土压平衡盾构在天津地铁2号线的应用探究

　　1 概述
　　1.1 工程概况
　　天津地铁2号线为西南角站鼓楼站东南角站（两个区间一个车站），鼓楼站为地铁2号线的中间站，车站主体位于南马路与南门外大街以及城厢中路交叉路口沿南马路方向的路面下。鼓楼站车站采用12m站台双层双跨单柱岛式车站。车站总长度为281.8m，标准段宽度为20.5m，高度为13.71m。车站主体基坑围护结构采用地下连续墙，厚度800mm，标准段、盾构井段地连墙深度均为32m。
　　西南角站鼓楼站区间线路西起位于西马路、南开三马路与南马路交叉口的西南角站，沿南马路东行，至南门外大街、城厢中路与南马路的交叉口。西南角站鼓楼站左线区间长604.48m，右线区间长604.572m。区间平面布置于南马路下，左线设两条半径为3000m的曲线，右线设三条半径为3000m的曲线，线间距由出西南角站时的15.6m过渡到鼓楼站的15m。区间纵断面由西南角站向鼓楼站为V字坡，出西南角站坡度为9，在DK9+300变坡，后变坡度为12.776（左、右线为12.77）进入鼓楼站。区间顶部覆土约为9 13m。
　　鼓楼站东南角站区间西起位于南马路与南门外大街、城厢中路交叉口的鼓楼站，沿南马路东行，穿越城厢东路与荣业大街，最终到达位于南马路、通南路与东马路、和平路交叉口的东南角站。鼓楼站东南角站左线区间长575.624m，右线区间长528.685m。区间平面布置于南马路下，左线设两条半径为3000m的曲线，右线设一条半径为3000m的曲线，线间距由出鼓楼站的15m过渡到东南角站端的17m。区间纵断面由鼓楼站向东南角站为一单向坡，出鼓楼站坡度为2，在区间中部先变为24.104（左线24.746），后变坡为5，最后以2进入东南角站。区间顶部覆土约为10 16m。
　　1.2 水文、地质条件
　　西鼓区间、鼓东区间地表层地下水类型主要为第四系孔隙潜水，赋存于Ⅱ、Ⅲ陆相层及其以下的粉土、粉细砂层的地下水具微承压性，为微承压水。
　　西鼓区间所处地段属冲积平原，地形平坦，地面高程2.92 3.92m。本区地层为第四系全新统人工填土层（人工堆积Qml）、第Ⅰ陆相层（第四系全新统上组河床 河漫滩相沉积Q43al）、第Ⅰ海相层（第四系全新统中组浅海相沉积Q42m）、第Ⅱ陆相层（第四系全新统下组沼泽相沉积层Q41h、河床 河漫滩相沉积Q41al）、第Ⅲ陆相层（第四系上更新统五组河床 河漫滩相沉积Q3eal）、第Ⅱ海相层（第四系上更新统四组滨海 潮汐带相沉积Q3dmc）、第Ⅳ陆相层（第四系上更新统三组河床 河漫滩相沉积Q3cal）。
　　鼓东区间所处地段属冲积平原，地形较平坦，地面高程为3.28 3.9m。工程涉及地层主要为第四系全新统人工填土层（人工堆积Qml）、新近沉积层（故河道、洼淀冲积Q43Nal）、第Ⅰ海相层（第四系全新统中组浅海相沉积Q42m）、第Ⅱ陆相层（第四系全新统下组河床 河漫滩相沉积Q41al）、第Ⅲ陆相层（第四系上更新统五组河床 河漫滩相沉积Q3eal）、第Ⅱ海相层（第四系上更新统四组滨海 潮汐带相沉积Q3dmc）、第Ⅳ陆相层（第四系上更新统三组河床 河漫滩相沉积Q3cal）。
　　2 土压平衡式盾构施工
　　2.1 机具设备
　　盾构隧道工程的机具设备包括两大部分：一是盾构机械本身及其附属设备，二是隧道施工常用设备。
　　2.2 工艺原理
　　EPBS是在局部气压式盾构和泥水加压式盾构基础上发展起来的一种适用于饱和含水软弱地层中施工的新型盾构，其施工方法是为了保持开挖面的稳定，在切削刀盘后的密封腔内充填开挖下来的土砂，并保持一定压力的一种方法。土压平衡式盾构可以分为两类：一类是在粘性土地层中将开挖下来的土体直接充填在切削腔内，用螺旋输送机调整土压，使土舱内土体与开挖面水土压平衡；另一类是在砂性土地层中向开挖下来的土砂中加入适量的水或泥浆、添加剂等，通过搅拌以匀质、具有流动性的土体充填土舱和螺旋机，达到工作面的稳定。
　　土压平衡盾构是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来的土进入刀盘后面的贮留密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。
　　2.3 施工工艺流程
　　施工顺序说明：在始发井主体结构回填场地上进行地面硬化并根据施工需要建地面配套设施（如45t龙门吊、16t龙门吊、碴土坑、配电房、循环冷却水池、仓库、电瓶机车充电池等）。盾构机进场后，经拼装、调试后从始发井出发，西鼓区间、鼓东区间左右线两台盾构机始发时间需相差1个月，且前后错开距离不小于100m，联络通道施工在盾构掘进施工后期，洞门施工在盾构机进洞后进行。
　　盾构法施工主要包括三个施工环节：盾构机出洞、区间段的施工、盾构机进洞。
　　西鼓区间原设计掘进方向为鼓楼站右线始发右线掘进西南角站调头左线掘进鼓楼站结束。
　　鼓东区间原设计掘进方向为鼓楼站右线始发右线掘进东南角站调头左线掘进鼓楼站结束。
　　其中西南角站为天津地铁1号线和2号线换乘站，东南角站为天津地铁2号线和4号线换乘站。
　　为满足天津地铁2号线2010年底试通车的总工期要求及第8施工合同段各节点工期目标要求，经地铁集团公司与设计院及施工单位多次研究，将西鼓盾构区间掘进方向调整为西鼓盾构区间左线按原设计方向掘进，右线调整为西南角站右线始发右线掘进鼓楼站结束；鼓东盾构区间掘进方向调整为鼓东区间右线按原设计方向掘进，左线调整为鼓楼站左线始发左线掘进东南角站结束。
　　2.4 主要项目的施工方法
　　2.4.1 区间隧道盾构法施工。盾构施工隧道内运输采用电瓶机车牵引出土碴车、管片运输平板车及浆罐车，以有轨运输方式出碴、运送管片、浆液及其他材料。盾构工作井口设龙门吊，进行竖井垂直运输和衬砌管片的场内运输。地面设存土坑、管片存放场及20m3/h浆液拌和站，同步注浆浆液通过管道输送到井下的砂浆车中。盾构隧道通风采用压入式通风，隧道断面风速0.5m/s。通风机安装在盾构井井口处。西鼓区间施工受西南角站内场地条件限制，西鼓区间左线前100m施工时，需借助右线盾构井进行出土、管片运输及材料吊运；右线盾构机安装时在主机与后配套台车之间延长100m管线，开始掘进至掘进完成均利用右线盾构井作为出渣进料通道。在西南角车站内距盾构井70m位置设置10t电动葫芦，配置6个3m3小渣斗出土。
　　2.4.2 联络通道施工。盾构隧道联络通道相应位置预设特殊管片，在盾构隧道内采用暗挖法施工。
　　联络通道施工时先在联络通道开口环不开口的部位设支撑，然后在联络通道位置的管片上开口。人工开挖，边开挖边施做初期支护，然后铺设防水板并浇筑二次衬砌混凝土，最后施作框架梁。
　　2.4.3 洞门施工。盾构隧道左右两线共有4个洞门，待盾构隧道贯通后盾构机解体吊出后进行施工。拆除洞门处管片，预埋管片螺栓、绑扎钢筋，按设计图立模、浇筑洞门混凝土。
　　2.5 操作要点
　　施工时，应不断对日常操作等活动进行管理，随时注意开挖面的状态、隧道中心线偏移量、一次衬砌环状况、注浆状况以及对地表变形的影响等。
　　2.5.1 初始推进段施工。盾构从竖井出发后一般需有一段距离作为推进试验阶段，在这期间施工人员的任务：（1）热练掌握EPBS的性能和运行状况；（2）确定适合于本工程和盾构的施工管理的要素；（3）摸索出此盾构施工中地表变形的一般规律。
　　在试验段推进中，结合地表变形量测情况和工程质量、盾构设备的要求，对施工参数反复量测、分析、调整，进一步优化。对于土压平衡式盾构而言，一般选定以下几个施工参数进行优化：上舱土压力、推进速度（千斤顶行程速度）、总推力、刀盘扭矩、出土量、注浆状况（数量、压力）等。
　　2.5.2 地表变形控制。EPBS在初始段推进中摸索出变形一般规律及有效的防治措施后，根据沿途环境情况设置要求不同的量测段，做更深入具体的地表沉降值、土压力、孔隙水压力及添加剂量、注浆状况等方面的量测和管理工作。
　　2.5.3 土压力管理。土压力一般通过装置在密封土舱内的土压计检测读出，通常较为合适的土压力P0范围是：（水压力+主动土压力） P0 （水压力+被动土压力）。P0以相应的静止土压力为中心在此范围内作波动。
　　土压力P0设定与管理方法为：（1）理论估算，经验判断，确定一个较理想的P0值；（2）精心操作，认真量测，及时反馈信息，根据出土量与地表沉降数据对P0相应调整；（3）对已定P0进行动态管理，以适应连续推进情况。
　　2.5.4 其他操作要点：（1）对隧道施工所需的主要材料及制品应进行必要的试验和检查，确认其质量、形状、尺寸、强度等与说明书或质保书相符合之后再使用；（2）盾构推进中千斤顶及其所产生的推力的选择，这样既不会使工作面受到损害，又不会使衬砌等后方结构受到损伤，并使盾构在设计轴线上准确推进；（3）推进测量是为了使隧道误差在容许范围内，在推进时使拼装好的衬砌和盾构在设计位置上，及早掌握其偏差，并及时严格纠正。原则上每环盾构姿态、衬砌位置各测一次，并将结果在下一环推进之前反馈给施工管理人员和盾构司机；（4）对管片运输、储存要加强管理，在运输过程中防止管片受到损伤，在现场的临时堆放应能适应盾构施工进度且有一定的富余量；（5）本工法采用干式出土，因此隧道运输的合理安排和调度是保证盾构推进进度的重要因素。
　　3 结语
　　土压平衡盾构施工工法在天津地铁2号线第8合同段得到了较好的应用，能很好地控制地表沉降，施工速度快，易于环境保护，易于质量控制。采用盾构方法施工，解决了在城市中心施工难度大、风险大、工期长等弊端。在确保质量的情况下，可以大大地缩短工期，并且可节约投资费用。适宜在市区和建筑物密集区施工，具有一定的社会经济意义，值得推广应用。盾构法施工具有较好的应用前景及社会效益。