東側(cè)設(shè)備層立柱軌道板及中層夾板對(duì)應(yīng)位置橫向分別架設(shè)兩道I22a工字鋼，將設(shè)備層立柱連接成為整體，并在工資剛上設(shè)置兩層縱向圓形鋼管，鋼管支撐于隧道二次襯砌之上，并為縱向鋼管增設(shè)豎向支撐，提高其穩(wěn)定性。利用水鉆對(duì)接收端端墻底部進(jìn)行鉆孔，檢查端墻背后地下水埋藏情況，當(dāng)?shù)叵滤^大影響端墻切除工作時(shí)，利用接收端附近降水井進(jìn)行降水處理。第二步：利用

13、水鉆、繩鋸等進(jìn)行第一層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割1號(hào)區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將1號(hào)區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在1號(hào)區(qū)域外側(cè)砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，利用M5號(hào)砂漿回填，并在砂漿中添加。然后依次進(jìn)行2號(hào)、3號(hào)區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴(kuò)大段灌注與第一層墻體同等高度的砂漿體。 砂漿體切除同時(shí)在洞門鋼環(huán)外側(cè)底部用水鉆鉆出直徑為10cm的預(yù)留孔兩個(gè)，孔深1.5米，孔內(nèi)插入注漿鋼管。第三步：利首先在設(shè)備層西側(cè)兩排立柱對(duì)應(yīng)位置設(shè)置工字鋼立柱，已增強(qiáng)底層砂漿體抗剪強(qiáng)度。然后用水鉆、繩鋸等進(jìn)行第二層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割4號(hào)區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將

14、4號(hào)區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在4號(hào)區(qū)域外側(cè)砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，利用M5號(hào)砂漿回填。然后依次進(jìn)行5號(hào)、6號(hào)區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴(kuò)大段灌注與第二層墻體同等高度的砂漿體。砂漿體切除同時(shí)在洞門鋼環(huán)外側(cè)水平位置用水鉆鉆出直徑為10cm的預(yù)留孔兩個(gè)，孔深1.5米，孔內(nèi)插入注漿鋼管。第四步：利用水鉆、繩鋸等進(jìn)行第三層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割7號(hào)區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將7號(hào)區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在7號(hào)區(qū)域外側(cè)砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，利用M5號(hào)砂漿回填。然后依次進(jìn)行8號(hào)、9號(hào)區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴(kuò)大段灌注與第三層墻體同

15、等高度的砂漿體。第五步：利用水鉆、繩鋸等進(jìn)行第四層端墻混凝土切割作業(yè)。首先自下而上切割10號(hào)區(qū)域混凝土墻體，并用液壓千斤頂將10號(hào)區(qū)域混凝土塊拖出，拖出后在10號(hào)區(qū)域外側(cè)砌筑同等高度磚墻，墻體砌筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，利用M5號(hào)砂漿回填。然后依次進(jìn)行11號(hào)、12號(hào)區(qū)域墻體切除及砂漿回填，最后在擴(kuò)大段灌注與第四層墻體同等高度的砂漿體。砂漿體切除同時(shí)在洞門鋼環(huán)外側(cè)頂部用水鉆鉆出直徑為10cm的預(yù)留孔兩個(gè)，孔深1.5米，孔內(nèi)插入注漿鋼管。3.2.5洞門端墻混凝土塊體拆除本工程需切除的洞門端墻面積為119m2，總厚度1350mm，總重量在403t，按照擬定方案共分12個(gè)區(qū)域逐一切除，切除最大混凝土塊為

16、35t。端墻混凝土塊體切除后，通過液壓千斤頂、隧道內(nèi)設(shè)置水平及垂直掛點(diǎn)反將大型混凝土塊從墻體內(nèi)拉出。水平掛點(diǎn)設(shè)置：當(dāng)擬拆除的分塊洞門端墻完全與洞門端墻脫離后，在其表面鑿出鋼筋作為掛點(diǎn)利用導(dǎo)鏈將分塊洞門端墻混凝土水平拖出，下部的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)區(qū)域切割下的混凝土塊可利用擴(kuò)大段下部結(jié)構(gòu)的混凝土立柱固定導(dǎo)鏈將其拖出，其他區(qū)域切割下的混凝土塊可預(yù)先在擴(kuò)大段回填的砂漿內(nèi)埋設(shè)型鋼地錨來固定導(dǎo)鏈將其拖出。垂直掛點(diǎn)設(shè)置：拖出的混凝土塊須及時(shí)在其頂部鑿出鋼筋作為掛點(diǎn)，鑿除深度要在20cm左右，須選擇初支伸出的28錨筋作為混凝土塊起吊的頂部掛點(diǎn)。頂部吊耳設(shè)置：擴(kuò)大段頂部已經(jīng)預(yù)埋有三條鋼板可在其上焊接吊耳固定導(dǎo)鏈配

17、合鋼絲繩和柔性吊帶來起吊混凝土塊?？紤]到每個(gè)區(qū)域的混凝土塊重量達(dá)到40以上，為減小起吊難度、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)擬在每個(gè)區(qū)域混凝土塊拖出70cm左右時(shí)固定好頂部起吊設(shè)施，然后在其頂部設(shè)置繩鋸將每個(gè)區(qū)域混凝土塊一分為二使每次起吊的混凝土塊重量減小到2124t之間?；炷翂K的運(yùn)輸：下部的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)區(qū)域切割下的混凝土塊起吊至擴(kuò)大段下部結(jié)構(gòu)頂板上采用滑軌轉(zhuǎn)移達(dá)到平板車上經(jīng)直徑線隧道東端運(yùn)至地面。其他區(qū)域混凝土塊由擴(kuò)大段填充的砂漿體坡道溜至平板車上經(jīng)直徑線隧道東端運(yùn)至地面。3.2.6分部回填置換當(dāng)相應(yīng)區(qū)域的混凝土塊完全取出并運(yùn)離施工現(xiàn)場(chǎng)后立即組織對(duì)洞門范圍及擴(kuò)大段相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行砂漿回填工作。澆筑方式：砂漿回

18、填采用輸送泵進(jìn)行灌筑，輸送泵設(shè)置在2號(hào)井井底，混凝土由2號(hào)井安裝的臨時(shí)下料管下井，通過輸送管連接至澆筑部位。模板支設(shè)：模板盡量選擇木模板、竹膠板支設(shè)，擴(kuò)大段與2號(hào)井橫通道之間的封堵采用37磚墻砌筑作為磚模。1號(hào)、2號(hào)區(qū)域回填時(shí)洞門與擴(kuò)大段下部結(jié)構(gòu)之間側(cè)模板亦采用37磚墻砌筑。擴(kuò)大段砂漿體坡道設(shè)置：為方便盾構(gòu)到達(dá)后刀盤解體、洞內(nèi)倒運(yùn)，擴(kuò)大段內(nèi)填充的砂漿體向東按1：1坡度，使得擴(kuò)大段下部結(jié)構(gòu)之上砂漿體剖面呈直角梯形，梯形上底寬度為1.82m，為最初砂漿體破除提供充足的作業(yè)空間?？紤]到擴(kuò)大段內(nèi)砂漿放坡填充高度較高，方量較大，堆積填充難度較大，因此考慮首先隨洞門端墻回填進(jìn)度先將放坡部分砂漿體填充成臺(tái)階狀，“臺(tái)階踢腳”位置模板采用37磚墻