大坡度曲線段盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)研究

徐洪強，王翔，李先飛 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

盾構(gòu)始發(fā)掘進是地鐵施工中極易發(fā)生安全事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于地鐵線路施工環(huán)境十分復(fù)雜，使得盾構(gòu)始發(fā)面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。周誠等依托武漢地鐵2號線越江工程，建立了盾構(gòu)始發(fā)掘進全過程的施工安全保障體系，并動態(tài)調(diào)整了開挖參數(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。朱世友等總結(jié)了既有盾構(gòu)始發(fā)控制關(guān)鍵技術(shù)，提出了相應(yīng)的施工安全保障措施庫，繼而開發(fā)了一套盾構(gòu)始發(fā)自動推理軟件，能夠可靠便捷判別地層綜合穩(wěn)定性。張伯陽基于南京緯三路超大斷面盾構(gòu)的工程經(jīng)驗，系統(tǒng)介紹了泥水盾構(gòu)始發(fā)端頭冷凍加固、洞門密封、聯(lián)機調(diào)試等多項準備工作，形成了越江跨海超大盾構(gòu)始發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系。高丙麗等研究了西安地鐵3號線盾構(gòu)始發(fā)井開挖對周邊給排水管網(wǎng)的影響機制，提出了橋梁樁基加固、盾構(gòu)始發(fā)注漿、管線實時監(jiān)測等行之有效的控制措施。李東海等研究了基坑圍護結(jié)構(gòu)受盾構(gòu)始發(fā)開挖的影響機理，得出玻璃纖維筋樁體的樁體變形明顯大于鋼筋混凝土樁，但仍能保障盾構(gòu)切削的安全始發(fā)。

此外，盾構(gòu)始發(fā)建設(shè)可用地面積受到越來越多的限制，這也直接導(dǎo)致部分盾構(gòu)始發(fā)需在較為狹小的施工環(huán)境下完成。邵翔宇等通過廣州地鐵6號線小半徑圓曲線盾構(gòu)始發(fā)的工程實踐，探討了盾構(gòu)機械選型、始發(fā)參數(shù)和管片設(shè)計等方面的安全控制經(jīng)驗。王剛針對北京地鐵8號線盾構(gòu)始發(fā)施工的場地限制，自主研發(fā)了盾構(gòu)分體始發(fā)小臺車和雙軌梁，實現(xiàn)了精細化施工管理與動態(tài)化參數(shù)調(diào)整，在降低施工風(fēng)險的同時，顯著加快了掘進速度。

杭州至富陽城際鐵路為聯(lián)通杭州至富陽的交通干線，受工期與周邊環(huán)境影響，個別盾構(gòu)需從區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，區(qū)間風(fēng)井尺寸較小，不滿足全套盾構(gòu)設(shè)備安裝就位的長度要求，需采用分體始發(fā)技術(shù)。本文基于既有研究，針對分體始發(fā)水平運輸與管路銜接工序，進行了合理的施工組織，同時針對始發(fā)段大縱坡與平面曲線的線形要求，設(shè)計了適當?shù)耐七M參數(shù)。

2 項目概況

杭州至富陽城際鐵路中村站～中文區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間為兩條單洞單線圓形隧道，盾構(gòu)外徑6.48m，管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片寬度1.2m。采用土壓平衡盾構(gòu)機進行盾構(gòu)作業(yè)，全長88m。受工期限制，盾構(gòu)需由中文區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，始發(fā)段位于R=700m圓曲線上，縱坡21‰。風(fēng)井井長51m、寬23.8m、深22.12m，由于風(fēng)井長度較短，難以下放全部盾構(gòu)臺車，故采用分體始發(fā)。

盾構(gòu)始發(fā)段位于全斷面中等風(fēng)化粉砂巖，巖石單軸飽和抗壓強度統(tǒng)計值為12.90～79.70MPa，平均值為43.68MPa，標準值為 35.12MPa，屬較硬巖。地下水為基巖裂隙水，對盾構(gòu)施工影響較小。

3 盾構(gòu)始發(fā)施工組織

3.1 盾構(gòu)機設(shè)備改造情況

3.1.1 螺旋機、設(shè)備橋拆除

原盾構(gòu)機為雙螺旋過江專配盾構(gòu)機（圖1），現(xiàn)因本區(qū)間隧道圍巖存在較大差異，需拆除盾構(gòu)機的2#螺旋機，將設(shè)備橋以及后部臺車（1—5#臺車）向前順接，拆除2#螺旋機后，設(shè)備橋整體縮短6m（圖2）。螺旋機拆除完成后1#、2#螺旋機之間的伸縮閘門保留在1#螺旋機上，作為1#螺旋機在后續(xù)推進期間的伸縮閘門，設(shè)備橋處的出土口位置、角度需要重新調(diào)整。

圖1 原設(shè)備橋側(cè)視圖

圖2 調(diào)整后設(shè)備橋側(cè)視圖

3.1.2 新改裝皮帶機安裝

新改裝皮帶機安裝的工序包括門架及1#臺車車架尺寸檢查、放線—皮帶機骨架安裝—皮帶托架—安裝下托輥—安裝改向滾筒—安裝拉緊裝置—安裝上托輥—皮帶敷設(shè)—安裝傳動裝置—安裝頭尾護罩等附件。

出土口方案也進行了調(diào)整，隨著盾構(gòu)機設(shè)備橋中間段的拆除，將皮帶出土口順延至1#螺旋機正下方，在設(shè)備橋最前沿段用2個20t手拉葫蘆將出土口先懸掛起來（圖3）。隨后調(diào)整出土口與皮帶距離之間的凈距離，先調(diào)整至35cm，并根據(jù)出土情況再做調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后采用鐵拉鏈將出土口位置進行最終的安裝固定。如使用過程中出現(xiàn)受力不均勻情況，需在設(shè)備橋前段焊接托架將出土口再次進行安裝加固。最終在出土口兩側(cè)安裝擋料板，改變物料下落方向，同時可以增加導(dǎo)向槽使渣土下落到皮帶的位置更加集中。

圖3 臨時出土口設(shè)置圖

在1#臺車尾部設(shè)置臨時出土口，采用20#工字鋼焊接成門架臨時將皮帶主電機安裝在門架上，在門架四個面方向均需要焊接45°角的斜撐，充分固定門架，門架高度2.5m，斜撐長度0.8m，皮帶寬度為800mm，皮帶帶速為2.5m/s，改裝后的皮帶主電機高度與原皮帶電機高度一致，1#臺車車架上部氣管、油管、水管、膨潤土管等均不改動。

3.2 分體始發(fā)階段性流程

階段一：受分體始發(fā)影響，最初時只能下放盾構(gòu)盾體+設(shè)備橋+1#臺車，總長34m。此時剩余空間僅可以下放后配套系統(tǒng)中的電瓶車+1節(jié)渣土斗+1節(jié)管片小車，含鏈接在內(nèi)共21.08m。受頂部結(jié)構(gòu)橫梁影響，只能將渣土斗置于最后，便于吊裝（圖4）。此外，受1號臺車長度影響，當該編組達到1號臺車前部時，渣土斗尚未到達皮帶末端下方，因此需在1號臺車尾部增加一個門架，將皮帶順延到渣土斗上方（圖5）。同步注漿漿液由負一層漿箱直接下放到一號臺車漿箱中。單環(huán)推進出土量約54方，一個渣土斗16方，出土需要3.5斗，因此配置一個管片小車滿足需求。

圖4 臺車與后配套編組（階段一）

圖5 1號臺車尾部增加門架（階段一）

階段二：盾構(gòu)始發(fā)一段距離，上層結(jié)構(gòu)梁不影響吊裝，調(diào)換電瓶車與渣土斗位置（圖6）。

圖6 臺車與后配套編組（階段二）

階段三：在1號臺車過-2環(huán)之前，同步注漿漿液都是直接從中板漿箱下放進1號臺車漿箱中，其中臺車進入負環(huán)后通過在-2環(huán)位置開洞的方式（F塊不拼裝）下放漿管。因此在1號臺車通過-2環(huán)之后，下放漿車，形成編組1電瓶車+1渣土斗+1漿車+1管片車。此時因2號臺車未下放，1號臺車+增加的門架長度只足夠1渣土斗的出渣空間（圖7）。同理，工程中不具備增加管片小車條件（圖8）。

圖7 臺車與后配套編組（階段三）

圖8 難以增加渣土斗及管片車（階段三）

階段四：如圖9所示，盾構(gòu)推進至68環(huán)位置時，洞內(nèi)空間已經(jīng)足以下方2-5號臺車，此時結(jié)束分體始發(fā)，下放2-5號臺車，同時后配套實現(xiàn)滿編組，1電瓶車+3土斗+1漿車+2管片車。完成分體始發(fā)階段。

圖9 臺車與后配套編組（階段四）

3.3 分體始發(fā)管路配置

由于在階段四之前，2-5號臺車位于地面，與1號臺車需要通過自上而下的轉(zhuǎn)接管路進行連接，同時該管路需要隨著盾構(gòu)推進不斷延伸。為方便施工，盾構(gòu)始發(fā)前所有轉(zhuǎn)接管路一次性安裝完成，配置管線長度為端頭井長度+端頭井寬度+深度+階段四時1號臺車尾至洞口長度。盾構(gòu)始發(fā)后，在隧道臺車左右兩側(cè)分別布置分體始發(fā)管線同步移動裝置，同步移動裝置由鋼絲繩、單軌工字滑車和繩子，鋼絲繩一頭固定連接軌道，另一頭固定連接在盾構(gòu)隧道上部的管片螺栓上，單軌工字滑車沿軌道長向間隔設(shè)置并行走于軌道上，轉(zhuǎn)接管線由繩子吊掛于單軌工字滑車的托架上（圖10）。

圖10 轉(zhuǎn)接管路一次就位

在盾構(gòu)機始發(fā)掘進時，轉(zhuǎn)接管線可通過該裝置隨著主機的前移而不斷前移。通過采用該裝置，避免了轉(zhuǎn)接管路的損壞甚至斷裂，從而使系統(tǒng)無法進行。右線盾構(gòu)始發(fā)時采用左線盾構(gòu)機2-5號臺車，這樣右線結(jié)束分體時直接下放右線2-5號臺車，同時左線2-5號臺車不動位置繼續(xù)作為左線分體始發(fā)使用，避免了臺車的多次移位（圖11）。

圖11 轉(zhuǎn)接管路洞內(nèi)續(xù)接

4 始發(fā)線形控制

4.1 割線始發(fā)

由于始發(fā)段盾構(gòu)機位于始發(fā)架上，無法自主調(diào)整姿態(tài)，故始發(fā)段采用兩段式割線始發(fā)（圖12）。第一段割線長度為11.7m、第二段割線長度7m，第一段割線與設(shè)計軸線偏差為-24.45mm，第二段偏差為-8.78mm，左右線采用割線始發(fā)達到軸線均控制在±50mm范圍內(nèi)，滿足盾構(gòu)設(shè)計軸線控制要求。

圖12 兩段式割線始發(fā)

4.2 推進參數(shù)

由于地層為富水巖層，需考慮上浮問題，始發(fā)架坡度設(shè)為21‰，垂直姿態(tài)按-10～-20mm設(shè)置，水平姿態(tài)按-20～-30設(shè)置。刀盤接觸掌子面至+4環(huán)間，土倉壓力由0bar逐漸保持在1.0bar，推 力 1100～1300t，水 平 姿 態(tài) -20～ -30mm，垂直姿態(tài)-15～-30mm。推進速度 10～15mm/min，刀盤扭矩 1900～2500kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1.0～1.1r/min。

當+4環(huán)油缸至刀盤到達割線與設(shè)計線路切點位置時，土倉壓力基本保持在 1.0～1.5bar。推力 1100～1300t，水平姿 態(tài)-5～-15mm，垂 直 姿 態(tài) -35～-10mm，推進速度10～25mm/min，刀盤扭矩 2000～2800kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速 1.1～1.3r/min。其后刀盤盾構(gòu)可以進行自行糾偏，控制盾構(gòu)機的設(shè)計軸線姿態(tài)。

持續(xù)跟蹤監(jiān)測管片姿態(tài)，分析管片垂直方向變化趨勢。同時加強同步注漿，保證管片上部及圓曲線外側(cè)的管片空隙也被漿液填充密實。如存在管片上浮情況，可通過采用水泥水玻璃1：1雙液漿快速打環(huán)箍。如管片上浮量較大，則垂直偏差可調(diào)整為-30～-50mm推進。

4.3 渣土改良

渣土改良對本區(qū)間盾構(gòu)順利推進有著極其重要的作用，改良好的流塑性渣土可以有效防止刀盤、土倉結(jié)泥餅以及降低刀具磨損。本區(qū)間全風(fēng)化粉砂巖和強風(fēng)化巖層等黏土礦物含量超過25%的地層極易形成泥餅，泡沫混合溶液的組成：原液5%～10%，工業(yè)水93%～95%，泡沫混合液組成：90%～95%壓縮空氣，3%～6%泡沫混合液，泡沫溶液與空氣比例1:10～1:20，泡沫溶液流量根據(jù)刀盤扭矩調(diào)整，控制范圍150L/min～300L/min，泡沫混合液半衰期不得小于6min。泡沫的注入量按開挖量300L/m3設(shè)計?？刂圃撂涠仍?50～200mm。膨潤土改良采用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土，膨潤土溶液黏度控制在30±5s。

5 效果驗證

中文區(qū)間風(fēng)井～中村站區(qū)間自2019年5月24日始發(fā)，至2019年6月23日完成100環(huán)掘進任務(wù)，施工總天數(shù)31天。如扣除分體始發(fā)下臺車所占用時間，實際施工時間為20天，日掘進5環(huán)（圖13），整體效率已滿足實際施工需求。

圖13 分體始發(fā)掘進效率

盾構(gòu)機總推力平均值在13500kN，最大值16000kN，刀盤扭矩平均值3150kN·m，最大值3400kN·m，最大推進速度38mm/min，螺旋機最大扭矩95kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1.1～1.2r/min。整體參數(shù)在前期設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)。前100環(huán)平面最大偏差偏左（-49mm），高程最大偏差偏下（-55mm），均處于規(guī)范要求之內(nèi)，滿足驗收要求。

6 結(jié)論

①依托杭州至富陽城際鐵路中村站～中文區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間工程，系統(tǒng)介紹了因場地受限而采用的盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)，考慮了出渣、管片拼裝、垂直與水平運輸?shù)纫蛩兀瑢嵤┝朔蛛A段下放水平運輸設(shè)備，一次性布設(shè)轉(zhuǎn)接管路等控制手段，保障了盾構(gòu)始發(fā)安全，提高了盾構(gòu)掘進效率。

②通過采用兩段割線始發(fā)，可有效降低曲線段盾構(gòu)的糾偏次數(shù)，并減少始發(fā)平面位置偏差。

③考慮掘進區(qū)間處于富水地層，垂直姿態(tài)一般按負值推進，當統(tǒng)計上浮量較大時，垂直姿態(tài)甚至可以低于-50mm。