地鐵盾構支洞步進技術

王助鋒，陳 饋

(中鐵隧道集團盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450003)

0 引言

隨著我國科學技術水平的發展和綜合國力的提升，基礎建設越來越完善，地鐵及過江、過河、過海等鐵路、公路隧道施工主要采用盾構和 TBM［1－2］，盾構法已經逐漸成為地鐵區間施工的主導方法。以往的盾構施工均以車站配始發井［3］、端頭始發井［4］、始發井配盲洞或導洞施工［5］。由于地質原因和建設需要的影響，在盾構施工過程中曾多次出現盾構步進的施工案例，如廣州地鐵三號線大漢區間曾多次成功進行盾構過站施工［6］，廣州地鐵五號線區間盾構通過礦山法施工段的盾構施工經驗［7］，兩工程均取得了較大成功。盾構過站和礦山法的施工經驗已比較成熟，基本都是在短距離或大半徑的情況下進行的，盾構法與礦山法施工工序干擾較少。由于重慶地理位置比較特殊，結合項目實際情況，曾取得的成功施工方法難以滿足現場施工要求，必須重新研究適合本工程特點的盾構步進技術。經過多次方案的仔細分析、對比和論證，采用鋼軌直推法的盾構步進方案，即步進小車和盾構主機直接放置在鋼軌上，再配合反力裝置及輔助工具，在液壓油缸的推力作用下向前不斷滑行至規定位置。

1 工程概況

重慶市會展中心交通工程地理位置特殊，施工范圍屬典型的丘陵山區，地表起伏大，線路埋深較大。線路平面為“S”型，曲線半徑分別為650m和700m，最大縱坡為29‰，最大埋深超過60 m，全線總長12 km，包括5座車站6個區間和1座中橋。全線區間隧道采用“礦山法+盾構法”施工，其中禮嘉站—平場站區間和平場站—黃茅平站區間采用盾構法施工。禮嘉—平場區間長2 240 m，以砂巖為主，強度為30～70 MPa;平場—黃茅坪區間長2 520 m，以泥巖為主，強度為20～30 MPa。盾構開挖直徑6.28 m，管片外徑6 m、內徑5.4 m、長1.5 m，其他區間和車站均采用礦山法施工。

盾構采用洞外組裝、支洞步進、正線整機組裝調試和始發，采用有軌運輸出碴進料。1號和2號盾構由1號施工支洞步進進入正線，支洞長470m，曲線長250m，20‰下坡;3號和4號盾構由3號施工支洞步進進入正線，支洞長420 m，曲線長150 m，20‰下坡。

2 步進始發及準備

2.1 步進始發流程

見圖1。

圖1 步進始發流程Fig.1 Flowchart of shield launching

2.2 前期準備

根據盾構設備的特殊性，為快速、優質、安全、高效地完成盾構組裝，組裝前必須完善前期的各項準備工作，主要包括:人員、場地、風水電、材料、工具及設備。

2.3 主機組裝

相關人員及材料準備完畢后即可開展盾構進場及組裝工作。主機組裝前將步進小車按要求直接放置于鋪設好的鋼軌上，然后按照盾構主機的組裝順序進行組裝，組裝完畢后用鋼板間隔將步進小車和主機焊接固定在一起，以防步進時主機與小車移位，同時后期頂升主機時小車隨同上升，以便小車下方軌枕及鋼軌的取出。步進小車根據盾構組裝和始發要求設計而成，在通用始發架的基礎上降低主機與地面的高差，同時在下表面兩側各鋪設1 m寬、20 mm厚鋼板，以便步進小車與鋼軌的有效接觸和順滑。步進小車及主機固定如圖2所示。

2.4 步進準備

盾構步進前的準備工作包括:前期準備、主機組裝、洞內場地準備、推力裝置的設計和選型、輔助設備及材料等。洞內場地準備包括:底板的清理和整平、軌枕和鋼軌的鋪設。洞內軌枕、鋼軌鋪設如圖3所示。主要依據所需推力和速度進行推力裝置設計和選型。輔助設備及材料包括:焊割設備、沖擊鉆、膨脹螺栓、鋼板等。

3 步進關鍵技術

3.1 主機步進

經市場調查無法購置80 t的防爬器作為油缸反力座，同時鋼軌面上不方便安裝或焊接反力座，經多次反復試驗和改進，研發了利用鋼軌及輔助構件提供反力的裝置，經過前后4臺盾構步進得到極好的應用和驗證，并取得了良好的效果。固定板及反力座如圖4所示，中間固定板如圖5所示。

步進前應先將步進的2個80 t以上步進油缸及反力座安裝好，再將泵站、油管及油缸連接好并安裝到位，啟動泵站依次開啟兩邊步進油缸使其靠緊步進小車，再根據需要同時或單獨開啟兩邊的步進油缸，使油缸伸出頂推步進小車并帶動主機前移。根據線路曲線走向控制油缸伸縮速度及伸縮量，以便于盾構主機沿設計軸線步進。

步進原理:從第1個循環開始，步進油缸伸出與步進小車接觸，在推力的作用下主機隨步進小車向前步進，直至步進油缸伸縮至要求位置則完成第1個步進循環(見圖6);松開鋼軌上面的固定板(反力座)處固定螺栓，將上部鋼軌向前移至合適位置，然后再將上部螺栓安裝好，根據固定板與油缸距離增設或調整中間固定板，夾板間距一般為1 000 mm并左右安裝1個，以防止上部鋼軌受力變形發生危險，并影響盾構主機的正常步進。待鋼軌及固定板安裝好后即進行第2個循環的步進(見圖7)，如此重復以完成主機的整個步進工作。

3.1.1 步進糾偏

步進過程中主機偏離預計中心線是不可避免的，重要的是及時發現，并及時糾正。根據平時的經驗總結及現場的具體情況，糾偏的方法主要有以下3種:1)利用單邊的步進油缸在步進過程中糾偏(適合偏移量較小時)，糾偏時根據調整方向選擇單邊油缸動作，另一邊油缸停止或慢伸，以期達到糾偏目的;2)利用步進油缸在小車的前后兩端對角頂推小車以改變小車方向，頂推前需對小車移動范圍內的軌枕及鋼軌進行固定或加固，以防止鋼軌側翻發生危險;3)在主機側面用液壓油缸或千斤頂糾偏，利用邊墻或地錨提供反力在主機側面頂推步進小車進行糾偏，頂推前需對小車移動范圍內的軌枕及鋼軌進行固定和加固，以提供足夠的軌枕與地面摩擦力。

總之，在具體操作時可將1)和2)結合使用，若達不到糾偏目的時，可用第3種方法。實際工作中根據現場需要合理選擇，本工程盾構主機步進工作中3種糾偏方式均得到了很好的應用，效果也比較理想。

3.1.2 步進到位

由于步進時小車下面鋪設的軌枕和鋼軌影響小車的定位和固定，故主機步進到位后，立即開展步進小車下軌枕及鋼軌的取出和主機始發位置的定位和固定，利用4個200 t油缸將主機及步進小車抬升，抽出底部鋼軌及軌枕，根據測量技術交底對小車及主機進行定位。

3.2 后配套拖車步進

在洞內各種軌枕及鋼軌鋪設完畢并加固完成后立即進行后配套拖車步進工作，在拖車上加裝一個橫梁用于牽引的裝置，利用電機車直接將1號拖車和設備橋牽引至設備橋前端安裝位置，利用支洞頂預埋點或盾尾上焊接的吊點將設備橋與主機連接，再將其他后配套拖車牽引到位;3號支洞由于轉變半徑太小而無法將后配套拖車整體牽引到位，必須分節為單位進行牽引，在三岔口將設備橋與1號拖車拼裝到位再進行依次安裝，1號支洞轉變半徑達到盾構設計半徑要求，可以直接將整個后配套拖車牽引到位。

3.2.1 標準軌枕

用于主機步進時所設計軌枕的尺寸均滿足后配套及電機車鋼軌的鋪設和通過要求，故后配套拖車鋼軌不需再行鋪設，只需移鋪外側鋼軌放入電機車軌線位置即可。鋪設示意圖如圖8所示。

圖8 機車及后配套拖車鋼軌鋪設Fig.8 Rail laying for battery locomotive and trailer

3.2.2 變坡軌枕

根據隧道設計要求，且為了便于施工，始發位置與后配套拖車處于同一水平面，但根據盾構設計要求，后配套拖車水平面與始發架位置需有一定高度差;故此時需將后配套拖車抬高到要求位置，根據高差要求，同時為了達到快速施工和降低成本的要求，此處選用型鋼加工字鋼結構，并按一定坡度進行鋪設調整，直至第1節拖車前端行走鋼軌達到設備設計高差要求。變坡坡度如圖9所示，結構示意如圖10所示。

4 步進參數計算

4.1 主機推力、阻力計算

4.1.1 盾構主機質量確定

根據盾構設計參數，主機組裝好后總質量約330 t，外加步進小車及鋼板約20t，則需總步進質量取350t。

4.1.2 主機步進阻力

主機步進阻力

式中:μ為動摩擦因數，鋼與鋼之間的摩擦因數取0.15(無潤滑);N 為正壓力;θ為坡角，tan θ=0.02。

則理論推進能力

實際推進過程中，因為鋼板的變形、地面不平整等原因造成摩擦力的增加，按安全系數2.0考慮，則:f實際=524 ×2.0=1 048 kN(約 104.8 t)。

4.1.3 推進油缸選擇

根據現場實際步進距離較遠，且線路曲線半徑較小，為減少油缸的移動次數及調向，此處取油缸伸縮量為1 000 mm。

4.1.4 結論

根據以上計算，選擇2個80 t油缸滿足推力要求。

4.2 主機頂升力計算

根據現場實際步進情況，底部鋼軌移動前只要滿足其上的重物不接觸就可以移動的要求，故頂升油缸的伸縮長度要求不大，此處取油缸伸縮量為200 mm。考慮頂升主機時的平衡和質量，故選擇4根油缸同時頂升主機。

根據以上的分析可知，當考慮泵站能力及油缸性能，按安全系數2.0考慮，選擇4個200 t油缸滿足頂升要求。

5 步進效果

投入本工程的1號和2號盾構，于2010年8月28日主機步進，采用的步進順序為2臺主機同時步進再一起步進拖車，由于開始經驗的不足，施工時間較長，2臺步進到位總耗時23d。3號和4號盾構于2010年10月23日主機步進，在總結1號和2號盾構的步進經驗后，步進順序調整為1臺主機隨對應拖車步進，3號盾構耗時14d步進到位，2010年11月20始發。4號盾構于2010年10月27日開始步進，2010年11月30日始發。

6 結論與討論

在盾構步進的實際施工過程中，經過不斷對各種裝置的研究和設計，快速、安全地完成了盾構小曲率半徑和長距離的步進施工，并總結了一種盾構步進的新方法，并取得了良好的經濟和社會效益;但反力座的反復拆卸和安裝，大大影響了盾構總體步進速度，方便、快捷的反力座裝置還有待進一步研發。

盾構步進方案選擇前期，曾參考盾構過站［8－9］、TBM洞內拆卸方案進行組裝［10］和盾構主機洞外組裝在重型拖板上再拖運至規定位置的方案，由于受工程工期及投入成本的影響而沒有選擇。隨著我國盾構法工程施工的不斷發展，更新、更快的盾構步進方法將會成為盾構施工中的一個重要環節，并將發揮其更大的作用和效益。

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