土壓平衡盾構(gòu)在天津地鐵2號線的應(yīng)用探究論文
1 概述
1.1 工程概況
天津地鐵2號線為西南角站—鼓樓站—東南角站（兩個區(qū)間一個車站），鼓樓站為地鐵2號線的中間站，車站主體位于南馬路與南門外大街以及城廂中路交叉路口沿南馬路方向的路面下。鼓樓站車站采用12m站臺雙層雙跨單柱島式車站。車站總長度為281.8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.5m，高度為13.71m。車站主體基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，厚度800mm，標(biāo)準(zhǔn)段、盾構(gòu)井段地連墻深度均為32m。
西南角站—鼓樓站區(qū)間線路西起位于西馬路、南開三馬路與南馬路交叉口的西南角站，沿南馬路東行，至南門外大街、城廂中路與南馬路的交叉口。西南角站—鼓樓站左線區(qū)間長604.48m，右線區(qū)間長604.572m。區(qū)間平面布置于南馬路下，左線設(shè)兩條半徑為3000m的曲線，右線設(shè)三條半徑為3000m的曲線，線間距由出西南角站時的15.6m過渡到鼓樓站的15m。區(qū)間縱斷面由西南角站向鼓樓站為“V”字坡，出西南角站坡度為9″，在DK9+300變坡，后變坡度為12.776″（左、右線為12.77″）進入鼓樓站。區(qū)間頂部覆土約為9～13m。
鼓樓站—東南角站區(qū)間西起位于南馬路與南門外大街、城廂中路交叉口的鼓樓站，沿南馬路東行，穿越城廂東路與榮業(yè)大街，最終到達位于南馬路、通南路與東馬路、和平路交叉口的東南角站。鼓樓站—東南角站左線區(qū)間長575.624m，右線區(qū)間長528.685m。區(qū)間平面布置于南馬路下，左線設(shè)兩條半徑為3000m的曲線，右線設(shè)一條半徑為3000m的曲線，線間距由出鼓樓站的15m過渡到東南角站端的17m。區(qū)間縱斷面由鼓樓站向東南角站為一單向坡，出鼓樓站坡度為2″，在區(qū)間中部先變?yōu)?4.104″（左線24.746″），后變坡為5″，最后以2″進入東南角站。區(qū)間頂部覆土約為10～16m。
1.2 水文、地質(zhì)條件
西鼓區(qū)間、鼓東區(qū)間地表層地下水類型主要為第四系孔隙潛水，賦存于Ⅱ、Ⅲ陸相層及其以下的粉土、粉細(xì)砂層的地下水具微承壓性，為微承壓水。
西鼓區(qū)間所處地段屬沖積平原，地形平坦，地面高程2.92～3.92m。本區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層（人工堆積Qml）、第Ⅰ陸相層（第四系全新統(tǒng)上組河床～河漫灘相沉積Q43al）、第Ⅰ海相層（第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積Q42m）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層Q41h、河床～河漫灘相沉積Q41al）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積Q3eal）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統(tǒng)四組濱�！毕珟喑练eQ3dmc）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積Q3cal）。
鼓東區(qū)間所處地段屬沖積平原，地形較平坦，地面高程為3.28～3.9m。工程涉及地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（人工堆積Qml）、新近沉積層（故河道、洼淀沖積Q43Nal）、第Ⅰ海相層（第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積Q42m）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統(tǒng)下組河床～河漫灘相沉積Q41al）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積Q3eal）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統(tǒng)四組濱�！毕珟喑练eQ3dmc）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積Q3cal）。
2 土壓平衡式盾構(gòu)施工
2.1 機具設(shè)備
盾構(gòu)隧道工程的機具設(shè)備包括兩大部分：一是盾構(gòu)機械本身及其附屬設(shè)備，二是隧道施工常用設(shè)備。
2.2 工藝原理
EPBS是在局部氣壓式盾構(gòu)和泥水加壓式盾構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種適用于飽和含水軟弱地層中施工的新型盾構(gòu)，其施工方法是為了保持開挖面的穩(wěn)定，在切削刀盤后的密封腔內(nèi)充填開挖下來的土砂，并保持一定壓力的一種方法。土壓平衡式盾構(gòu)可以分為兩類：一類是在粘性土地層中將開挖下來的土體直接充填在切削腔內(nèi)，用螺旋輸送機調(diào)整土壓，使土艙內(nèi)土體與開挖面水土壓平衡；另一類是在砂性土地層中向開挖下來的土砂中加入適量的水或泥漿、添加劑等，通過攪拌以勻質(zhì)、具有流動性的土體充填土艙和螺旋機，達到工作面的穩(wěn)定。
土壓平衡盾構(gòu)是利用安裝在盾構(gòu)最前面的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來的土進入刀盤后面的貯留密封艙內(nèi)，并使艙內(nèi)具有適當(dāng)壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少盾構(gòu)推進對地層土體的擾動，從而控制地表沉降，在出土?xí)r由安裝在密封艙下部的螺旋運輸機向排土口連續(xù)的將土渣排出。
2.3 施工工藝流程
施工順序說明：在始發(fā)井主體結(jié)構(gòu)回填場地上進行地面硬化并根據(jù)施工需要建地面配套設(shè)施（如45t龍門吊、16t龍門吊、碴土坑、配電房、循環(huán)冷卻水池、倉庫、電瓶機車充電池等）。盾構(gòu)機進場后，經(jīng)拼裝、調(diào)試后從始發(fā)井出發(fā)，西鼓區(qū)間、鼓東區(qū)間左右線兩臺盾構(gòu)機始發(fā)時間需相差1個月，且前后錯開距離不小于100m，聯(lián)絡(luò)通道施工在盾構(gòu)掘進施工后期，洞門施工在盾構(gòu)機進洞后進行。
盾構(gòu)法施工主要包括三個施工環(huán)節(jié)：盾構(gòu)機出洞、區(qū)間段的施工、盾構(gòu)機進洞。
西鼓區(qū)間原設(shè)計掘進方向為鼓樓站右線始發(fā)→右線掘進→西南角站調(diào)頭→左線掘進→鼓樓站結(jié)束。
鼓東區(qū)間原設(shè)計掘進方向為鼓樓站右線始發(fā)→右線掘進→東南角站調(diào)頭→左線掘進→鼓樓站結(jié)束。
其中西南角站為天津地鐵1號線和2號線換乘站，東南角站為天津地鐵2號線和4號線換乘站。
為滿足天津地鐵2號線2010年底試通車的總工期要求及第8施工合同段各節(jié)點工期目標(biāo)要求，經(jīng)地鐵集團公司與設(shè)計院及施工單位多次研究，將西鼓盾構(gòu)區(qū)間掘進方向調(diào)整為西鼓盾構(gòu)區(qū)間左線按原設(shè)計方向掘進，右線調(diào)整為西南角站右線始發(fā)→右線掘進→鼓樓站結(jié)束；鼓東盾構(gòu)區(qū)間掘進方向調(diào)整為鼓東區(qū)間右線按原設(shè)計方向掘進，左線調(diào)整為鼓樓站左線始發(fā)→左線掘進→東南角站結(jié)束。
2.4 主要項目的施工方法
2.4.1 區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)施工隧道內(nèi)運輸采用電瓶機車牽引出土碴車、管片運輸平板車及漿罐車，以有軌運輸方式出碴、運送管片、漿液及其他材料。盾構(gòu)工作井口設(shè)龍門吊，進行豎井垂直運輸和襯砌管片的場內(nèi)運輸。地面設(shè)存土坑、管片存放場及20m3/h漿液拌和站，同步注漿漿液通過管道輸送到井下的砂漿車中。盾構(gòu)隧道通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，隧道斷面風(fēng)速≥0.5m/s。通風(fēng)機安裝在盾構(gòu)井井口處。西鼓區(qū)間施工受西南角站內(nèi)場地條件限制，西鼓區(qū)間左線前100m施工時，需借助右線盾構(gòu)井進行出土、管片運輸及材料吊運；右線盾構(gòu)機安裝時在主機與后配套臺車之間延長100m管線，開始掘進至掘進完成均利用右線盾構(gòu)井作為出渣進料通道。在西南角車站內(nèi)距盾構(gòu)井70m位置設(shè)置10t電動葫蘆，配置6個3m3小渣斗出土。
2.4.2 聯(lián)絡(luò)通道施工。盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道相應(yīng)位置預(yù)設(shè)特殊管片，在盾構(gòu)隧道內(nèi)采用暗挖法施工。
聯(lián)絡(luò)通道施工時先在聯(lián)絡(luò)通道開口環(huán)不開口的部位設(shè)支撐，然后在聯(lián)絡(luò)通道位置的管片上開口。人工開挖，邊開挖邊施做初期支護，然后鋪設(shè)防水板并澆筑二次襯砌混凝土，最后施作框架梁。
2.4.3 洞門施工。盾構(gòu)隧道左右兩線共有4個洞門，待盾構(gòu)隧道貫通后盾構(gòu)機解體吊出后進行施工。拆除洞門處管片，預(yù)埋管片螺栓、綁扎鋼筋，按設(shè)計圖立模、澆筑洞門混凝土。
2.5 操作要點
施工時，應(yīng)不斷對日常操作等活動進行管理，隨時注意開挖面的狀態(tài)、隧道中心線偏移量、一次襯砌環(huán)狀況、注漿狀況以及對地表變形的影響等。
2.5.1 初始推進段施工。盾構(gòu)從豎井出發(fā)后一般需有一段距離作為推進試驗階段，在這期間施工人員的任務(wù)：（1）熱練掌握EPBS的性能和運行狀況；（2）確定適合于本工程和盾構(gòu)的施工管理的要素；（3）摸索出此盾構(gòu)施工中地表變形的'一般規(guī)律。
在試驗段推進中，結(jié)合地表變形量測情況和工程質(zhì)量、盾構(gòu)設(shè)備的要求，對施工參數(shù)反復(fù)量測、分析、調(diào)整，進一步優(yōu)化。對于土壓平衡式盾構(gòu)而言，一般選定以下幾個施工參數(shù)進行優(yōu)化：上艙土壓力、推進速度（千斤頂行程速度）、總推力、刀盤扭矩、出土量、注漿狀況（數(shù)量、壓力）等。
2.5.2 地表變形控制。EPBS在初始段推進中摸索出變形一般規(guī)律及有效的防治措施后，根據(jù)沿途環(huán)境情況設(shè)置要求不同的量測段，做更深入具體的地表沉降值、土壓力、孔隙水壓力及添加劑量、注漿狀況等方面的量測和管理工作。
2.5.3 土壓力管理。土壓力一般通過裝置在密封土艙內(nèi)的土壓計檢測讀出，通常較為合適的土壓力P0范圍是：（水壓力+主動土壓力）＜P0＜（水壓力+被動土壓力）。P0以相應(yīng)的靜止土壓力為中心在此范圍內(nèi)作波動。
土壓力P0設(shè)定與管理方法為：（1）理論估算，經(jīng)驗判斷，確定一個較理想的P0值；（2）精心操作，認(rèn)真量測，及時反饋信息，根據(jù)出土量與地表沉降數(shù)據(jù)對P0相應(yīng)調(diào)整；（3）對已定P0進行動態(tài)管理，以適應(yīng)連續(xù)推進情況。
2.5.4 其他操作要點：（1）對隧道施工所需的主要材料及制品應(yīng)進行必要的試驗和檢查，確認(rèn)其質(zhì)量、形狀、尺寸、強度等與說明書或質(zhì)保書相符合之后再使用；（2）盾構(gòu)推進中千斤頂及其所產(chǎn)生的推力的選擇，這樣既不會使工作面受到損害，又不會使襯砌等后方結(jié)構(gòu)受到損傷，并使盾構(gòu)在設(shè)計軸線上準(zhǔn)確推進；（3）推進測量是為了使隧道誤差在容許范圍內(nèi)，在推進時使拼裝好的襯砌和盾構(gòu)在設(shè)計位置上，及早掌握其偏差，并及時嚴(yán)格糾正。原則上每環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)、襯砌位置各測一次，并將結(jié)果在下一環(huán)推進之前反饋給施工管理人員和盾構(gòu)司機；（4）對管片運輸、儲存要加強管理，在運輸過程中防止管片受到損傷，在現(xiàn)場的臨時堆放應(yīng)能適應(yīng)盾構(gòu)施工進度且有一定的富余量；（5）本工法采用干式出土，因此隧道運輸?shù)暮侠戆才藕驼{(diào)度是保證盾構(gòu)推進進度的重要因素。
3 結(jié)語
土壓平衡盾構(gòu)施工工法在天津地鐵2號線第8合同段得到了較好的應(yīng)用，能很好地控制地表沉降，施工速度快，易于環(huán)境保護，易于質(zhì)量控制。采用盾構(gòu)方法施工，解決了在城市中心施工難度大、風(fēng)險大、工期長等弊端。在確保質(zhì)量的情況下，可以大大地縮短工期，并且可節(jié)約投資費用。適宜在市區(qū)和建筑物密集區(qū)施工，具有一定的社會經(jīng)濟意義，值得推廣應(yīng)用。盾構(gòu)法施工具有較好的應(yīng)用前景及社會效益。
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