浅析超浅覆土及曲线盾构始发技术

王利伟 沈家生

中交三航局厦门分公司盾构中心 福建 厦门 361000

1 工程概况

福州轨道交通2号线的苏洋站～沙堤站区间盾构隧道，盾构从苏洋明挖段端头井始发，盾构井西连区间明挖隧道，东接区间盾构法隧道，其位于R500m的曲线和向下29‰的纵坡上。采用两台辽宁三三复合式土压平衡盾构机掘进施工。

隧道衬砌为钢筋混凝土预制管片，断面为圆形，管片外径6200mm，厚度350mm，环宽1200mm，每环分6块，管片间弯螺栓连接。

始发段地层从上到下为：杂填土、全风化花岗岩、全风化石英正长斑岩；前30m为浅覆土段，覆土厚度为4.0～4.3m。

本工程的难点：

（1）盾构机以500m半径的曲线始发，盾构机受始发基座、负环管片和反力架等影响，使得盾构机始发时只能沿基座直线推进，无法拟合设计线路曲线前进，轴线偏差和姿态精度控制困难，易导致始发架移动移位失效、帘布橡胶损坏等安全风险。

（2）始发段前30m为4～4.3m的浅覆土地层，盾构始发掘进施工中易造成地表隆起、沉降甚至塌陷，易导致隧道轴线偏差大，管片拼装质量差等安全质量事故。

（3）现场场地有限，和苏洋站、明挖段场地共用，交叉作业多。

2 常规始发方案

本工程使用的2台辽宁三三盾构机在曲线段掘进，通过推进油缸分区压力、行程控制，结合铰接调整及开启超挖刀可以满足半径≥R280曲线段掘进施工。而在曲线段始发出洞时，因盾体、始发架均为直线，即盾头盾尾的连线在盾头位置沿曲线切线始发，且始发掘进前10m为加固区，将会给盾构机姿态调整带来困难，隧道轴线偏差最大处达到113mm，超出规范要求（-50～+50mm），最后容易导致管片错台、破损一系列质量问题。

始发掘进前30m为浅覆土段，覆土厚度为4～4.2m，小于盾构机开挖直径6480mm，为确保施工安全需对地面进行加载，采用堆土回填方式。

3 优化后的始发方案

综合考虑现场条件和各始发要素，通过计算机模拟后将常规始发方案优化为割线始发；地面浅覆土段采用管片、切割下来的混凝土支撑加载。

（1） 盾构机适用性评价[1]

本标段使用的盾构机在选型时设计为铰接式盾构，由于盾构增加了铰接部分，使盾构切口至支撑环， 支撑环至盾尾均形成活体，增加了盾构的灵敏度，理论 上可实现最小曲线半径250m的曲线掘进，满足R=500m曲线施工需要。

本工程使用的盾构机设计盾尾间隙为40mm，可 以满足R=500m时盾构所需的最小盾尾间隙，满足曲线始发要求。

计算盾构铰接油缸角度和油缸行程差A盾构主体铰接前体长度L =5.09m，刀盘面板宽度为0.78m，铰接可调整角度按最大值20°来计算。

计算最小转弯半径Rmin。Rmin= [(5.09 + 0.78) /2] / sin(1.20/2) = 280.28 m；在500 m曲线半径轴线上，铰接角度β= (L1+L2)×180/π×R=（5.09+4.51）×180/(π×500 )=1.1°；L1、分别为铰接盾构的前体和后体，R为曲线半径，β为盾构机在小曲线上的铰接角度，此角度小于盾构机自身的最大铰接角度，满足要求 。铰接千斤顶行程差=千斤顶最大行程差×（左右铰接角度）/最大左右铰接角度，实际工程中，铰接角度通过千斤顶行程差来实现，固自然满足本工程要求。

（2）管片适用性评价

管片为宽度为1.2m通用型管片，管片外径6200mm，厚度350mm，对曲线地段的管片楔形量检算：

曲线半径R=500m圆曲线段进行检算：

L1/R1=L2/R2即L1/497.1=L2/502.9得L1=1.011668L2。

内，外弧长差值为：△L=L1-L2=0.011668L2。

当管片宽度为1.2m，L2≈1.2m时，△L=14mm。

设计楔形量ΔL'=40mm＞△L=14mm，满足要求。

4 超浅覆土及小曲线盾构始发技术

（1）施工流程

图1 小曲线始发施工流程图

（2）始发线路确定

盾构机必须在托架上直线掘进一小部分，盾构机长度9.62m，始发导轨约1m左右，即盾构机始发直线部分最大10.62m，盾构机只能沿直线前进10.62m，在脱离了始发架后，才能根据自身千斤顶调节推进方向。而此时，盾构已经偏离轴线118mm，这个距离超出了施工 规范要求(-50～ +50 mm)，过大的偏离也不利于盾构后阶段的纠偏。所以，在曲线半径较小段始发施工 时，沿切线始发满足不了施工要求，必须沿割线始发。 假如刀盘中心在隧道中心线上，那么以刀盘中心位置为圆心画一个半径9.62m的圆，就能得到 一个与隧道轴线的交点。这个交点的位置就是盾构主体脱离始发架的位置，因此可以沿这条割线始发推进。

因此设定盾构机在直线掘进10.62m后脱离托架，且刀盘中心在隧道中线上，即推进过程中盾体偏离隧道中心线最大距离为，符合要求，且可确定∠q：满足要求。

（3）始发架、反力架的安装加固

在始发线路确定后，要精确定位始发发射架与反力架。与直线始发不同的是，在曲线始发时盾构推进 反力与端头井结构呈一定角度，因此在加固时应采取加强措施，可在端头井顶板环梁结构、底板端头井侧壁 植筋预埋钢板，反力架支墩与钢板焊接并加三角板防止侧向位移，同时在始发架和反力架左右两侧设支撑，负环管片设置斜撑，形成刚性固定。

始发架的高程要比设计提高约2.5～3cm，以消除盾构机入洞后“栽头”现象的影响。

（4）始发阶段姿态控制

①始发姿态。盾构机始发时铰接未开启，其角度为0，盾构机中 轴线处于隧道设计轴线外侧，即盾构始发线路的延线上，盾构始发坡度与隧道设计坡度相同，根据施工经验，略高于设计高程。

②盾构主体脱离发射架前姿态控制。盾构主体离开发射架，沿预定线路前进，必要时可 以对盾构姿态进行微调，但绝不能多调。在刀盘进入洞门加固体时，以慢速、匀速为推进原则。经计算，始发段土压力设置为0.05MPa，则推进加固段时土压力 由0渐变至0.05MPa。盾构推进速度控制在20mm/min以内，刀盘的转速设置为0.8 r/min。

③盾构主体脱离发射架后姿态控制。盾构机主体脱离始发架后，就可以通过调整推进千斤顶推力进行姿态调整，还可以用铰接和超挖刀来配合调整姿态，以便盾构可以尽快沿设计轴线推进。盾构机在500m的曲线半径较小轴线段推进时，刀盘应向内超出设计轴线14mm左右。隧道30环之前的推进，推进速度最好慢速，控制在30～40mm/min左右， 刀盘转速1.2r/min以下，土压力随着推进逐步稳定在0.05MPa左右。在此期间对地表沉降进行监测，结合监测数据对推进控制参数进行微调。

④注浆控制。同步注浆的作用是充填盾构机壳体与管片外弧面间的空隙，以保证地面不会因超挖而沉降。注浆要对称、均匀，否则会因管片周围受力不均衡而引起隧道的 变形、甚至使结构受到不平衡压力而破坏。由于同步注浆采用双液浆容易引起堵管，使得使得盾 构停机不能连续推进，增大始发或接收施工中洞门的封堵风险，所以，此阶段的推进中，同步注浆宜采用常规浆液，从第3环开始注浆，注浆量从2.7～3.2m³/环逐步加大到4.5～5.2m³/环，第7环开始为5m³/环左右。浆液稠度9～11cm，注浆压力控制在0.2Mpa～0.25Mpa。

壁后补注浆采用双液浆。因为双液浆是瞬凝型浆液，有早期强度高、填充均匀等特性，可以快速充填推进或者纠偏引起的壁后空隙，防止地面沉降、隧道管片受外部压力不均出现变形。水泥浆水灰比为0.9，水泥浆：水玻璃为1:1；二次注浆压力≤0.3Mpa，流量控制在10～15L/min。

（5）浅覆土段地面加载方案优化

按照原施工方案，对于始发超浅覆土段采用地面堆土压实加载方式，共需（6+15+6.5）×2.5×30=2062.5m³。综合考虑现场情况及成本，后优化改为管片、混凝土支撑加载方案，一是解决了现场30环负环管片堆放问题，二是区间盾构隧道始发后正常掘进正是临近年底，管片等各物资考虑年底生产、运输企业放假和产能降低等因数，现场需储备一定物资量以备快速连续掘进施工。相对于土方回填加载方案，可充分利用已有的1台25t汽车吊、1辆10t板车，除去零星人工配合费用6500元而不必增加其他额外费用。管片堆载需要2d时间。

图2 地面加载照片

5 结束语

在盾构法隧道施工中，盾构机的始发成功是保证后续工序正常进行的关键，是保证成型隧道的轴线符合设计要求，满足隧道建筑界限，确保运营后轨道交通行车安全的关键环节。福州地铁二号线苏洋站盾构机超浅覆土曲线始发的成功，使盾构机得以保证顺利出洞，成型隧道轴线偏差≤39mm，管片最大错台≤4mm，无渗漏点。攻克了此类施工技术难题，为以后类似工程提供了可借鉴的经验。