大直徑土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)技術研究

劉天正

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司，2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室 北京 100068）

1 引言

隨著國內(nèi)軌道交通建設快速發(fā)展，城市地鐵也進入蓬勃發(fā)展階段。盾構(gòu)施工在城市地鐵建設中的應用也越來越廣泛，其中小直徑盾構(gòu)的始發(fā)階段技術已經(jīng)形成了一定完整的體系，但是對于大直徑盾構(gòu)的始發(fā)還在進行研究和探討。

目前國內(nèi)眾多學者對盾構(gòu)始發(fā)技術進行了研究，趙洪吉以北京地鐵為背景進行了富水地層的盾構(gòu)始發(fā)技術研究［1］；李維龍對盾構(gòu)始發(fā)和接收階段等一系列關鍵操作進行技術分析，對一些需要特殊注意的操作進行了詳細的解釋［2］；陳鵬對大直徑泥水盾構(gòu)坡度始發(fā)總結(jié)關鍵技術，為坡度始發(fā)主要步驟提供了參考［3］；陳曉飛對超大直徑盾構(gòu)小半徑圓曲線始發(fā)技術進行研究得出減小施工風險的方法［4］；范寶寶通過理論研究與數(shù)值分析對盾構(gòu)機進出洞門土體加固方案進行了改良［5］；呂傳田通過大直徑泥水盾構(gòu)的研究，總結(jié)了始發(fā)階段關鍵步驟［6］；程學武通過對大直徑盾構(gòu)管片破損因素以及修補方法進行探討，確保了管片的質(zhì)量安全系數(shù)達到預期要求［7］；黃學軍通過對大直徑泥水盾構(gòu)組成以及始發(fā)進行研究，得出了在住房較多地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)的眾多關鍵因素［8］；李到洪等通過對大直徑泥水盾構(gòu)等多個環(huán)節(jié)關鍵步驟的把控，為大坡度始發(fā)提供了精確保障［9］；鞠義成等通過南京某過江通道采用了新型洞門密封方式，完成了大直徑泥水盾構(gòu)的曲線始發(fā)工作［10］；尹鐸霖通過對福州某地鐵盾構(gòu)始發(fā)進行詳細分析研究，并通過數(shù)值模擬，為全斷面砂層大直徑盾構(gòu)始發(fā)提供了可鑒之處［11］；馬昌元以西安某地鐵為背景，對洞門加固方法進行了詳細闡述，為降低盾構(gòu)始發(fā)安全事故提供了參考［12］。

本文以北京新機場線為工程背景進行技術研究，進而總結(jié)出一套大直徑盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)控制、反力架設計、參數(shù)控制、負環(huán)拼裝等關鍵步驟的實施方案，達到了良好的施工效果。

2 工程概況

盾構(gòu)隧道區(qū)間左線全長3 832.39 m，右線全長3 847.44 m，為新機場線最長的盾構(gòu)區(qū)段，控制機場線路貫通時間。線路埋深12～16 m，最大坡度5.9‰，最小曲線半徑為1 300 m。區(qū)間共設3座檢修井和6座聯(lián)絡通道。聯(lián)絡通道采用礦山法施工，盾構(gòu)區(qū)間隧道外徑8.8 m，管片厚度450 mm。

始發(fā)端地質(zhì)情況為卵石圓礫層:雜色，密實，濕，一般粒徑5～20 mm，最大粒徑不小于140 mm，粒徑大于20 mm的含量大于50%，中粗砂充填；中粗砂層:褐黃色，飽和，密實，含云母、氧化鐵。

采用兩臺土壓平衡盾構(gòu)機同時施工，盾構(gòu)機開挖直徑9 150 mm，盾體直徑9 100 mm。盾構(gòu)機分為主機和后配套設備，后配套為1節(jié)橋架、7節(jié)車架。主機長度約17 m，整機總長約116 m，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)設備

3 盾構(gòu)始發(fā)關鍵技術

盾構(gòu)始發(fā)過程采用整體始發(fā)，盾構(gòu)機后配套拖車、連接橋等設備在地面預組裝完成后整體吊裝下井；在拖車及連接橋下井后，盾構(gòu)機主機下井組裝；待所有設備下井完成后進行整體調(diào)試、始發(fā)，始發(fā)流程見圖2。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)流程

3.1 始發(fā)洞門端頭加固

始發(fā)井的端頭加固是盾構(gòu)機能否成功始發(fā)的關鍵因素。盾構(gòu)始發(fā)端采用雙重管高壓旋噴進行加固，盾構(gòu)端頭加固在有水地層中應滿足始發(fā)端長度L（L為盾構(gòu)機長度）；無水地層始發(fā)段加固長度為0.5L。盾構(gòu)機盾體長度為11 m，旋噴樁樁徑600 mm，間距450 mm。確定本盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)端加固長度5.5 m，如圖3～圖4所示。

圖3 端頭加固平面布置（單位：mm）

圖4 端頭加固剖面（單位：mm）

3.2 洞門破除

洞門破除是指在盾構(gòu)滿足始發(fā)條件驗收后，對洞門鋼環(huán)內(nèi)鉆孔灌注樁等相關圍護結(jié)構(gòu)的鑿除工作。洞門破除采用人工風鎬鑿除的方法。在鑿除洞門混凝土時，搭設腳手架，設置操作平臺。

在始發(fā)端準確測量定位出隧道洞門中心線。人工鑿除洞門時，對洞門進行井字形分格，人工用風鎬將混凝土“自下而上、先兩側(cè)后中間”逐格鑿除，鑿除厚度約為0.4 m。破除過程中采用噴射素砼對樁間土進行防護，防止樁間土滑落。洞門鑿除順序嚴格按照圖5分塊進行。

圖5 洞門鑿除分塊示意

3.3 始發(fā)基座安裝

始發(fā)托架長11 m，寬8 700 mm。整個托架分四部分組裝，由螺栓連接，兩側(cè)均布設側(cè)面支撐用于支撐負環(huán)管片。始發(fā)托架后部臨時安裝3.1 m托架（托架型式同始發(fā)托架）用于盾構(gòu)機組裝時支撐盾尾。始發(fā)托架中心線與隧道設計中線同軸，始發(fā)托架前部距端墻800 mm。托架兩側(cè)均布9根200 mm×200 mm的H型鋼支撐，支撐頂在對應位置的側(cè)墻、上翻梁和底板上。型鋼支撐與側(cè)墻和上翻梁接觸位置塞鋼板加強支撐效果，另一側(cè)與始發(fā)托架牛腿焊接加固，如圖6～圖8。

圖6 盾構(gòu)始發(fā)基座結(jié)構(gòu)平面（單位：mm）

圖7 盾構(gòu)始發(fā)基座結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖8 盾構(gòu)始發(fā)基座施工加固圖（單位：mm）

圖9 密封裝置

3.4 洞門密封環(huán)安裝

盾構(gòu)機工作井洞門預埋鋼環(huán)為設計寬度1 m的圓環(huán)板結(jié)構(gòu)，鋼環(huán)內(nèi)側(cè)面直徑9.6 m。密封鋼環(huán)由封板、加勁板、圓環(huán)板、翻板、洞門簾布橡膠板組成。密封環(huán)整環(huán)環(huán)面與盾構(gòu)機設計軸線垂直，封板外直徑9.9 m，封板內(nèi)側(cè)設置加勁板。鋼環(huán)豎直埋設于主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，鋼環(huán)外側(cè)設置錨筋埋入主體結(jié)構(gòu)中。密封裝置如圖9。

3.5 反力架的拼裝

反力架的拼裝過程關鍵在于中心定位這一步驟。中心定位的核心內(nèi)容是與負環(huán)接觸的反力架橫截面與隧道的水平軸線垂直。在定位之前首先對反力架位置開始橫斷面的中心線進行精確測量，然后進行中心定位，在始發(fā)托架升起的同時反力架也隨之升起，見圖10～圖11。

圖10 反力架結(jié)構(gòu)

圖11 反力架安裝加固（單位：mm）

3.6 反力架承載力檢算

始發(fā)時的推力大于正常掘進狀態(tài)推力，所以在始發(fā)階段對反力架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求更高，對反力架能承受的最大荷載進行驗算也必不可少。

桿件在滿足雙面焊接的情況下進行雙面焊接，在不能滿足雙面焊時，鋼板的焊縫處應作成30°的斜口進行塞焊，焊縫的高度均不低于12 mm。經(jīng)計算，1 m焊縫的抗剪、抗拉承載力為282 t。反力架與預埋件的焊縫長度為10.71 m，滿足施工的要求。

各桿件的連接采用M24為長度90 mm、強度等級10.9的高強度螺栓進行連接，螺栓孔孔徑均為26 mm。經(jīng)計算，1根M24的高強螺栓的抗剪強度為112.96 kN。

此反力架按最大承受力為3 500 t進行計算。根據(jù)經(jīng)驗，對立柱及底部橫梁進行加強，以免在施工中發(fā)生變形。盾構(gòu)推力最大為81 853 kN，一般推力控制在20 000 kN，始發(fā)推力按照一般推力的1.5倍，即20 000×1.5＝30 000。

反力門架的組成為2根1 000×500的箱形鋼立柱和2根1 000×500的上、下橫梁及500×9 100的鋼環(huán)。

下橫梁的受力簡圖見圖12。

鋼支撐撐在車站底板反梁上，采用φ800＠10 mm鋼管進行支撐，單一鋼管承受最大力為:

圖12 下橫梁受力簡圖

考慮盾構(gòu)底部為主要受力部分，底部分擔盾構(gòu)反力為13 600 kN，則底部5根支撐平均每根支撐所需支撐力為2 720 kN，滿足要求。

頂部橫撐與車站通過橫撐與中板的搭接進行力的傳遞，與中板搭接總面積124 030 mm2。

頂部受力約為底部的1／4，26 046 kN遠大于3 400 kN，滿足要求。

斜撐采用三道φ800＠10 mm鋼管支撐，總計單側(cè)立柱支撐為3道，分擔盾構(gòu)反力為3 608 kN，平均每根支撐為1 202 kN。鋼管支撐均能承受5 209 kN的反力，其斜撐角度為45°，則其可提供的水平反力為2 736 kN。則三根斜撐共計受力為8 208 kN，遠大于3 608 kN，滿足要求。

此加固工況下反力架所能承受的最大力為:

3.7 負環(huán)管片的安裝

盾構(gòu)機調(diào)試完畢到達始發(fā)位置后，千斤頂撐靴（完全縮回）距離反力架最大距離4 152 mm，千斤頂行程為2 500 mm。先對-8和-7兩環(huán)進行單獨拼裝（也可以稱為空拼），待拼裝完成后將兩環(huán)以組合的形式移動到指定安裝位置。將-7環(huán)的前端橫截面設定為整個隧道的管片組裝的基準面，然后進行包括其余負環(huán)管片的拼裝工作。

利用千斤頂把已經(jīng)在盾構(gòu)機內(nèi)拼裝好的整個管片一點點平穩(wěn)推出，把負環(huán)管片的第一環(huán)推出至與反力架相接觸位置，推出過程中當管片超過盾尾長度30 mm以上時應適當放慢推出速度。采用工字鋼將預留的始發(fā)基座軌道與反力架底部空間部分充填，將管片緩慢繼續(xù)推進直至與反力架頂緊，然后進行微調(diào)連接。按照以上方式對負環(huán)管片進行組裝完成。要注意在拖拉負環(huán)管片的過程中的支撐工作，以防止由于負環(huán)管片的變形問題導致拼裝出現(xiàn)問題。

3.8 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)測量

始發(fā)前的負環(huán)管片拼裝完并定位后，精確量測盾構(gòu)及拼好的負環(huán)管片的各項位置參數(shù)，輸入自動導向測量系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)，復核檢查后開始始發(fā)。始發(fā)時，嚴格控制盾構(gòu)機姿態(tài)，水平方向控制在+30 mm～-30 mm之間。為預防盾構(gòu)機進洞時出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，將盾構(gòu)機的垂直姿態(tài)控制在0～+50 mm之間。當盾尾出加固區(qū)后，將盾構(gòu)機姿態(tài)緩慢調(diào)整至（水平及垂直方向）+20 mm～-20 mm，保持盾構(gòu)的推進姿態(tài)。

3.9 盾構(gòu)始發(fā)施工參數(shù)取值

在正常推進過程中，因為實際施工表現(xiàn)不符合預期要求或者地層發(fā)生重大變化，應在一定范圍內(nèi)對設定的參數(shù)進行調(diào)整。始發(fā)階段需要完成設定的參數(shù)主要包括刀盤扭矩、貫入度（推進速度及刀盤轉(zhuǎn)速）、始發(fā)推力、同步注漿量以及注漿壓力等。

（1）始發(fā)土艙壓力

土艙土壓力的設定是關乎盾構(gòu)始發(fā)以及地表沉降的重要參數(shù)之一。因為受到洞門密封以及盾尾密封等一系列原因的影響，在盾構(gòu)始發(fā)階段土艙內(nèi)壓力設定值應該低于常規(guī)掘進過程中的土艙壓力。

結(jié)合本工程實際情況，在盾構(gòu)尚未出加固區(qū)時的土艙土壓力一般取為0.5～0.6 bar。等到盾構(gòu)完全脫離加固區(qū)時，土艙土壓力也應該根據(jù)預先計算的數(shù)值逐步提高至一定值后保持穩(wěn)定狀態(tài)，同時依據(jù)現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行妥善調(diào)整。根據(jù)以往經(jīng)驗，為了更好地將地表沉降控制在規(guī)定值內(nèi)，一般控制土艙壓力在0.6～0.9 bar之間。

（2）始發(fā)掘進推力

在盾構(gòu)始發(fā)整個過程中，隨著盾構(gòu)逐漸推進，所受阻力也逐漸增大。當整個盾構(gòu)完全進入隧道后，阻力才趨于穩(wěn)定，推力也相對平穩(wěn)。經(jīng)過計算，整個始發(fā)階段的推力應控制在20 000 kN左右，最大時不超過30 000 kN。

（3）貫入度

貫入度主要有兩方面組成:一是千斤頂?shù)耐七M速度；二是刀盤轉(zhuǎn)速。這兩個指標不單與盾構(gòu)本身有關，同時也受工程地質(zhì)條件的影響。在始發(fā)階段，根據(jù)相關規(guī)范計算出想要設定的參數(shù)應確定的范圍，待進入常規(guī)推進階段后根據(jù)現(xiàn)場實測情況對推進速度與刀盤轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，規(guī)劃出合理的調(diào)整范圍。

根據(jù)現(xiàn)場以砂卵石為主的地層以及以往經(jīng)驗，最終確定刀盤轉(zhuǎn)速為0.8～1.0 r／min，推進速度為15～25 mm／min，后期根據(jù)實際情況在進行調(diào)整。

（4）同步注漿量以及壓力控制

同步注漿一般在盾尾通過兩道洞門后開始實施。漿液為水泥砂漿，初凝時間控制在5 h左右，漿液強度應大于5 MPa。注漿材料配比見表1。

表1 注漿材料配比

注漿量應滿足規(guī)范要求的充盈系數(shù)，每環(huán)理論注漿量為:

式中:D1為盾構(gòu)開挖直徑，取9.15 m；D2為管片外徑，取8.8 m；L為管片長度，取1.5 m。

經(jīng)計算，每環(huán)理論注漿量為7.4 m3。由于端頭加固減小了地層的空隙率，所以實際的注漿量為理論注漿量的1.3～1.8倍，即每環(huán)注漿量為9.62～13.3 m3。

根據(jù)管片與土體的空隙大小來對注漿壓力進行設定。按照隧道所處位置的縱向深度和工程水文地質(zhì)情況，盾尾初始注漿壓力一般控制在2～3 bar。

4 結(jié)束語

本文以北京新機場線大直徑土壓平衡盾構(gòu)隧道為背景，對盾構(gòu)始發(fā)過程中的關鍵技術進行了總結(jié)，主要包括端頭加固、洞門破除、始發(fā)托架安裝、反力架設計及驗算、盾構(gòu)施工參數(shù)設定等。

經(jīng)過一系列技術措施，順利完成了盾構(gòu)始發(fā)并取得了良好效果，可為后期類似工程施工提供借鑒。