微型盾构现已广泛应用于城市给排水隧道、电力隧道、综合管廊等市政工程。微型盾构由于断面小、预留必需的施工通道后可利用的空间十分有限, 造成盾构后配套台车长度增加, 盾构始发需要的空间增加。

本工程微型盾构由河流南岸S1井始发, 穿越河流, 由中间井S15接收。始发井S1为直径8m的圆形井, 原地面标高11.700m, 底板顶面标高-6.310 m, 井深18.01m。始发段掘进地层为强风化及中风化粉砂质泥岩, 隧道顶部岩层厚约3m。河流南岸为阶地和河漫滩交界带, 场地地下水主要为潜水、承压水和基岩裂隙水。始发井S1处主要存在基岩裂隙水。

接收井S15为先期工程施作的中间井, 位于河流北岸西干长巷内, 为直径6m的圆形井, 井中心距明城墙10.45m、距河流12.5m、距挡墙8.54m, 原地面标高12.450m、盖板顶标高8.550m、底板顶标高-5.580m、井深18.03m。接收段主要在淤泥质粉质黏土、粉质黏土层, 外河流非汛期水位控制在6.500m, 汛期水位最高达11.500m, 非汛期地下水位约9.000m。盾构轴线高程-3.760m, 非汛期水头差约12.76m, 地下水压较大。

洞门钢环和顶背各伸出井壁500mm, 始发井内实际可用尺寸为7m, 空间不能满足整体盾构始发要求。顶管施工空间要求小, 但盾构始发后要进行连续转弯, 最小转弯半径仅180m, 采用顶管始发技术不能满足复杂平面施工要求。因此, 有必要研究始发空间需求小、平面线形适应性强的始发技术。

结合顶管机始发空间需求小与盾构能够满足复杂平面线形施工要求的优点, 始发时决定采用盾构主机先分体顶管顶进, 待成型隧道长度满足盾构台车布置要求后, 拆除始发井内顶推系统改为盾构工艺施工的先推后盾分体始发技术。先推后盾分体始发流程为:地层加固→洞门凿除→推进系统及盾构机安装→顶管顶进→盾构机台车安装调试→盾构掘进。

始发井结构完成后, 按照设计要求进行始发端头加固。端头加固一般采用高压旋喷桩、袖阀管注浆、三轴搅拌桩等工艺, 目的为:①保证洞门围护结构凿除时掌子面不塌不漏^[1];②保证始发阶段刀盘处于均匀地层中, 有利于掘进姿态控制。端头加固完成后, 在井内进行水平探孔验证端头加固质量。探孔孔位应在洞门范围内随机选择, 探孔深度不超过加固段长度, 探孔不发生渗水、流砂等不利状况即可开始围护结构凿除;若出现渗水、流砂立即封闭探孔, 重新进行端头加固亦可采用井内水平注浆进行补强。

洞门凿除采用人工破除的施工方法, 考虑盾构始发后洞口止水装置的尺寸需求, 破除外径定为 3 100mm。始发井井壁结构为含ϕ28主筋钢筋笼的混凝土结构, 周边围护结构为ϕ800mm灌注桩。盾构始发洞门凿除施工顺序为:准备工作→破除前面1/2混凝土, 并切除钢筋→破除剩余1/2混凝土, 保留钢筋→切除剩余1/2钢筋→清理破碎混凝土块→清理洞门周圈多余钢筋等杂物→盾构始发。

洞门凿除首先将表层混凝土剥除, 然后切断外层钢筋, 最后分层凿除围护结构混凝土直至内层钢筋。内层钢筋不宜全断面切断, 应自下而上分节切断、分层凿除混凝土直至洞门顶部。

1) 推进系统安装 洞门围护结构凿除完成后安装推进系统, 包括顶背、油缸托架、推进油缸、环形顶铁、液压油站、控制系统6部分, 靠背紧贴始发井结构侧墙, 将推力均匀传递至始发井结构及围护结构;油缸托架固定油缸位置^[2];顶推油缸提供顶进所需的推力;环形顶铁将油缸推力均匀传递给管节。推进系统如图1所示。

2) 洞门密封装置 洞门采用带转轴式压板的止水帘布, 始发前将橡胶帘布、隔板、转轴式压板按照设计位置安装。盾体进入密封装置后, 逐块调整压板位置, 确保压板紧贴管节外壁, 防止管节和开挖面之间水土压力将密封帘布击穿。

3) 盾构安装 推进系统安装完成后安装盾构始发托架^[2], 始发托架安装要严格控制轴线及高程, 这是保证始发阶段盾构姿态的关键工序。托架及洞门密封装置安装完成后吊装盾构, 盾构下井后放置于始发托架上, 然后进行始发前最后一次检查, 主要包括刀盘、刀具、土仓检查, 检查无误后即可开始顶管模式掘进。

4) 转换节构造 先采用顶管工艺在始发井内拼装管节, 待成型隧道长度满足台车安装要求后转换为盾构工艺。转为盾构工艺后需解决管片与管节连接问题, 这就需对安装的第1节转换节进行特殊设计。特殊节前端需预留螺栓孔, 和管片采用螺栓连接;后部需预留管节承口钢套环, 和管节采用承插口连接。转换节大样如图2所示。

盾构安装调试完成后即可开始顶管法施工。与常规的顶管工艺相同, 根据盾构平衡形式确定出渣方式, 本工程需布置出渣管道。施工流程如图3所示。

顶管施工时需注意以下几个问题。

1) 转换节安装 盾构后第1节管节必须为转换节, 此时盾构推进系统油缸缸体全部回收, 转换节前端 (预留螺栓孔一端) 端板紧贴推进油缸掌靴, 后部为承口钢套环, 推进系统环形顶铁撑于转换节后部端板。

顶进行程大于单节管节长度 (2m) 时缩回推进油缸, 此时固定于油缸前部的环形顶铁同步回缩。拆除管内各类管线下放管节, 确保管节插口止水密封圈安装完好, 控制推进系统油压, 缓慢向前推进直至管节插口进入转换节后部钢套环, 延长各类管线, 继续推进, 转换节安装完成。

2) 触变泥浆注入 顶管施工管壁背后同步注入触变泥浆, 主要作用为减少土体和管节之间的摩擦力, 为长距离顶进创造条件;同时触变泥浆在管壁背后形成泥浆套, 在开挖面形成泥膜, 可起到封闭水流通道、固结松散颗粒、稳定开挖面作用。

先推后盾工法第1阶段采用顶管工艺顶进, 顶进长度无需太长, 触变泥浆主要作用是在开挖面形成泥膜, 稳定掌子面土体, 同时亦能起到减阻作用。管节注浆处随即安装压力表, 触变泥浆注入时观察管节壁后泥浆压力, 根据设定工作压力控制泥浆注入量。

3) 机头姿态控制 采用顶管工艺顶进时需随时关注盾构机头姿态, 此阶段为直线形顶进, 在始发井内设置经纬仪测量系统, 实时对安装在盾构隔板上的光靶进行测量, 出现偏差后及时采用盾构盾体间铰接系统进行纠偏, 确保盾体姿态在规范允许范围内。

第1阶段顶管施工长度满足台车安装需求后, 还需要置换管节壁后触变泥浆、拆除始发井内推进系统, 安装盾构配套台车、盾构自动测量系统、电瓶车运输系统等, 准备工作完成后调试盾构, 完成后开始盾构掘进。

将盾构吊装下井, 进行设备组装, 接通推进施工必要的管线^[3]。一切准备就绪后, 调试设备的各部件性能参数。

管节外壁和开挖面之间摩擦力足够提供盾构施工反力后, 采用水泥、水玻璃配制的双液浆置换管节壁后的触变泥浆。浆液置换时必须保证足够注浆压力, 克服岩土内天然水头压力和地层裂隙阻力使浆液充分扩散^[4], 将触变泥浆向一端挤压, 同时双液浆与开挖面土体充分混合和管节外壁混凝土一起快速固结, 固结后管节和固结体之间的摩擦力提供盾构施工所需的反力。

①空载调试 盾构拼装连接完成后, 即可进行空载调试。空载调试的目的主要是检查设备是否能够正常运转^[5]。②负载调试 负载调试的主要目的是检查各种管线及密封构件的负载能力, 进一步完善空载调试不能完成的工作^[6]。

盾构在初始掘进前必须完成盾构调试、地面设备材料准备、监测点布置等工作, 盾构始发掘进距离为100m, 30d完成。始发掘进100m是摸索掘进规律的试掘进阶段。

根据现场实际操作情况, 盾构采用先推后盾分体始发施工技术时, 主要技术要点如下。

1) 管节、管片拼装质量是隧道质量验收的主控项目, 主要包括接缝渗漏水情况、错台错缝情况、破损情况等, 主要检查止水密封条安装质量、管片安装点位, 各项指标必须符合规范要求后再进行下一环施工。

2) 施工前需对地上导线、井下控制点进行严格复测, 确保测量基准点符合规范要求;始发前严格复核始发托架安装位置及高程, 确保始发阶段姿态偏差不超规范要求;第1阶段顶管施工, 由于没有自动导向测量系统且经纬仪测量偏差较大, 故每节管节必须人工复核, 确保偏差不超规范要求;第2阶段盾构施工, 掘进过程中导线不断向前延伸, 每次导线延伸必须进行严格的导线测量, 新增基准点坐标复核无误后方可进行掘进。

盾构施工前通过对微型盾构先推后盾分体始发技术的研究与应用, 在盾构始发过程中, 始发井内无涌水, 接收井地面基本无变形。实践证明, 微型盾构先推后盾分体始发技术效果良好。