大坡度曲線段盾構分體始發技術研究

徐洪強，王翔，李先飛 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

盾構始發掘進是地鐵施工中極易發生安全事故的關鍵環節，由于地鐵線路施工環境十分復雜，使得盾構始發面臨著越來越嚴峻的挑戰。周誠等依托武漢地鐵2號線越江工程，建立了盾構始發掘進全過程的施工安全保障體系，并動態調整了開挖參數，取得了良好的應用效果。朱世友等總結了既有盾構始發控制關鍵技術，提出了相應的施工安全保障措施庫，繼而開發了一套盾構始發自動推理軟件，能夠可靠便捷判別地層綜合穩定性。張伯陽基于南京緯三路超大斷面盾構的工程經驗，系統介紹了泥水盾構始發端頭冷凍加固、洞門密封、聯機調試等多項準備工作，形成了越江跨海超大盾構始發的關鍵技術體系。高丙麗等研究了西安地鐵3號線盾構始發井開挖對周邊給排水管網的影響機制，提出了橋梁樁基加固、盾構始發注漿、管線實時監測等行之有效的控制措施。李東海等研究了基坑圍護結構受盾構始發開挖的影響機理，得出玻璃纖維筋樁體的樁體變形明顯大于鋼筋混凝土樁，但仍能保障盾構切削的安全始發。

此外，盾構始發建設可用地面積受到越來越多的限制，這也直接導致部分盾構始發需在較為狹小的施工環境下完成。邵翔宇等通過廣州地鐵6號線小半徑圓曲線盾構始發的工程實踐，探討了盾構機械選型、始發參數和管片設計等方面的安全控制經驗。王剛針對北京地鐵8號線盾構始發施工的場地限制，自主研發了盾構分體始發小臺車和雙軌梁，實現了精細化施工管理與動態化參數調整，在降低施工風險的同時，顯著加快了掘進速度。

杭州至富陽城際鐵路為聯通杭州至富陽的交通干線，受工期與周邊環境影響，個別盾構需從區間風井始發，區間風井尺寸較小，不滿足全套盾構設備安裝就位的長度要求，需采用分體始發技術。本文基于既有研究，針對分體始發水平運輸與管路銜接工序，進行了合理的施工組織，同時針對始發段大縱坡與平面曲線的線形要求，設計了適當的推進參數。

2 項目概況

杭州至富陽城際鐵路中村站～中文區間風井盾構區間為兩條單洞單線圓形隧道，盾構外徑6.48m，管片外徑6.2m，內徑5.5m，管片寬度1.2m。采用土壓平衡盾構機進行盾構作業，全長88m。受工期限制，盾構需由中文區間風井始發，始發段位于R=700m圓曲線上，縱坡21‰。風井井長51m、寬23.8m、深22.12m，由于風井長度較短，難以下放全部盾構臺車，故采用分體始發。

盾構始發段位于全斷面中等風化粉砂巖，巖石單軸飽和抗壓強度統計值為12.90～79.70MPa，平均值為43.68MPa，標準值為 35.12MPa，屬較硬巖。地下水為基巖裂隙水，對盾構施工影響較小。

3 盾構始發施工組織

3.1 盾構機設備改造情況

3.1.1 螺旋機、設備橋拆除

原盾構機為雙螺旋過江專配盾構機（圖1），現因本區間隧道圍巖存在較大差異，需拆除盾構機的2#螺旋機，將設備橋以及后部臺車（1—5#臺車）向前順接，拆除2#螺旋機后，設備橋整體縮短6m（圖2）。螺旋機拆除完成后1#、2#螺旋機之間的伸縮閘門保留在1#螺旋機上，作為1#螺旋機在后續推進期間的伸縮閘門，設備橋處的出土口位置、角度需要重新調整。

圖1 原設備橋側視圖

圖2 調整后設備橋側視圖

3.1.2 新改裝皮帶機安裝

新改裝皮帶機安裝的工序包括門架及1#臺車車架尺寸檢查、放線—皮帶機骨架安裝—皮帶托架—安裝下托輥—安裝改向滾筒—安裝拉緊裝置—安裝上托輥—皮帶敷設—安裝傳動裝置—安裝頭尾護罩等附件。

出土口方案也進行了調整，隨著盾構機設備橋中間段的拆除，將皮帶出土口順延至1#螺旋機正下方，在設備橋最前沿段用2個20t手拉葫蘆將出土口先懸掛起來（圖3）。隨后調整出土口與皮帶距離之間的凈距離，先調整至35cm，并根據出土情況再做調整，調整結束后采用鐵拉鏈將出土口位置進行最終的安裝固定。如使用過程中出現受力不均勻情況，需在設備橋前段焊接托架將出土口再次進行安裝加固。最終在出土口兩側安裝擋料板，改變物料下落方向，同時可以增加導向槽使渣土下落到皮帶的位置更加集中。

圖3 臨時出土口設置圖

在1#臺車尾部設置臨時出土口，采用20#工字鋼焊接成門架臨時將皮帶主電機安裝在門架上，在門架四個面方向均需要焊接45°角的斜撐，充分固定門架，門架高度2.5m，斜撐長度0.8m，皮帶寬度為800mm，皮帶帶速為2.5m/s，改裝后的皮帶主電機高度與原皮帶電機高度一致，1#臺車車架上部氣管、油管、水管、膨潤土管等均不改動。

3.2 分體始發階段性流程

階段一：受分體始發影響，最初時只能下放盾構盾體+設備橋+1#臺車，總長34m。此時剩余空間僅可以下放后配套系統中的電瓶車+1節渣土斗+1節管片小車，含鏈接在內共21.08m。受頂部結構橫梁影響，只能將渣土斗置于最后，便于吊裝（圖4）。此外，受1號臺車長度影響，當該編組達到1號臺車前部時，渣土斗尚未到達皮帶末端下方，因此需在1號臺車尾部增加一個門架，將皮帶順延到渣土斗上方（圖5）。同步注漿漿液由負一層漿箱直接下放到一號臺車漿箱中。單環推進出土量約54方，一個渣土斗16方，出土需要3.5斗，因此配置一個管片小車滿足需求。

圖4 臺車與后配套編組（階段一）

圖5 1號臺車尾部增加門架（階段一）

階段二：盾構始發一段距離，上層結構梁不影響吊裝，調換電瓶車與渣土斗位置（圖6）。

圖6 臺車與后配套編組（階段二）

階段三：在1號臺車過-2環之前，同步注漿漿液都是直接從中板漿箱下放進1號臺車漿箱中，其中臺車進入負環后通過在-2環位置開洞的方式（F塊不拼裝）下放漿管。因此在1號臺車通過-2環之后，下放漿車，形成編組1電瓶車+1渣土斗+1漿車+1管片車。此時因2號臺車未下放，1號臺車+增加的門架長度只足夠1渣土斗的出渣空間（圖7）。同理，工程中不具備增加管片小車條件（圖8）。

圖7 臺車與后配套編組（階段三）

圖8 難以增加渣土斗及管片車（階段三）

階段四：如圖9所示，盾構推進至68環位置時，洞內空間已經足以下方2-5號臺車，此時結束分體始發，下放2-5號臺車，同時后配套實現滿編組，1電瓶車+3土斗+1漿車+2管片車。完成分體始發階段。

圖9 臺車與后配套編組（階段四）

3.3 分體始發管路配置

由于在階段四之前，2-5號臺車位于地面，與1號臺車需要通過自上而下的轉接管路進行連接，同時該管路需要隨著盾構推進不斷延伸。為方便施工，盾構始發前所有轉接管路一次性安裝完成，配置管線長度為端頭井長度+端頭井寬度+深度+階段四時1號臺車尾至洞口長度。盾構始發后，在隧道臺車左右兩側分別布置分體始發管線同步移動裝置，同步移動裝置由鋼絲繩、單軌工字滑車和繩子，鋼絲繩一頭固定連接軌道，另一頭固定連接在盾構隧道上部的管片螺栓上，單軌工字滑車沿軌道長向間隔設置并行走于軌道上，轉接管線由繩子吊掛于單軌工字滑車的托架上（圖10）。

圖10 轉接管路一次就位

在盾構機始發掘進時，轉接管線可通過該裝置隨著主機的前移而不斷前移。通過采用該裝置，避免了轉接管路的損壞甚至斷裂，從而使系統無法進行。右線盾構始發時采用左線盾構機2-5號臺車，這樣右線結束分體時直接下放右線2-5號臺車，同時左線2-5號臺車不動位置繼續作為左線分體始發使用，避免了臺車的多次移位（圖11）。

圖11 轉接管路洞內續接

4 始發線形控制

4.1 割線始發

由于始發段盾構機位于始發架上，無法自主調整姿態，故始發段采用兩段式割線始發（圖12）。第一段割線長度為11.7m、第二段割線長度7m，第一段割線與設計軸線偏差為-24.45mm，第二段偏差為-8.78mm，左右線采用割線始發達到軸線均控制在±50mm范圍內，滿足盾構設計軸線控制要求。

圖12 兩段式割線始發

4.2 推進參數

由于地層為富水巖層，需考慮上浮問題，始發架坡度設為21‰，垂直姿態按-10～-20mm設置，水平姿態按-20～-30設置。刀盤接觸掌子面至+4環間，土倉壓力由0bar逐漸保持在1.0bar，推 力 1100～1300t，水 平 姿 態 -20～ -30mm，垂直姿態-15～-30mm。推進速度 10～15mm/min，刀盤扭矩 1900～2500kN·m，刀盤轉速1.0～1.1r/min。

當+4環油缸至刀盤到達割線與設計線路切點位置時，土倉壓力基本保持在 1.0～1.5bar。推力 1100～1300t，水平姿 態-5～-15mm，垂 直 姿 態 -35～-10mm，推進速度10～25mm/min，刀盤扭矩 2000～2800kN·m，刀盤轉速 1.1～1.3r/min。其后刀盤盾構可以進行自行糾偏，控制盾構機的設計軸線姿態。

持續跟蹤監測管片姿態，分析管片垂直方向變化趨勢。同時加強同步注漿，保證管片上部及圓曲線外側的管片空隙也被漿液填充密實。如存在管片上浮情況，可通過采用水泥水玻璃1：1雙液漿快速打環箍。如管片上浮量較大，則垂直偏差可調整為-30～-50mm推進。

4.3 渣土改良

渣土改良對本區間盾構順利推進有著極其重要的作用，改良好的流塑性渣土可以有效防止刀盤、土倉結泥餅以及降低刀具磨損。本區間全風化粉砂巖和強風化巖層等黏土礦物含量超過25%的地層極易形成泥餅，泡沫混合溶液的組成：原液5%～10%，工業水93%～95%，泡沫混合液組成：90%～95%壓縮空氣，3%～6%泡沫混合液，泡沫溶液與空氣比例1:10～1:20，泡沫溶液流量根據刀盤扭矩調整，控制范圍150L/min～300L/min，泡沫混合液半衰期不得小于6min。泡沫的注入量按開挖量300L/m3設計。控制渣土坍落度在150～200mm。膨潤土改良采用優質鈉基膨潤土，膨潤土溶液黏度控制在30±5s。

5 效果驗證

中文區間風井～中村站區間自2019年5月24日始發，至2019年6月23日完成100環掘進任務，施工總天數31天。如扣除分體始發下臺車所占用時間，實際施工時間為20天，日掘進5環（圖13），整體效率已滿足實際施工需求。

圖13 分體始發掘進效率

盾構機總推力平均值在13500kN，最大值16000kN，刀盤扭矩平均值3150kN·m，最大值3400kN·m，最大推進速度38mm/min，螺旋機最大扭矩95kN·m，刀盤轉速1.1～1.2r/min。整體參數在前期設定的參數范圍內。前100環平面最大偏差偏左（-49mm），高程最大偏差偏下（-55mm），均處于規范要求之內，滿足驗收要求。

6 結論

①依托杭州至富陽城際鐵路中村站～中文區間風井盾構區間工程，系統介紹了因場地受限而采用的盾構分體始發技術，考慮了出渣、管片拼裝、垂直與水平運輸等因素，實施了分階段下放水平運輸設備，一次性布設轉接管路等控制手段，保障了盾構始發安全，提高了盾構掘進效率。

②通過采用兩段割線始發，可有效降低曲線段盾構的糾偏次數，并減少始發平面位置偏差。

③考慮掘進區間處于富水地層，垂直姿態一般按負值推進，當統計上浮量較大時，垂直姿態甚至可以低于-50mm。