短豎井土壓平衡盾構分體始發側方出土施工技術

吳文彪

摘要：在城市可用空間日益緊缺的背景下，短豎井盾構分體始發在城市隧道建設中被廣泛采用，如何提高盾構分體始發施工的效率并取得良好的經濟和工期效果，成為了盾構施工中亟待解決的問題之一。本文依托珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目，進行了分體始發側方出土施工技術研究，提出一種新的出土方式，并詳細論述了其施工技術細節和實際應用效果，實踐表明分體始發側方出土技術可以顯著縮短工期、節約投資成本，能有效地解決水工隧洞受限空間下的盾構分體始發施工難題，為土壓平衡盾構施工技術在輸水隧洞的應用提供寶貴經驗。

Abstract： In the context of the increasingly scarce space available in the city， the short-shaft shield split is widely used in the construction of urban tunnels. How to improve the efficiency of the initial construction of the shield and achieve good economic and construction results has become one of the problems to be solved in the construction of shields. This paper relies on the Pearl River Delta water resources allocation project test section project， carries out the research on the construction technology of the unearthed side unearthed side， proposes a new method of unearthing， and discusses in detail the construction technical details and practical application effects. The technology of unearthing from the origin can significantly shorten the construction period and save the investment cost. It can effectively solve the problem of the initial construction of the shield split under the confined space of the hydraulic tunnel， and provide valuable experiencethe for the application of the earth pressure balance shield construction technology in the water tunnel.

關鍵詞：短豎井;土壓平衡盾構;分體始發;側方出土;施工技術

Key words： short shaft;earth pressure balance shield;split origin;lateral excavation;construction technology

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0122-06

0? 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵網對城市軌道交通網的發展起著至關重要的作用。盾構法因具有施工速度快、安全性高，對環境影響相對小等特點，已逐步成為城市隧道、管網等工程的首選施工方法。施工過程中，盾構始發是整個過程中尤為復雜、重要的關鍵環節，決定著盾構施工前期的效率及安全性。

盾構始發包括兩種始發方式：整體始發及分體始發。整體始發是盾構和后續設備一次性的放置于始發豎井內，而分體始發是將盾構及部分臺車放于始發井內，掘進一定距離后，將剩余部分按順序在隧道內進行安裝就位[1]。整體始發對始發豎井要求較高，需具備較大的始發井尺寸，而分體始發對始發井要求較為靈活，適用于城市隧道的盾構始發。

不少學者對盾構/TBM分體始發技術進行了研究，提出了各類可行的施工方案，李懷洪[1]對大直徑泥水平衡盾構的分體始發技術進行了研究，探討了泥水平衡盾構分體始發的難點和風險，并給出了不同階段的控制措施，最后將研究成果成功地運用到上海軌道交通11號線工程中;張志鵬[2]等對小半徑隧道中盾構分體始發施工技術進行了研究，介紹了相關的施工始發流程，證明了狹小施工場地盾構分體始發的可行性;卜星瑋等人[3]依托武漢江夏清水入江項目工程，展開了狹小空間盾構分體始發的研究，給出了相關的施工控制措施;李艷輝[4]以廈門地鐵1號線工程為背景，對暗挖盾構隧道小半徑曲線空推分體始發技術進行了研究，闡述了施工關鍵工序;任彥錦等[5]等對地下綜合管廊分體始發技術展開了研究，對分體始發的各項技術要點進行了詳細闡述;王德超[6]等依托濟南R1線王-大區間對三種不同長度豎井的盾構始發方案進行了對比研究，認為83m分體始發方法最具經濟價值;王小強[7]等以青島地鐵1號線為例，展開雙護盾TBM分體始發研究，對有限施工場地的分體始發基本方案進行了探討。

前人對盾構分體始發技術的研究較豐富，但多集中在分體始發整體的施工流程控制上，實際工程中，土壓平衡盾構在狹小空間分體始發無法按照常規進行正后方出土和材料運輸等工作，在盾構施工工期日益緊張的建設浪潮中，研究如何加快盾構分體始發進程顯得尤為緊迫和重要，針對現有盾構/ TBM分體始發存在的不足，本文以珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目為背景，提出一種新的出土方式，以解決土壓平衡盾構分體始發進洞階段出土問題，在實際應用中取得了良好的效果，可為今后類似的工程施工提供參考和指導。

1? 研究背景

1.1 工程概況

廣東水電二局承建的珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目位于深圳市光明新區公明水庫旁，該項目是廣東省大灣區珠江三角洲水資源配置工程的試驗項目，主要為全線的施工積累寶貴經驗和提供技術參數。如圖1所示，線路全長1.667km，包含盾構隧洞1.666km（樁號GM10+200.672～ GM11+866.505）、內襯管鋼安裝1.667km，公明水庫進庫閘、交通橋和2座盾構施工工作井（分別位于樁號GM11+527.505、GM11+866.505）以及盾構穿壩防滲處理等，隧道設最小轉彎半徑為500m，最大坡度為50‰。

盾構隧洞施工采用1臺全新海瑞克土壓平衡盾構機（出廠編號：F1159），總長83m，總質量約450t。盾構始發井設計尺寸為30m×13.4m，井深16.2m;內設三道混凝土環框梁及混凝土對稱梁的支護結構，實際最大吊裝作業空間13m×9.4m，井下作業平臺空間27.6m×13m，豎井結構示意圖如圖2所示。

1.2 亟待解決的問題

施工圖設計階段，為減少征地拆遷，節約投資，盾構始發工作井設計尺寸為30m×13.4m，井身為地下連續墻，并設置三道混凝土環框梁和三角斜撐、中間對稱的支護結構，盾構實際工作空間狹小，有效吊裝空間僅為13.0m×9.4m。盾構分體始發階段，盾構機井下安裝部分長度為27.5m，而盾構井底有效施工空間長度27.6m，因此，土壓平衡盾構分體始發進洞階段無法按照常規進行正后方出土和材料運輸等工作。

本工程作為試驗段項目，需要進行結構性試驗和工藝性試驗，為后續全線設計提供實驗參數，盾構施工工期非常緊張。為加快盾構分體始發，盾構機設計階段增加設計4.2m長臨時橋架，始發階段將盾構機連接橋及臨時橋架同時下井，以加快盾構分體始發進程。因此，急需采取一種新的出土方式解決土壓平衡盾構分體始發進洞階段出土問題。另外，珠江三角洲水資源配置工程作為2018年國家水利部72項重點項目之一（最大項目），備受關注。全線盾構始發井多為類似短豎井，盾構機均需要采取分體始發方式。試驗段項目主要為后續主體工程提供技術支撐、積累施工經驗。

2? 分體始發側方出土施工技術

經過多方面、多途徑的調研，召開多次專題會議論證之后，認為本項目如何利用有限空間進行出土作業是難點，為了解決珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞在短豎井受限作業空間下盾構始發側方出土問題，以減少分體始發階段施工投入及施工工期，本文提出一種新的適用于狹小空間的短豎井分體始發側方出土技術。

2.1 出土方案論證

本文結合現場實際情況與施工經驗，通過創新思維、對比分析及科學論證，圍繞本工程亟待達到的施工目標，提出了以下三種施工方案，下面對三種施工方案進行詳細的論證。

2.1.1 卷揚機出土

卷揚機出土是在盾構機正后方安裝一臺8T卷揚機，通過制作斗車軌道，拉動小土斗進行出土作業。在技術可行性方面，盾構井有效長度27.6m，盾體+連接橋+臨時橋架長度26.5m，盾構正后方已無操作空間安裝卷揚機設備。在可實施性方面，卷揚機設備故障率高，極易發生溜車、碰撞事故;盾構機每次掘進1～2m3土就得停機，增加開機次數，同時加大對刀盤掌子面的擾動。經濟性方面，相關設備及安裝費用約為8萬元，小土斗費用0.8萬，人工、機具材料等其他費用約101.2萬元，根據估算共計費用約為110萬元，耗資較大。時間性上，卷揚機1次只能出1～2m3土，工作效率低，因此施工耗時長，導致整個始發需耗時30天。安全性方面，設備易故障，安全性差;盾構分體始發為上坡掘進，容易出現溜車、碰撞現象，安全風險高。綜上所述，經論證認為卷揚機出土方案在短豎井分體始發出土施工中不可行。

2.1.2 垂直皮帶機出土

垂直皮帶機出土是在盾構機臨時橋架一側安裝垂直皮帶輸送機進行出土。在技術可行性方面，該方案通過皮帶將臨時橋架上方皮帶的渣土直接轉運出井口，有效利用井口空間，且通過皮帶機的傳輸可實現連續出土。在可實施性方面，皮帶機可持續出土，盾構機不用停機等待，但需每天設專人進行皮帶機的維護保養。經濟性方面，設備及安裝費用約為300萬元，人工、機具材料等其他費用約84.3萬元，合計估算費用為384.3萬元，工程經濟性較差。時間性方面，能連續出土，盾構機不用停機等待，但皮帶機的安裝和拆除，盾構機均無法正常工作，整個盾構分體始發耗時約25天。安全性方面，設皮帶機出土作業空間小;極易掉落渣土，導致井內文明施工較差，垂直皮帶機運輸占用空間大對其他工序作業影響大，極易發生碰撞事故。綜上所述，經論證認為垂直皮帶機出土方案在短豎井分體始發出土施工中不可行。

2.1.3 側方出土

經科研攻關，本項目提出了一種土壓平衡盾構分體始發新的出土方案，即側方出土方案，側方出土是指通過在臨時橋架一側安裝側方出土裝置進行出土，如圖3所示。在技術可行性方面，能利用盾構機側方空間進行出土作用，土斗采用常規的17m3大斗，每掘進1環管片只需出5斗土大大的降低了盾構機停機等待的時間。在可實施性方面，在臨時橋架側面安裝側方出土裝置，將盾構渣土通過臨時橋架出土口引至一側土斗操作方便，施工效率高。經濟性方面，裝置費用約0.6萬元，人臨時橋架約為18.0萬元，人工、機具材料等其他費用約67.5萬元，合計估算費用為87.7萬元，工程經濟性在比選的方案中最優。時間性方面，每環管片只需出5斗碴土，盾構機停機等待時間較短，且土斗可以用龍門吊直接進行垂直運輸，大大縮短盾構掘進時間，整個盾構分體始發耗時約20天。安全性方面，側方出土裝置簡易，操作方便，對作業空間占用小，不影響其他施工作業，安全風險小。綜上所述，經論證認為側方出土方案安全、高效、環保、且具有較高的經濟性，在本工程短豎井盾構分體始發中可行。

2.2 側方出土裝置

2.2.1 溜槽出土裝置

側方出土裝置需根據臨時橋架的位置大小、側面施工空間、安裝操作難易程度、經濟性等因素考慮。對下面兩種出土裝置方案進行比選：①側面皮帶機出土;②溜槽出土。若采用側面皮帶機出土，則需在盾構井安裝垂直平帶運輸設備，進行渣土運輸，雖然其具有機械化操作簡單，生產效率高的優點，但同時也存在經濟成本高，不便于安裝固定，占用空間大，影響渣土垂直運輸等不足，結合實際情況及從工程經濟性出發，側方出土裝置不推薦采用側方皮帶機。溜槽出土具有制造安裝成本低，占用空間小，對渣土垂直運輸無影響的優點，滿足本項目的要求，因此本文采用溜槽作為側方出土的裝置。

2.2.2 溜槽的設計制作

溜槽出土在盾構機臨時橋架側方安裝溜槽，傳輸盾構渣土至側面土斗內，裝置輕巧簡單，裝拆方便。盾構機側方出土溜槽需根據盾構機上皮帶機輸送效率，出土口大小，出土作業空間以、溜槽坡度以及溜槽本身的重量、安裝固定方式等相關因素進行設計制造。對下面兩種溜槽設計制作方案進行比選：①采用1節5m長整體式溜槽;②采用兩節可拆裝的活動式溜槽。第一種溜槽制作方案加工簡便，整體性好且操作簡單，但重量偏大，增加固定難度，且無法拆解，在盾構井狹小的側面空間影響土斗的吊運，不適合本工程項目。兩節可拆裝活動式組合溜槽的特點是加工相對簡便，安裝方便，更易固定，可進行分段裝拆，空間利用率高，對其他工序施工影響小，溜槽可分段拆解，固定相對容易，且出土過程將溜槽接長，非出土階段將其拆解，方便施工，能更加有效地利用有效空間進行其他施工工序作業，也使整個運輸作業更加安全、高效，因此本文的溜槽制作采用兩節可拆裝活動式組合滑槽。

2.2.3 溜槽的安裝固定

盾構機完成組裝調試后對溜槽進行安裝，受盾構井空間限制溜槽只能安放在較寬一側固定，對下面三種溜槽安裝固定方案進行比選：①兩節均采用固結方式固定;②采用兩節可拆裝的活動式溜槽;③接土端固結，出土端活動連接。方案1固定方式簡單;兩節溜槽均牢靠，接頭不易掉落，采用該種方法只是相當于在安裝過程將溜槽分開安裝連接，只是減少了安裝的難度，安裝完成后與整長安裝效果相同，受限作業空間，影響出土和材料運輸;方案2固定方式相對簡單，方便拆解和連接組裝，對施工空間限制要求較小，采用該種方案是的溜槽接土的頭側不固定，當皮帶機運輸的碴土砸落到溜槽時會對溜槽產生晃動，影響操作，增加安全風險，同時晃動可能造成渣土掉落，導致現場安全文明施工差;方案3固定方式簡單，活動端連接溜槽方便拆解和拉起，同時對空間限制要求小，采用該種方式，溜槽既不會晃動，且其中一節可拆解可拉起，不影響吊土和其他材料運輸。因此，本文的滑槽固定采用接土端固結，出土端活動連接的方案。

2.3 側方出土運輸

盾構側方收納渣土采用45T龍門吊進行垂直運輸。盾構始發側方出土需在井內采用納土裝置進行渣土收放、吊運，對下面兩種納土方案進行比選：①采用小土斗收納渣土;②采用大土斗收納渣土。方案1質量輕、方便吊裝，體積小占用空間也小，但容納渣土量小，增加吊裝次數，盾構機需頻繁的停機等，且土斗需要根據溜槽的位置不停前移，增加操作難度;方案2溜槽可分段拆解，固定相對容易，且出土過程將溜槽接長，非出土階段將其拆解，方便施工，能更加有效地利用有效空間進行其他施工工序作業，也使整個運輸作業更加安全、高效。因此，經論證，采用大土斗方案要優于采用小土斗方案。

本文采用17m3的電機車渣斗進行納土，每環管片掘進時，土斗可保持位置不動，只需溜槽跟著臨時橋架一起在軌道上移動即可，每掘進一環只需出約5斗土，減少盾構停機時間和垂直吊運時間。

綜上，通過創新思維、對比分析及科學論證，短豎井土壓平衡盾構分體始發側方出土施工技術為最佳方案，其施工方案的流程圖如圖4所示。

3? 工程應用

前文詳細地介紹了短豎井分體始發側方出土方案，下面將介紹該方案在珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目的應用過程與取得的良好經濟、社會效果。

3.1 溜槽的設計制作

如圖5所示，側方溜槽主要是將臨時橋架出土口的土通過溜槽轉移至側面的土斗內。因此溜槽寬度應略大于皮帶寬度，長度應滿足渣土能自動滑入側面土斗內。

盾構機組裝調試期間在地面車間加工一條長3m，寬1.2m溜槽和一條長2.2m，寬1.21m溜槽;溜槽底部采用3mm厚鋼板和兩根30mm方鋼焊接固定，滑槽兩側各采用一塊3mm厚鋼板和兩根30mm方鋼焊接固定，并與底部鋼板焊接，兩側與底部保持45°角。3m溜槽尾部20cm和2.2m溜槽頭部20cm的兩側每10cm預留一處Φ22mm螺栓孔，以便溜槽安裝連接與拆卸。同時在2m槽末端30cm處左右側各開一個Φ30mm圓孔，方便葫蘆掛鉤，側方出土溜槽設計圖如圖5所示。

經過效果檢查：溜槽寬度1.2m，大于皮帶機寬度1米，能夠保證順暢出土;同時溜槽本身通過預留的螺栓孔位進行螺栓連接，實現鉸接連接，能將活動端溜槽拉起，溜槽長度為5m，大于設定目標4.5m，出土口與土斗間水平距離約4.2m，滿足側面出土距離要求。

3.2 溜槽的安裝固定

如圖6所示，側方出土溜槽需安放在臨時橋架出土口下方，將3m槽設置為固定端，固定在臨時橋架上，考慮溜槽的自重及碴土掉落的沖擊和重量，在臨時橋架下部兩支腿中間鐵板上焊接一道方鋼作為溜槽固定支點。固定端接臨時橋架出土口位置采用2mm厚鋼板及橡膠簾幕進行密封連接，防止渣土傳輸至溜槽時四處飛濺，影響文明施工。

臨時橋架前端頂部橫梁中間焊接兩個吊鉤裝置，用于掛3T的手拉葫蘆，可拆裝活動式2m槽與固定式3m槽采用螺栓連接，并將2m槽置于3m槽下方，采用螺栓連接，保證渣土不會外溢且兩米槽可以上下自由活動。

在2m槽接土斗前端兩側設置一處吊裝孔并用葫蘆拉住，并將葫蘆固定在臨時臺車頂部橫梁提前制作的吊鉤裝置上，保證2m長溜槽能夠向上用葫蘆提起。安裝完成后應保證溜槽坡度在25°以上，確保碴土能夠自由滑落至土斗內。

盾構機掘進時，盾體后方連接橋及臨時橋架通過連接牽引裝置和鋪設軌道跟隨盾體的前移而緩慢前移，同時固定于臨時橋架側方的溜槽也隨之緩慢向前移動。

溜槽固定端安裝牢靠，活動端可利用手拉葫蘆人工拉起，溜槽與臨時橋架出土口完成封閉，渣土不會處飛濺。溜槽安放至土斗正上方，能夠保證渣土順利進入土斗。經測量溜槽坡度為32°，大于設定目標值25°，滿足渣土自由滑落的坡度要求。溜槽固定于臨時橋架上，通過臨時橋架緩慢向前移動。

3.3 納土與垂直運輸

側方出土的納土裝置采用電機車大土斗，土斗寬1.5m，長6.25m，高2m，將土斗放置于溜槽正下方的底板上，土斗容量17m3，每掘進1環需出土5斗，較小土斗減少了盾構機停機等待時間，同時采用大土斗減少垂直吊運次數和時間，大大縮短掘進時間。每環掘進時可保持土斗位置不變，渣土通過螺旋機傳送到皮帶機上，在經皮帶機輸送至臨時橋架出土口轉移至側方溜槽，最后通過側方溜槽進入土斗。

每掘進完1環后，可根據溜槽位置將土斗適當向前移動，移動通過龍門吊吊起平移本工程采用的大土斗每斗可裝15m3渣土，每環只需吊運5次，且不需要挪動位置。采用大土斗較之小土斗每掘進1環加快盾構掘進時間90分鐘，大大的提高工作效率，實際應用圖示如圖7所示。

盾構土斗裝滿后，人工將2m可拆裝組合式溜槽用葫蘆拉起，提供土斗垂直運輸空間。盾構渣土垂直運輸采用地面已安裝的45t龍門吊進行。側方出土垂直運輸空間較正常出土空間狹小，因此，出土時嚴格將龍門吊起吊速度控制在10m/min以內，且保證龍門吊不得四周晃動。龍門吊提升至地面后緩慢移動至臨時渣池正上方，再利用龍門吊翻斗勾進行卸土，實際應用圖示如圖8所示。

棄土斗卸完土后緩慢將土斗放置井底溜槽下方。龍門吊下井速度不得大于15m/min，且當土斗移動至距離溜槽頂部50cm～100cm，將龍門吊速度降至3～5m/min，防止速度過快而發生碰撞。當土斗放置井底平穩后，將拉起的活動端溜槽下放，置于土斗上方繼續進行出土作業。

采用龍門吊進行渣土的垂直運輸，能夠有效地控制起吊和下放速度，且在吊裝過程晃動較小，即安全又高效，同時不需要其他輔助措施。每吊運一次土，花費時間約6min。

3.4 應用效果

3.4.1 工期效果

本項目盾構自2018年7月11日順利始發，至2018年7月30日結束分體始發掘進。分體始發階段日掘進進尺4.0m，總耗時20天。盾構分體始發將連接橋放置井內并設計臨時橋架與其支撐連接，并將油脂泵、水玻璃、泡沫劑、皮帶機等置于其上，大大的減少了延長管線的輸了，出土的時間。同時，通過采取側方出土的措施，較好地解決盾構始發掘進階段后方無出土空間的難題，加快了本項目整個盾構分體始發的進程，較以往常規的分體始發提前約10天完成，安全、高效、順利的完成短豎井土壓平衡盾構分體始發的施工難題。

3.4.2 經濟效果

短豎井土壓平衡盾構分體始發側方出土施工技術在珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目的實踐應用，使盾構機快速、高效、安全的通過始發段隧洞掘進，成功的解決了狹小空間盾構渣土運輸作業，保障了施工工期，節約了大量的工程成本，取得了較好的經濟效益，共節約成本22.3萬元，減少了投資，取得了顯著的經濟效益，詳見表1。

3.4.3 社會效果

通過本次活動，解決了輸水隧洞短豎井分體始發出土施工難題，保障了工程施工進度、效率、安全和環保。國家水利部、省水利廳、深圳水務局、粵海集團等多家單位及各級領導多次蒞臨現場檢查指導工作，本項目的研究應用贏得了公司、業主、監理的好評，為公司節約成本的同時提高了市場競爭力。短豎井土壓平衡盾構分體始發側方出土施工新技術在輸水隧洞中成功地應用，有效地解決了水工隧洞受限空間下的盾構分體始發施工難題，為土壓平衡盾構施工技術在輸水隧洞的應用提供寶貴經驗。

4? 結論

本文通過文獻調研、科學論證等方式詳細論述了短豎井分體始發側方出土施工方案的工序及特點，并及介紹了該方案在珠江三角洲水資源配置工程試驗段項目的應用技術細節和取得的效果，得到以下幾點主要結論：

①在短豎井分體始發施工中，側方出土相比于卷揚機出土和垂直皮帶機出土，具有安全、高效、環保、且經濟效益較高的特點。

②溜槽出土裝置制造安裝成本低，占用空間小，對渣土垂直運輸無影響，施工效果優于側面皮帶機出土，溜槽宜采用兩節可拆裝的活動式溜槽，安裝固定宜采用接土端固結，出土端活動連接的方案。

③采用大土斗的納土方案方便施工，能更加有效地利用有效空間進行其他施工工序作業，也使整個運輸作業更加安全、高效，效果優于小土斗方案。大土斗納土加龍門吊垂直運輸的側方出土方案可保證側方出土的效果達到最佳。

④工程實踐證明，側方出土方案可在安全、高效的前提下，使分體始發提前約10天完成，并節約成本約22.3萬元，可為土壓平衡盾構施工技術在輸水隧洞的應用提供寶貴經驗。

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