盾构机分体始发安全技术研究

左永发（中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司，上海 200135）

受复杂的周边环境及施工场地狭小等因素的影响，盾构工程中经常会出现盾构始发工作井的结构长度小于盾构机总长度的情况，致使盾构机及后配套设备不能一次性安装到位，需要采取分体始发的施工技术，其面临的主要问题有：①在盾构始发工作井结构尺寸一定的情况下，科学合理地确定盾构机分体始发的分节长度，最大限度地降低盾构机管路改装的数量，是降低盾构机分体始发故障率，保障盾构顺利始发的关键；②盾构机分体始发时，受工作井长度及盾构机的构造尺寸影响，与之配套的电机车编组在分体始发掘进的过程中不能满编使用，合理确定此阶段的水平运输方式决定着盾构始发掘进的工作效率。本文以苏州市胥江引水工程的盾构施工为例，针对以上问题进行了分析并形成了技术总结。

1 工程概况

苏州市胥江引水工程引水隧道采用盾构法施工，线路全长 2.1 km，为单线隧道。盾构始发工作井受其北侧既有220 KV 高压架空线及南侧既有轨交 3 号线制约影响，长仅38.9 m，宽 10.1 m。本工程采用的小松 φ 6 340 mm 土压平衡盾构机全长 66.88 m（含盾构机本体、连接桥架及 6 节后配套台车），配套电机车整列编组长度 46.2 m（含 1 节机头，4 节土箱，1 节浆车，2 节管片平板车）。盾构始发工作井长度不能满足盾构机正常始发要求，故盾构机需采用分体始发技术进行始发，待盾构机掘进一定长度，工作井及隧道内长度满足盾构机整机始发要求时将分体始发放置在井上的后配套台车吊装下井，组装调试后进行二次始发。

2 盾构机分体始发施工工艺

2.1 盾构机分体始发分节长度确定

盾构机分体始发分节长度需综合考虑盾构始发工作井长度、盾构机分体始发时相关管路、零部件改造的工作量以及盾构机分体始发阶段的施工效率最大化，以在满足盾构机分体始发的条件下尽可能少的改造盾构机及其后配套设备的零部件为原则，提高盾构机改造的功效，降低被改造部件的故障率。

苏州市胥江引水工程盾构始发工作井长 38.9 m，宽10.1 m，所采用的小松 φ 6 340 mm土压平衡盾构机各部位尺寸如表 1 所示。

表1 盾构机各部件尺寸一览表

根据本工程盾构始发工作井长度及盾构机各部件尺寸可知，在保证盾构施工具备水平运输条件的情况下，盾构机分体始发分节长度可有以下两种。

方案一：盾构机本体在井下组装，后配套台车放置在地面，接长配套管路与盾构机本体连接，组装调试后始发；

方案二：盾构机本体、连接桥架及第一节台车在井下组装，其余台车放置在地面，接长配套管路与盾构机本体连接，组装调试后始发；

方案一中盾构机本体长度 8.68 m，工作井内还有 30 m左右的空间可为盾构施工时水平运输提供条件，但盾构机需要改造管路较多，尤其同步注浆浆管，加长改造后极易发生堵塞（本工程采用的盾构机同步注浆浆箱位于第一节台车）；方案二中盾构机本体长度 8.68 m，连接桥架 14 m，第一节台车长度 6.5 m，工作井内还有 9 m 左右的空间可为盾构施工时水平运输提供条件，盾构始发掘进初期不能使用电机车编组，水平及垂直运输条件较为不利 。方案一随着盾构机始发掘进距离的增加其注浆管路会随之加长，注浆管堵塞的不利条件会愈发突出；方案二中随着盾构机掘进距离的增加，其水平运输的条件也会越来越有利；故方案二为本工程的最优方案。

2.2 盾构机分体始发施工顺序

盾构施工场地及盾构始发工作井内布置完成，盾构机吊装的准备工作完成后进行盾构机吊装。先将盾构的支撑环、切口环、刀盘依次吊装到位后，在将螺旋输送机及盾尾、连接桥架、第一节台车吊装下井，随后将第 2～第 6 节台车依次按照顺序放置在地面指定位置，最后进行盾构机安装、调试。盾构机经验收合格后凿除洞门，盾构机始发掘进。

2.3 盾构机分体始发阶段水平运输方式

盾构工作井长度仅有 38.9 m，盾构机本体、连接桥架及第一节台车总长度约 29 m，除刀盘前方预留洞门凿除的作业空间外，工作井内仅剩余 9 m 左右的空间，不满足电机车水平运输及垂直运输作业条件。故在盾构始发掘进初期分别在盾构工作井小里程端及盾构机盾尾后方安装一台卷扬机，通过卷扬机拖动电机车配套的平板车实现水平运输，卷扬机将平板车拖动至脱出盾构机第一节台车后采用盾构工作井上方的门式起重机实现垂直运输。

盾构始发掘进初期，采用一节平板车与卷扬机协同进行水平运输，同步注浆浆液由设置在地面的拌浆站通过管道直接输送至盾构机的同步注浆浆箱内，不在另行通过浆车运输；盾构渣土运输采用特制的小土箱，盾构渣土从螺旋输送机直接排放至小土箱，通过卷扬机拖动的平板车运送至垂直吊装口；每环掘进完成后，将土箱吊离平板车，将管片吊放至平板车上运送至作业面。当盾构掘进至工作井内空间有20 m 左右时，可撤去卷扬机，将电机车机头吊装入井，通过机头拖动板车实现水平运输。

3 盾构机分体始发与二次始发的转换施工

3.1 盾构机停机转换注意事项

盾构机掘进至工作井及隧道内长度满足盾构机整机始发要求时，盾构机停机转换，将分体始发放置在井上的后配套台车吊装下井，组装调试后进行二次始发。本工程盾构掘进至 80 m 时停机转换，盾构机停机转换需注意：

（1）盾构停机转换需选择好时机，尽可能选择在盾构机所处位置地质条件良好，地面周边环境无重大风险源的施工段停机转换，并加快转换施工进度，做好相关应急预案。

（2）盾构停机前通过盾构机本体的径向注浆孔对盾构机外围的土体进行注浆加固，防止盾构机停机时发生“栽头”现象。

（3）盾构停机前合理计算盾构刀盘前方土压力，做好盾构机土仓及螺旋机的保压工作，关闭好螺旋机闸门，使土仓压力大于刀盘前方的土压力 0.02 MPa 左右，防止盾构前方土体坍塌造成地面沉降过大。

（4）盾构停机前拼装完成的 5 环管片背部粘贴海绵条，加大盾尾油脂注入量，防止停机期间发生盾尾漏砂现象。

（5）盾构机停机前在盾构机内备好注浆机、水泥、聚氨酯等应急物资并安排好值班人员 24 h 值班，防止停机期间发生漏水漏砂事故。

图8示，以CON组(Atg5相对表达量=1±0.005)为标准，NC组和Si-Atg5组中Atg5相对表达量分别为1.07±0.04和0.40±0.06，NC组和Si-Atg5组比较，差异有统计学意义，F=2.729，P=0.019。

3.2 盾构机转换二次始发施工顺序

盾构机停机后拆除第一节台车与地面其余台车之间的管路连接，拆除洞口负环管片及反力架，依次将第二节～第六节台车吊放至工作井内，利用电机车车头将台车拖拉到指定安装位置后进行组装调试，随后进行电机车编组及轨道安装工作。盾构机组装调试验收合格后进行二次始发，恢复正常掘进。

盾构机转换二次始发恢复正常掘进，采用两列电机车编组进行水平运输工作，需要安装道岔，本工程盾构工作井尺寸较小，无法在工作井内安装道岔，故在隧道内安装“人”字形道岔供电机车编组“会车”，道岔安装示意图如图 2 所示。

盾构机配套使用的电机车编组满编长度为 46.9 m，而盾构工作井长度仅为 38.9 m，电机车编组长度大于工作井长度，不能满足垂直吊装条件，所以需对电机车编组进行调整。1 号电机车编组为 1 个机头＋3 土箱＋1 浆箱＋1 节管片平板，编组长度为 35.9 m，满足垂直运输条件；2号电机车编组为 1 个机头＋3 土箱＋2 节管片平板，编组长度为34.5 m，满足垂直运输条件。采用此编组时需预先在片拼装作业面存放一环管片，电机车水平运输 3 次可完成 2 环管片的掘进、安装。

4 盾构机分体始发掘进及二次始发掘进阶段质量控制要点

4.1 盾构机分体始发掘进阶段质量控制要点

（1）盾构机分体始发掘进时地面台车与井下设备的各连接管路须由专人负责，随着盾构机掘进里程的增加不断调整改造管路的长度及位置，防止管路被卡住或拉断。

（2）盾构机在加固我内掘进时掘进速度不宜过快，适时开启超挖刀，推力及扭矩不宜超过正常掘进的70%，防止反力架变形破坏或盾构机本体发生扭转。

（3）盾构机盾尾进入洞门钢圈后及时收紧洞门外侧的帘布橡胶板，盾尾进入加固我后开始同步注浆；盾构机刀盘抵达止水帷幕后通过盾构机本体的径向注浆孔注浆，防止止水帷幕外侧的水涌入加固我引起洞门发生漏水漏砂；正环管片脱出盾尾 5 环后开始从＋1 环管片的注浆孔注入双液浆封堵洞门，注浆压力宜由小变大，最大不得超过 0.5 MPa，以防击穿盾尾刷。

（5）盾构机刀盘出加固我前需建立起与理论值相匹配的土仓压力，防止盾构机出加固我后出现“栽头”或地面沉降较大等现象。

4.2 盾构机二次始发掘进阶段质量控制要点

（1）盾构机转换完成二次始发后应先缓慢转动刀盘，随后再恢复掘进，二次始发后初始掘进速度不宜超过2 cm/min。

（2）若停机期间盾构机姿态发生变化，二次始发后应遵循“勤纠缓纠”的纠偏原则通过调整管片楔形量及千斤顶分我推力缓缓纠正，单次纠偏量不可过大。

（3）总结盾构机分体始发掘进阶段同步注浆量、管片上浮或沉降值、地表沉降值等参数，综合考虑地质条件进一步优化二次始发掘进阶段的施工参数，保证成型隧道的施工质量。

（4）加强电机车轨道的检修，尤其是道岔处的检修维护工作，电机车通过道岔时应缓慢通过，防止发生“脱轨”。

5 结 语

本文结合苏州市胥江引水工程引水隧洞盾构始发工作井长度不足的条件下， 盾构始发施工面临的技术难点，分析提出了适合该条件下盾构分体始发的最优技术方案，解决了有限空间下盾构分体始发的技术难题，显著提高了盾构分体始发的施工效率，降低了工程施工风险，对后续类似工程盾构分体始发施工具有较强的借鉴意义。