盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)技術(shù)研究

段耀偉

（太原軌道交通集團(tuán)有限公司，山西 太原 030031）

1 盾構(gòu)分體始發(fā)總體概述

1.1 工藝原理

分體始發(fā)是指始發(fā)井在不符合盾構(gòu)總體始發(fā)需要的條件下，將盾構(gòu)機(jī)盾體或?qū)⒍荏w和一些主要的后配套臺(tái)車吊入起點(diǎn)端，將整個(gè)或部分后配套臺(tái)車放置于地面上，將地面的臺(tái)車和井內(nèi)臺(tái)車以及盾體之間采用了延長(zhǎng)管道相連，同時(shí)再按照豎井條件以及盾構(gòu)前后臺(tái)車尺寸和各臺(tái)車廂內(nèi)的主體設(shè)施考慮對(duì)盾構(gòu)分體，并對(duì)相關(guān)設(shè)施實(shí)行了改造以完成起始階段的挖掘建設(shè)，等盾構(gòu)隧洞挖掘至適合將所有后配套臺(tái)車裝入的一定深度后，再按照總體始發(fā)的模式實(shí)施盾構(gòu)二次始發(fā)、轉(zhuǎn)正常始發(fā)掘進(jìn)模式。

1.2 工法特點(diǎn)

本工法占有場(chǎng)地小，能夠減少場(chǎng)地征地、拆遷、管線改遷等費(fèi)用；始發(fā)豎井尺寸小，短豎井施工周期短、安全程度高。如用車站始發(fā)可在端頭井施做完即可盾構(gòu)始發(fā)，區(qū)間可與車站同時(shí)施工，工籌合理可以縮短總工期[1]。

2 案例分析

2.1 工程概況

某地鐵區(qū)間右線線路起訖里程為YDK31+787.763—YDK32+881.800，右線長(zhǎng)度1105.511m（含長(zhǎng)鏈3.474m）；左線線路起訖里程為ZDK31+784.808—ZDK32+862.000，左線長(zhǎng)度1078.011m（含長(zhǎng)鏈0.819m）。區(qū)間平面上有2個(gè)曲線段，半徑依次為1000m、550m，平均線間距13m，并在中間風(fēng)井出入洞前后附近漸變?yōu)?2m；在縱斷面上的2個(gè)豎曲線半徑最小為3000m，區(qū)間線路縱向偏移坡度最大為8.019‰。隧道頂部覆土厚度約為29.1m，最小覆土厚度約為13.7m。

2.2 始發(fā)井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

盾構(gòu)始發(fā)井為中間風(fēng)井兼2#聯(lián)絡(luò)通道（兼軌排吊裝井）主體結(jié)構(gòu)凈空長(zhǎng)38.4m，凈空寬度為25.4m，平均埋深為21.97m；軌排井孔洞長(zhǎng)27m，寬8.4m，主體結(jié)構(gòu)為地下兩層三跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。此中間風(fēng)井無(wú)法滿足盾構(gòu)整體始發(fā)[2]。

2.3 盾構(gòu)機(jī)概況

本區(qū)間右線采用海瑞克S241盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，左線采用的中鐵裝備83#盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。

兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)適宜砂土、淤泥質(zhì)土、花崗巖風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶等地層的掘進(jìn)施工；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)最小曲率半徑300m，最大坡度42‰。

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備由刀盤、前體、中體、后體、連接橋及后配套臺(tái)車等構(gòu)成，單臺(tái)總長(zhǎng)度為80m，單臺(tái)總重量約450t。盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)件參數(shù)見表1。

表1 海瑞克S241盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)件組成及參數(shù)

2.4 地質(zhì)水文情況

2.4.1 地層巖性及特性

始發(fā)井大里程端頭地層從上往下為＜1＞素填土、＜4-2A＞淤泥質(zhì)土、＜3-2＞中砂層、＜5H-2＞砂質(zhì)黏性土。

2.4.2 水文地質(zhì)條件

始發(fā)井大里程端頭盾構(gòu)始發(fā)穩(wěn)定地下水位線高度為39.25m，穩(wěn)定地下水位線位于隧道拱頂上方9.01m標(biāo)高處，水位線和隧道拱頂之間分布淤泥質(zhì)土、中粗砂層、花崗巖殘積土。

2.5 周邊環(huán)境情況

本次始發(fā)階段100m主要位于公路下方，距離兩側(cè)房屋最近距離約為18m。其中公路上各種市政管線，其中包括通信、供水水、電力光纜，各管線均埋深較淺，盾構(gòu)施工不會(huì)對(duì)其造成大的影響。

2.6 總體施工方案

擬從始發(fā)井（中間風(fēng)井大里程端）先行始發(fā)盾構(gòu)右線，待右線掘進(jìn)60環(huán)（90m）后再行始發(fā)左線。

因始發(fā)井（中間風(fēng)井）縱向長(zhǎng)度僅有38.4m，采用的海瑞克S241、中鐵裝備83#盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)為80m，故始發(fā)井不具備整體始發(fā)條件。

根據(jù)結(jié)構(gòu)凈空長(zhǎng)度和盾構(gòu)機(jī)盾體和臺(tái)車長(zhǎng)度尺寸考慮，連接橋和1號(hào)臺(tái)車下井，2號(hào)～5號(hào)臺(tái)車則布置在地面上，待盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)70環(huán)（105m）后，將地面剩余臺(tái)車吊裝下井，組裝調(diào)試，正常掘進(jìn)[3]。

盾構(gòu)始發(fā)地層加固在盾構(gòu)始發(fā)前進(jìn)行了加強(qiáng)措施，攪拌樁加固深度進(jìn)入〈5H-2〉地層后不小于1m，以確保在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)前方土體自穩(wěn)和較高的防水性能。

因始發(fā)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)洞門處連續(xù)墻鋼筋采用玻璃纖維筋，左右線盾構(gòu)始發(fā)洞門均不需要人工鑿除。

始發(fā)階段電瓶車編組形式為1個(gè)機(jī)車+1個(gè)土箱+1個(gè)平板車，平均1個(gè)班2環(huán)（每天4環(huán)），在管片拼裝和移管線期間，將漿液車增加在編組里面運(yùn)輸漿液，漿液運(yùn)輸完后，重新將漿液車吊出編組。

3 盾構(gòu)分體始發(fā)階段施工重難點(diǎn)分析及對(duì)策

3.1 始發(fā)基座安裝

盾構(gòu)始發(fā)基座為盾構(gòu)始發(fā)時(shí)為盾構(gòu)提供的平臺(tái)，通常產(chǎn)用鋼結(jié)構(gòu)焊接成整體。始發(fā)基座位置要根據(jù)設(shè)計(jì)軸線準(zhǔn)確放樣，吊入井下就位，安裝時(shí)按照測(cè)量放樣的基線吊入井下就位、固定。始發(fā)臺(tái)水平軸線的垂直方向與反力架的夾角偏差＜±2‰，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線豎直趨勢(shì)偏差＜2‰，水平趨勢(shì)偏差＜±3‰。盾構(gòu)始發(fā)鋼軌中心與隧道洞門中心位于同一豎直面內(nèi)，縱坡比設(shè)計(jì)坡度大0.3‰，前頭略抬高2cm，底面的工字鋼與預(yù)埋的鋼板焊接，并對(duì)兩側(cè)加設(shè)支撐加固，防止盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)發(fā)生側(cè)移[4]。

3.2 反力架安裝

反立架是給盾構(gòu)始發(fā)提供反作用力，由于反力架和始發(fā)基座為盾構(gòu)始發(fā)時(shí)提供初始的推力以及初始的空間姿態(tài)，在安裝反力架和始發(fā)基座時(shí)，反力架左右偏差控制在±10mm之內(nèi)，高程偏差控制在±5mm以內(nèi)。安裝反力架時(shí)，與始發(fā)井連接部位的間隙要充實(shí)，保證反力架腳板有足夠的抗壓強(qiáng)度。安裝反力架時(shí)，用全站儀雙向校正兩根立柱的垂直度，使其形成的平面與推進(jìn)軸線垂直。然后，在反力架上測(cè)出最后一環(huán)負(fù)環(huán)管片的位置，彈好控制線，確認(rèn)高程及左右位置與始發(fā)環(huán)管片一致后，用螺栓將其與反力架固定[5]。

3.3 運(yùn)輸組織

由于盾構(gòu)分體始發(fā)階段，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法全部下井，運(yùn)輸系統(tǒng)不能常規(guī)布置，局限了運(yùn)輸效率，則井內(nèi)運(yùn)輸組織是盾構(gòu)分體始發(fā)的關(guān)鍵。

3.3.1 運(yùn)輸軌道布置

（1）運(yùn)輸軌道內(nèi)軌距（鋼軌內(nèi)側(cè)）為900mm，采用30kg/m鋼軌；盾構(gòu)機(jī)后備車架軌道走行在外側(cè)軌道上，外軌中心軌距為2080mm，采用30kg/m鋼軌；編組列車在內(nèi)軌上運(yùn)行。

（2）始發(fā)井內(nèi)軌枕采用20號(hào)H型鋼（200mm×100mm×7mm），軌枕長(zhǎng)為3400mm，軌枕間距為1000～1200mm。

隧道內(nèi)軌枕采用弧形軌枕。

（3）始發(fā)階段采用單線運(yùn)輸軌道；盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入正常掘進(jìn)狀態(tài)后，根據(jù)出碴及供料需要，在始發(fā)井內(nèi)布設(shè)雙線會(huì)車道。

3.3.2 運(yùn)輸設(shè)備配置

隧道每環(huán)掘進(jìn)的土石方量V按下式計(jì)算：

式中：V——每環(huán)掘進(jìn)的土方量；D——刀盤外徑，m；L——管片寬度，m；K1——松方系數(shù)，一般情況下為1.5，在此取1.5。

管片同步注漿量計(jì)算：

式中：V1——每環(huán)掘進(jìn)的土方量；D——刀盤開挖直徑，m；d——管片外徑，m；T——管片寬度，m；K2——擴(kuò)散系數(shù)，取1.5。

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段運(yùn)輸系統(tǒng)配置圍繞出碴、供料等施工需要。在充分考慮始發(fā)階段施工難度情況下，作了以下考慮安排：①盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段，始發(fā)階段電瓶車編組形式為1個(gè)機(jī)車+1個(gè)土箱+1個(gè)平板車，平均1個(gè)班2環(huán)（每天4環(huán)），在管片拼裝和移管線期間，將漿液車增加在編組里面運(yùn)輸漿液，漿液運(yùn)輸完后，重新將漿液車吊出編組。②盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入正常掘進(jìn)狀態(tài)后，設(shè)兩個(gè)編組，始發(fā)井內(nèi)設(shè)雙線會(huì)車道，隧道內(nèi)設(shè)雙線運(yùn)輸軌道。

3.4 始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)不同的情況選用合理的參數(shù)，始發(fā)掘進(jìn)建議參數(shù)控制見表2。

表2 始發(fā)掘進(jìn)的掘進(jìn)參數(shù)

4 盾構(gòu)分體始發(fā)可能遇到的問(wèn)題及處理對(duì)策

分體始發(fā)是指在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)空間不足的特殊情境下，能夠預(yù)先將部分或整個(gè)先下到井內(nèi)的始發(fā)模式，設(shè)置好主機(jī)后，保證盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)最少液壓管道并將部分臺(tái)車連接在主機(jī)上，接著進(jìn)行試車和始發(fā)，并配合盾構(gòu)機(jī)的挖掘最后再將盾構(gòu)機(jī)上剩下的臺(tái)車放在井里進(jìn)行連接并完成整個(gè)步驟進(jìn)行作業(yè)。

4.1 盾構(gòu)分體始發(fā)可能遇到的問(wèn)題

主要論述與分析以下五點(diǎn)問(wèn)題：在洞口范圍打水平探孔，觀測(cè)孔內(nèi)出現(xiàn)漏水涌砂的現(xiàn)象，在盾構(gòu)機(jī)貼近土體后，在盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送器口漏水涌砂或在洞門防水裝置處出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象，因推力大使負(fù)環(huán)管片出現(xiàn)變形破損或破裂，由于摩擦小而造成的盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)以及因刀盤懸空導(dǎo)致的盾構(gòu)機(jī)低頭的五點(diǎn)問(wèn)題。

4.2 處理對(duì)策

4.2.1 孔內(nèi)出現(xiàn)漏水涌砂的處理對(duì)策

在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備一臺(tái)注漿設(shè)備并準(zhǔn)備好注漿的材料，當(dāng)發(fā)現(xiàn)孔出現(xiàn)滲水的情境時(shí)，不要慌張，先利用石頭和水泥對(duì)其他的孔口進(jìn)行封閉，在封閉最后一個(gè)孔口使先要達(dá)到一定的壓強(qiáng)，然后進(jìn)行注漿，控制壓強(qiáng)，使其≤0.3MPa，使孔口穩(wěn)定的進(jìn)行封堵，然后將向基坑內(nèi)的水進(jìn)行集中排出。

4.2.2 盾構(gòu)機(jī)輸送器口出現(xiàn)漏水處理對(duì)策

先檢查好其防水裝置有沒有出現(xiàn)故障，其螺栓是否緊閉，橡膠板是否正常，閘門是否關(guān)閉，然后向倉(cāng)內(nèi)注入類似泡沫土體，觀察是否出現(xiàn)漏水，然后將向基坑內(nèi)的水運(yùn)用水泵集中排出基坑。

4.2.3 管片出現(xiàn)變形破損的現(xiàn)象處理對(duì)策

管片出現(xiàn)變形破損的現(xiàn)象主要由于油缸的推力過(guò)大導(dǎo)致的，因此應(yīng)該立刻將推進(jìn)終止，加固已經(jīng)出現(xiàn)損壞和有破裂傾向的管片，預(yù)防其出現(xiàn)問(wèn)題，影響施工作業(yè)進(jìn)程。

4.2.4 盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)處理對(duì)策

由于盾構(gòu)機(jī)與地層間摩擦力較小，導(dǎo)致盾構(gòu)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，因此應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)異常，立即利用刀盤慢速調(diào)整，保證其處在正確的角度。

4.2.5 盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)刀盤懸空的處理對(duì)策

由于盾構(gòu)機(jī)的刀盤出現(xiàn)懸空的現(xiàn)象，因此這就導(dǎo)致了盾構(gòu)機(jī)旋轉(zhuǎn)能力喪失產(chǎn)生低頭的結(jié)果，如果想要解決這一問(wèn)題，就需要在始發(fā)的洞口安裝導(dǎo)軌，并在末端流出刀盤的位置空間，從而保證刀盤正常旋轉(zhuǎn)，從而將刀盤位置固定，改善盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)低頭的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)分體始發(fā)當(dāng)下已是對(duì)于緩解城市日益擁擠現(xiàn)狀、節(jié)省寸土寸金的城市占地、減少建設(shè)投資的不二選擇。但對(duì)于施工單位來(lái)說(shuō)，解決分體始發(fā)帶來(lái)的諸多不便，提高分體始發(fā)功效，還需繼續(xù)探索研究。探孔漏水，輸送器漏水，管片出現(xiàn)磨損，機(jī)體不固定以及刀盤懸空等問(wèn)題，對(duì)其處理對(duì)策展開了分析與探討，希望能夠?qū)⒍軜?gòu)分體始發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的可能性降到最低，順利完成作業(yè)任務(wù)。