土壓平衡盾構(gòu)機(jī)小半徑割線技術(shù)研究

尹 政

（中鐵十四局集團(tuán) 隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 工程概況

標(biāo)段包括一站兩區(qū)間，即草橋站-右安門外站區(qū)間、右安門外站、右安門外站-牛街站區(qū)間，線路總長5.363 km。草右區(qū)間設(shè)置一處半徑為R=450 m的平面曲線，左右線間距為18.8～10.0 m，區(qū)間縱斷呈W型，出草橋站后接28‰下坡至區(qū)間低點(diǎn)，之后接10‰上坡，后接6‰下坡至區(qū)間低點(diǎn)，最后接28‰上坡，隨后變坡與車站2‰縱坡銜接。區(qū)間結(jié)構(gòu)埋深13.8～29.2 m。

區(qū)間隧道主要穿過卵石⑤、卵石⑦地層、卵石層⑨，全線統(tǒng)一水層編號，水層號為潛水（二）層，賦存于第⑦、⑨層卵石層中，滲透系數(shù)300 m/d。

2 盾構(gòu)設(shè)備始發(fā)性能評價

草橋站-右安門站區(qū)間盾構(gòu)段投入2臺復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為6 680 mm。盾構(gòu)機(jī)分為主機(jī)和后配套設(shè)備，7節(jié)車架，全長約75 m，最大掘進(jìn)速度均可達(dá)到100 mm/min。盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)：（1）盾構(gòu)刀盤與刀具。針對本工程穿越砂卵石特點(diǎn)和周邊環(huán)境特點(diǎn)，采用輻條式刀盤，主要由輪緣、輻條和布設(shè)在輻條上的刀具組成。4根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅(qū)動裝置并且作為刀盤輻臂的基座，以傳遞足夠的扭矩和推力，刀盤可以雙向旋轉(zhuǎn)。刀盤直徑為6 688 mm，刀盤的綜合開口率約為52% ，刀盤的中心部分開口率為60%，有利于中心部分渣土的流動并進(jìn)入土倉，可以有效的防止中心泥餅的產(chǎn)生。為滿足盾構(gòu)施工掘進(jìn)進(jìn)度、沉降控制等要求，刀盤配置有主切削刀、加強(qiáng)切削刀、周邊刀、魚尾刀，考慮到施工中刀具和卵石撞擊等不利因素，采用耐磨強(qiáng)度高刀具，刀具加焊耐磨層。（2）始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)選取依據(jù)。根據(jù)在類似地層中掘進(jìn)經(jīng)驗，盾構(gòu)推力為10 000～17 000 kN，擬投入盾構(gòu)機(jī)總推力為42 400 kN；經(jīng)加渣土改良后扭矩為1 800～4 000 kN·m。擬投入盾構(gòu)機(jī)刀盤工作扭矩為6 650 kN·m，脫困扭矩8 320 kN·m；螺旋輸送機(jī)為軸式，規(guī)格850 mm（內(nèi)徑）×13 955 mm，出土能力430 m3/h，通過最大直徑300 mm×660 mm；盾構(gòu)機(jī)具備加膨潤土和加泡沫功能，刀盤配置8個添加劑注入口，土倉壁設(shè)置4個添加劑注入口，泡沫系統(tǒng)采用單管單泵，膨潤土系統(tǒng)采用螺桿泵，能根據(jù)地質(zhì)條件的變化實(shí)施單獨(dú)加泥、同時加注泥漿和泡沫，對土體進(jìn)行塑流化改造，使其更容易排出，減少施工對地層的擾動。

3 始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)控制

3.1 端頭加固

區(qū)間風(fēng)井-草橋站始發(fā)端加固范圍為縱向9 m，橫向加固為盾構(gòu)掘進(jìn)左、右線隧道外邊線以外3 m范圍，豎向加固至隧道掘進(jìn)邊線上、下各3 m范圍、加固深度為16～28.4 m。始發(fā)端頭均采用高壓旋噴樁加固，旋噴樁采用Φ600 mm@450 mm。

3.2 洞門水平探孔檢查

盾構(gòu)進(jìn)出洞前進(jìn)行水平探孔取芯檢查，確保端頭加固體滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞施工。洞門鋼環(huán)內(nèi)采用探孔對加固情況進(jìn)行檢測。探孔無明水流出，芯體強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，加固段中心和鉆孔全數(shù)檢查，滿足設(shè)計要求可進(jìn)行下一工序。

3.3 割線始發(fā)確定

由于盾體在未全部進(jìn)入土體之前無法轉(zhuǎn)向，只能沿直線進(jìn)洞，割線始發(fā)具有在盾體全部進(jìn)入土體后盾構(gòu)姿態(tài)偏差最小、管片不侵限、盾構(gòu)糾偏容易等優(yōu)點(diǎn)，所以盾構(gòu)始發(fā)段位于曲線上時，都采用割線始發(fā)。本區(qū)間始發(fā)位置線路有450 m轉(zhuǎn)彎半徑，需割線始發(fā)，托架前端向右偏移27.7 mm，后部偏移220 mm，根據(jù)設(shè)計線路坡度調(diào)整始發(fā)基座的前后高低差。為抵消盾構(gòu)始發(fā)段盾構(gòu)機(jī)栽頭的現(xiàn)象，將盾構(gòu)機(jī)刀盤抬高20 mm，最終始發(fā)線路保持盾構(gòu)機(jī)刀盤中心高程高于設(shè)計軸線20 mm，由于盾構(gòu)路線有6‰ 坡度，盾構(gòu)始發(fā)時始發(fā)托架放置需與隧道軸線坡度一致，盾尾中心高程與設(shè)計軸線重合。

3.4 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)

盾構(gòu)進(jìn)入洞門即采用超挖刀進(jìn)行擴(kuò)挖，以留出初始轉(zhuǎn)向空隙,在盾尾完全進(jìn)入洞門后即開始轉(zhuǎn)向，保證盾構(gòu)由直線掘進(jìn)狀態(tài)順利進(jìn)入曲線狀態(tài)掘進(jìn)，避免在曲線外側(cè)超挖。盾構(gòu)始發(fā)時，為提供足夠的推力并保持反力架、負(fù)環(huán)管片穩(wěn)定,盾構(gòu)機(jī)必須沿直線推進(jìn)。從始發(fā)洞門開始其中心路徑前10 m沿隧道設(shè)計中心線（平面曲線450 m ）的割線（該割線通過始發(fā)洞門中心線）推進(jìn)，待盾尾脫離基座后逐步調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)使盾構(gòu)沿隧道設(shè)計線路推進(jìn)。經(jīng)計算，盾構(gòu)沿內(nèi)弦線掘進(jìn)最大偏移量l=27.7 mm; 盾構(gòu)機(jī)軸線與始發(fā)井軸線夾角θ=0.635°。故設(shè)計曲線內(nèi)偏移量為27.7 mm。見圖1、圖2。

3.5 始發(fā)托架安裝

由于盾構(gòu)路線有6‰ 坡度，盾構(gòu)始發(fā)時始發(fā)托架放置需與隧道軸線坡度一致，盾尾中心高程與設(shè)計軸線重合，所以安放托架時前端略高于尾端，高度差控制在20 mm。

圖1 割線與始發(fā)井結(jié)構(gòu)中心線位置

圖2 盾構(gòu)機(jī)割線始發(fā)

安裝時盾構(gòu)基座中心線與隧道設(shè)計中線同線，盾構(gòu)基座前端距端墻500 mm。托架最小段靠近洞門，托架兩側(cè)均布H型鋼支撐。型鋼支撐與側(cè)墻和上翻梁接觸位置塞鋼板加強(qiáng)支撐效果，另一側(cè)與盾構(gòu)基座牛腿焊接加固，增加始發(fā)托架整體受力均勻和安全性，見圖3。

圖3 始發(fā)托架放置

3.6 反力架安裝

由于始發(fā)時需穿越9 m的加固區(qū)，較高強(qiáng)度的加固土體造成推進(jìn)所需的反力較大，易使反力架變形或側(cè)斜。所以需在反力架側(cè)邊增加支撐，以增加大角度曲線始發(fā)時反力架的穩(wěn)固性和安全性，使其滿足始發(fā)所需的施工空間。在安裝反力架時，反力架端面應(yīng)與割線始發(fā)線路垂直。反力架結(jié)構(gòu)形式見圖4、圖5。

圖4 反力架結(jié)構(gòu)形式

3.7 降水

草右區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井共布置降水井63眼，井深38 m，基本井間距6 m；潛水泵降水可有效疏干砂性土中的地下水，提供砂卵石地層的密實(shí)度，防止鑿除洞門時出現(xiàn)涌水、涌砂，避免始發(fā)端頭的坍塌。

3.8 洞門破除

由于始發(fā)洞門為鋼筋混凝土及玻璃纖維樁，破除表層鋼筋網(wǎng)片采用人工手持風(fēng)鎬破除，剩余的部分樁體使用盾構(gòu)機(jī)破除。因割線始發(fā)，盾構(gòu)機(jī)刀盤接觸掌子面時會產(chǎn)生一側(cè)先接觸，另一側(cè)懸空的狀況，這會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)受到的反作用力不均等，使盾構(gòu)機(jī)、始發(fā)架、反力架產(chǎn)生側(cè)移，割線始發(fā)方向發(fā)生變動，所以洞門鑿除時，鑿除完的洞門平面必須與刀盤平面平行，見圖6。

圖5 反力架結(jié)構(gòu)形式

圖6 玻璃纖維筋樁平面布置

3.9 洞門密封安裝

為防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過程中滲漏水的發(fā)生，對洞門采取橡膠簾布+折頁翻板處理措施。洞門密封由一道洞門橡膠簾布和24塊翻板組成，所有密封機(jī)構(gòu)通過72支雙頭螺栓，固定在預(yù)埋洞門鋼環(huán)上。安裝洞門簾布時需注意外凸緣的朝向，始發(fā)階段凸緣朝向始發(fā)方向。

3.1 0 負(fù)環(huán)管片拼裝

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前在反力架和盾尾需要拼裝9環(huán)負(fù)環(huán)管片,全部采用通縫環(huán)拼裝。拼裝完的負(fù)環(huán)則應(yīng)及時用鋼絲繩整環(huán)加固，鋼絲繩底部與始發(fā)架連接在一起，以保證在傳遞推力過程中管片不會旋轉(zhuǎn)浮動，用木楔將管片與始發(fā)架間的間隙塞緊,負(fù)環(huán)與負(fù)環(huán)之間的螺栓要及時復(fù)緊，避免負(fù)環(huán)管片產(chǎn)生位移、下沉,反力架傾斜，影響后續(xù)管片的拼裝質(zhì)量或產(chǎn)生安全隱患。

4 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)

4.1 盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)托架上推進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入洞門與加固區(qū)之前，沿始發(fā)托架的路徑直線推進(jìn)，同時注意控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，保持各區(qū)域推進(jìn)油缸的推力基本一致，防止推力不均勻?qū)е仑?fù)環(huán)和反力架的變形。脫出盾尾的管片及時穿入鋼絲繩，收緊管片，墊入木楔，既增加負(fù)環(huán)管片的穩(wěn)定性，又保證了負(fù)環(huán)的正圓度。刀盤開始進(jìn)入洞門密封結(jié)構(gòu)前，提前在刀盤和密封簾布上涂抹黃油，防止刀具將橡膠簾布刮傷。

4.2 土壓建倉

每環(huán)負(fù)環(huán)的拼裝后，測量負(fù)環(huán)與端墻之間的距離，驗算零環(huán)的相對位置是否滿足內(nèi)插洞門400～800 mm之間。負(fù)6環(huán)開始掘進(jìn)時慢慢建立土倉壓力。增大泡沫注入，提高泡沫液注入，確保渣土改良到位，防止渣土沾在刀盤和土倉上，檢查渣土的溫度，防止刀盤高溫結(jié)泥餅。

4.3 盾構(gòu)機(jī)在加固區(qū)推進(jìn)

進(jìn)入加固區(qū)-5環(huán)推進(jìn)時，開始緩慢勻速旋轉(zhuǎn)刀盤，少量向掌子面噴射低濃度、發(fā)泡率較低的泡沫，同時螺旋機(jī)開始出土，保持空倉掘進(jìn)?？刂仆七M(jìn)速度在10 mm/min以內(nèi)，刀盤扭矩2 000 kN·m以內(nèi)，總推力8 000 kN以內(nèi)，若存在較大姿態(tài)偏差，不得采取急糾措施，應(yīng)當(dāng)采取緩和蛇形糾偏，并時刻注意刀盤扭矩的變化。隨后土壓緩慢遞增，同時觀察出土情況，及時修改泡沫注入量，加強(qiáng)土體改良效果，降低刀盤扭矩，防止刀盤發(fā)生劇烈扭轉(zhuǎn)，見表1。注意觀察洞門密封狀況，此時以泡沫溶液來檢查洞門密封的效果，并對滲漏點(diǎn)及時進(jìn)行相應(yīng)的處理。緊固洞門環(huán)板的固定螺栓。

表1 加固區(qū)掘進(jìn)參數(shù)

4.4 盾構(gòu)機(jī)通過加固區(qū)后續(xù)推進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)通過加固區(qū)域后，盾構(gòu)機(jī)的各項參數(shù)可以適當(dāng)微調(diào)。此階段要使盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入曲線內(nèi)側(cè)，以便盾構(gòu)機(jī)逐步的沿著隧道設(shè)計的軸線推進(jìn)。曲線內(nèi)側(cè)區(qū)域千斤頂推力與曲線外側(cè)區(qū)域千斤頂?shù)耐屏Σ羁梢哉{(diào)大，鉸接度和超挖刀行程都可以調(diào)大。此時土倉的壓力可以控制在0.6～0.8 MPa;刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整到1 r/min;刀盤扭矩控制在2 500～4 500 kN·m;推力控制在10 000～12 000 kN;推進(jìn)速度可以緩慢提高到40～50 mm/min。

5 小半徑割線始發(fā)注意事項

5.1 洞門防水

根據(jù)國內(nèi)外類似工程施工經(jīng)驗，小半徑割線始發(fā)時，洞門密封簾布與盾構(gòu)機(jī)存在一定的夾角，始發(fā)前要清理干凈內(nèi)部雜物，特別是尖硬物體，防止簾布失效及破損。

5.2 同步注漿及二次注漿

（1）正5環(huán)管片拼裝完成后，利用雙液漿進(jìn)行洞門封堵；同時啟動同步注漿，同步注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，通過同步注漿系統(tǒng)及盾尾的外置注漿管，在盾構(gòu)向前推進(jìn)盾尾空隙形成的同時進(jìn)行，采用雙泵4管路對稱同時注漿；能保證達(dá)到對環(huán)向空隙的有效充填；同時又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞。（2）根據(jù)設(shè)計及施工要求，管片脫出盾尾3～5環(huán)后進(jìn)行，如果二次注漿后管片接縫仍然滲漏水或者地面沉降增大，可能還會安排進(jìn)行多次注漿。為保證盾構(gòu)始發(fā)安全以及盾構(gòu)機(jī)的順利通過始發(fā)端頭，將達(dá)到填充、微隆效果。

5.3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整

始發(fā)時不得隨意調(diào)整油缸分區(qū)壓力，盾尾未完全進(jìn)入前，不得調(diào)整姿態(tài)，若存在較大姿態(tài)偏差，不得采取急糾措施，應(yīng)當(dāng)采取緩和蛇形糾偏，控制底部油缸壓力，并時刻注意刀盤扭矩的變化。防止盾構(gòu)栽頭，導(dǎo)致盾尾進(jìn)入由于行程差異過大，鉸接部分變形。

6 結(jié)語

結(jié)合草右盾構(gòu)始發(fā)采用小半徑割線始發(fā)方法，通過對狹小空間的有效利用，將以往始發(fā)姿態(tài)難控制、進(jìn)度任務(wù)難完成等難題一一解決，盾構(gòu)機(jī)小半徑割線始發(fā)的成功，增加盾構(gòu)工法的多元化，解決了中心城市核心區(qū)采用小半徑割線技術(shù)方面的問題。