盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)設(shè)備的改造及技術(shù)控制措施

薛長鵬

（中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司， 重慶 400000）

引言

盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)械、電氣、液壓等技術(shù)為一體的大型隧道掘進(jìn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于市政等隧道工程。盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)是指在盾構(gòu)機(jī)整體始發(fā)空間不足的條件下，先將主機(jī)和后配套部分臺車下到始發(fā)井內(nèi)，安裝好主機(jī)后，將地面臺車上能保證盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的最少的液壓管路、電纜等管線連接到主機(jī)上，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)試機(jī)、始發(fā)，并隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)將剩余臺車放入始發(fā)井內(nèi)并連接成整體的過程。

分體始發(fā)工序復(fù)雜、施工難度大，是盾構(gòu)始發(fā)控制重難點(diǎn)。分體始發(fā)方案直接影響盾構(gòu)始發(fā)的安全、施工效率以及設(shè)備功能的發(fā)揮[1]。分體始發(fā)總體要求為盡量使除主機(jī)之外的設(shè)備盡可能地下井組裝，減少管路和電纜再連接。分體始發(fā)原則為最大限度地利用盾構(gòu)原有設(shè)備，減少對盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)機(jī)不必要的改造；在具備滿足設(shè)備正常使用及臺車位置的場地情況下，盡量減少管路、電纜線長度；具有滿足始發(fā)時渣土及管片等垂直運(yùn)輸以及人員進(jìn)出等條件。因此，盾構(gòu)分體始發(fā)既要考慮盾構(gòu)機(jī)后配套臺車上設(shè)備分布特點(diǎn)以及施工現(xiàn)場的布置，也要顧及到管片運(yùn)輸和渣土外運(yùn)。

1 工程概況

廣州市某綜合管廊23 號井～24 號井區(qū)間全長688.277 m，拱頂最大覆土埋深15 m，最小埋深9 m，最大曲線半徑450 m，最小曲線半徑250 m，最大坡度23.98‰。盾構(gòu)在23 號工作井西南側(cè)始發(fā)，沿西南方向掘進(jìn)到達(dá)24 號工作井。本工程始發(fā)井周邊場地地勢平坦，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 000 mm×1 200 mm 鉆孔灌注樁，樁間采用雙管旋噴樁止水，旋噴樁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)咬合150 mm。始發(fā)井主體為地下三層結(jié)構(gòu)，長度為37 m，寬度為15 m，設(shè)置11.9 m×6.6 m的吊裝口和12.3 m×7.5 m 的出土口，分別用于盾構(gòu)主機(jī)、后配套臺車吊裝下井和渣土吊運(yùn)，如圖1 所示。本工程由于受到始發(fā)井周邊環(huán)境條件的限制，盾構(gòu)始發(fā)井尺寸已確定，必須采用分體始發(fā)。分體始發(fā)主要針對盾體、后配套臺車拆分及管路改造[2]。

2 盾構(gòu)機(jī)分體及其改造

盾構(gòu)分體始發(fā)即將盾構(gòu)機(jī)盾體及部分后配套臺車吊入到始發(fā)端，另一部分后配套臺車安裝在地面上，在盾構(gòu)掘進(jìn)長度達(dá)到足夠能使所有的后配套臺車放入的長度后，再按整體始發(fā)的模式將后配套臺車吊裝下井進(jìn)行二次始發(fā)[3]。

由于綜合管廊區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)凈空長37 m，而盾構(gòu)機(jī)全長80 m，導(dǎo)致部分臺車無法下井整機(jī)組組裝，必須采用分體始發(fā)。即將盾構(gòu)機(jī)部分臺車必須先放置于豎井頂板處，以延伸1 號臺車與2 號臺車之間的管路來實(shí)現(xiàn)始發(fā)，經(jīng)過管路轉(zhuǎn)接使盾構(gòu)機(jī)設(shè)備正常連接和正常掘進(jìn)，待掘進(jìn)長度滿足后續(xù)臺車布置后再對其進(jìn)行吊放和組裝連接。始發(fā)組裝順序依次為：始發(fā)基座安裝、軌道鋪設(shè)→盾體及后配套臺車下井組裝調(diào)試→安裝反力架→安裝洞門密封圈→洞門鑿除→負(fù)環(huán)拼裝→掘進(jìn)[4]。盾構(gòu)機(jī)下井順序?yàn)椋憾軜?gòu)主機(jī)→連接橋→1 號臺車至4 號臺車下井，5號、6 號臺車不參與第一次始發(fā)。

中板預(yù)留吊裝口尺寸為11.9 m×6.6 m，而2 號臺車總長12 m，整體無法吊裝下井，因此必須對2號臺車[5]進(jìn)行改造。采取拆除2 號臺車推進(jìn)泵、電機(jī)（包含底部平臺）、泡沫原液箱（包含底部平臺）方式吊裝下井，同時對推進(jìn)泵、泡沫原液泵及其管路進(jìn)行保護(hù)。拆除以上設(shè)備后，2 號臺車長為10.5 m，可以順利下井，同時提高了吊裝下井安全性。

2.1 管路的改造

延伸管路[6]長度設(shè)定為100 m，其中污水管、EP2 油脂管、盾尾油脂管及HBW 油脂管不用延伸。始發(fā)初期污水排放采取盾尾污水直接排放井口方式，5 號和6 號臺車水管卷盤、污水箱污水泵、電纜箱不投入使用。始發(fā)掘進(jìn)過程中，高壓電纜和延伸管路同步收放，循環(huán)水軟管、污水軟管采取設(shè)計滑車收放或直接盤放于1 號臺車后方。考慮管路延伸的復(fù)雜性，將3 號和4 號臺車上的污水管改裝到1 號臺車；主控室門口將接線箱移至柱子背面，讓出位置安裝EP2 油脂泵；拆除同步注漿罐尾部水箱，用于安裝盾尾油脂泵和HBW 油脂泵，采用1.2 m×1.2 m×10 mm 鋼板制作延伸平臺，底部用20a 工字鋼兩邊支撐。因空間狹小，如果需放備用油脂，則將延伸平臺加長一倍。

盾構(gòu)機(jī)液壓流體延伸管路總計22 根，現(xiàn)場需要從2 號臺車頭部連接到1 號臺車尾部；在出土口頂板安裝一個管路支架，通過管路支架將管路送到底板（管路下井處用手拉葫蘆懸吊保護(hù)，防止油管接頭脫落），下井后管路繼續(xù)往1 號臺車尾部延伸，1 號臺車尾部也設(shè)置一個管路支架，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時，管路由人工輔助跟隨盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)。

從盾構(gòu)機(jī)原主氣管往1 號臺車右側(cè)送氣管加裝一個DN25 三通閥門，分別往盾尾油脂泵、EP2 油脂泵、HBW 油脂泵三處送氣源。

2.2 出土方式的改造

將出土口[7]改裝至1 號臺車尾部，出土分四個階段。

第一個階段：開挖前1.5 m 采用自制小渣斗出土，門式起重機(jī)吊裝出土。

第二個階段：掘進(jìn)負(fù)2 環(huán)至25 環(huán)出土：采用一臺5 t 卷揚(yáng)機(jī)+電動平板車運(yùn)輸出土，門式起重機(jī)吊裝出土。

第三個階段：掘進(jìn)25 環(huán)至60 環(huán)，采用電瓶車帶一個18 m3渣土車運(yùn)輸出土。掘進(jìn)25 環(huán)后，管片長37.5 m，管片摩擦力大于1 200 t。前10 環(huán)管片采用槽鋼全部連接起來，拆除負(fù)環(huán)上半部分，對0 環(huán)至反力架位置頂撐加固。配備電瓶機(jī)車+1 臺漿液車+1臺渣土車+1 臺管片車進(jìn)行運(yùn)輸，漿液車放在渣土車前面，保證同步注漿和渣土外運(yùn)。

第四個階段：掘進(jìn)60 環(huán)后，進(jìn)行二次始發(fā)，鋪設(shè)道岔，考慮始發(fā)井凈距僅有35 m，采用兩列電瓶車組正常出土。

2.3 同步注漿液輸送方式的改造

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，脫出盾尾的管片與土體間出現(xiàn)“建筑空隙”，即通過盾構(gòu)機(jī)設(shè)在盾尾的4 個壓漿管予以同步填注漿液[8]。同步注漿輸送方式的改造分兩個階段。第一個階段：負(fù)環(huán)上半部分拆除前25 環(huán)，1 號臺車最大距離洞門7 m，可采用DN100 鋼絲軟管將漿液自流入1 號臺車同步注漿灌。第二個階段：掘進(jìn)25 環(huán)后，采用電瓶車帶一個漿液車，通過漿液車倒運(yùn)注漿液到同步漿灌。隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，始發(fā)距離加長，同步注漿管道輸送能力隨之下降，注漿效果減弱，及時進(jìn)行二次注漿可以彌補(bǔ)同步注漿的不足，有效防止地面沉降[9]。

3 始發(fā)托架及反力架的安裝

測量人員對始發(fā)托架及反力架[10]在底板上的位置進(jìn)行定位，始發(fā)托架調(diào)整就位后，測量人員再次進(jìn)行高程復(fù)核，確保盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)托架組裝完畢后中心與隧道中心重合。為了避免盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞后出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象，始發(fā)托架前端應(yīng)比設(shè)計標(biāo)高提高20 mm。始發(fā)托架長9 m，中心與洞門夾角84.7°，距洞門端墻0.3 m。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時抬高20 mm 進(jìn)洞，始發(fā)托架安裝后，底部距離結(jié)構(gòu)底板480 mm，采用2 層43 號鋼軌加20a 工字鋼墊設(shè)形式（每層43 號鋼軌高140 mm，剩余200 mm 采用20a 工字鋼鋪墊）。反力架前端面距離洞門端墻中心9.58 m，垂直于始發(fā)中線，安裝時注意與底板和始發(fā)中線的垂直度。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)模擬示意圖（單位：mm）

4 小曲線段始發(fā)姿態(tài)的控制措施

本工程盾構(gòu)始發(fā)端位于半徑為250 m 曲線段，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)進(jìn)入土體之前無法轉(zhuǎn)向，只能沿直線形式進(jìn)洞[11]。為保證小半徑曲線段控制姿態(tài)不超限，采取割線始發(fā)，割線長9 m，割線起點(diǎn)為始發(fā)里程起點(diǎn)，如圖2 所示。割線始發(fā)后在距離起始里程4.5 m位置姿態(tài)最大偏離中線40.5 mm，盾構(gòu)始發(fā)中線與結(jié)構(gòu)墻夾角為5.3°。刀盤進(jìn)洞9 m 后，盾構(gòu)機(jī)具備整體調(diào)整方向條件，按常規(guī)姿態(tài)控制掘進(jìn)方向。

5 盾構(gòu)機(jī)防“栽頭”控制措施

盾構(gòu)機(jī)離開托架時容易出現(xiàn)“栽頭”[12]現(xiàn)象，需要對洞門鋼環(huán)處采取加固處理措施，防止盾構(gòu)機(jī)“栽頭”。洞門鋼環(huán)內(nèi)徑Φ6 620 mm，盾體直徑Φ6 250 mm，存在185 mm 間隙，由于盾構(gòu)機(jī)抬高20 mm 進(jìn)洞，因而底部間隙為205 mm。采取在洞門鋼環(huán)上焊接兩根20a 工字鋼支撐盾體始發(fā)，如圖3 和圖4 所示。另外特別注意，工字鋼焊接位置及長度需要考慮避開洞門簾布及刀盤邊緣滾刀。

圖3 洞門導(dǎo)向工字鋼安裝示意圖（單位：mm）

圖4 洞門導(dǎo)向工字鋼安裝示意圖（單位：mm）

6 結(jié)語

盾構(gòu)分體始發(fā)作為盾構(gòu)施工難點(diǎn)之一，其設(shè)備改造方案和技術(shù)控制措施的合理性決定了盾構(gòu)始發(fā)的安全性和時效性。盾構(gòu)機(jī)在狹窄場地施工適合采用分體始發(fā)，具有可行性和操作性，且能滿足項(xiàng)目施工需求，同時能節(jié)約工程成本，減少占地面積，保證工序的銜接和施工進(jìn)度。但也有不足之處，分體始發(fā)難度相對整體始發(fā)大，出土速度對比整體始發(fā)慢。

小半徑曲線盾構(gòu)始發(fā)，具有軸線曲率大、半徑小、始發(fā)姿態(tài)難控制、水平位移大等特點(diǎn)，因此必須選擇合適的始發(fā)方向來控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，結(jié)合同步注漿、二次注漿來穩(wěn)定成型管片，確保施工質(zhì)量滿足設(shè)計、規(guī)范要求。