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盾构隧道掘进过程中原位清障处理案例剖析

发布于：2015-06-22 09:37:22 来自：道路桥梁/轨道交通 10 2541 [复制转发]

近年来，地下空间被认为是解决城市人口、环境、资源三大危机、实现城市土地集约化利用和可持续发展的重要措施和途径。因此，国内对地下空间的开发利用日新月异，从地下市政设施，如地铁、地下道路、越江隧道、综合管廊等设施，到地下公共建筑，如地下商业、文化、娱乐、停车库等设施，大大促进了我国地下工程的设计、施工和管理水平。
　　然而，地下工程的隐蔽性和复杂性使设计、施工、管理过程中不可预见因素较多，包括工程地质、水文地质、地下障碍物、地下管线、计算模型、施工机械、施工经验等诸多方面。这就导致地下工程施工中往往会出现一些突发状况，而处理措施常常成为整个工程成败的关键因素。
1　工程概况
　　2010年11月，上海在建轨道交通某段地下区间隧道在盾构推进过程中突然受阻，刀盘被卡，无法进行正常切削土作业。后经现场排摸调查，该段区间隧道平面和高程位置与已建雨水井位置部分重叠，盾构机刀盘顶住雨水井结构。
　　轨道交通区间隧道与Y38雨水井位置关系平、剖面图见图1。

平面图

剖面图

图1　轨道交通区间隧道与Y38雨水井位置关系平、剖面图

　　根据雨水系统设计资料，该雨水井（Y38井）为新建工程，正准备投入使用。Y38井明挖法施工，曾作为顶管工作井，工作井基坑采用SMW工法桩围护，施工完毕后其内插H型钢已拔除，但由于顶管顶进需要，基坑设计有400mm厚钢筋混凝土底板，500mm厚后靠板及300mm厚前挡板。设计底板底标高-6.52m，平面尺寸9000mm×5000mm。Y38井结构底板即座落于基坑底板之上，前后分别是Y37和Y39井，其中，Y37井～Y38井之间采用明挖埋管施作，Y38井～Y39井之间采用顶管施作，管节间采用F型接头。
　　轨道交通区间隧道结构为单层衬砌管片，外径6200mm，衬砌厚350mm，环宽1.2m，衬砌环间采用通缝拼装。采用盾构法施工，盾构机刀盘外径6340mm，为土压平衡盾构。
　　根据两工程设计资料的仔细核对，Y38井处，顶管工作井基坑底板与区间隧道结构平面投影重叠区域约3.4m，而底板底设计标高-6.52m，区间隧道结构顶标高-5.648～-5.829m，因此两者空间位置部分重叠。盾构若仍沿原线位通过，必须对Y38井结构进行破除。
2　事发段工程与水文地质条件
　　工程场地内分布的土层自上而下可划分：①1杂填土、①2素填土、②褐黄-灰黄色粉质黏土层、③灰色淤泥质粉质黏土夹砂质粉土、④灰色淤泥质黏土层、⑤1a灰色砂质粉土夹粉质黏土。第⑤1a层、第⑤3a层为微承压含水层。勘察期间，第⑤1a层承压水头为地下3.86m，第⑤3a层承压水头为地下5.38m。隧道底位于④和⑤1a层土。根据资料，井底部土体作了注浆加固，这是有利因素。
3　处理方案
　　3.1处理方案比选
　　针对该突发状况，先后提出3种处理方案：方案一，轨道交通按原线位实施，对受影响段雨水系统进行改线；方案二，雨水系统保持现状，轨道交通区间隧道改线绕行；方案三，原位清障结合结构改造，即雨水系统和轨道交通区间隧道均维持现位置，对雨水井（Y38井）结构进行改造，且需确保改造后的Y38井水流断面不减少，满足排水要求，让出轨道交通区间隧道盾构前行空间。方案一和方案二实施思路较明确，但耗资颇多，对两工程的工期影响较大，由此造成的社会影响也较大。方案三增加投资最少，但实施风险较大。
　　权衡利弊后，采用方案三作为最终实施方案。具体措施如下。
　　1）人工凿除影响盾构掘进的Y38井部分底板、侧墙及下方工作井底板，浇筑永久窨井内替换结构。
　　2）利用全回转钻机凿除大部分盾构掘进范围内的原顶管工作井底板。
　　3）地铁盾构从Y38井托换底板下方穿越，利用盾构机刀盘自身切削能力破除剩余工作井底板。
　　3.2处理方案
　　分区根据处理方式的不同，将待处理区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个区。处理方案分区示意图见图2。

图2　处理方案分区示意图

　　1）对于Ⅰ区：人工凿除影响盾构掘进的Y38井部分底板、侧墙及其下方工作井底板，浇筑永久窨井内替换结构。具体步序如下。
　　（1）人工凿除影响盾构推进范围内Y38井部分底板、侧墙及其下方工作井底板。凿除雨水井部分结构示意图见图3。

图3　凿除雨水井部分结构示意图

　　（2）清除凿除区后回填托换板底部空间，进行底板及侧壁植筋，立模浇筑托换底板。于底板上预留注浆孔，根据监测情况实施注浆。浇筑雨水井托换底板示意图见图4。

图4　浇筑雨水井托换底板示意图

　　（3）立模浇筑洞圈加强侧板。沿顶管井接头四周浇筑钢筋混凝土侧板，对接头薄弱处予以加强。浇筑雨水井洞圈加强侧板示意图见图5。

图5　浇筑雨水井洞圈加强侧板示意图

　　（4）雨水井结构补强。沿Y38井内壁作喷涂加固。喷涂材料完全固化后要求为韧性材料，使用庄子帆：盾构隧道掘进过程中原位清障处理案例剖析寿命≥50a。其拉伸屈服强度≥14MPa，极限抗拉应力≥19MPa，与混凝土附着力≥1MPa。
　　2）对于Ⅱ区：据施工现场定位得知，当前盾构机刀盘距离Y38井结构底板外缘仅约104mm，约1990mm范围的底板已被盾构机刀盘磨除，剩下的刀盘与井壁之间约104mm范围的原顶管工作井底板仍利用盾构机刀盘予以磨除。
　　3）对于Ⅲ区：Y38井另一侧原顶管工作井底板一部分利用全回转钻机破除，剩余部分利用盾构机刀盘磨除。
4　方案实施效果
　　2011年春节前，雨水井结构改造工作完成。2011年2月，轨道交通区间盾构恢复推进，并顺利通过雨水井。根据监测结果，至2011年5月底，雨水井测点累计沉降量最大达27.2mm，之后趋于稳定。该雨水系统和轨道交通工程已投入使用。
5　结语
　　上海某段轨道交通区间隧道在盾构推进过程中碰到已建雨水井结构而受阻。通过对两者空间相对位置关系的分析，结合事发地工程地质与水文地质条件，研究提出原位清障结合结构改造的处理方案。将待处理区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个区。Ⅰ区采取人工凿除障碍并浇筑永久替换结构；Ⅱ区范围狭小，利用盾构机刀盘磨除障碍；Ⅲ区利用全回转钻机破除障碍。并对雨水井结构进行了一系列加固处理。实施结果表明该方案合理可行，效果良好，确保轨道交通和排水系统如期投入使用。