盾构法隧道异型断面施工技术初探


【摘要】本文介绍厂异型断面施工的两种途径：扩径盾构法和盾构法基础上的人工扩挖法。重点阐述和分析了盾构法基础上进行人工扩挖的步骤以及异型断面需重视的主要技术问题。探询盾构法隧道异型断面施工技术，寻求盾构法在城市地铁工程中获得大规模应用的突破口，达到进一步提高地铁工程的建设质量，缩短建设周期，总体上大幅度地降低
工程造价具有重要的现实意义。
【关键词】盾构法 异型断面 施工
1引言
直接采用盾构法施工或配合盾构法施工异型断面隧道已成为世界各国地下铁道施工的最新技术和前沿之一。如英法海峡隧道渡线室采用盾构通过后矿山法修建，伦敦地铁曾采用铸铁管片拼装渡线室等等。另一方面，由于我国盾构设备能力及设计施工技术经验不足，目前上海、广州、北京、南京、深圳等城市在已建和拟建的地下铁道中，多数情况下均 用明挖法和矿山法施工，盾构法施工仅限于断面型式单一，直径较小的区间隧道。配合盾构法施工异型断面隧道，不管是直接 用盾构施工法或间接地在盾构施工法的基础上进行扩挖都尚未尝试。这种现状严重制约了盾构施工技术在我国的发展和推广。目前施工异型断面可以有两种途径：一是采用扩径盾构法，二是在盾构隧道基础上采用传统方法扩挖。
盾构隧道异型断面一般是在原隧道基础上扩挖修建的，扩挖技术成为施工的关键技术。盾构隧道在下述情况下需要进行地中扩挖：①在平行设置的2个髓道之间建造地铁车站等建筑物。②在地中建造组装扩径盾构的空间和各地下设施的收容空间等。③在地中隧道分岔处或某种角度接合处。地中扩挖的难点是，由于扩挖的施工法、扩挖部结构及隧道接合部的接合法，产生了这部分结构与防水两方面问题，对此必须在设计施工时进行周密的研究。图1是常遇异型断面和扩挖的场合。

图1异型断面及其扩挖
2 扩径盾构法修建异型断面
扩径盾构施工法是刘原有盾构隧道上的部分区间进行直径扩展，以满足修建地铁车站和安装其他设备之需要。扩径盾构的施工过程见图2。施工时，先依次撤除原有部分衬砌和挖去部分围岩，修建能够设置扩径盾构机的空间作为其出发基地。随着衬砌的撤除，原有隧道的结构，作用荷载和应力将发生变化，所以必须在原有隧道开孔部及附近采取加固措施。扩径盾构在撤除衬砌后的空间里组装完成后便可进行掘进，为使推力均匀作用干机休尾部的围岩，需要设置合适的反力支承装置。当尾部围岩抗力不足时，需要采用增加围岩强度的措施，也可设置将推力转移到原有管片上的装置。扩径盾构的施工工艺主要包括：—次盾构掘进，修建一次盾构基地，圆周盾构，圆周盾构掘进，完成扩径盾构出发基地，组装扩径盾构，扩径盾构掘进和完成扩径等。

圈2扩径盾构法
扩径盾构在国外也是一项先进的施工技术，正获得越来越广泛的运用。图3是扩径盾构机及其修建的扩径隧道写真图片。显然，扩径部位是特殊的异型断面，该部位的应力状态非常复杂。表1是扩径盾构施工实例。

图3 扩径盾构及其修建的扩径盾构隧道

扩径盾构需注意以下事项：①盾构机长应尽可能缩短以缩小出发基地的规模。根据原有隧道内的运输，对出发基地内的组装的大小及重量进行分割。②开挖面作业空间的划、会影响盾构开挖作业效率，故需考虑其作业性进行决定，一般需确保30cm以上的最小开挖空间。③配备能够迅速进行扩径管片组装和和原有管片拆卸的装置。由于修建扩径盾构出发基地时，应依次拆除部分衬砌和挖去部分围岩，修建能够设置扩径盾构的空间，这将导致原有隧道的结构作用荷载和应力发生变化．所以除需在原有隧道开孔部及其附近加固隧道外，还需通过测量掌握衬砌应力，在监视围岩状态的同时谨慎施工。
3盾构隧道基础上人工扩挖法修建异型断面
异型断面隧道长度相对盾构施工总长占据很小的比例，为长度相对较短的异型断面区段制造或购买一台扩径盾构机不切合仍处于发展中国家的我国国情，现阶段在我国大量采用扩径盾构法施工尚有一段距离。结合中国国情，在修建需扩挖的异型断面时，宜采用在盾构施工完成后用传统方法进行扩挖的途径。换言之，先采用在全部或部分暗挖区间以盾构法施工先行贯通，在已经形成的区间隧道基础上再用不同方式对车站、渡线室、联络通道等特殊异型断面进行扩挖，这样不仅可大幅缩短建设周期，提高地铁工程的建设质量，确保施工期间的安全，极大地减小对周围环境的影响，而且能通过盾构法的长距离应用，产生规模效益，从总体上较大幅度地降低工程造价。图4是以盾构隧道为拱座基础修建单拱结构的示意图，它的特点是无用盾构修建两侧隧道，在隧道内部模筑混凝土拱座，然后用若干小型盾构修筑上部拱式结构体，在上部结构体的保护下采用人工开挖，此方法是典型的盾构隧道基础上进行人工扩挖修建异型断面的实例之—。

图4 盾构隧道为拱座基础修建单拱结构示意
以两连岛式车站为例，在双线盾构隧道基础上扩挖成站的施工步骤大致为：(a)进行地层加固和超前支护、开挖中导坑并修筑巾墙；(b)超前支护或地层加固、开挖左侧导坑并修左边墙；(c)超前支护或地层加固、开挖左部拱顶上弧并修筑拱部结构(现浇混凝土或装配式)；(d)开挖左洞余下部分并拆除管片；(e)修筑左洞仰拱(现浇混凝土或装配式)；(f)超前支护或地层加固、开挖右侧导坑并修右边墙；(g)超前支护或地层加固、开挖右部拱顶上弧并修筑拱部结构(现浇混凝土或装配式)；(h)开挖右洞余下部分j9拆除管片；(i)修筑右洞仰拱(现浇混凝土或装配式。施工步骤见图5。综上，在盾构法隧道基础上扩挖主要包含以下步骤：地层加固和超前支护，管片拆除，扩挖土体，临时支护，模筑混凝土或管片安装，拆除支护等步骤。一般地中扩挖施工时，都采用敞开开挖面的方法。由于围岩因先行隧道的施工已经松动，应根据需要用辅助施工法等来取得围岩的稳定，然后分步开挖，同时采取适当措施以防止已设隧道或地中结构物的变形。可采用钢制支架或特殊的管片等一边支护围岩，一边慎重进行扩挖。作为特殊的地中扩挖方法，已开发使用的有一种通过管片装置的组合来加宽已设隧道的施工法，侧向扩挖已设隧道的施工法等等。对于联络通道或渡线，异型断面位置应力复杂，需认真考虑接合方式，注意应力恶化区域。

4 盾构法隧道异型断面的主要技术问题
西南交通大学承担了广州地铁3号线异型断面施工技术研究课题，从先期计算分析和以往盾构隧道课题研究成果来看，以下一些技术问题非常重要，值得深入地细化分析:
(1)从施工角度而言，重要的是保证扩挖时围岩的稳定和控制相邻管片应力的恶化，为此，需要重点研究管片拆除前对围岩的超前加固和拆除后扩挖过程中的临时支护技术：包括设置临时支柱，对管片后围岩超前注浆加固处理等措施：其次需要研究运用于异型断面区段的特殊管片型式以及连接异型断面与普通断面的合理连接构件．连接构件要保证异型断面处受力状态合理，外观上符合审美标准等。设计和研制适用于局部扩挖的小型施工机械．保证施工方便和容易操作，例如设计小型盾构机械，可以用于图4顶拱的施工，由于异型断面管片后部围岩异于普通盾构隧道．采用常规壁后注浆方式效果难以保证．所以研究异型断面处壁后注浆的具体方式比较重要：
(2)从设计角度而言，主要需发展针对特殊异型断面型式的结构计算方法和模式。同时要能够全面模拟施工过程隧道的力学行为，即加固，管片拆除．开挖，模筑衬砌或拼装特殊管片等过程。在盾构隧道基础上扩挖的最大不同就是在原基本稳定的围岩和管片系统基础上拆除管片。管片拆除后围岩和相邻管片应力将重分布，紧接着的开挖将再次破坏上一次的应力状态，管片安装后对这一应力状态又将产生新的调整，这些过程对于异型断面的施工安全都极为重要，需要系统的分析计算，找出应力变化和调整的规律，以便施工时采取相应的对策；合理考虑连接部位各种因素的应力应变分析方法，以便能够选择和优化连接构件的几何尺寸和连接方式，研究表明：衬砌连接部位采用搭接代替钢接能显著改善连接部位的应力状态；对需设置立柱的地方，也需要研究立柱和管片的连接方式，在满足其他要求情况下，尽量做成柔性接头，如铰接或弹性较等。

参考文献
【1】朱伟，盾构隧道施工技术现状及展望（第三讲）--盾构隧道应用前景及发展方向[j]。岩土工程界，5（1）：18-21
【2】张自强，河川。双线盾构隧道及联络通道复杂结构受力分析。铁道学报，2002，24（6）：89～92