特殊工況條件下大盾構機多次分體始發關鍵技術研究應用

趙繼華

（太原鐵路樞紐西南環線有限責任公司，山西 太原030001）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，為緩解城市用地緊張和交通擁堵壓力，越來越多的城市開始地下盾構隧道建設［1］。不同于地鐵等城市地下軌道或市政管道隧道，鐵路隧道斷面大，需大直徑盾構機及與此配套的長大后配套設備來施工。而大城市隧道建設受限既有地表建筑環境情況，往往具有始發場地狹窄、始發覆土淺等特點，存在大盾構機無法一次完成整體始發，而二次始發存在安全風險大、工效成本高、始發緩慢等難題［2］，因此如何解決大盾構機快速、安全、經濟始發是一個頗具挑戰意義的課題。以太原鐵路樞紐西南環線東晉隧道φ12.14 m大盾構機始發面臨的難題為例，詳述解決這一難題所采取的技術措施。

1 工程概況

東晉隧道是下穿太原市區的城市鐵路隧道，設計全長9 795雙延米，其中間段下穿太原市主市區4 850 m，設計為大直徑土壓盾構法施工（見圖1），以規避明、暗挖沉降控制不良、拆遷量大和對城市正常功能使用的影響。

圖1 東晉隧道盾構區間示意圖

1.1 盾構設計概況

東晉隧道盾構段區間長4 850 m，始發段104 m（明挖77 m+始發井27 m）、接收井27 m。隧道埋深8～24 m，盾構最大坡度-11‰，曲線最小半徑R=1 200 m，隧道橫斷面為標準圓環，外徑11.7 m、內徑10.6 m，隧道設計2 m環寬、550 mm厚、9塊雙面鍥形管片；采用1臺φ12.14 m土壓盾構機施工，盾構機整機長135 m、質量1 300 t，加3#臺車尾翼、調轉平臺后配套總長達212 m、總質量2 800 t。

1.2 始發段地質、水文、環境特征

1.2.1 工程地質條件

盾構始發地層表覆第四系全新統人工堆積層（Q4ml），下覆第四系全新洪積層（Q4pl），隧道穿越地層巖性分別為新黃土、粉質黏土、粉土、細砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石、含圓礫粉質黏土；其中以粉土、中砂、粉質黏土、新黃土、礫砂成分最多，占比達82%。

1.2.2 水文地質條件

地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于第四系粉土、砂土及卵石土地層；地下水埋深9.0～10.5 m，位于隧道結構頂部。

1.2.3 環境條件

始發區地處太原市玉門河南岸與西中環快速路交叉處的東南象限，周邊臨近密集的老舊民居樓房，受北臨玉門河南岸、南近高壓鐵塔重要建構筑物條件所限，盾構始發段地表埋深9 m，設計77 m長明挖暗埋段+27 m長始發豎井，用于大盾構機始發；在距進洞220 m處設計了換刀加固區，兼做始發段完成拆除負環管片后盾構長時間停機點。

2 二次始發方案問題分析

盾構機分體始發次數越少越利于資源配置效應最大化的發揮。而本盾構機始發基于環境條件和設計工況，在覆土不足1倍洞徑地層，現場明挖段+盾構始發井全長104 m條件下，顯然不具備長212 m盾構主機+后配套一次整體始發條件，因此設計給出的施工組織是分二次始發。

2.1 二次始發方案問題

首次始發盾構井+明挖段長度僅能滿足長85 m盾構機整機部分設備（刀盤+盾體+1#臺車+1#、4#連接橋+2#臺車）的下井組裝，其他后配套裝置需留置在地表輔以配合；由于無法形成系統集成，首次始發推進中所需物料只能借助明挖段設置的管片垂吊口下放后人工倒運，直至掘進進洞220 m換刀加固區，不但推進效率緩慢，還因盾構工法施工中盾構機不可反向運行，存在首次始發組裝的臺車、連接橋后移及后續二次始發加裝后配套推進期面臨的安全、工期、成本方面難題。

（1）安全方面。一是在220 m處停機進行盾構機分解再組裝，面臨鄰近建筑物因盾構機長時間停機易引起地層沉降、建筑物裂損的風險［3-4］；二是停機期間臺車后移，洞內電源斷開，盾構機無法向刀盤前、盾殼周圍注入膨潤土漿液，存在盾體“抱死”和大下坡道“栽頭”風險，甚至造成盾構機難以啟動事故［5］；三是因首次始發無法形成盾構機及后配套的系統集成，受物料供給緩慢存在成環管片脫出盾尾注漿不及時、量不足的可能，加劇地表沉降和洞體成環質量問題［6-7］。

（2）工期方面。由于物料運輸不及時，造成推進緩慢，影響建設工期。

（3）成本方面。一是限于始發場地限制，第1次組裝無法將4節連接橋一并下井始發，造成作為最初運輸通道的軌下結構無法及時跟進，掘進過程所用管片、耗材要搭拆超長棧橋作為臨時運輸通道，增加了投資；二是首次始發完后移臺車需購置大功率卷揚機提供動力，并訂制后移臺車軌道工裝，增加安拆成本。

2.2 優化多次分體組裝始發方案

采取多次適時盾構分體組裝始發方案［8］并輔以技術措施控制，可降低安全風險，控制成本投入，實現高效施工成洞。總體思路是：本著盾構機正常組裝始發順序，通過加固已進洞成環管片與周邊圍巖的一體性連接，加固負環下部體，拆除影響盾構機組件下井的局部負環上部體管片，以滿足后續組件適時順利下井、組裝推進，至適當位置短暫停機；施作后續組件下井、組裝、推進，直至裝齊所有后配套并完成盾構機始發。

要實現上述盾構機及后配套的多次組裝始發，必須解決后續盾構機組件的下井問題，辦法只能是解體吊出影響下井的負環上部體管片，而要實現盾構機正常掘進及管片拼裝，僅靠首次始發的成環管片段與周邊巖體提供的摩擦力達不到推進盾構機前行的目的，仍需借助負環傳力和既有反力架提供支撐力。而要解決以上問題，一是要使首次始發進洞范圍的成環管片與其周邊圍巖形成整體受力；二是未拆除的負環下部體管片保證其具有整環負環管片功效，否則多次組裝始發方案就無法實現。因此，需對以上2個關鍵點采取相應技術保障措施。

3 實施工序流程

盾構多次分體始發工序流程見圖2。

圖2 盾構多次分體始發工序流程

3.1 首次盾構機組裝始發

盾構機首次組裝總長約85 m，組裝件有刀盤+盾體+1#臺車+1#、4#設備橋+2#臺車，受明挖主體結構的尺寸限制，盾構始發時采取搭設臨時軌道拖拉的方法，將管片由明挖段預留吊裝口運輸至拼裝機下部，保證管片拼裝作業；當盾構掘進拼裝第8環時，將管片小車分3次吊裝下井；當掘進拼裝第13環時，2#臺車前部輪對到達明挖段出口，開始“口”字預制件的安裝，拼裝好的“口”字預制件作為施工期間物料運輸通道。當掘進并拼裝至第17環位置時完成首次始發。

3.2 二次盾構組裝始發

盾構掘進拼裝至正17環完成首次始發時，1#設備橋尾部剛好進入負3環，此時對1#、4#設備橋進行解體，并將4#設備橋+2#臺車后移進入明挖段洞內，為設備橋下井組裝騰出空間。然后進行進洞成環管片、負環下部管片加固和負環上部管片拆除作業，其作業要點如下：

（1）進洞成環管片與圍巖加固。對1—14環成洞管片預留灌漿孔逐環進行鉆孔壓漿，打入中空錨桿，上方打入深度4 m，下方打入深度10 m，注入水泥砂漿直至孔口砂漿溢出，使成環管片與圍巖形成共同工作體。

（2）負環下部管片加固（見圖3）。①鋼絲繩穩固負環底部：對所有負環管片底部（時鐘5、7點位）用φ50 mm的水鉆成孔，穿入φ32 mm鋼絲繩與導臺預埋吊環緊繃連接，保證負環整體抗力。②H型鋼上部控制：對每環負環管片中心位置兩側與豎井墻體預埋鋼板間、負環外沿（時鐘4、8點位）斜向與始發井下部結構體預埋鋼板分別焊聯300 mm高H型鋼，保證負環上部拆除后下部管片的穩定性及幾何圓度。

圖3 負環管片底部及兩側加固

（3）負環上部管片拆除。考慮連接橋及后續后配套最寬尺寸均不大于9 m，因此要拆除負環管片第10、7、6、5、4環上部各4塊，負環管片第9、8環上部各5塊，共計30塊負環管片，拆除過程要保證被拆管片與其他管片的相對穩固。加固、拆除作業結束后即可進行3#、2#設備橋的依序下井、組裝，并與此前下井的1#、4#號設備橋進行一體連接。

（4）負環整體性受力加固（見圖4）。盾構二次始發時，為避免正環偏心受力，對負3環與反力架間上半部加設8道φ609 mm縱向鋼管作為傳力頂撐，保證正環及傳導受力的一致。此后即可啟動盾構機的二次始發，二次始發至掘進拼裝57環完成停機。

3.3 三、四次盾構始發

圖4 負環上部傳力連接

二次始發至掘進拼裝57環，此時2#臺車剛好進入洞內，由于3#拖車總長為20 m，需對負環上部鋼管頂撐、負3、負2環上半部分管片和反力架上半部分進行拆除，保證空間后組織3#臺車的吊放組裝，組裝完畢即進行第3次始發，掘進至3#臺車尾部進入正3環位置，完成第3次始發停機。然后進入第4次組裝始發，依次將回轉平臺吊裝組裝后移、后置平臺吊裝組裝，最終與前方后配套連為一體，進行第4次始發并掘進至110環換刀加固區停機，拆除所余負環和始發井軌道平臺，全面完成盾構始發任務。

4 實施效果

太原鐵路樞紐西南環線盾構區間φ12.14 m大直徑土壓平衡盾構機多次分體始發技術的成功實施，避免了因長時間停機存在的地表鄰近建筑物沉降裂損、盾構機刀盤“抱死”或盾體“栽頭”風險，降低了設備啟動風險和盾構機后配套裝置后移所需較大成本投入問題，保證了始發掘進拼環管片成洞姿態質量，較早實現軌下結構同步掘進施工，提高了成洞效率，具有較高的安全可控性、質量穩定性和較好的經濟效益，可為類似大直徑盾構分體始發提供借鑒。