盾构机出洞方法的讨论

盾构机出洞方法的讨论

王秉勇1陈彦2

1.中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州7300002.甘肃铁科建设工程咨询有限公司甘肃兰州730000

摘要：本文通过对某市地铁工程施工中盾构机进出井方案的讨论，针对端头地层未加固的出井作业，提供了安全检算的基本思路。在技术先行的基础上保证了端头地层未加固的安全出井，并得到相应的教训。

关键词：盾构机进出井加固安全检算

1.前言

盾构机的进洞和出洞是盾构施工重点的安全控制环节，施作何种进出井地段地层加固措施是工程技术人员关注的主要问题。针对不同地层和周围建筑物状况可以采用不同的加固措施。某市地铁穿越砂卵石地层，盾构机进出口地段比较空旷，无任何建筑物，为此在保证安全的情况下为了试探该类地层中不同的加固效果，分别采用了几种加固措施，如地表注浆、咬合桩+注浆、大管棚+注浆，同时也根据实际情况尝试在没有任何加固措施的情况下慢速磨桩出井。该文主要针对磨桩出井方法实施过程中应该注意的环节谈一些看法和认识。

2.工程概况

本文所述盾构地段为砂卵石地层，接收井端头地层主要有1-1杂填土、2-1黄土状土，2-10砂卵石、3-11砂卵石，地下水位埋深约11.9m，隧道拱顶埋深13.6m左右，端头地层分布如图1。

图1端头地层分布图

区间隧道最大纵坡坡度21‰。线路最大埋深为20.84m，最小平面曲线半径450m。

3.盾构机出洞筹划

该处盾构出井的端头加固原设计为大管棚加固，管棚采用φ108mm的钢管，壁厚6mm，分节安装。钢套管上布置注浆孔，孔径为φ10mm，孔间距200mm，呈梅花型布置。管棚长度为10m，管棚孔口位置在盾构洞门钢环内布设，管棚管环向中心间距400mm，外插角为5°，共计19孔。注浆浆液采用单液浆，水灰比1：1，注浆压力控制在0.5～0.8Mpa。但是由于当时施工过程中的特殊原因，考虑盾构机长时间停机会引发出渣量不可控，甚至导致地面坍塌的问题，在实际掘进过程中一次性将盾构机推进至玻璃纤维筋围护桩上并先期磨桩10cm后停机。此期间对端头段落的地层钻探证明隧道顶未出现塌空现象。为了保证盾构机安全出井，有必要针对实际工况进行专项方案的论证。

3.1盾构接受到达前的常规准备工作

盾构贯通前的测量是复核盾构所处的方位、确认盾构姿态、评估盾构出洞时的姿态和拟定盾构出洞段的施工轴线、推进坡度的控制值和施工方案等的重要依据，保证盾构在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好的姿态出洞。到达车站前10环，将盾构轴线调整至隧道设计轴线，偏差不超过±10mm以内，使盾构机以最佳姿态出洞，准确无误地落到接收托架上。

3.2端头降水

为使盾构接收时地下水不涌入基坑，盾构接收端及接收端井点降水在结构完成后不间断降水作业，保证水位已降至23m以下，满足隧道底部0.5m以下，保证舱内没有地下水。

3.3盾构机磨桩参数调整

盾构机抵围护桩并开始磨桩作业前，对全过程的各项参数应按照磨桩的进度随时进行调整，保证慢速推进、刀盘转速和推力逐渐减小。

根据围护桩的特点和盾构机性能，初步设定磨桩作业的基本参数为：

①推进速度控制在10～20mm/min；

②推力控制在T=1000t左右；

③刀盘转速控制在1.1～1.5rpm。

4.基本推力下围护桩结构的安全性检算

由于砂卵石地层的内摩擦角为45°左右，且没有胶结，所以在围护桩桩径范围内的地层承受水平荷载的能力很小，在此计算中可以忽略不计，仅考虑围护桩本身的水平受力。作为围护桩本身则要考虑三个方面的因素。第一是桩身承受水平荷载时自身的抗剪能力；其次是桩的抗弯能力；最后考虑桩与环接触处结构支承反力对结构的作用。

4.1围护桩结构设计

围护桩设计为直径1.5m的玻璃纤维筋混凝土桩，全桩沿周边均布32根，玻璃纤维筋直径25mm，保护层厚度70mm。桩间距1.8m，盾构环内布置四根。桩身混凝土为C40。具体见图4、图5

图2围护桩设计断面图3环内围护桩布置图

4.2检算基本参数

根据以上特点，拟选用的检算指标和结构尺寸如下：

玻璃纤维筋抗拉强度fL=350MPa

混凝土抗压强度[σ]=40MPa

混凝土抗剪强度[τ]=4MPa

盾构环直径D=6456mm

环内围护桩长L1=6.1m，L2=3.4m

4.3围护桩受力简要分析

在盾构环面内有四根围护桩共同承受来自盾构机的推力，由于推力均布于整个环面，所以桩身荷载按照长度均布计算。

4.4围护桩受力检算

桩本身检算包括桩身抗剪检算和抗弯检算。剪力检算中按照桩身最小断面计算，考虑整个环面和单桩两种状态。

4.4.1整个环面抗剪检算

面积S=8×（π×1.52）/4=14.13m2

剪力τ=1000t/14.13=0.708MPa≤[τ]=4MPa

结构安全。

4.4.2单桩抗剪检算

荷载P1=q×L1=526×6.1=3208.6KN

面积S=2×（π×1.52）/4=3.53m2

剪力τ=3208.6/3.53=0.91MPa≤[τ]=4MPa

结构安全。

4.4.3抗弯检算

把环面内的围护桩简化为简支梁进行检算，就成为圆截面梁正截面的承载能力检算，受力简图见图6。

跨中最大弯矩为：

最大弯矩：Mmax=qL12/8=526×6.12/8=2446.56KN-m

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）的规定，圆形截面受弯构件可按如下公式进行计算。

（1）

（2）

（3）

A为圆形截面面积，mm2；As为全部纵向钢筋的截面面积，mm2；r为圆形截面的半径，mm；rs为纵向钢筋重心所在圆周的半径，mm；ɑ为对应于受压区混凝土截面的圆心角（弧度）与2π的比值；ɑt为纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值；ɑ1为受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，当混凝土强度等级不超过C50时，ɑ1取为1.0，本例混凝土强度等级为不超过C50的情况；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；fy为钢筋的抗拉（压）强度设计值，N/mm2。

上述公式涉及求解超越方程，不便设计使用。在常生福的《圆形截面钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的简化计算》一文中，提到了一种近似解法，即将（2）式写成以下两种形式，并引入了Ψ，β和γ三个参数：

（4）

（5）

式中：

（6）

由（3）可知，式（6）还可以写成：

（7）

（8）

（9）

通过作近似处理（7）（8）（9）三式近似为：

（10）

（11）

（12）

则截面承载力复核步骤如下：

①由式（6）计算；

②将β代入式（10），求得ɑ；

③由式（11）求得

④由式（5）求得。

本例计算过程：

由式（6）得，

代入（10）中，

即，

解得（另一个值舍去）

代入（11）得，

则

M＞Mmax=2446.56KN.m结构安全。

4.4.4最大水平支撑力对结构的影响

环内桩的两端作用在结构上，可视为集中荷载作用在悬臂梁端。

单桩L1作用在结构上的支撑反力为P1/2，即1604KN，

单桩L2作用在结构上的支撑反力为P2/2，即894KN，

结构和简化受力如图7。

图4简化计算模型

环周支撑围护桩的侧墙简单视为悬臂梁，悬臂高度分别为1.33米和0.65米，勒脚处的高度为0.3米，则变截面处的弯矩计算显示为L2桩控制，计算断面的最大弯矩为MmaxL2=894KN.m，按照单位宽度计算断面，则截面高度为0.7m，单排配筋为10根Ф25（HRB335），保护层厚度50mm。混凝土设计标号C40。

参照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）检算截面弯矩是否满足承载力要求。

计算参数：

b=1.0m

h0=0.7-0.05=0.65m

fc=19.1MPa（C40混凝土）

fy=310MPa

按照设计配筋，经检算属于适筋梁，计算公式为：

＞MmaxL2=894KN-m

结构安全。

4.5磨桩过程参数调整

磨桩过程中，随着桩身有效断面的不断减小，承受水平荷载的能力也就会不断降低，所以在此过程中要逐渐减小盾构机的推力以平衡桩身剩余的承载能力。通过以上的检算证明推力在1000t时的磨桩作业是完全安全的，该过程对结构无影响。

但是在推进过程中如果推力减小不当，可能会造成端头桩体过早崩裂给结构产生不利影响甚至造成盾构机漏浆。为了最大限度地磨除桩体，通过前面的计算发现，桩体破坏主要受剪切控制。所以要计算在磨桩1/4直径、1/2直径和3/4直径时桩体抗剪能力，据此控制推力大小。图8是磨桩过程有效断面图。

图5磨桩三个阶段（1/4、1/2、3/4）有效断面图

图示为桩体磨除不同阶段剩余有效面积的计算图，说明磨除3/4直径时剩余有效面积为0.345m2，此时桩体的最大抗剪能力为：

T3/4=8×0.345×[τ]=1104t

据此说明在此阶段必须开始减小盾构机的推力和其它参数以保证前方安全。必要时从一半断面就开始逐渐减小推力。

5.磨桩过程地层变化

在磨桩作业过程中，大家非常关注地层的稳定状态，由于磨桩过程时间长，舱内渣土和压力保持存在困难，必然造成顶部地层的坍塌。通过盾构机顺利出井后的地表探查，在整个过程中隧道顶出现了较大的空洞，由于周围没有建筑物和通行道路，同时事先在地表进行了表面加固，所以未出现其它次生问题。根据地表填充混凝土数量证明，整个过程形成的空腔达到152m3。

通过该项目的特点说明，盾构进出井的地层加固非常重要，如果认为砂卵石地层或其他岩质地层比较稳定而忽视端头地层的加固效果，可能会带来不良或恶性结果。本项目由于地表没有其它建筑物，才在形成大空腔的前提下未出现地表下沉等问题，必须引以为戒。

6.结论

6.1盾构进出井作业必须结合地层特点，事先对端头段落地层进行有效加固才能有效保障进出安全。

6.2在特殊情况下必须制定详细的施工方案和操作要点，细致作业才能保证解决问题。

6.3解决工程中出现的问题必须考虑周全，通过分析和必要的检算能最大限度地排除潜在的危险因素。

参考文献：

[1]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）

[2]常生福.圆形截面钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的简化计算[J].中国港湾建设，2010（2）

[3]杨书江等.富水砂卵石地层盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011年4月

作者介绍：

王秉勇（1961~），男，工学学士，中铁西北科学研究院有限公司，教授级高工

陈彦（1981~），男，工学硕士，甘肃铁科建设工程咨询有限公司，高级工程师