盾構小半徑割線始發控制技術研究

王江華

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 101300）

1 引言

在我國經濟高速發展的今天，城市人口數量持續增加，隨之而來的交通嚴重擁堵現象在大部分城市亦是屢見不鮮。現階段國家大力發展城市軌道交通建設，來逐步緩解城市擁堵現象，由此可見，修建地鐵對改善城市交通環境起到不可忽視的作用，也是我國城市發展的必經之路［1-2］。陳湘生院士也曾提出“建地鐵就是建城市”的發展理念［3］。然而地鐵多修建在市區中心，施工區域周邊的建構筑物和管線錯綜復雜，場地施工條件不能滿足常規方案要求的例子不勝枚舉。本文以南昌市軌道交通3號線高新停車場出入場線區間為工程背景，結合國內外關于盾構隧道施工始發技術研究成果及應用情況［4-12］，設計了盾構機割線始發的施工技術，并對相關的施工工序及控制要點進行了詳細介紹。

2 工程概況及地質

2.1 工程概況

南昌市軌道交通3號線高新停車場出入場線盾構區間從梁萬站東端始發，沿火炬大街東西方向敷設，后轉入高新五路，沿高新五路南北向敷設至高新停車場盾構井。左線區間隧道長1 068.393 m，右線區間隧道長1 084.907 m，設計線路平面圖顯示最小曲線半徑R270 m，而后緊接R350 m反向曲線，區間線間距8.7～13.62 m。區間采用“Ⅴ”字型坡設計，最大縱坡為9.87‰，隧道上方的覆土厚度平均為5.4～9.85 m，地下水埋深為9.0 m，地下水與贛江水力聯系較密切，地下水量較豐富。

2.2 工程地質

高新停車場出入場線盾構區間隧道范圍內地質勘察報告顯示主要地層有：①1雜填土、③1粉質黏土、③2細砂、③4粗砂（粗砂層為利用孔資料揭露）、③5礫砂、③6圓礫、③1泥質粉砂巖，高新停車場出入場線盾構區間地質分布比例如圖1所示。

圖1 高新停車場出入場線盾構區間地質分布比例圖

2.3 周邊建構筑物及地下管線

高新停車場出入場線區間始發井周邊建構筑物和地下管線眾多，其中盾構掘進過程中需要下穿建筑物主要有3L醫用制品有限公司聯合廠房（4層）、江西華星醫學檢驗中心（7層）、江西銀新實業有限公司（3層），建筑物均為擴大獨立基礎，基礎埋深為地表下2.0～4.1 m不等。江西華星醫學檢驗中心和江西銀新實業有限公司地下室與隧道凈距僅2.8 m。出入場線區間上穿京東大道站至梁萬站左線已完盾構隧道，隧道外邊線間距僅為3.14 m；區間下穿既有涵洞，隧道頂部距涵洞底部間距僅4 m，下穿φ1 800 mm雨污水合流箱涵等市政管線，施工過程中風險較大。

3 技術控制

3.1 割線始發設計

圖2 割線始發線性示意

3.2 托架安裝

盾構始發托架采用預制鋼結構形式，安裝時除考慮其自身中心線坐標軸線外，還需放樣出始發托架上的2條軌道中心線坐標，以增強始發托架定位的準確性。始發托架的縱向坡度設置應與明挖段主體結構18.156‰縱坡一致，且與始發托架的中心線吻合。始發托架是承受盾構機自重荷載的主要構件，而鐵建重工生產的盾構自重約500 t，為此明挖段主體結構施工期間已在相位置提前預埋供始發托架使用的鋼板，在安裝始發托架時，將預埋鋼板與其焊接牢靠，確保始發托架在盾構機掘進期間的穩定性符合要求。

3.3 反力架安裝

高新停車場出入場線區間盾構始發時，由于反力架與割線垂直，致使反力架與明挖段主體結構側墻形成相應的角度，為保證盾構推進時所需的反力，反力架在設計時增加側向400 mm的工字鋼斜撐在明挖段結構底板的預埋鋼板上，四周水平方向均支撐在盾構井下臥段底板及側墻上。在安裝反力架前要求對隧道軸線進行測量放樣并與割線始發線型進行擬合，做好標記標識，安裝完成后對其偏差值進行復核，重點控制隧道軸線豎直趨勢與盾構姿態偏差。

3.4 洞門破除

在確認加固區良好、降水符合設計要求的情況下，共分3個階段進行洞門破除。首先，破除地連墻背水側混凝土保護層，再割除背水側鋼筋；其次，分層破除剩余的混凝土結構至迎水側鋼筋；最后，對剩余的迎水側鋼筋快速割除，并將盾構機迅速頂至掌子面。洞門破除必須保持連續作業，盡量縮短施工時間，以減少掌子面土體暴露時間。由于采用割線始發，盾構機與端頭墻之間會產生2.12°夾角，為防止盾構機接觸掌子面時右側先接觸而造成刀盤啟動時扭矩過大，洞門破除時前進方向右側迎土側要比左側多向內破除約22 cm。為防止盾體扭轉，須在始發導軌兩側的盾構殼體上每隔2.0 m采用200 mm工字鋼加焊接防扭裝置，隨著盾構的掘進將其割除，防止其破壞洞門密封系統。

3.5 負環管片安裝

負環管片拼裝應選擇整環方式。由于始發托架軌道與管片外側有125 mm的空隙（盾構始發托架的尺寸是按照盾構機的前盾6 250 mm設計，管片外徑為6 000 mm），外側底部加設型鋼支撐防止負環管片全部脫出盾尾后下沉，并在始發托架導軌上用方木楔緊，將負環管片托起，保證負環管片的穩定性。每環管片脫出盾尾后，在管片外側應及時用鋼絲繩整環加固并復緊螺栓，鋼絲繩底部與始發托架固定牢靠，防止負環管片產生位移，保證負環管片的真圓度。

4 姿態控制

4.1 導軌姿態控制

盾構機始發托架端頭受主體結構預留洞口、圍護結構地連墻及人防截水槽影響，當盾構刀盤超過托架后有700 mm距離沒有托架支撐，盾構機因自重會產生“栽頭”現象，為避免此現象，應在700 mm長度范圍內用43鋼軌將始發托架上的導軌延伸并在導軌下部加焊20 mm工字鋼支撐固定。

4.2 負環姿態控制

盾構機在始發托架上拼裝負環階段時，掘進區域為預先完成的三軸攪拌樁＋高壓旋噴樁加固區，地層相對比較穩定。此時盾構機還沒有全部進入土體，因此不能自行調整姿態，掘進方向只能保持直線前行，應以低速、低壓、穩定為原則，不影響鉸接的前提下前行。應及時復緊管片螺栓，避免負環管片產生位移，影響后續管片拼裝質量。

4.3 曲線段姿態控制

盾構機盾體完全進入土體后，也是正1環管片的開始，盾構機可以適當調整掘進方向，向設計軸線靠攏。當盾構調整掘進方向時，應以調整主推進油缸為主，以調整鉸接油缸為輔助，緩慢調節，穩步逐漸向設計軸線靠攏。除此之外，還應考慮在曲線段掘進時，盾構機的盾尾存在離心現象，為此掘進方向應保持在曲線內側25～35 mm之間為宜。

其中，D為螺旋外徑；d為螺旋軸直徑，S為螺旋節距。根據飼料的容重和裝滿系數可計算出每圈螺旋輸送的飼料質量，從而設計出螺旋的合理尺寸。

5 參數設定

5.1 土壓力值設定

高新停車場出入場線區間始發端盾構機上部處于細砂層中，下部處于礫砂層中，隧道頂部埋深7 m。土壓力計算示意如圖3所示。

圖3 土壓力計算示意

5.1.1 盾構頂部土壓力計算

土壓與水壓之和為：

式中，P0為地表荷載，取 10 kN/m2；Pe為豎向土壓（kN/m2）；Ps為水壓（kN/m2）；Qe1為盾構頂水平土壓力（MPa）；γ 為砂土容重，取19.6 kN/m3；H 為隧道頂部埋深，取7 m；K為土層的靜止側土壓力，取0.35。

5.1.2 盾構中部土壓力計算

土壓與水壓之和為：

式中，Qe2為盾構中部水平土壓力（MPa）。

5.1.3 盾構底部土壓力計算

土壓與水壓之和為：

式中，Qe3為盾構中部水平土壓力（MPa）。

5.2 出土量控制

盾構出土量計算應考慮土體的松散系數，始發期間盾構主要在細砂和礫砂層中掘進，故松散率按1.1～1.15倍考慮，則每環理論出土量為：

即每環實際出土量應為40.9～42.7 m3。當出土量小于限值時，再次掘進時應適當減小土倉內的壓力設定值，一般調整量控制在0.2 bar之內，并加強地表監測數值的變化情況；當出土量大于限值時，應立即停止出土，關閉螺旋輸送機及閘門，同時加密地表監測，分析地表沉降數值和變化速率，如果沉降過大，需加大土倉壓力設定并采取地表徑向注漿等措施，直到地表沉降數據控制在設計規范允許的范圍后方可復推。

5.3 同步注漿量控制

取靜水壓力的1.1～1.2倍，則實際靜水壓力為L＝0.12 MPa，注漿壓力為：

下部孔的壓力比上部孔略大（0.5 MPa左右）為0.182～0.194 MPa。每環理論注漿量為：

始發期間盾構主要在細砂和礫砂層中掘進，計算擴大注漿量時，考慮2～2.5注漿擴大系數，則實際注漿量為：

5.4 掘進參數設置

盾構機始發掘進參數設置詳見表1。

表1 盾構機始發掘進參數

6 結束語

城市軌道交通工程盾構法施工越來越受到人們的推崇，同時也是常采用的施工工法，但更多時候受施工場地條件制約，盾構機不能按照常規方案始發。南昌市軌道交通3號線高新停車場出入場線區間施工期間，在總體技術控制上嚴格把關，控制好每一道工序的施工質量，重點對始發托架安裝、反力架安裝的精度進行反復校核，對其加固質量進行核驗，對割線始發設計方案進行反復擬合匹配，最終保證盾構機順利始發。

通過實踐證實，盾構機割線始發在高新停車場出入場線區間應用，不僅提高了盾構始發掘進速度，減少施工過程中不必要的停機調整盾構姿態，過程中姿態偏差滿足設計規范要求，同時也驗證了方案的可行性，較好地解決了盾構機在特殊環境下始發難題，為類似工程提供了可借鑒的經驗。