浅谈盾构法隧道下穿锚索区域施工的探索及应用

张帆

摘要：在城市市政隧道施工过程中经常会遇到下穿锚索区域的情况，本文以北京地铁16号线某工程为例对盾构下穿锚索区域进行一次尝试实践证明通过施工过程对参数的控制完全能够解决盾构被缠绕卡死等现象的发生，从而有效的节省施工成本和降低工期。

关键词：成本节约；锚索区；盾构卡机

1工程概况

北京地铁16号线工程某区间采用盾构法施工。成型隧道外径6.0米、内径5.4米采用预制混凝土管片衬砌，设备采用中铁装备φ6280mm土压平衡盾构机。接收端头基坑深度约16m，由于接收位置车站扩大端跨距较长，支护采用地下连续墙+锚索的形式。锚索采用1×7标准型钢绞线，公称直径15.2mm（Fpyk=1860MPa），锚索水平间距1.5m，竖向设置6道，水平向下呈15°倾斜打入。基坑支护锚索侵入我区间隧道最大长度约29.5m，其中第二道锚索侵入6.3米（锚固段）、第三道锚索侵入17.5米（锚固段）、第四道锚索侵入25.2米（8米自由段+17.2米锚固段）、第五道锚索侵入13.6米（自由段）、第六道锚索侵入2米（自由段），参加下图所示。

锚索与区间位置关系纵剖图 锚索与隧道结构横断面图

该段区域地质从上往下以此为1.2-2米的人工回填土其余以下部分均为粉土和粉质粘土层。隧道中间区域部分含有少量的粉细砂夹层。在接收段端头沿隧道方向9米方向，隧道边缘各3米范围采用旋喷桩进行加固，加固后的土层经检测自立性、均匀性良好，其无侧限抗压强度≥0.8Mpa，加固渗透系数要求小于1×10-6cm/sec。

2施工方案对比

在考虑到锚索钢绞线可能在盾构机掘进过程中用于钢绞线具有较大的抗拉能力，刀盘可能会被其钢绞线进行缠绕，导致盾构机卡机等风险。在施工前初步考虑的实施方案有三种：

（1）通过现有钢绞线和锚索施工等参数计算锚索破坏的所需要力与盾构机刀盘能够提供的最大扭矩对比看能否满足；

（2）通过地面开孔进行人工挖孔桩施工对其侵限区域钢绞线的的处理；

（3）通过接收端东门位置进行暗挖，盾构在暗挖区间内进行接收，然后空退出洞。

三种方案施工的主要经济指标和难易程度对比如下（均按照单个隧道考虑）：

方案一：①按照每天掘进平均10米计算，该段施工需要3天；②主要人工工资按照每班20人，人均150元/天，累计花费3万元；③施工仅需要控制好掘进参数即可，同时做好地面沉降监测即可。

方案二：①按照四个直径2米的孔桩设计，单孔每天进尺1米，2孔同时作业跳孔施工，需要30天。②采用C20混凝土护壁，厚度10cm累计，累计需用3.14*（0.6*0.6-0.5*0.5）*15*4=20.7m？，240，元/m？，人工费：150*8*30=3.6万元，累计花费：4.10万元；③需要地面具有施工条件，周边不得有高达建筑物地下不得有管线，对环境要求较高，该工程处于城市主干道施工风险难度较大。

方案三：①按照每天进尺1米，同时考虑上下台阶布距。累计约35天；②借鉴该工程暗挖隧道的分包价2.4万元/m计算（含所有材料人工）合计72万元；③施工相对容易，但施工周期较长，施工过程需要对周边建筑物管线进行密切监视。

通过三种方案的对比，由于该工程属于地铁工程地处城市主干道下方市政管线较多，道路两侧均有高达建筑物因此方案二实施难度较大，风险相对较高。

在方案一与方案三对比均能够满足施工条件，但在工期和成本上方案三明显优势不足。因此，方案一只要论证满足施工条件则是最佳优选方案。

3理论验证

由于钢绞线的极限破坏拉力F=1860Mpa，在刀盘的切削作用下保证锚固端头固定，提供刀盘扭矩的力能够大于钢绞线自身最大拉力即可，那么钢绞线最小极限破坏拉力理论如下：

F=3.14*（15.2/2）2=337.5KN

该设备刀盘的开口半径为6280mm，对应刀盘破坏钢绞线需要的最小扭矩值为：

T=3375*（6.28/2）=1.06*103KN.m

常规土压平衡盾构机的刀盘脱困扭矩至少在5000KN.m远远大于理论计算，理论满足要求。

考虑到现场施工条件，盾构机在推进过程中采用土压平衡模式进行隧道掘进保证掌子面的土压稳定，通过盾构前期试验段的掘进参数结合理论计算初步选定以下施工参数作为穿越该区域的掘进参数，具体如下表所示。

施工掘进的主要参数控制在于土仓压力和渣土排出量的监测，其余参数与设备掘进速度相匹配即可，确保设备正常运转。掘进过程通过正反转刀盘和螺旋机来避免设备被钢绞线缠绕被困，同时考虑到施工过程中若刀盘被缠绕则通过开仓通过人工割除的方式解决。

3现场验证

在现场施工中主要采取的施工措施如下：

（1）在第一台盾构到达该区域之前对设备进行全面的检修，特别对刀盘的道具进行一次全面的检查维修，设备处于最佳性能狀态。同时，对锚索锚固端进行检查确保稳固。

（2）对现场所有的作业人员进行全面技术交底，明确该段施工的作业要点和注意事项，同时安排测量人员对地表沉降和构筑物进行严密监测；

（3）当班施工严密监视渣土口出渣情况和检查渣土中的钢绞线情况；

（4）在该段施工过程的实际掘进参数如下所示：

现场在掘进施工过程中地面监测数据正常，未出现沉降预警情况，在掘进过程中渣土出土顺畅也未出现有刀盘扭矩突然增大等现象。在该区域的渣土中未发现明显钢绞线，在盾构机拆机过程也为发现有钢绞线缠绕刀盘和螺旋机等现象。

通过实际掘进的参数对比，出现场除实际掘进速度和刀盘扭矩稍比理论设定的掘进参数要高以外其余参数基本一致，在第二条隧道穿越过程中也为出现任何异常均顺利出洞。同种方法在长沙地铁4号线某地铁区间也同样得到了验证。

3结束语

通过对该工程盾构下穿锚索区域施工的一次尝试，事实证明通过盾构机的自身参数控制是能够将进行顺利穿越，在今后的施工过程中我们还可以尝试将从锚索设计成为可以拆卸式锚索等方向进行更深一步的探索研究。