湿陷性黄土地区城市地铁土压平衡盾构机的始发施工技术

申晓莉

摘    要：结合西安地铁四号线TJSG-12标含元殿站～大明宫站区间左线盾构始发实例，阐述湿陷性黄土地区城市地铁车站及暗挖隧道盾构始发施工过程，为类似工程提供施工借鉴。

关键词：湿陷性黄土;地铁车站;暗挖隧道;盾构始发

1  引言

盾构始发施工技术是盾构法建造隧道的关键工序，该施工技术的优劣将直接影响盾构隧道工程施工的成败。盾构始发施工技术根据工程所处地层的水文、地质、周边环境条件、地下管线保护要求而制定，如何科学、合理地解决湿陷性黄土地区土压平衡盾构机始发施工技术，是一项值得研究、探讨的课题。

2  工程概况

西安地铁四号线TJSG-12标含元殿站～大明宫站盾构区间左线起讫里程为ZDK19+154.606～ZDK19+916.830，长762.242m，其中里程ZDK19+249.433～ZDK19+417.275为浅埋暗挖隧道段，长167.842m，浅埋暗挖隧道净空尺寸为7500（宽）×7650（高）mm。

区间左线盾构机从含元殿站北端头始发，沿太华路向北过掘进至f2暗挖隧道出洞，然后空推过f2暗挖隧道，由暗挖隧道北端头始发向北掘进至大明宫站。盾构掘进示意图见图1。本区间左线盾构施工长度为594.4m，最大纵坡为24.5‰，最大埋深约18.4m。

2.1  工程地质

含元殿站～大明宫站区间地形平坦，场地呈中间高南北低之势。地面高程介于403.60m～406.64m。隧道洞身穿越地层主要为：3-1-2新黄土层、3-4粉质粘土、4-1-2老黄土层和3-2古土壤层。

2.2  水文情况

本区间地下水属于潜水类型，稳定水位埋深15.7～17.2m之间，相应高程为379.02～384.58m。拟建场地的地下水主要受大气降水及地下水径流补给。潜水排泄方式主要为径流排泄。地下水流向北北西。

2.3  施工工艺

本区间左线盾构施工分别先后从含元殿站北端头始发、空推过f2暗挖段北端头向北掘进至大明宫站。盾构始发需做的工作主要包含：车站及暗挖隧道始发端头加固、始发端头降水、洞门密封及防水装置安装、车站及暗挖隧道始发架及反力架安装、负环安装及加固、洞门破除。

3  施工方法

3.1  始发端头加固

3.1.1  车站始发端头加固

为防止拆除洞口围护结构时洞口土体塌陷及地下水流入始发井内，在车站始发端头采用单排Φ1000@1250mm素混凝土桩加固方式对一定范围内的土体进行加固处理。

3.1.2  暗挖隧道始发端头加固

f2暗挖隧道始发端头采用1300mm厚C20素混凝土墙对洞门进行封闭加固处理，盾构始发前凿除部分素混凝土墙，然后刀盘磨穿剩余素混凝土墙向前推进。该素混凝土加固端墙与暗挖隧道二次衬砌结构同期施工，采用木模板与方木、工字钢结合的方式作为端墙混凝土浇筑施工的支撑体系，后期可通过预留的同条件试块检查该加固端墙的强度。

3.2  始发端头降水

盾构始发处降水可利用车站及暗挖施工时的降水井进行降水，确保水位降至底板以下1m，降水效果利用现场布置的水位观测孔进行观测。另外，盾构始发前须在加固端墙上打设水平的水位观测孔检验渗漏水情况。在洞身范围内垂直洞门加固端墙用风枪打水平观测孔，水平探孔分上、中、下共计5个钻探孔，直径φ48mm，探孔进尺不小于2.5m，根据孔的渗水量判断地层降水效果，观察时间不少于12h。

3.3  洞门密封、防水装置安装

在盾构始发掘进时，为了防止洞内水和回填注浆沿着盾构机外壳向洞口方向流出，在内衬墙上的盾构机入口洞圈周围安装环行密封橡胶板止水装置，该装置在内衬墙入口洞圈周围安装设有M20螺孔的预埋板A，用螺栓将密封橡胶帘布、压紧环板B和折页压板栓连在预埋环板A上，折页压板采用钢丝绳连接成一个整体。

安装顺序为：洞门圈预埋钢环板A（车站及隧道施工时已预埋）→安设双头螺栓→橡胶帘布→压紧环板B→折页压板→垫圈→螺母。

安装注意事项：（1）安装前检查橡胶帘布是否完好，径向尼龙线密集排列和螺栓孔是否完好;（2）安装前清理环板和疏通预埋钢板的孔并涂上黄油;（3）安装前检查螺栓丝扣是否完整无损;双头螺杆安装时必须确保栓结牢固;（4）安装洞门密封装置依次从上往下、左右对称顺序进行;（5）为防止盾构机推进时，刀盘损伤帘布橡胶板，在盾构向前推进前应在帘布橡胶板外侧及边刀上涂抹黄油。

3.4  始发基座、反力架安装及加固

3.4.1  车站始发基座

始发托架是盾构机在始发井中的支撑和定位托架。始发架与反力架接触位置用工字钢卡紧。首先依据隧道在此处的设计轴心线确定始发托架中心线，通过测量放线，将托架中心线和托架支撑轨切点位置刻划于始发井底或端墙及侧墙上，以指示托架的安装位置。为防止盾构始发时会出现栽头和整体下沉现象，将始发托架前部抬高30mm，后部抬高10mm安装，托架安装采用钢板垫高找正。托架安装就位后，在井底采用工字钢将托架焊接固定。

3.4.2  暗挖始发基座

本区间暗挖隧道断面呈马蹄形，净空尺寸为7500（宽）×7650（高）mm，盾构机刀盘外径6280mm，盾体最大外径6250mm，盾体与暗挖隧道二衬之间净空不到700mm，始发空间极其狭小，盾构在常规情况下始发时所采用的始发基座无法用于暗挖隧道内的盾构始发。根据实际状况，此处采用混凝土导台+导轨作为盾构始发的基座，以解决该问题。

暗挖隧道设计包含隧底混凝土回填，线路中心回填厚度1250mm。将該回填分为两次进行，第一次回填作为盾构始发基座混凝土导台，给盾构始发提供条件。待盾构全部施工完成后进行第二次回填，回填至最终设计要求即可。

导台混凝土全部采用C30，导台上钢轨采用43kg/m轨。钢轨下方每隔0.3m预埋20mm厚钢板（尺寸300[×]100mm），钢板下方须加设锚固筋，锚固筋采用HRB400钢筋，直径不小于25mm，长度不小于300mm，所有预埋钢板采用2根直径20mm钢筋进行通长纵向连接。每个预埋件上焊接一对轨道卡扣，用以固定钢轨。始发导台设计见图2、3。

由于盾体为圆形，座在始发导轨上会对导轨向外产生较大侧压力，若不采取加固措施则很容易造成导轨侧翻。此处采用150×100×20mm钢板作为斜撑，与地面呈30°夹角，间距600mm布设一道，斜撑钢板下部与导轨基础钢板焊接牢固，可解决导轨侧翻问题。具体见图4。

3.4.3  车站反力架安装及加固

施工安装顺序：（1）车站主体结构施工时，在底板、中板及侧墙预埋钢板预埋件;（2）在盾构机的主机在托架上安装好后，将反力架和基准环由下至上分别吊入井下进行组装;（3）先将反力架的下横梁吊到井下，进行拼装，再将侧梁和上部吊入与下部组装在一起;（4）将基准环的下半部吊入井下与反力架进行连接，再将基准环的上半部吊入与反力架和基准环下半部连接，经测量检查、调整使基准环的中心与反力架的中心重合，然后安装牢固;（5）根据测量的结果对反力架进行水平方向和标高的调整，使反力架和基准环的中心线与隧道的轴线一致，并报监理单位进行复测;（6）为确保盾构掘进过程中反力架的稳定，在反力架与盾构始发井主体结构之间设置支撑进行加固。由于始发井限制，支撑分为斜撑和直撑，斜撑采用外径为530mm（壁厚14mm）钢管，直撑采用175工字钢。

3.4.4  暗挖反力架安装及加固

由于暗挖隧道内盾构始发空间极其狭小，我们平时在车站或其它始发井内采用的反力架体积较大无法安装至暗挖隧道内。因此，我们在这里根据暗挖隧道的空间尺寸设计出适合在暗挖隧道环境安装及发挥作用的环形反力架。见图5。

反力架斜支撑采用3根直径530mm，壁厚14mm无缝钢管进行对焊，一端与主梁焊接，另一端焊接于预埋钢板上，斜撑与地板的角度为30°。

施工安装顺序：测量放线→预埋钢构件→反力架拼装→位置校核及加固→完成安装。

（1）为了更加方便、有效的安装和加固反力装置，在暗挖隧道二衬中预埋吊钩与钢板预埋件。暗挖隧道断面内共设置18个吊钩，吊钩采用直径32mm圆钢加工而成，反力架上方并排设计4个吊钩，盾构机上方设计14个吊钩用于后期拆除负环管片和其它用。吊钩与二衬主筋焊接或者绑扎，吊钩嵌入二衬500mm，外漏80mm。另外，反力架底部预埋2块1500×1500×20mm钢板与反力架焊接作为固定措施之一。支撑反力架的斜撑下部施做6500×1175×800mm（从反力架底部算起高800mm）素混凝土台，预埋共计6块1500×750×20mm钢板作为斜撑的支撑基础。（2）反力架六大部分全部采用板车运至安装现场，并利用暗挖隧道拱顶预埋的吊钩进行吊装。首先将下八字撑导入盾构机尾部，将两块下八字撑吊至反力架设定位置，采用高强螺栓连接。然后连接反力架中柱，待下八字撑与中柱安装牢固后，将反力架与二衬底板结构上预埋的钢板焊接牢固，然后钢管斜撑与导台处预埋钢板焊接。最后将反力架上八字撑与中柱进行连接加固，并架设第三道斜撑，保证反力架的每一部分都有斜撑支撑。

3.5  负环安装及加固

3.5.1  负环安装

在始发时，盾构机依靠负环管片提供支撑进行掘进，负环管片为标准环，拼装方式为错缝拼装，安装使用管片拼装机直接安装。本区间车站及暗挖隧道内均安装7环负环管片，以满足始发段的尺寸要求及保证洞门环梁长度500mm。

在安装负环管片前，在盾构机盾尾内安设4～8根厚度50mm（盾构机盾尾直径为6230mm，盾尾结构体钢板厚度为40mm，管片外径为6000mm），宽度50mm，长度2000mm的硬质方钢，等待盾构机完全进入洞内，洞口开始进行同步注浆时，将方钢拆除。见图6所示。

负7环第一块管片的定位。在拼装负7环管片的第一块管片时，首先在负7环管片的B2B管片内弧面上划出管片偏移18°后位于弧底的位置，封顶块F在1点位置，拼装顺序为B2B—B3B—B1B—L2B—L1B—F，如图7所示。

邻接块L1B和L2B的安装。邻接块安装时，在盾尾盾壳上焊接“L”型管片拉钩，可将管片临时拖住，避免其跌落，待此环拼装完成后割去“L”型管片拉钩，整体向后平移至反力架处，再用“L”形钢板将管片固定在反力架上。

3.5.2  负环加固

（1）支垫负环管片。由于始发支座轨道与管片外侧有125mm的空隙（盾构始发台的尺寸是按照盾构机的前体6250mm设计，管片外径为6000mm），为了避免负环管片全部推出盾尾后下沉，在始发台导轨上用方木楔楔紧，使其将负环管片托起。

在拼装好第二环负环管片后，让盾构机继续向前掘进，使盾尾密封刷脱离第一环管片，将150mm×100mm的三角木楔楔进负环与支撑架之间的空隙内，左右两侧各楔两个木楔。

（2）紧固钢丝绳。用两根16mφ18的钢丝绳绕过负环管片顶部，将绳头分别留在支撑架左右两侧，每个绳头上穿上紧线器，将紧线器的另一端挂在支撑架的吊耳上，旋转紧线器，将钢丝绳拉紧。

盾构机继续向前掘进，重复上述1、2步，直至盾尾进入洞门后，将负环管片全部用钢丝绳固定。

（3）安装负环紧固架。先将负环紧固架吊入盾构始发井内，用M20的螺栓将负环紧固架分别与左右支撑架连接在一起，然后吊入纵梁与紧固架用M16的螺栓连接。

（4）加三角木楔。在縱梁与负环管片的空隙内楔入300mm×250mm的三角木楔，每环负环管片左右两侧各楔入两个木楔。

3.6  洞门破除

3.6.1  车站洞门破除

洞门破除的主要目的是割掉盾构机通过范围内车站围护结构的钢筋，使盾构机顺利进入端头围岩。

（1）破除洞门的时间应在盾构机调试达到稳定推进条件后。洞门在与盾构机间应预留不小于1.5m的作业空间。

（2）为保证围护结构的稳定，破除分三阶段进行，破除见示意图8。第一阶段破除围护桩内侧600mm，凿除时按先上后下、先中间后两侧的顺序进行。第二阶段破除剩余混凝土，破除完毕后，用风镐修整洞门周围混凝土面，使洞门周围圆顺;第三阶段破除外围残留钢筋混凝土，将洞门周边钢筋修整切割圆顺，尽量缩短洞门土体无支撑时间;第一阶段洞门破除的时间为盾构始发前10d;第二阶段洞门破除的时间为盾构始发前5d;第三阶段洞门破除的时间为始发前2h。

（3）洞门破除后，盾构机应迅速靠上掌子面土体，以免土体发生坍塌。确保洞门掌子面稳定。

3.6.2  暗挖洞门破除

本区间暗挖隧道原设计盾构始发时刀盘直接磨穿混凝土素墙，但由于刀盘厚度（1000mm）大于暗挖隧道洞门二衬端墙厚度（550mm），刀盘转动过程中其侧面的摩擦会对已安装的洞门帘布和扇形压板造成损坏。因此该素混凝土端墙还须进行部分凿除，以规避刀盘转动损坏洞门帘布和扇形压板的问题。为解决这一重点问题，只能将盾构机再向前推进650mm，让刀盘避过洞门帘布和扇形压板后再运转，洞门破除范围见图9。

因本工程情况特殊，洞门只需破除一小部分，工程量较小，根据经验，可在盾构始发前10天开始进行洞门破除。

洞门凿除前，须确保洞门端墙素混凝土强度达到100%，并在加固端墙上打设水平的水位观测孔检验降水效果。

洞门凿除采用人工凿除，分两大步骤进行，首先进行全断面凿除，凿除厚度不小于200mm。然后凿除洞门中心点周围900mm范围素混凝土，凿除厚度不小于450mm。

开凿前，搭设双排脚手架，凿除时按先上后下、先中间后两侧的顺序进行。凿除完毕后，用风镐修整洞门周围混凝土面，使洞门周围圆顺。

4  结束语

盾构始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个重要标志，必须全力做好始发阶段的各个环节。为确保始发达到预期效果，应根据现场条件选择最合适的方法。

参考文献：

[1] 康宝生，陈馈，李荣智.南京地铁盾构始发与到达施工技术[J].建筑机械化，2004（2）.

[2] 乐贵平.北京地铁盾构隧道技术[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 周文波，盾构隧道施工技術及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004