城市中型直径盾构分体始发施工技术

城市中型直径盾构分体始发施工技术

隋鲁东

隋鲁东

广州轨道交通建设监理有限公司广东省广州市510010

摘要：目前盾构工法已经在我国广泛应用，施工工艺亦日趋完善，其中盾构始发环节是盾构工法的一个关键环节。在城市盾构隧道当中，通常始发井空间较小，无法实现整体始发，使得分体始发技术得到普及。本文以广州市220千伏航云输变电电力隧道工程（第二标段）盾构分体始发为例，从工程概况，盾构分体始发技术、施工组织、安全及质量控制措施等诸多方面剖析城市中型直径盾构分体始发施工的成功案例，提出盾构分体始发中的控制要点，为城市盾构隧道在类似工况下提供借鉴。

关键词：盾构隧道；分体始发；土压平衡

1工程概况

1.1工程位置

220千伏航云输变电广州电力隧道工程（第二标段）位于广州市白云区，白云新城，东临白云大道，西靠机场路，南接广园路，北为黄石路。本工程盾构机从4#工作井南边下井始发，1#工作井吊出；二次始发从4#工作井北边始发于5#工作井吊出。1#工作井位于云城西路与横八路交叉口，5#工作井位于黄石东路与江景路交叉口，区间全长2533m。本文描述的是北4#-北1#区间第一次始发。

1.2工程地质

1.2.1工程地质

据相关区域地质资料及勘探深度范围所揭露的地层，自上而下依次为第四系人工堆积层（Qml）；第四系冲洪积层（Qal+pl）；第四系残积层（Qel）；下伏基岩为二迭系粉砂岩、页岩、炭质灰岩及石炭系灰岩等。

1.2.2盾构区间工程地质

本工程隧道埋深5～10m，穿越的地层主要为<4-1>软塑粉质粘土、<6>全风化粉砂岩和<7>强风化炭质页岩，局部为<3-2>中粗砂和<8-1>中风化灰质灰岩，地层比较复杂，局部可能产生流砂、坍塌等岩土工程问题，并且BDK1+750～BDK2+250区间地质情况不明，施工前先进行地质补勘，本工程在BDK0+100～BDK0+230里程范围内发现上软下硬地层，其上部为全风化砂岩，下部为石灰岩。另外根据勘查，区间隧道中发现2个土洞，15个溶洞。都位于隧道底板以下，溶洞填充物为软塑~可塑状粉质粘土，其中需要处理的溶洞有3个。

1.3端头加固

盾构始发、到达端头地层加固均采用三重管旋喷桩加固，旋喷桩桩径φ900，间距为750*650mm，咬合布置；加固深度范围为拱顶上方3m，仰拱下方2m或者中风化岩层顶部。

1.4始发井

北4#始发井结构如图4所示。

2盾构分体始发及施工组织

2.1始发方式确定

根据施工组织和工作井设计情况，北4#井~北1#井盾构区间从北4#井始发，至北1#井吊出。北4#井做为盾构始发井，长42.6m，宽10.8m，采用一台直径4340mm的海瑞克土压平衡盾构机施工，盾构机组件包括刀盘、前盾、中盾、盾尾、螺旋机、连接桥、1#-8#拖车，盾构机全长76m，根据始发井结构尺寸，无法实现整体始发。因此，需采用分体始发方式。

2.2施工组织

盾构分体始发分为3个阶段进行。

第一阶段首先将第1#拖车下井退到始发井后侧，然后下螺旋机、盾尾同样推到始发井后侧，之后下前盾、中盾、刀盘，拼装机，然后连接前盾、中盾、刀盘，安装拼装机、螺旋机，连接盾尾，在1#拖车后安装自加工皮带机架，最后连接盾体和井下1#拖车至地面2#-8#拖车管线。

第二阶段的拖车下井在掘进20米后进行，首先停机在洞门注双液浆堵漏，然后拆除自加工皮带机架，将2#及3#拖车下井前移与1#拖车连接，之后把自加工皮带机架安装在3#拖车后侧，皮带机安装在自制皮带机架上，最后连接3#拖车至地面4#-8#拖车管线。

第三阶段整机下井在掘进90米后进行，首先拆除3#拖车后侧自加工皮带机架，之后将4#-8拖车下井前移与3#拖车连接，最后将自加工皮带机架安装在8#拖车后侧，皮带机安装在自制皮带机架上。

2.3场地布置

由于北4#井做为盾构始发井，现场除了盾构施工外还需要作为设备及材料堆放场。因此，在北4#井底板施工同时须同时进行始发井施工场地布置。

2.3.1龙门吊与管片存放区

始发井配置1台35t和1台16t龙门吊进行起重作业，35t龙门吊设置于出渣井，跨距约为26.6m，应用于设备吊装、地面与隧道上下土方、管片和其它施工材料的吊运。16t龙门吊跨距为9.4m，用于管片和材料调运，管片存放在16t龙门吊轨道内侧区域，管片按三层叠放。

2.3.2渣坑及挖掘机作业区

渣坑计划平面尺寸为22m×4.2m，深4m，渣坑采用钢筋混凝土结构，计划容积为370m3，能够装15环渣，位于35t龙门吊轨道内侧区域。渣坑边设置挖掘机作业区，配备1台1.0m3挖掘机装土。

2.3.3砂浆搅拌站

浆液搅拌站位于北4#井~北1#井区间始发端头井南侧，通过送浆管路送浆至井下送浆车。

2.3.4配件加工区、仓库

维修车间用于盾构机刀具及各种零、配、散件的加工制作，仓库主要存放密封油脂、连接螺栓等小型材料和机具，设置于场地南侧。

2.3.5周转材料堆放场

轨道、轨枕、走道板等材料堆放于场地南侧，随隧道掘进随时下井铺设。

2.4盾构吊装

盾构吊装下井采用一台250t全液压汽车吊及一台100t汽车吊车配合起吊。吊装下井的顺序为1#拖车-螺旋机-盾尾-中盾-前盾-刀盘。

2.4.11#拖车吊装

1号拖车采用250t全液压汽车吊吊装。用4根6米同型号钢丝绳将台车自带的四个吊耳吊起，起吊后的台车保持水平。台车与钢丝绳线夹角约为50°，将台车下放到井口。使台车就位，当台车与钢轨接触后用电瓶车把它后移到需要的位置，用防滑楔楔住。

2.4.2螺旋机吊装

因为受井口尺寸限制，所以用全液压汽车吊先将螺旋机下井，放置在管片车上固定牢固，然后推入反向隧道内。在盾构机将要落座的始发架的钢轨表面涂刷润滑脂（按落座的顺序分段涂抹），为下一步盾构机的组装做好准备工作。

2.4.3盾尾吊装

盾尾下井，选用250t全液压汽车吊车和100t汽车吊车双机抬吊然后翻转，250吨吊车将盾尾吊起，吊钩缓慢移动到离井口1m处停止。吊车缓慢下钩。当盾尾下部将与始发架接触时，吊车通过起、落臂杆和旋转臂杆使下部盾尾就位，盾尾完全放在始发架上。用100T分离式液压千斤顶将盾尾向反向隧道方向推进，直至始发架后部。

2.4.4中盾吊装

250t全液压汽车吊车停放在距离正南侧始发井口1.5米处。把中盾缓缓吊到距盾构井1m处停止，确认无误后缓慢的放在始发架上。中盾放在始发架上后，等中盾稳定后在盾体两侧上焊接挡板。

2.4.5前盾吊装

前盾与中盾吊装方式相同，当前盾放至始发架上后用100t的分离式液压千斤顶将前盾缓慢的推至中盾处，再用螺栓将前盾和中盾进行连接。

2.4.5刀盘吊装

刀盘起吊也需采用抬吊方式翻转刀盘（吊装方式与前盾一样）。250t全液压汽车吊车将刀盘竖直吊稳，刀盘下井后，将其慢慢靠向前盾，在土舱里焊接两个耳环，用两个5t的导链拉住刀盘，把前盾和刀盘的螺栓孔位及定位销按机械装备图要求尺寸完全对准后，再穿入拉伸预紧螺栓。按拉伸力由低到高分两次预紧螺栓（组装螺栓采用液压扳手按装配图按规定检测其扭矩），预紧完毕后，再用预紧专用工具（液压扭矩扳手）复紧一遍。

2.6盾构设备局部改良

2.6.1皮带机主驱动位置的改良

第一阶段由于始发井位置局限，前20m的掘进阶段在一号拖车后部用200mm型钢自制5米长一个托架放置皮带机作为出碴口。

第二阶段，自制皮带机架拆除，管片小车下井后前移与主机连接，2#、3#拖车下井前移与一号拖车连接，自制皮带架安装至3#拖车后侧。

第三阶段掘进90米后，始发井负环管片和反力架中上部份拆除，剩余拖车从始发井依次下井前移连接，皮带机架移至83拖车后侧，此时皮带机安装于原设计位置。

3.6.1油脂泵位置的改良

考虑BP、WR89、主轴承黑油脂风动泵站都位于2#拖车，进行管线延伸时，由于其管线为250bar，2英寸高压管，管线笨重，其价格昂贵。

为了节约成本和减轻盾构始发过程中的工作繁琐程度，将油脂泵站位置改于1#拖车左侧后部平台（面积2000×1000），平台目前为悬臂支撑，在油脂泵站安装前需采用100槽钢进行支撑加固。WR89、主轴承黑油脂风动泵站需要的空间为1700×660。

BP油脂泵站在始发和掘进前50m阶段计划不安装，林肯泵靠人工及时补充油脂。

管线进行相应改变，改接电缆，油管和风管。

3.6.1泡沫泵的改良

由于盾构机原装的泡沫泵无法手动调节泡沫流量，渣土改良效果不佳，将原来的泡沫泵更换可手动调节的流量的泡沫泵后，根据地质情况及掘进参数实时控制泡沫流量，渣土改良效果得到明显提升。

3轨道铺设、反力架、负环、始发台定位与安装及支撑

3.1轨道定位与安装

始发第一阶段只能铺设单轨道，立柱高706mm，立柱上方铺设两层200mmH型钢，第一层纵向铺设，第二层横向铺设。总高度1106mm。

3.4负环定位与安装

负环管片采用通用环，为防止负环管片失圆，负环管片采取错缝拼装，－9环管片封顶块位置定为11：00（封顶块逆时针旋转18°）；负环管片拼装时的支撑垫块。支撑块尺寸为：长1.5m，高60mm，宽60mm。支撑垫块加设在3、4、5、6、7、8号油缸对应的位置，支撑垫块可采用b=160mm的槽钢，安装时只需将近油缸端的30cm点焊在盾壳上。－9环第一块管片的定位。在拼装－9环负环管片的第一块管片时，首先在－9环管片的B2块管片内弧面上划出管片向左偏移11.25°后位于弧底的位置，拼装时以水平尺和钢尺进行确定（B2块管片前端右边纵向螺栓孔处于6点位置时，F块处于1点位置）；邻接块L1和L2的安装。邻接块安装时，在盾尾盾壳上焊接吊耳，并用道链进行固定，以支撑管片并保证施工的安全，待封顶块纵向推插到位后，拆去倒链，割除吊耳，紧固封顶块与邻接块的螺栓。

负环管片的螺栓与防水材料。－9～－1环管片只粘贴丁腈软木橡胶板（纵缝）和软木衬垫（环缝），不粘贴止水条和自粘性橡胶薄片，管片连接螺栓也不需加遇水膨胀橡胶圈，0、＋1环必须正常使用防水材料；负环管片外侧支撑。在每环管片推出盾尾后，在管片外的支撑三角架纵向工字钢及始发台轨道上用木制或铁制的楔子及时进行支垫，将管片压力均匀的传递给三角架。每环管片加设两个楔子，每间隔两个木楔子加设一个铁楔子。

4始发掘进与注浆

4.1土仓压力控制

根据盾构始发端隧道工程地质情况，在始发掘进时采用半土压模式掘进，在掘进过程中土仓压力保持在0.5bar，因始发段洞门密封不严，全土压掘进。在盾构停机时土仓压力建立至1.0bar（隧道埋深10m）。

4.2推力控制

为保证反力支撑系统的安全，盾构推进总推力由200t以每次2t的速度有序的逐步增加，最大总推力不超过400t。值班技术人员必须做好相应的记录，在交接班或更换操作人员时，必须将推力作为一项重要的内容进行交接。

4.3其他参数控制

（1）加强碴土改良与出碴量控制。每环泡沫剂用量18～28L，出碴量控制在28m3；（2盾构姿态调整。基于对盾构刀盘自重的影响盾构以高于设计轴线20mm进洞。

（3防止盾构机产生旋转，在盾构壳体上焊接反旋转挡块。但必须注意在盾构向前推进过程中，应及时将其割除，避免损坏帘布橡胶板。

始发段注浆浆液采用水泥砂浆，砂浆施工配合比为：水泥：80粉煤灰：381膨润土：60细砂：600水：460（kg/m3）

在盾构刀盘里程达到BDK1+480.6后，紧固好管片连接螺栓，停止掘进对洞门圈进行注浆，注浆时必须密切关注洞门密封装置的变形情况，出现漏浆及时停止注浆，根据具体情况及时采取相应的措施进行处理。

5安全及质量控制措施

5.1安全控制措施

（1）盾构吊装下井是盾构始发的一个风险点，盾构吊装必须严格按照方案实施并做好吊装监测；（2）盾构始发推进前，组织相关人员对盾构机设备、反力支撑系统进行检查，确定符合要求后，才能继续推进；

（3）盾构进入洞门后，要及时进行洞门注浆，保证洞门的密封性，防止洞门涌水涌砂；

（4）始发前应准备足够的应急物质并制定应急预案，当出现突发情况时应立即启动应急预案；

（5）始发井应设置相应的排水设施，并存放足够的抽水设备，保证雨季施工的安全；

（6）盾构掘进过程中必须进行地表沉降监测，当地表沉降超过预警值时，停止掘进，总结原因并采取措施后方可继续掘进。

5.2质量控制措施

（1）对始发台、反力架进行全面的检查与修理，安装固定必须在定位完成后进行，反力架支柱底部必须以钢板垫实满焊接，始发台必须通过加固挡块与井底预埋钢板满焊，近洞门端用200mm型钢支撑于始发井二衬端墙上；

（2）洞门密封装置安装时必须将连接螺栓栓接牢固，根据实际情况合理对扇形压板的位置进行调整，防止洞门密封橡胶帘布外翻影响密封效果。如出现外翻的情况，停止推进，对其采取加固措施确保密封效果；

（3）由于盾构机前盾较重，始发台定位时，实际始发轴线仰角应比设计轴线略大，防止盾构机进洞门后栽头；

（4）确保盾尾密封油脂的注入要来，保证盾尾密封效果；

（5）同步注浆时，选取注浆压力要综合考虑地面沉降要求和盾尾密封刷的承压能力；

（6）盾构掘进前100m是摸索掘进规律、优化掘进参数的试掘进阶段，期间要不断总结和优化盾构掘进参数，提高掘进质量。

6同类工程始发形式对比与分析

6.1始发形式对比

航云1标：始发井内底板24m×10m，硐门密封采用钢套筒、橡胶帘布、扇形压板垫片和螺栓等组成。盾构隧道采用土压平衡盾构机施工.主机长度12.249m，盾构盾构设备总长度83m.。始发形式采用三阶段分体始发，第一阶段将刀盘、前盾、中盾、盾尾、螺旋机及1#拖车下井安装，第二阶段盾构掘进70m后2#及3#拖车下井安装，第三阶段盾构掘进90m后安装4#-9#拖车。

航云2标：始发井为圆弧过渡的L型，底板长42.6m，宽10.8m，始发可有效利用的直线长度为30.6m.硐门密封采用钢套筒、橡胶帘布、折形压板垫片和螺栓等组成。盾构隧道采用土压平衡盾构机施工，盾构主机长度13.319m，盾构设备总长度76m。始发形式采用三阶段分体始发，第一阶段将刀盘、前盾、中盾、盾尾、螺旋机及1#拖车下井安装，第二阶段盾构掘进20m后2#及3#拖车下井安装，第三阶段盾构掘进90m后安装4#-8#拖车。

奥林：始发井底板尺寸19.4m×10.9m，始发区域尺寸4.9m×8.9m，盾构隧道采用泥水平衡盾构机施工，盾构机总长度99.7m。始发形式采用暗埋分体始发技术，将设计要求的位置采用明挖的方式，通过反力墙将盾构机围在竖井内，将盾构机头放置到位，安装好平衡始发段管片，再对已经成封闭的始发端头进行砂回填，在腰梁位置进行混凝土封顶，并浇水密实，使始发端头与四周成土压平衡状态，在平衡始发回填区域采用止水橡胶带进行止水，在盾构机没有掘进时即处于相对平衡状态的工艺。始发形式分3阶段进行，第一阶段盾构机主体安装调试后始发掘进25m，第二阶段安装1#、2#、10#号拖车后再掘进28m，第3阶段安装3#、4#、5#、6#、10#拖车后再掘进26m，第四阶段安装7#、8#、9#、10#拖车后正常掘进。

犀牛：始发井底板尺寸26mx7.9m，硐门密封采用钢套筒、橡胶帘布、扇形压板垫片和螺栓等组成。盾构隧道采用土压平衡盾构机施工，盾构机机身长度12m，总长度77m。始发形式采用三阶段分体始发，第一阶段将盾构主机及1#拖车下井安装调试后始发掘进，第二阶段安装2#-3#拖车继续掘进，第三阶段安装4#-8#台车正常掘进。

厚德：始发井底板尺寸40.9m×10.7m，硐门密封采用钢套筒、橡胶帘布、扇形压板垫片和螺栓等组成。盾构隧道采用土压平衡盾构机施工，盾构机机身长度12.075m，始发形式采用分体始发形式

6.2始发形式差异化分析

通过几个项目的始发形式对比分析发现，硐门密封形式多采用扇形压板，较少采用折型压板。连续墙硐门位置全部采用玻璃纤维筋，省略了破除硐门这道工序，节约了工期及成本。由于旋喷桩的加固止水效果较好，以及在广州地区的适用性，端头加固全部采用旋喷桩加固。所有项目的始发井空间都无法满足整体始发的要求，所以所有项目都采用了分体始发形式，其中奥林项目使用的是泥水平衡式盾构，采用了暗埋分体始发技术，无硐门密封装置。

7总结

随着城市轨道交通建设的发展，盾构工法法的使用越来越成熟，尤其分体始发技术应用最广泛。分体始相对整体始发来说，发有着适应性强，分体始发所使用的短井比长井跟容易施工、更安全、更节省成本。盾构工法还在不断的研究和发展，希望在不久的将来，盾构分体始发技术能够更加成熟，更加完善。

参考文献：

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[2]张志伟，贾艳敏.地铁盾构法施工事故预防及处理措施[J].铁道建筑，2010

[3]吴惠明.盾构法隧道施工应用技术文集[M].上海：同济大学出版社，2006

[4]张凤祥.盾构隧道施工手册[M].北京：人民交通出版社，2005