盾构机小半径、大下坡始发施工技术浅析

陈永进

中铁十局集团第三建设有限公司 安徽合肥 230601

盾构施工的重要施工技术之一就是控制盾构掘进姿态符合设计线路，但在小半径大下坡段如何控制盾构机，使盾构姿态与设计轴线拟合，则是盾构始发中的重难点问题。下面就以成四区间左线的360m半径转弯和24‰大下坡为例，分析和探讨小半径大下坡始发的重难点和解决措施。

1 工程简述

合肥市轨道交通五号线一标成都路站-四川路站区间左线为盾构法施工，区间全长1186.6m，区间线间距为12-14.5米。区间隧道全线均沿云南路与云谷路下敷设，曲线半径为R360米，区间从始发至468环平面方向均处于R360m的小半径曲线上；线路纵向呈“V”型坡，最大纵坡为24‰。区间隧道结构顶最大埋深16.5米，最小埋深10米。盾构始发段在曲线半径为R360米的圆曲线上成四下穿小曲线半径大坡度段区间工程概况详见“表1区间下穿小半径大坡度段工程情况表”。

图1 成四区间位置及周边环境现状

2 施工工艺及质量控制

2.1 施工工艺

（1）合理选择始发线型：盾构始发段包括盾构始发井全部处于小半径曲线段（如R360m）的圆曲线上，盾构始发时只能沿直线推进，轴线偏差的控制较难掌握，故采用割线始发的方式。

（2）始发架和反力架的设置：因为小曲线始发，但盾构姿态的调整存在滞后性，尽早采用铰接和区域油缸等措施调整盾构机姿态和掘进线型，其必然导致盾构推进反力的大小和方向都具有较大的不确定性，所以始发基座和反力架的焊接，必须牢固可靠。

（3）负环管片拼装：负环按照16点位置拼装，螺栓紧固扭矩≥2300KN·M，钢丝绳拉紧牢固。

（4）盾构参数的合理选择：盾构曲线始发不仅处于小半径曲线段（如R360m），而且处于纵向下坡段（如24‰），盾构姿态的调整和控制至关重要。

2.2 施工工艺流程

盾构小半径大坡度始发施工工艺流程见图2：

图2 盾构小半径大坡度始发施工工艺流程

施工操作要点：

（1）确定盾构始发线型。盾构始发时，由于受始发架结构限制，只能沿直线推进。盾构机在曲线段始发时，选择割线方式确定盾构始发中心线。割线尺寸按照下面要求确定（见图3）：在+1环位置向内偏离隧道中心线80mm，在始发井后端位置向内偏离隧道中心线20mm，通过计算，盾构始发中心线（割线）在始发井洞口环端面位置尺寸向内偏离隧道中心线约107mm。

图3 盾构始发中心线（割线）

（2）制作始发井、洞门和始发段主体结构。盾构始发井和洞门按照始发中心线（割线）为中心线制作。在制作始发段主体结构时，位于线路中心线外侧的墙体结构应适当外放100mm，为盾构机后配套设备的安装提供方便条件。

表1 成四区间下穿小半径大坡度段区间工程情况

（3）土体加固、洞门防水及地面配套设施施工。为了确保盾构始发洞门围护桩凿除后洞门土体的安全和盾构始发阶段其姿态的稳定，应结合水文地质状况，采用旋喷桩的方式对始发端头井进行加固处理。同时，应考虑始发洞门与隧道轴线不垂直，为防止盾构始发时因刀盘受力不均而引起盾构跑偏，应采取洞门加固体与盾构始发路径垂直的措施。

盾构始发洞门可采用常规的橡胶帘板密封方式，洞门注浆可采用盾构同步注浆装置注入式，必要时可可以采用双橡胶帘布的密封方式。

（4）测量点复核。在进行盾构始发施工前，对始发段内导线控制点进行复测。

（5）安装始发架。确定始发架安装尺寸的三项要求：

①始发基座的中心必须与割线中心重合

②始发基座的高程与隧道的设计一致，但为了防止盾构机“叩头”，故把始发基座预抬高20mm

③根据车站始发井的尺寸和盾构机的长度，因为本标段采用的管片环宽为1.5m，故选择使用7环负环，且零环管片进入洞门50cm，以此可以确定始发基座和反力架的位置

④在确定盾构机位置时要充分考虑到割线始发时，盾构后配套台车对始发段和负环净空的影响，避免净空交叉。

⑤始发架和反力架牢固地与始发井底板的预埋件焊接，并在侧面设钢支撑，以确保其在盾构始发时牢固可靠。

⑥为了确保盾构始发成功与安全，反力架必须采用具有足够强度和刚度的组合型钢框架结构，并考虑该反力的不均匀性和最不利因素。

（6）盾构机及后配套设备组装。在吊入盾构机前应对始发基座位置尺寸复核，确保位置正确和稳定。

按照盾构机吊装专项施工方案进行盾构机和后配套设备的吊运和组装。

盾构机在曲线段安装时，由于盾构机摆放在割线上，而双梁（连接桥）等后配套设备摆放在曲线上，其间夹角加大；曲线半径越小，夹角越大；这给双梁（连接桥）和工作台的连接增加困难。

（7）盾构分项调试和整机空载调试。盾构机组装完成后，按照盾构机的调试验收标准对盾构机的工况进行验收，对于验收过程中发现的问题，及时进行整改修复。

（8）盾构始发。

①第一阶段试掘进参数选择。试掘进第一阶段试掘进，盾体穿越端头井土体加固区，是盾构开始掘进的磨合阶段，该掘进的施工重点是保证盾体顺利进入土体，控制盾构姿态，建立初步土压平衡，为下一阶段的掘进提供条件。

该阶段掘进时，盾构推力全部作用在反力架上，同时由于掌子面土体加固后强度高，推力过大会造成刀盘扭矩增大，增加安全风险，因此，该阶段推力不宜过大，控制在8000KN以内。本阶段掘进的指导参数为千斤顶推力与刀盘扭矩的控制。

②第二阶段试掘进参数选择。经过第一阶段的试掘进，盾体顺利进入土体，土压平衡基本建立。由于盾体与土体充分接触，盾构推力可适当增大，考虑到反力架结构安全性，盾构推力可选择为10000KN以内，掘进速度也相应增大，该阶段的试验重点是选择合适的注浆压力及注浆量，确定浆液配合比的合理性，同时初步掌握本工程土质特点下的土体改良方法，了解盾构掘进速度、刀盘转速、扭矩等参数的关系，结合地面沉降进行分析提供下一阶段掘进的参数。本掘进的主要控制参数为刀盘扭矩、推力、同步注浆量，同时根据地面监控，合理调整土仓压力和注浆量。具体施工参数如下：

③第三阶段试掘进参数选择。根据第二阶段试掘进总结，第三阶段进行论证。由于前30m管片与土体的摩擦力及反力架提供的反力已经满足盾构理论推力的要求，将盾构推力设定在理论推力12000KN左左，同时加快刀盘转速，提高盾构掘进速度，通过监控量测数据分析、确定数据，为第四阶段试掘进提供参数。

表2 第一阶段试掘进选择参数表

表3 第二阶段试掘进选择参数表

表4 30m至60m环试掘进选择参数表

④第四阶段试掘进（60至100m）参数选择。本阶段是盾构试掘进的总结、论证阶段，同时也是正式掘进的准备阶段。根据前三阶段提供的各项数据，通过本阶段施工过程中的论证及优化，选择最终的盾构掘进参数作为正式掘进的施工参数。

2.3 质量控制

2.3.1 执行标准

（1）严格执行《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）和《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）。

（2）隧道轴线允许偏差值。

表4 隧道轴线和高程允许偏差和检验方法

（3）管片拼装允许偏差值。

表5 隧道轴线和高程允许偏差和检验方法

2.3.2 质量控制措施

（1）盾构始发前要根据地层情况，设定一个掘进参数，始发后要加强监测，要及时分析地表的监测的变化情况，动态地调整盾构掘进参数。

（2）在进行始发架、反力架和-7环管片的定位时，要严格控制始发架、反力架和负环管片的安装精度，管片的后端面应与线路中线垂直，负环管片轴线与线路中心线重合。

（3）始发架导轨必须顺直，严格控制其标高及中心轴线，组装前在基座轨道上涂抹油脂，减少盾构推进阻力。

（4）始发前在盾壳两侧靠近始发基座处焊接防扭桩，克服刀盘旋转时产生的扭矩，防止盾构机扭矩过大引起侧翻。必须派专人观察盾壳上焊接放扭桩的情况，当防扭桩接近洞门时及时割除。

（5）在始发阶段要注意推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。掘进总推力应控制在反力架承受能力以下，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发基座提供的反扭矩。

（6）当盾尾完全进入洞门密封后，调整洞门密封，及时通过同步注浆系统对洞门进行注浆，堵住洞门圈，防止洞门密封处出现漏泥水和所注将液外漏现象。

3 施工情况及结果分析

3.1 施工情况分析

中铁十局合肥地铁成都路站-四川路站区间左线采用割线始发，按照模拟计算，在-1环推进时逐步打开铰接等一系列纠偏调整，在第11环时可以将盾构机姿态调整为内线行驶。第一环至第八环管片平均楔形量为45mm。根据千斤顶行程差和盾尾间隙，通过连续拼装右转弯环实现。

3.2 施工结果分析

在掘进完成后，根据测量单位的检测结果，本工程小半径、大下坡盾构曲线始发非常成功，隧道轴线水平偏差最大46mm、高程偏差最大31mm，管片错台基本在2mm以内、最大5mm，该段隧道未发现有渗漏点和管片顶裂现象，地面最大隆起1mm、最大沉降12mm，其余均在规范允许内，施工完毕后隧道满足验收要求。

本区间多次被业主单位推荐为观摩区间隧道，吸引众多合肥轨道交通的参建单位前来观摩学习，对打造十局品牌产生了积极的影响。

4 结语

盾构法施工在如今的地铁隧道施工中应用广泛，城市地铁隧道施工，经常性的会遇到小半径大坡度的掘进施工，故掌握小半径大坡度始发的施工技术就显得尤为关键。就本工程而言，作为合肥市重点工程市政建设项目，盾构施工工程质量引起广泛的关注，小半径大坡度始发段的掘进质量，对树立企业形象，打造十局品牌，提高企业市场竞争力具有深远的影响。