盾構分體始發(fā)應用技術研究

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著現代城市的不斷發(fā)展，以盾構技術為支撐的地鐵隧道施工工程已成為解決城市化所帶來的一系列交通問題的主要技術途徑[1]。盾構法施工主要分為盾構始發(fā)、盾構掘進和盾構接收，由于受地鐵線路規(guī)劃、地面交通、已有建筑物等限制，不可避免的出現地面空間不足、存在小曲線等導致無法正常始發(fā)和出渣等問題。因此，盾構始發(fā)已成為盾構施工的關鍵和難點之一，怎樣保證高質量盾構始發(fā)、隧道軸線精確控制、提高施工效率是整個盾構施工的重點。

諸多學者針對不同的工況進行了相關的研究，何永洪[2]以成都地鐵1 號線工況為例，針對大坡度、全斷面砂卵石地質，從施工角度對盾構始發(fā)的控制質量方面進行了論述；楊興旺[3]以珠海地鐵為例，針對小曲線從軸線控制、管片分析和始發(fā)原理等論述了一系列施工措施；季維果[4]針對大連2 號線單井口工況，制定了整體始發(fā)方案并對出渣和管片運輸提出了針對性設計；鐘振靈[5]針對非軸線出土口盾構始發(fā)提出了新制縱向起重機并與鋼絲繩組合解決了該工況下的難題；齊敦典[6]利用鋪設道岔和增加單梁起重機的方式，解決了盾構始發(fā)問題，提高了施工效率；邵翔宇[7]根據廣州6 號線小曲線工況從注漿方式、軸線控制以及始發(fā)方式進行了論述；張志鵬[8]以北京10號線為例介紹了出土方式負環(huán)選型、反力架安裝等相關保障措施。

以上文獻主要從施工角度介紹了始發(fā)方案，從施工控制措施方面保證始發(fā)效果，且研究不夠深入。本文針對該項目單井口且導洞不能存放臺車以及存在小曲線的具體工況，介紹了始發(fā)方案，并以此為基礎對設備進行針對性選型配置，為盾構在特殊工況下的設計提供一定的技術借鑒。

1 項目概況

如圖1 所示，廈門市軌道交通2 號線某盾構區(qū)間縱坡為“V”形坡，最大縱坡為21‰，整個區(qū)間隧道埋深為12～25m，上行線設計長度約1 600m，下行線設計長度約1 595m，盾構始發(fā)井設置在最小平面曲線上，轉彎曲線半徑為300m，盾構區(qū)間管片外徑為6.2m。該項目采用土壓平衡盾構設計參數如下：開挖直徑為6 480mm，盾體采用梭形設計，盾體直徑分別6 450mm/6 440mm/6 430mm，轉彎能力為R=200m，允許最大隧道縱向坡度為50‰，鉸接形式為主動鉸接。

圖1 廈門市軌道交通2號線一期線路圖

2 邊界條件分析

始發(fā)井尺寸如圖2 所示，井口尺寸為12.5m×8m，后部有一個盲洞，尺寸為14m×4m，由于工期限制，后置出渣口暫時不能使用。另外，該始發(fā)井處于300m 小曲線轉彎段。由于始發(fā)井的結構尺寸限制，整體式的常規(guī)始發(fā)不能解決本項目所遇到的問題。本項目采用盾構開挖直徑為6.48m，包括主機、設備橋和6 節(jié)拖車，主機長度為9m，整機長度約80m。針對本項目具體情況，結合盾構的尺寸，實現盾構的分體始發(fā)需要解決以下問題。

圖2 始發(fā)井示意圖

1）小曲線始發(fā) 按照正常的始發(fā)，盾構中心線會偏離隧道設計軸線，不能滿足施工規(guī)范。因此，采用割線始發(fā)方案，控制主機中心線與隧道設計軸線的偏差在要求范圍內。

2）單井口分體始發(fā)出渣 由于后置出土口無法使用，且導洞尺寸為14m×4m，由于空間尺寸限制，無法放置拖車正常出渣。因此，始發(fā)井只將主機下井，后配套全部放置在地面井口位置，由于螺機出渣口位置較低，采用電瓶車+小渣斗方式進行出渣。

3）單井口分體始發(fā)管片運輸 采用分體始發(fā)無設備橋管片起重機，無法正常調運管片。因此，特制帶自動旋轉功能的臨時小車和布置縱向單梁起重機，通過單梁起重機+臨時小車的方式將管片運輸至管片拼裝機下方，掘進一定距離后下設備橋，通過管片起重機完成管片輸送，提高施工效率。

4）分體始發(fā)管線延長 由于只有主機掘進，管線較多，存在管線延長以及在隧道內管線磨損問題。因此，新制1 臺小型臺車用于放置管線，通過該臺車完成管線的延長，避免掘進過程中管線的磨損，節(jié)省施工成本。

3 解決方案

由邊界條件的分析可知，本項目盾構能高效率的實現分體始發(fā)的關鍵在于恢復正常掘進前的掘進過程中解決渣土、管片的輸送以及小曲線的始發(fā)問題。本文主要對小曲線始發(fā)方案、始發(fā)段的渣土和管片的運輸以及始發(fā)工藝流程進行論述。

3.1 小曲線始發(fā)應對措施

目前，盾構始發(fā)一般分為直線始發(fā)、切線始發(fā)和割線始發(fā)。一般情況下盾構始發(fā)是盾構中心線與隧道設計軸線重合來確定盾構始發(fā)方向，保證掘進質量，滿足設計和規(guī)范。該項目始發(fā)井在R300m 的小曲線上，端墻加固區(qū)長度為10m。為保證負環(huán)管片便于安裝且受力穩(wěn)定，初始始發(fā)時順利通過加固區(qū)，主機只能沿直線掘進，直至主機尾部脫離加固區(qū)后進行糾偏。因此，盾構從始發(fā)沿直線掘進距離20m 后才能進行糾偏，由于此段存在小曲線，常規(guī)的直線始發(fā)和切線始發(fā)導致偏離隧道設計中心線距離過遠，不能滿足設計規(guī)范要求。所以，盾構采用割線始發(fā)，誤差控制在±50mm 以內。

始發(fā)示意圖如圖3 所示，主機始發(fā)方向與端墻的夾角為2.2°，主機中心線與隧道設計中心線的距離為25mm（掘進方向左側），主機掘進15m時主機中心線與設計中心線重合，沿此方向繼續(xù)掘進至20m，此時主機位于設計中心線外側，通過R220m 曲線進行緩和糾偏，直至設計隧道中心下，糾偏距離為12m。通過軟件模擬，直線段主機的軸線與隧道設計中心線的最大內偏差為37mm，開始糾偏點距離設計中心線最大外側偏差為40mm 滿足設計規(guī)范要求（表1）。

圖3 始發(fā)示意圖

表1 實際中心線與設計軸線偏差量

3.2 分體始發(fā)出渣和管片輸送研究

結合現場施工條件，本項目采用半環(huán)式分體始發(fā)方案，負環(huán)管片只拼裝底部半環(huán)，初始掘進時在反力架前部設置一縱向單梁葫蘆起重機，主機與地面設備采用延長管線連接。主機布置如圖4 所示。根據組件下井順序將始發(fā)方案分為3 個階段。

圖4 主機布置示意圖

1）第一階段：主機下井。主機掘進0～5m時，由于始發(fā)井限制，渣土和管片不能通過行吊進行垂直起吊。渣土7m3的小渣斗通過縱向單梁起重機從側面出渣；管片通過單梁起重機將管片放置在新制的帶旋轉功能的臨時小車上，通過臨時小車將管片輸送到管片拼裝機下部，完成拼裝。主機掘進5～15m 時，拆除縱向單梁起重機，直接通過行吊垂直吊裝。渣土和管片輸送交替進行。

2）第二階段：設備橋和新制小臺車下井。主機掘進15m 后，設備橋下井。如圖5 所示，設備橋前部搭接在拼裝機主梁上，后部安裝支撐和行走輪對，并連續(xù)掘進至65m。渣土仍采用7m3的小渣斗出渣，通過行吊直接垂直調運；管片采用常規(guī)管片小車輸送，每次可輸送一整環(huán)管片，通過設備橋上的管片起重機進行吊裝，提高施工效率。期間在掘進至25m 時新制小臺車下井，用于存放和延長管線，防止掘進中管線與隧道的磨損。

圖5 設備橋布置示意圖

3）第三階段：后配套下井。當主機和設備橋連續(xù)掘進至65m 時，拆除新制臺車和設備橋支撐，1～6 號臺車下井，恢復正常掘進，管片和渣土輸送恢復正常的吊運。整機布置如圖 6 所示。

圖6 整機布置示意圖

4 盾構設備選型設計

結合該項目具體地質和現場施工工況，在已確定的盾構分體始發(fā)方案，在滿足地質適應性的前提下對盾構進行針對性的選型配置，保證盾構順利始發(fā)，主要體現在以下幾個方面。

1）由于該項目實際轉彎半徑為300m，且采用割線始發(fā)的方式進行始發(fā)，要求設備配置實際轉彎能力小于300m 的糾偏能力來保證隧道軸線的精確控制，所以盾構選用主動鉸接形式，實際轉彎能力為200m，滿足使用要求。

2）盾構配置徑向油脂注入系統(tǒng)，在盾構始發(fā)時通過徑向孔注入到盾殼外面，在負環(huán)階段掘進時注入盾尾油脂，提高始發(fā)時的密封性。

3）在盾構始發(fā)時采用小渣斗出渣，在螺機出渣口接收渣土，并且地面鋪設有軌道無法使用管片小車。因此，盾構采用無管片小車設計，設備橋采用大坡度雙梁管片起重機設計技術，起重機梁伸入到管片拼裝機底部，通過1 號臺車和設備橋上配置的雙梁管片起重機直接將管片輸送到拼裝機抓取位置，完成管片拼裝，提高施工效率（圖7）。

圖7 管片輸送示意圖

4）盾構所配置的注漿管、液壓油管、渣土改良管等所有需拆卸的管路進行永久性標識和快插式設計，方便管路更換和延伸。

5）設備橋由于需要安裝支撐和輪對，在設計時預留安裝接口，通過螺栓進行連接，減少現場工作量，提高施工效率。

6）在盾構進洞之前掘進時，出現渣土堆積在刀盤底部且無法排渣的情況，導致刀盤承受偏向載荷，不能均勻受力；另外始發(fā)時由于無土體對主機包裹，扭矩較高時易出現翻滾現象；因此，盾構通過程序對刀盤扭矩和推力進行限制，避免出現上述問題，影響正常施工。

5 結語

隨著國內盾構施工工期越來越緊張，地面條件越來越復雜，盾構施工條件受限制較多，類似工況條件下盾構施工不可避免。本文通過對特定項目的盾構始發(fā)的邊界條件以及盾構始發(fā)方案進行了分析，對渣土和管片輸送進行了研究，提高了施工效率；結合始發(fā)方案對盾構設計以及應用技術進行了研究，減少了現場施工的工作量。

一方面，建議類似工程設計時盡量考慮給盾構的始發(fā)預留足夠的空間；另一方面，盾構應在設計之初就要針對現場具體的施工邊界條件考慮對應的設計，以期減少盾構在始發(fā)、掘進以及接收過程中的施工成本，增加方便性，提高施工的效率和安全性。