泥水平衡盾构机始发通过玻璃纤维筋围护结构的优化工艺

泥水平衡盾构机始发通过玻璃纤维筋围护结构的优化工艺
李飞
Li Fei
(广东华隧建设股份有限公司，广东广州 510635，广州市天河北路559号太平洋保险大厦18楼)
The process optimization to traverse GFRP in construction of retaining structures of shield launching
[摘要] 盾构始发通过玻璃纤维筋围护结构已经成为一项比较成熟的技术，成功案例也很多，但都是土压平衡盾构，对于泥水平衡盾构，因其工艺特点和设备结构上的不同，为了提高掘进效率，最大限度降低始发风险，有必要优化泥水平衡盾构机通过玻璃纤维筋围护结构的工艺，减少玻璃纤维筋对环流系统运行的影响，确保盾构始发段掘进的顺利。
[关键词] 玻璃纤维筋、素混凝土连续墙、泥水盾构始发、反作用力
盾构施工过程中，盾构始发与到达接收是施工风险比较大的过程，当前在各类盾构施工的事故当中，因为始发与到达接收而发生的事故占据一半以上。在盾构始发的风险控制方面，玻璃纤维筋围护结构的使用，有效地降低了洞门凿除的风险，在土压平衡盾构施工中，已经多次成功使用。在泥水平衡盾构施工过程中，因其工艺特点不同，结合泥水盾构设备的结构型式不同，在使用玻璃纤维筋围护结构方面，需要进一步优化工艺，做好相关配合流程，才能有效地解决泥水平衡盾构始发段掘进的问题。本文主要针对Φ6250型海瑞克泥水平衡式盾构机的结构及工艺特点，结合工程实例，进行分析如何优化始发工艺。
一、泥水平衡盾构的设备型式
1、工程背景
本工程是广州市轨道交通九号线某标段盾构工程，工程投标选用的是海瑞克泥水平衡盾构机进行掘进。工程地质条件以软弱砂层、粘土层为主，隧道断面下半部存在少量灰岩，且硬度较大。两台盾构机的始发段存在典型的上软下硬段，隧道顶部是粉细砂层和少量粘土层，隧道断面范围内主要是砂层和粘土层，隧道断面底部是强风化和中风化炭质灰岩。泥水平衡盾构始发时就掘进上软下硬地层，对始发风险的控制要求更加严格。
2、盾构机的结构型式及刀具配置
海瑞克Φ6250泥水平衡式盾构机采用气压调节系统进行辅助支撑开挖面的稳定，盾构机在结构上采用双仓结构，前仓是土仓，后仓是气压仓，土仓内的受压泥浆通过分隔挡板门连到气仓。土仓内完全充满受压的泥浆后就会产生压力，通过调节气压仓内的气压来调节土仓的支撑压力。其结构工作原理图如图1所示。
图1 海瑞克泥水盾构机气压工作原理示意图

根据本工程的地质特点及盾构机的结构特点，本工程盾构的刀具配置采用中心鱼尾刀+双刃滚刀作为主切削刀的配置形式，其中中心鱼尾刀中心点高出刀盘面板350mm，最低点高出刀盘面板140mm，双刃滚刀刀刃高出刀盘面板175mm，刀盘自身厚度为580mm。刀盘部分结构尺寸简图如图2所示。
二、主体结构与围护结构的优化
本工程中，首次在海瑞克泥水盾构机型中采用破除玻璃纤维筋围护结构的工艺，在围护结构与主体结构施工之前，要做好优化设计，针对盾构机的结构型式，做好相关的优化方案。
1、加厚始发洞门侧墙的厚度至1400mm
本工程中，盾构始发井设置在中间风井位置，原主体结构侧墙厚度为1000mm，根据图2所示的盾构机刀盘与刀具的结构尺寸，当中心鱼尾刀已经碰壁必须要转动刀盘掘进的时候，洞门密封橡胶帘板仍然搭接在刀盘上面，刀盘未处于密封环板的密封之内，土仓无法形成有效的密封，泥水平衡盾构无法掘进。
按照盾构机的结构尺寸及洞门密封橡胶帘板的尺寸，经过设计审核，将始发洞门端的侧墙加厚至1400mm，确保刀具碰壁时，橡胶帘板已经脱离刀盘位置，通过橡胶帘板能够将土仓形成一个密闭仓，相关位置关系如图3所示。
从图3可以看出，加厚了侧墙之后，理论上刚好能够满足泥水盾构始发的要求，但是考虑到围护结构连续墙施工偏差、盾构机姿态偏差等因素后，仍有可能形成土仓密闭不了的情况。为此，需要将盾构机再向前平移，确保橡胶帘板搭在盾构前体上。为了实现此要求，根据盾构刀具的结构特点，提前将中心鱼尾刀位置所处的围护结构凿开一个足够鱼尾刀进去的坑，直径1400mm，深175mm的坑，这样就可以将盾构机再向前平移至滚刀碰壁时为止，确保了橡胶帘板搭接在盾构前体上，并保证了足够的安全距离，如图4所示。
2、紧贴围护结构外施工一道素混凝土连续墙
本工程中，海瑞克泥水平衡盾构机第一次始发通过玻璃纤维筋，按照施工组织设计，采用玻璃纤维筋围护结构连续墙后，由于不需要洞门凿除，取消了原端头加固的方案。按始发方案，左线盾构机先始发，在掘进第一道玻璃纤维筋的过程中，环流运行顺畅，从泥水处理设备中分离出来的玻璃纤维筋碎片多为100~300mm长，然而当掘进第二道玻璃纤维筋时，出现环流运行不畅，堵塞排泥管口的情况。海瑞克泥水盾构机的排泥口位置布置图如图5所示。经过分析及经验判断，可能是有玻璃纤维筋堵塞在排浆管口位置。
图5 海瑞克泥水盾构机排浆口布置示意图

后经过专业人员加压进仓清理，有大量的玻璃纤维筋堵塞在排浆口处，其中最长的达到1550mm，这说明刀具在掘进过程中未将玻璃纤维筋全部破断，导致较长的玻璃纤维筋碎片堵塞在排浆口，影响环流运行。
经过对左线始发段掘进玻璃纤维筋围护结构出现的问题进行探讨，分析得出，因为取消了端头加固，导致围护结构后方土体无法满足盾构掘进时为围护结构墙提供足够的反用力，盾构在掘进第二道玻璃纤维筋时，由于墙体只剩下200mm左右的厚度，失去反用力的支撑，出现墙体垮塌，刀具无法破断玻璃纤维筋。
针对以上问题，右线始发之前，在始发端围护结构外施工一道C10素混凝土连续墙，如图6所示。利用素混凝土连续墙为盾构掘进围护结构时提供足够的反作用力，确保在掘进第二道玻璃纤维筋时不出现墙体垮塌情况，才能确保盾构刀具能够破断玻璃纤维筋。右线掘进过程中，环流运行一直比较畅通，未再出现排浆口堵塞严重的情况，泥水设备中分离出的玻璃纤维筋也较破碎，优化方案取得良好效果。
3、优化始发段掘进参数
盾构始发段掘进参数的设定要考虑到盾构推力、掘进速度、切口水压的设定等多个方面，其中盾构推力考虑到始发反力架可承受压力、破除玻璃纤维筋围护结构的强度、围护结构连续墙后土体的反作用力以及切口水压的设定值等多方面因素，而切口水压的设定值要考虑到橡胶帘板的可承受压力。掘进速度选择不宜过快，要采用慢磨的方式将玻璃纤维筋尽可能地破断，以保证环流系统运行的顺畅。本工程始发段掘进参数选择如下：推力F不大于8000KN，掘进速度控制在5~10mm/min，切口水压设定为80KPa。掘进参数的变化需要根据工况的变化情况进行随动，而非一成不变，及时根据反馈信息进行调整，确保掘进的顺畅运行。
三、优化泥水盾构掘进通过玻璃纤维筋围护结构的意义
海瑞克泥水平衡盾构因其结构和工艺特点的不同，在掘进通过玻璃纤维筋围护结构的过程中也会产生不同的问题。本工程通过两台海瑞克泥水平衡盾构机掘进通过玻璃纤维筋围护结构的实例，解析了掘进过程中产生的问题和优化方案的处理，并取得了实际的效果，为以后同类型盾构机在类似工况下的掘进提供了可借鉴的成功经验。