盾構(gòu)機小半徑、大下坡始發(fā)施工技術(shù)淺析

陳永進

中鐵十局集團第三建設有限公司 安徽合肥 230601

盾構(gòu)施工的重要施工技術(shù)之一就是控制盾構(gòu)掘進姿態(tài)符合設計線路，但在小半徑大下坡段如何控制盾構(gòu)機，使盾構(gòu)姿態(tài)與設計軸線擬合，則是盾構(gòu)始發(fā)中的重難點問題。下面就以成四區(qū)間左線的360m半徑轉(zhuǎn)彎和24‰大下坡為例，分析和探討小半徑大下坡始發(fā)的重難點和解決措施。

1 工程簡述

合肥市軌道交通五號線一標成都路站-四川路站區(qū)間左線為盾構(gòu)法施工，區(qū)間全長1186.6m，區(qū)間線間距為12-14.5米。區(qū)間隧道全線均沿云南路與云谷路下敷設，曲線半徑為R360米，區(qū)間從始發(fā)至468環(huán)平面方向均處于R360m的小半徑曲線上；線路縱向呈“V”型坡，最大縱坡為24‰。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂最大埋深16.5米，最小埋深10米。盾構(gòu)始發(fā)段在曲線半徑為R360米的圓曲線上成四下穿小曲線半徑大坡度段區(qū)間工程概況詳見“表1區(qū)間下穿小半徑大坡度段工程情況表”。

圖1 成四區(qū)間位置及周邊環(huán)境現(xiàn)狀

2 施工工藝及質(zhì)量控制

2.1 施工工藝

（1）合理選擇始發(fā)線型：盾構(gòu)始發(fā)段包括盾構(gòu)始發(fā)井全部處于小半徑曲線段（如R360m）的圓曲線上，盾構(gòu)始發(fā)時只能沿直線推進，軸線偏差的控制較難掌握，故采用割線始發(fā)的方式。

（2）始發(fā)架和反力架的設置：因為小曲線始發(fā)，但盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整存在滯后性，盡早采用鉸接和區(qū)域油缸等措施調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)和掘進線型，其必然導致盾構(gòu)推進反力的大小和方向都具有較大的不確定性，所以始發(fā)基座和反力架的焊接，必須牢固可靠。

（3）負環(huán)管片拼裝：負環(huán)按照16點位置拼裝，螺栓緊固扭矩≥2300KN·M，鋼絲繩拉緊牢固。

（4）盾構(gòu)參數(shù)的合理選擇：盾構(gòu)曲線始發(fā)不僅處于小半徑曲線段（如R360m），而且處于縱向下坡段（如24‰），盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整和控制至關(guān)重要。

2.2 施工工藝流程

盾構(gòu)小半徑大坡度始發(fā)施工工藝流程見圖2：

圖2 盾構(gòu)小半徑大坡度始發(fā)施工工藝流程

施工操作要點：

（1）確定盾構(gòu)始發(fā)線型。盾構(gòu)始發(fā)時，由于受始發(fā)架結(jié)構(gòu)限制，只能沿直線推進。盾構(gòu)機在曲線段始發(fā)時，選擇割線方式確定盾構(gòu)始發(fā)中心線。割線尺寸按照下面要求確定（見圖3）：在+1環(huán)位置向內(nèi)偏離隧道中心線80mm，在始發(fā)井后端位置向內(nèi)偏離隧道中心線20mm，通過計算，盾構(gòu)始發(fā)中心線（割線）在始發(fā)井洞口環(huán)端面位置尺寸向內(nèi)偏離隧道中心線約107mm。

圖3 盾構(gòu)始發(fā)中心線（割線）

（2）制作始發(fā)井、洞門和始發(fā)段主體結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)始發(fā)井和洞門按照始發(fā)中心線（割線）為中心線制作。在制作始發(fā)段主體結(jié)構(gòu)時，位于線路中心線外側(cè)的墻體結(jié)構(gòu)應適當外放100mm，為盾構(gòu)機后配套設備的安裝提供方便條件。

表1 成四區(qū)間下穿小半徑大坡度段區(qū)間工程情況

（3）土體加固、洞門防水及地面配套設施施工。為了確保盾構(gòu)始發(fā)洞門圍護樁鑿除后洞門土體的安全和盾構(gòu)始發(fā)階段其姿態(tài)的穩(wěn)定，應結(jié)合水文地質(zhì)狀況，采用旋噴樁的方式對始發(fā)端頭井進行加固處理。同時，應考慮始發(fā)洞門與隧道軸線不垂直，為防止盾構(gòu)始發(fā)時因刀盤受力不均而引起盾構(gòu)跑偏，應采取洞門加固體與盾構(gòu)始發(fā)路徑垂直的措施。

盾構(gòu)始發(fā)洞門可采用常規(guī)的橡膠簾板密封方式，洞門注漿可采用盾構(gòu)同步注漿裝置注入式，必要時可可以采用雙橡膠簾布的密封方式。

（4）測量點復核。在進行盾構(gòu)始發(fā)施工前，對始發(fā)段內(nèi)導線控制點進行復測。

（5）安裝始發(fā)架。確定始發(fā)架安裝尺寸的三項要求：

①始發(fā)基座的中心必須與割線中心重合

②始發(fā)基座的高程與隧道的設計一致，但為了防止盾構(gòu)機“叩頭”，故把始發(fā)基座預抬高20mm

③根據(jù)車站始發(fā)井的尺寸和盾構(gòu)機的長度，因為本標段采用的管片環(huán)寬為1.5m，故選擇使用7環(huán)負環(huán)，且零環(huán)管片進入洞門50cm，以此可以確定始發(fā)基座和反力架的位置

④在確定盾構(gòu)機位置時要充分考慮到割線始發(fā)時，盾構(gòu)后配套臺車對始發(fā)段和負環(huán)凈空的影響，避免凈空交叉。

⑤始發(fā)架和反力架牢固地與始發(fā)井底板的預埋件焊接，并在側(cè)面設鋼支撐，以確保其在盾構(gòu)始發(fā)時牢固可靠。

⑥為了確保盾構(gòu)始發(fā)成功與安全，反力架必須采用具有足夠強度和剛度的組合型鋼框架結(jié)構(gòu)，并考慮該反力的不均勻性和最不利因素。

（6）盾構(gòu)機及后配套設備組裝。在吊入盾構(gòu)機前應對始發(fā)基座位置尺寸復核，確保位置正確和穩(wěn)定。

按照盾構(gòu)機吊裝專項施工方案進行盾構(gòu)機和后配套設備的吊運和組裝。

盾構(gòu)機在曲線段安裝時，由于盾構(gòu)機擺放在割線上，而雙梁（連接橋）等后配套設備擺放在曲線上，其間夾角加大；曲線半徑越小，夾角越大；這給雙梁（連接橋）和工作臺的連接增加困難。

（7）盾構(gòu)分項調(diào)試和整機空載調(diào)試。盾構(gòu)機組裝完成后，按照盾構(gòu)機的調(diào)試驗收標準對盾構(gòu)機的工況進行驗收，對于驗收過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時進行整改修復。

（8）盾構(gòu)始發(fā)。

①第一階段試掘進參數(shù)選擇。試掘進第一階段試掘進，盾體穿越端頭井土體加固區(qū)，是盾構(gòu)開始掘進的磨合階段，該掘進的施工重點是保證盾體順利進入土體，控制盾構(gòu)姿態(tài)，建立初步土壓平衡，為下一階段的掘進提供條件。

該階段掘進時，盾構(gòu)推力全部作用在反力架上，同時由于掌子面土體加固后強度高，推力過大會造成刀盤扭矩增大，增加安全風險，因此，該階段推力不宜過大，控制在8000KN以內(nèi)。本階段掘進的指導參數(shù)為千斤頂推力與刀盤扭矩的控制。

②第二階段試掘進參數(shù)選擇。經(jīng)過第一階段的試掘進，盾體順利進入土體，土壓平衡基本建立。由于盾體與土體充分接觸，盾構(gòu)推力可適當增大，考慮到反力架結(jié)構(gòu)安全性，盾構(gòu)推力可選擇為10000KN以內(nèi)，掘進速度也相應增大，該階段的試驗重點是選擇合適的注漿壓力及注漿量，確定漿液配合比的合理性，同時初步掌握本工程土質(zhì)特點下的土體改良方法，了解盾構(gòu)掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的關(guān)系，結(jié)合地面沉降進行分析提供下一階段掘進的參數(shù)。本掘進的主要控制參數(shù)為刀盤扭矩、推力、同步注漿量，同時根據(jù)地面監(jiān)控，合理調(diào)整土倉壓力和注漿量。具體施工參數(shù)如下：

③第三階段試掘進參數(shù)選擇。根據(jù)第二階段試掘進總結(jié)，第三階段進行論證。由于前30m管片與土體的摩擦力及反力架提供的反力已經(jīng)滿足盾構(gòu)理論推力的要求，將盾構(gòu)推力設定在理論推力12000KN左左，同時加快刀盤轉(zhuǎn)速，提高盾構(gòu)掘進速度，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析、確定數(shù)據(jù)，為第四階段試掘進提供參數(shù)。

表2 第一階段試掘進選擇參數(shù)表

表3 第二階段試掘進選擇參數(shù)表

表4 30m至60m環(huán)試掘進選擇參數(shù)表

④第四階段試掘進（60至100m）參數(shù)選擇。本階段是盾構(gòu)試掘進的總結(jié)、論證階段，同時也是正式掘進的準備階段。根據(jù)前三階段提供的各項數(shù)據(jù)，通過本階段施工過程中的論證及優(yōu)化，選擇最終的盾構(gòu)掘進參數(shù)作為正式掘進的施工參數(shù)。

2.3 質(zhì)量控制

2.3.1 執(zhí)行標準

（1）嚴格執(zhí)行《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》（GB50446-2008）和《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50299-1999）。

（2）隧道軸線允許偏差值。

表4 隧道軸線和高程允許偏差和檢驗方法

（3）管片拼裝允許偏差值。

表5 隧道軸線和高程允許偏差和檢驗方法

2.3.2 質(zhì)量控制措施

（1）盾構(gòu)始發(fā)前要根據(jù)地層情況，設定一個掘進參數(shù)，始發(fā)后要加強監(jiān)測，要及時分析地表的監(jiān)測的變化情況，動態(tài)地調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)。

（2）在進行始發(fā)架、反力架和-7環(huán)管片的定位時，要嚴格控制始發(fā)架、反力架和負環(huán)管片的安裝精度，管片的后端面應與線路中線垂直，負環(huán)管片軸線與線路中心線重合。

（3）始發(fā)架導軌必須順直，嚴格控制其標高及中心軸線，組裝前在基座軌道上涂抹油脂，減少盾構(gòu)推進阻力。

（4）始發(fā)前在盾殼兩側(cè)靠近始發(fā)基座處焊接防扭樁，克服刀盤旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的扭矩，防止盾構(gòu)機扭矩過大引起側(cè)翻。必須派專人觀察盾殼上焊接放扭樁的情況，當防扭樁接近洞門時及時割除。

（5）在始發(fā)階段要注意推力、扭矩的控制，同時也要注意各部位油脂的有效使用。掘進總推力應控制在反力架承受能力以下，同時確保在此推力下刀具切入地層所產(chǎn)生的扭矩小于始發(fā)基座提供的反扭矩。

（6）當盾尾完全進入洞門密封后，調(diào)整洞門密封，及時通過同步注漿系統(tǒng)對洞門進行注漿，堵住洞門圈，防止洞門密封處出現(xiàn)漏泥水和所注將液外漏現(xiàn)象。

3 施工情況及結(jié)果分析

3.1 施工情況分析

中鐵十局合肥地鐵成都路站-四川路站區(qū)間左線采用割線始發(fā)，按照模擬計算，在-1環(huán)推進時逐步打開鉸接等一系列糾偏調(diào)整，在第11環(huán)時可以將盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整為內(nèi)線行駛。第一環(huán)至第八環(huán)管片平均楔形量為45mm。根據(jù)千斤頂行程差和盾尾間隙，通過連續(xù)拼裝右轉(zhuǎn)彎環(huán)實現(xiàn)。

3.2 施工結(jié)果分析

在掘進完成后，根據(jù)測量單位的檢測結(jié)果，本工程小半徑、大下坡盾構(gòu)曲線始發(fā)非常成功，隧道軸線水平偏差最大46mm、高程偏差最大31mm，管片錯臺基本在2mm以內(nèi)、最大5mm，該段隧道未發(fā)現(xiàn)有滲漏點和管片頂裂現(xiàn)象，地面最大隆起1mm、最大沉降12mm，其余均在規(guī)范允許內(nèi)，施工完畢后隧道滿足驗收要求。

本區(qū)間多次被業(yè)主單位推薦為觀摩區(qū)間隧道，吸引眾多合肥軌道交通的參建單位前來觀摩學習，對打造十局品牌產(chǎn)生了積極的影響。

4 結(jié)語

盾構(gòu)法施工在如今的地鐵隧道施工中應用廣泛，城市地鐵隧道施工，經(jīng)常性的會遇到小半徑大坡度的掘進施工，故掌握小半徑大坡度始發(fā)的施工技術(shù)就顯得尤為關(guān)鍵。就本工程而言，作為合肥市重點工程市政建設項目，盾構(gòu)施工工程質(zhì)量引起廣泛的關(guān)注，小半徑大坡度始發(fā)段的掘進質(zhì)量，對樹立企業(yè)形象，打造十局品牌，提高企業(yè)市場競爭力具有深遠的影響。