土壓平衡盾構機小半徑割線技術研究

尹 政

（中鐵十四局集團 隧道工程有限公司，山東 濟南 250014）

1 工程概況

標段包括一站兩區間，即草橋站-右安門外站區間、右安門外站、右安門外站-牛街站區間，線路總長5.363 km。草右區間設置一處半徑為R=450 m的平面曲線，左右線間距為18.8～10.0 m，區間縱斷呈W型，出草橋站后接28‰下坡至區間低點，之后接10‰上坡，后接6‰下坡至區間低點，最后接28‰上坡，隨后變坡與車站2‰縱坡銜接。區間結構埋深13.8～29.2 m。

區間隧道主要穿過卵石⑤、卵石⑦地層、卵石層⑨，全線統一水層編號，水層號為潛水（二）層，賦存于第⑦、⑨層卵石層中，滲透系數300 m/d。

2 盾構設備始發性能評價

草橋站-右安門站區間盾構段投入2臺復合式土壓平衡盾構機，盾構機的開挖直徑為6 680 mm。盾構機分為主機和后配套設備，7節車架，全長約75 m，最大掘進速度均可達到100 mm/min。盾構機主要參數：（1）盾構刀盤與刀具。針對本工程穿越砂卵石特點和周邊環境特點，采用輻條式刀盤，主要由輪緣、輻條和布設在輻條上的刀具組成。4根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅動裝置并且作為刀盤輻臂的基座，以傳遞足夠的扭矩和推力，刀盤可以雙向旋轉。刀盤直徑為6 688 mm，刀盤的綜合開口率約為52% ，刀盤的中心部分開口率為60%，有利于中心部分渣土的流動并進入土倉，可以有效的防止中心泥餅的產生。為滿足盾構施工掘進進度、沉降控制等要求，刀盤配置有主切削刀、加強切削刀、周邊刀、魚尾刀，考慮到施工中刀具和卵石撞擊等不利因素，采用耐磨強度高刀具，刀具加焊耐磨層。（2）始發掘進參數選取依據。根據在類似地層中掘進經驗，盾構推力為10 000～17 000 kN，擬投入盾構機總推力為42 400 kN；經加渣土改良后扭矩為1 800～4 000 kN·m。擬投入盾構機刀盤工作扭矩為6 650 kN·m，脫困扭矩8 320 kN·m；螺旋輸送機為軸式，規格850 mm（內徑）×13 955 mm，出土能力430 m3/h，通過最大直徑300 mm×660 mm；盾構機具備加膨潤土和加泡沫功能，刀盤配置8個添加劑注入口，土倉壁設置4個添加劑注入口，泡沫系統采用單管單泵，膨潤土系統采用螺桿泵，能根據地質條件的變化實施單獨加泥、同時加注泥漿和泡沫，對土體進行塑流化改造，使其更容易排出，減少施工對地層的擾動。

3 始發關鍵技術控制

3.1 端頭加固

區間風井-草橋站始發端加固范圍為縱向9 m，橫向加固為盾構掘進左、右線隧道外邊線以外3 m范圍，豎向加固至隧道掘進邊線上、下各3 m范圍、加固深度為16～28.4 m。始發端頭均采用高壓旋噴樁加固，旋噴樁采用Φ600 mm@450 mm。

3.2 洞門水平探孔檢查

盾構進出洞前進行水平探孔取芯檢查，確保端頭加固體滿足盾構進出洞施工。洞門鋼環內采用探孔對加固情況進行檢測。探孔無明水流出，芯體強度滿足設計要求，加固段中心和鉆孔全數檢查，滿足設計要求可進行下一工序。

3.3 割線始發確定

由于盾體在未全部進入土體之前無法轉向，只能沿直線進洞，割線始發具有在盾體全部進入土體后盾構姿態偏差最小、管片不侵限、盾構糾偏容易等優點，所以盾構始發段位于曲線上時，都采用割線始發。本區間始發位置線路有450 m轉彎半徑，需割線始發，托架前端向右偏移27.7 mm，后部偏移220 mm，根據設計線路坡度調整始發基座的前后高低差。為抵消盾構始發段盾構機栽頭的現象，將盾構機刀盤抬高20 mm，最終始發線路保持盾構機刀盤中心高程高于設計軸線20 mm，由于盾構路線有6‰ 坡度，盾構始發時始發托架放置需與隧道軸線坡度一致，盾尾中心高程與設計軸線重合。

3.4 盾構機始發姿態

盾構進入洞門即采用超挖刀進行擴挖，以留出初始轉向空隙,在盾尾完全進入洞門后即開始轉向，保證盾構由直線掘進狀態順利進入曲線狀態掘進，避免在曲線外側超挖。盾構始發時，為提供足夠的推力并保持反力架、負環管片穩定,盾構機必須沿直線推進。從始發洞門開始其中心路徑前10 m沿隧道設計中心線（平面曲線450 m ）的割線（該割線通過始發洞門中心線）推進，待盾尾脫離基座后逐步調整盾構姿態使盾構沿隧道設計線路推進。經計算，盾構沿內弦線掘進最大偏移量l=27.7 mm; 盾構機軸線與始發井軸線夾角θ=0.635°。故設計曲線內偏移量為27.7 mm。見圖1、圖2。

3.5 始發托架安裝

由于盾構路線有6‰ 坡度，盾構始發時始發托架放置需與隧道軸線坡度一致，盾尾中心高程與設計軸線重合，所以安放托架時前端略高于尾端，高度差控制在20 mm。

圖1 割線與始發井結構中心線位置

圖2 盾構機割線始發

安裝時盾構基座中心線與隧道設計中線同線，盾構基座前端距端墻500 mm。托架最小段靠近洞門，托架兩側均布H型鋼支撐。型鋼支撐與側墻和上翻梁接觸位置塞鋼板加強支撐效果，另一側與盾構基座牛腿焊接加固，增加始發托架整體受力均勻和安全性，見圖3。

圖3 始發托架放置

3.6 反力架安裝

由于始發時需穿越9 m的加固區，較高強度的加固土體造成推進所需的反力較大，易使反力架變形或側斜。所以需在反力架側邊增加支撐，以增加大角度曲線始發時反力架的穩固性和安全性，使其滿足始發所需的施工空間。在安裝反力架時，反力架端面應與割線始發線路垂直。反力架結構形式見圖4、圖5。

圖4 反力架結構形式

3.7 降水

草右區間盾構始發井共布置降水井63眼，井深38 m，基本井間距6 m；潛水泵降水可有效疏干砂性土中的地下水，提供砂卵石地層的密實度，防止鑿除洞門時出現涌水、涌砂，避免始發端頭的坍塌。

3.8 洞門破除

由于始發洞門為鋼筋混凝土及玻璃纖維樁，破除表層鋼筋網片采用人工手持風鎬破除，剩余的部分樁體使用盾構機破除。因割線始發，盾構機刀盤接觸掌子面時會產生一側先接觸，另一側懸空的狀況，這會導致盾構機受到的反作用力不均等，使盾構機、始發架、反力架產生側移，割線始發方向發生變動，所以洞門鑿除時，鑿除完的洞門平面必須與刀盤平面平行，見圖6。

圖5 反力架結構形式

圖6 玻璃纖維筋樁平面布置

3.9 洞門密封安裝

為防止盾構機始發過程中滲漏水的發生，對洞門采取橡膠簾布+折頁翻板處理措施。洞門密封由一道洞門橡膠簾布和24塊翻板組成，所有密封機構通過72支雙頭螺栓，固定在預埋洞門鋼環上。安裝洞門簾布時需注意外凸緣的朝向，始發階段凸緣朝向始發方向。

3.1 0 負環管片拼裝

盾構機始發前在反力架和盾尾需要拼裝9環負環管片,全部采用通縫環拼裝。拼裝完的負環則應及時用鋼絲繩整環加固，鋼絲繩底部與始發架連接在一起，以保證在傳遞推力過程中管片不會旋轉浮動，用木楔將管片與始發架間的間隙塞緊,負環與負環之間的螺栓要及時復緊，避免負環管片產生位移、下沉,反力架傾斜，影響后續管片的拼裝質量或產生安全隱患。

4 盾構機始發掘進

4.1 盾構機在始發托架上推進

盾構機在進入洞門與加固區之前，沿始發托架的路徑直線推進，同時注意控制盾構機的姿態，保持各區域推進油缸的推力基本一致，防止推力不均勻導致負環和反力架的變形。脫出盾尾的管片及時穿入鋼絲繩，收緊管片，墊入木楔，既增加負環管片的穩定性，又保證了負環的正圓度。刀盤開始進入洞門密封結構前，提前在刀盤和密封簾布上涂抹黃油，防止刀具將橡膠簾布刮傷。

4.2 土壓建倉

每環負環的拼裝后，測量負環與端墻之間的距離，驗算零環的相對位置是否滿足內插洞門400～800 mm之間。負6環開始掘進時慢慢建立土倉壓力。增大泡沫注入，提高泡沫液注入，確保渣土改良到位，防止渣土沾在刀盤和土倉上，檢查渣土的溫度，防止刀盤高溫結泥餅。

4.3 盾構機在加固區推進

進入加固區-5環推進時，開始緩慢勻速旋轉刀盤，少量向掌子面噴射低濃度、發泡率較低的泡沫，同時螺旋機開始出土，保持空倉掘進。控制推進速度在10 mm/min以內，刀盤扭矩2 000 kN·m以內，總推力8 000 kN以內，若存在較大姿態偏差，不得采取急糾措施，應當采取緩和蛇形糾偏，并時刻注意刀盤扭矩的變化。隨后土壓緩慢遞增，同時觀察出土情況，及時修改泡沫注入量，加強土體改良效果，降低刀盤扭矩，防止刀盤發生劇烈扭轉，見表1。注意觀察洞門密封狀況，此時以泡沫溶液來檢查洞門密封的效果，并對滲漏點及時進行相應的處理。緊固洞門環板的固定螺栓。

表1 加固區掘進參數

4.4 盾構機通過加固區后續推進

盾構機通過加固區域后，盾構機的各項參數可以適當微調。此階段要使盾構機進入曲線內側，以便盾構機逐步的沿著隧道設計的軸線推進。曲線內側區域千斤頂推力與曲線外側區域千斤頂的推力差可以調大，鉸接度和超挖刀行程都可以調大。此時土倉的壓力可以控制在0.6～0.8 MPa;刀盤轉速調整到1 r/min;刀盤扭矩控制在2 500～4 500 kN·m;推力控制在10 000～12 000 kN;推進速度可以緩慢提高到40～50 mm/min。

5 小半徑割線始發注意事項

5.1 洞門防水

根據國內外類似工程施工經驗，小半徑割線始發時，洞門密封簾布與盾構機存在一定的夾角，始發前要清理干凈內部雜物，特別是尖硬物體，防止簾布失效及破損。

5.2 同步注漿及二次注漿

（1）正5環管片拼裝完成后，利用雙液漿進行洞門封堵；同時啟動同步注漿，同步注漿速度應與掘進速度相匹配，通過同步注漿系統及盾尾的外置注漿管，在盾構向前推進盾尾空隙形成的同時進行，采用雙泵4管路對稱同時注漿；能保證達到對環向空隙的有效充填；同時又能確保管片結構不因注漿產生變形和損壞。（2）根據設計及施工要求，管片脫出盾尾3～5環后進行，如果二次注漿后管片接縫仍然滲漏水或者地面沉降增大，可能還會安排進行多次注漿。為保證盾構始發安全以及盾構機的順利通過始發端頭，將達到填充、微隆效果。

5.3 盾構機姿態調整

始發時不得隨意調整油缸分區壓力，盾尾未完全進入前，不得調整姿態，若存在較大姿態偏差，不得采取急糾措施，應當采取緩和蛇形糾偏，控制底部油缸壓力，并時刻注意刀盤扭矩的變化。防止盾構栽頭，導致盾尾進入由于行程差異過大，鉸接部分變形。

6 結語

結合草右盾構始發采用小半徑割線始發方法，通過對狹小空間的有效利用，將以往始發姿態難控制、進度任務難完成等難題一一解決，盾構機小半徑割線始發的成功，增加盾構工法的多元化，解決了中心城市核心區采用小半徑割線技術方面的問題。