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：擴徑盾構(gòu)法和盾構(gòu)法基礎上的人工擴挖法。重點闡述和分析了盾構(gòu)法基礎上進行人工擴挖的步驟以及異型斷面需重視的主要技術(shù)問題。探詢盾構(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)模應用的突破口，達到進一步提高地鐵工程的建設質(zhì)量，縮短建設周期，總體上大幅度地降低
工程造價具有重要的現(xiàn)實意義。
【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，由于我國盾構(gòu)設備能力及設計施工技術(shù)經(jīng)驗不足，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)施工法的基礎上進行擴挖都尚未嘗試。這種現(xiàn)狀嚴重制約了盾構(gòu)施工技術(shù)在我國的發(fā)展和推廣。目前施工異型斷面可以有兩種途徑：一是采用擴徑盾構(gòu)法，二是在盾構(gòu)隧道基礎上采用傳統(tǒng)方法擴挖。
盾構(gòu)隧道異型斷面一般是在原隧道基礎上擴挖修建的，擴挖技術(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行地中擴挖：①在平行設置的2個髓道之間建造地鐵車站等建筑物。②在地中建造組裝擴徑盾構(gòu)的空間和各地下設施的收容空間等。③在地中隧道分岔處或某種角度接合處。地中擴挖的難點是，由于擴挖的施工法、擴挖部結(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，對此必須在設計施工時進行周密的研究。圖1是常遇異型斷面和擴挖的場合。
圖1異型斷面及其擴挖
2 擴徑盾構(gòu)法修建異型斷面
擴徑盾構(gòu)施工法是劉原有盾構(gòu)隧道上的部分區(qū)間進行直徑擴展，以滿足修建地鐵車站和安裝其他設備之需要。擴徑盾構(gòu)的施工過程見圖2。施工時，先依次撤除原有部分襯砌和挖去部分圍巖，修建能夠設置擴徑盾構(gòu)機的空間作為其出發(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。擴徑盾構(gòu)在撤除襯砌后的空間里組裝完成后便可進行掘進，為使推力均勻作用干機休尾部的圍巖，需要設置合適的反力支承裝置。當尾部圍巖抗力不足時，需要采用增加圍巖強度的措施，也可設置將推力轉(zhuǎn)移到原有管片上的裝置。擴徑盾構(gòu)的施工工藝主要包括：—次盾構(gòu)掘進，修建一次盾構(gòu)基地，圓周盾構(gòu)，圓周盾構(gòu)掘進，完成擴徑盾構(gòu)出發(fā)基地，組裝擴徑盾構(gòu)，擴徑盾構(gòu)掘進和完成擴徑等。
圈2擴徑盾構(gòu)法
擴徑盾構(gòu)在國外也是一項先進的施工技術(shù)，正獲得越來越廣泛的運用。圖3是擴徑盾構(gòu)機及其修建的擴徑隧道寫真圖片。顯然，擴徑部位是特殊的異型斷面，該部位的應力狀態(tài)非常復雜。表1是擴徑盾構(gòu)施工實例。
圖3 擴徑盾構(gòu)及其修建的擴徑盾構(gòu)隧道
擴徑盾構(gòu)需注意以下事項：①盾構(gòu)機長應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)的運輸，對出發(fā)基地內(nèi)的組裝的大小及重量進行分割。②開挖面作業(yè)空間的劃、會影響盾構(gòu)開挖作業(yè)效率，故需考慮其作業(yè)性進行決定，一般需確保30cm以上的最小開挖空間。③配備能夠迅速進行擴徑管片組裝和和原有管片拆卸的裝置。由于修建擴徑盾構(gòu)出發(fā)基地時，應依次拆除部分襯砌和挖去部分圍巖，修建能夠設置擴徑盾構(gòu)的空間，這將導致原有隧道的結(jié)構(gòu)作用荷載和應力發(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，還需通過測量掌握襯砌應力，在監(jiān)視圍巖狀態(tài)的同時謹慎施工。
3盾構(gòu)隧道基礎上人工擴挖法修建異型斷面
異型斷面隧道長度相對盾構(gòu)施工總長占據(jù)很小的比例，為長度相對較短的異型斷面區(qū)段制造或購買一臺擴徑盾構(gòu)機不切合仍處于發(fā)展中國家的我國國情，現(xiàn)階段在我國大量采用擴徑盾構(gòu)法施工尚有一段距離。結(jié)合中國國情，在修建需擴挖的異型斷面時，宜采用在盾構(gòu)施工完成后用傳統(tǒng)方法進行擴挖的途徑。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)間隧道基礎上再用不同方式對車站、渡線室、聯(lián)絡通道等特殊異型斷面進行擴挖，這樣不僅可大幅縮短建設周期，提高地鐵工程的建設質(zhì)量，確保施工期間的安全，極大地減小對周圍環(huán)境的影響，而且能通過盾構(gòu)法的長距離應用，產(chǎn)生規(guī)模效益，從總體上較大幅度地降低工程造價。圖4是以盾構(gòu)隧道為拱座基礎修建單拱結(jié)構(gòu)的示意圖，它的特點是無用盾構(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)體的保護下采用人工開挖，此方法是典型的盾構(gòu)隧道基礎上進行人工擴挖修建異型斷面的實例之—。
圖4 盾構(gòu)隧道為拱座基礎修建單拱結(jié)構(gòu)示意
以兩連島式車站為例，在雙線盾構(gòu)隧道基礎上擴挖成站的施工步驟大致為：(a)進行地層加固和超前支護、開挖中導坑并修筑巾墻；(b)超前支護或地層加固、開挖左側(cè)導坑并修左邊墻；(c)超前支護或地層加固、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)超前支護或地層加固、開挖右側(cè)導坑并修右邊墻；(g)超前支護或地層加固、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)法隧道基礎上擴挖主要包含以下步驟：地層加固和超前支護，管片拆除，擴挖土體，臨時支護，模筑混凝土或管片安裝，拆除支護等步驟。一般地中擴挖施工時，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，應根據(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，同時采取適當措施以防止已設隧道或地中結(jié)構(gòu)物的變形。可采用鋼制支架或特殊的管片等一邊支護圍巖，一邊慎重進行擴挖。作為特殊的地中擴挖方法，已開發(fā)使用的有一種通過管片裝置的組合來加寬已設隧道的施工法，側(cè)向擴挖已設隧道的施工法等等。對于聯(lián)絡通道或渡線，異型斷面位置應力復雜，需認真考慮接合方式，注意應力惡化區(qū)域。
4 盾構(gòu)法隧道異型斷面的主要技術(shù)問題
西南交通大學承擔了廣州地鐵3號線異型斷面施工技術(shù)研究課題，從先期計算分析和以往盾構(gòu)隧道課題研究成果來看，以下一些技術(shù)問題非常重要，值得深入地細化分析:
(1)從施工角度而言，重要的是保證擴挖時圍巖的穩(wěn)定和控制相鄰管片應力的惡化，為此，需要重點研究管片拆除前對圍巖的超前加固和拆除后擴挖過程中的臨時支護技術(shù)：包括設置臨時支柱，對管片后圍巖超前注漿加固處理等措施：其次需要研究運用于異型斷面區(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，外觀上符合審美標準等。設計和研制適用于局部擴挖的小型施工機械．保證施工方便和容易操作，例如設計小型盾構(gòu)機械，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)從設計角度而言，主要需發(fā)展針對特殊異型斷面型式的結(jié)構(gòu)計算方法和模式。同時要能夠全面模擬施工過程隧道的力學行為，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)隧道基礎上擴挖的最大不同就是在原基本穩(wěn)定的圍巖和管片系統(tǒng)基礎上拆除管片。管片拆除后圍巖和相鄰管片應力將重分布，緊接著的開挖將再次破壞上一次的應力狀態(tài)，管片安裝后對這一應力狀態(tài)又將產(chǎn)生新的調(diào)整，這些過程對于異型斷面的施工安全都極為重要，需要系統(tǒng)的分析計算，找出應力變化和調(diào)整的規(guī)律，以便施工時采取相應的對策；合理考慮連接部位各種因素的應力應變分析方法，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力狀態(tài)；對需設置立柱的地方，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
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