城市中型直徑盾構分體始發施工技術

廣州軌道交通建設監理有限公司 廣東省廣州市 510010

摘要：目前盾構工法已經在我國廣泛應用，施工工藝亦日趨完善，其中盾構始發環節是盾構工法的一個關鍵環節。在城市盾構隧道當中，通常始發井空間較小，無法實現整體始發，使得分體始發技術得到普及。本文以廣州市220千伏航云輸變電電力隧道工程（第二標段）盾構分體始發為例，從工程概況，盾構分體始發技術、施工組織、安全及質量控制措施等諸多方面剖析城市中型直徑盾構分體始發施工的成功案例，提出盾構分體始發中的控制要點，為城市盾構隧道在類似工況下提供借鑒。

關鍵詞：盾構隧道；分體始發；土壓平衡

1 工程概況

1.1 工程位置

220千伏航云輸變電廣州電力隧道工程（第二標段）位于廣州市白云區，白云新城，東臨白云大道，西靠機場路，南接廣園路，北為黃石路。本工程盾構機從4#工作井南邊下井始發，1#工作井吊出；二次始發從4#工作井北邊始發于5#工作井吊出。1#工作井位于云城西路與橫八路交叉口，5#工作井位于黃石東路與江景路交叉口，區間全長2533m。本文描述的是北4#-北1#區間第一次始發。

1.2 工程地質

1.2.1 工程地質

據相關區域地質資料及勘探深度范圍所揭露的地層，自上而下依次為第四系人工堆積層（Qml）；第四系沖洪積層（Qal+pl）；第四系殘積層（Qel）；下伏基巖為二迭系粉砂巖、頁巖、炭質灰巖及石炭系灰巖等。

1.2.2 盾構區間工程地質

本工程隧道埋深5～10m，穿越的地層主要為<4-1>軟塑粉質粘土、<6>全風化粉砂巖和<7>強風化炭質頁巖，局部為<3-2>中粗砂和<8-1>中風化灰質灰巖，地層比較復雜，局部可能產生流砂、坍塌等巖土工程問題，并且BDK1+750～BDK2+250區間地質情況不明，施工前先進行地質補勘，本工程在BDK0+100～BDK0+230里程范圍內發現上軟下硬地層，其上部為全風化砂巖，下部為石灰巖。另外根據勘查，區間隧道中發現2個土洞，15個溶洞。都位于隧道底板以下，溶洞填充物為軟塑～可塑狀粉質粘土，其中需要處理的溶洞有3個。

1.3 端頭加固

盾構始發、到達端頭地層加固均采用三重管旋噴樁加固，旋噴樁樁徑φ900，間距為750*650mm，咬合布置；加固深度范圍為拱頂上方3m，仰拱下方2m或者中風化巖層頂部。

1.4 始發井

北4#始發井結構如圖4所示。

2 盾構分體始發及施工組織

2.1始發方式確定

根據施工組織和工作井設計情況，北4#井～北1#井盾構區間從北4#井始發，至北1#井吊出。北4#井做為盾構始發井，長42.6m，寬10.8m，采用一臺直徑4340mm的海瑞克土壓平衡盾構機施工，盾構機組件包括刀盤、前盾、中盾、盾尾、螺旋機、連接橋、1#-8#拖車，盾構機全長76m，根據始發井結構尺寸，無法實現整體始發。因此，需采用分體始發方式。

2.2 施工組織

盾構分體始發分為3個階段進行。

第一階段首先將第1#拖車下井退到始發井后側，然后下螺旋機、盾尾同樣推到始發井后側，之后下前盾、中盾、刀盤，拼裝機，然后連接前盾、中盾、刀盤，安裝拼裝機、螺旋機，連接盾尾，在1#拖車后安裝自加工皮帶機架，最后連接盾體和井下1#拖車至地面2#-8#拖車管線。

第二階段的拖車下井在掘進20米后進行，首先停機在洞門注雙液漿堵漏，然后拆除自加工皮帶機架，將2#及3#拖車下井前移與1#拖車連接，之后把自加工皮帶機架安裝在3#拖車后側，皮帶機安裝在自制皮帶機架上，最后連接3#拖車至地面4#-8#拖車管線。

第三階段整機下井在掘進90米后進行，首先拆除3#拖車后側自加工皮帶機架，之后將4#-8拖車下井前移與3#拖車連接，最后將自加工皮帶機架安裝在8#拖車后側，皮帶機安裝在自制皮帶機架上。

2.3 場地布置

由于北4#井做為盾構始發井，現場除了盾構施工外還需要作為設備及材料堆放場。因此，在北4#井底板施工同時須同時進行始發井施工場地布置。

2.3.1龍門吊與管片存放區

始發井配置1臺35t和1臺16t龍門吊進行起重作業，35t龍門吊設置于出渣井，跨距約為26.6m，應用于設備吊裝、地面與隧道上下土方、管片和其它施工材料的吊運。16t龍門吊跨距為9.4m，用于管片和材料調運，管片存放在16t龍門吊軌道內側區域，管片按三層疊放。

2.3.2渣坑及挖掘機作業區

渣坑計劃平面尺寸為22m×4.2m，深4m，渣坑采用鋼筋混凝土結構，計劃容積為370m3，能夠裝15環渣，位于35t龍門吊軌道內側區域。渣坑邊設置挖掘機作業區，配備1臺1.0m3挖掘機裝土。

2.3.3砂漿攪拌站

漿液攪拌站位于北4#井～北1#井區間始發端頭井南側，通過送漿管路送漿至井下送漿車。

2.3.4配件加工區、倉庫

維修車間用于盾構機刀具及各種零、配、散件的加工制作，倉庫主要存放密封油脂、連接螺栓等小型材料和機具，設置于場地南側。

2.3.5周轉材料堆放場

軌道、軌枕、走道板等材料堆放于場地南側，隨隧道掘進隨時下井鋪設。

2.4 盾構吊裝

盾構吊裝下井采用一臺250t全液壓汽車吊及一臺100t汽車吊車配合起吊。吊裝下井的順序為1#拖車-螺旋機-盾尾-中盾-前盾-刀盤。

2.4.1 1#拖車吊裝

1號拖車采用250t全液壓汽車吊吊裝。用4根6米同型號鋼絲繩將臺車自帶的四個吊耳吊起，起吊后的臺車保持水平。臺車與鋼絲繩線夾角約為50°，將臺車下放到井口。使臺車就位，當臺車與鋼軌接觸后用電瓶車把它后移到需要的位置，用防滑楔楔住。

2.4.2 螺旋機吊裝

因為受井口尺寸限制，所以用全液壓汽車吊先將螺旋機下井，放置在管片車上固定牢固，然后推入反向隧道內。在盾構機將要落座的始發架的鋼軌表面涂刷潤滑脂（按落座的順序分段涂抹），為下一步盾構機的組裝做好準備工作。

2.4.3 盾尾吊裝

盾尾下井，選用250t全液壓汽車吊車和100t汽車吊車雙機抬吊然后翻轉，250噸吊車將盾尾吊起，吊鉤緩慢移動到離井口1m處停止。吊車緩慢下鉤。當盾尾下部將與始發架接觸時，吊車通過起、落臂桿和旋轉臂桿使下部盾尾就位，盾尾完全放在始發架上。用100T分離式液壓千斤頂將盾尾向反向隧道方向推進，直至始發架后部。

2.4.4 中盾吊裝

250t全液壓汽車吊車停放在距離正南側始發井口1.5米處。把中盾緩緩吊到距盾構井1m處停止，確認無誤后緩慢的放在始發架上。中盾放在始發架上后，等中盾穩定后在盾體兩側上焊接擋板。

2.4.5 前盾吊裝

前盾與中盾吊裝方式相同，當前盾放至始發架上后用100t的分離式液壓千斤頂將前盾緩慢的推至中盾處，再用螺栓將前盾和中盾進行連接。

2.4.5 刀盤吊裝

刀盤起吊也需采用抬吊方式翻轉刀盤（吊裝方式與前盾一樣）。250t全液壓汽車吊車將刀盤豎直吊穩，刀盤下井后，將其慢慢靠向前盾，在土艙里焊接兩個耳環，用兩個5t的導鏈拉住刀盤，把前盾和刀盤的螺栓孔位及定位銷按機械裝備圖要求尺寸完全對準后，再穿入拉伸預緊螺栓。按拉伸力由低到高分兩次預緊螺栓（組裝螺栓采用液壓扳手按裝配圖按規定檢測其扭矩），預緊完畢后，再用預緊專用工具（液壓扭矩扳手）復緊一遍。

2.6 盾構設備局部改良

2.6.1皮帶機主驅動位置的改良

第一階段由于始發井位置局限，前20m的掘進階段在一號拖車后部用200mm型鋼自制5米長一個托架放置皮帶機作為出碴口。

第二階段，自制皮帶機架拆除，管片小車下井后前移與主機連接，2#、3#拖車下井前移與一號拖車連接，自制皮帶架安裝至3#拖車后側。

第三階段掘進90米后，始發井負環管片和反力架中上部份拆除，剩余拖車從始發井依次下井前移連接，皮帶機架移至83拖車后側，此時皮帶機安裝于原設計位置。

3.6.1油脂泵位置的改良

考慮BP、WR89、主軸承黑油脂風動泵站都位于2#拖車，進行管線延伸時，由于其管線為250bar，2英寸高壓管，管線笨重，其價格昂貴。

為了節約成本和減輕盾構始發過程中的工作繁瑣程度，將油脂泵站位置改于1#拖車左側后部平臺（面積2000×1000），平臺目前為懸臂支撐，在油脂泵站安裝前需采用100槽鋼進行支撐加固。WR89、主軸承黑油脂風動泵站需要的空間為1700×660。

BP油脂泵站在始發和掘進前50m階段計劃不安裝，林肯泵靠人工及時補充油脂。

管線進行相應改變，改接電纜，油管和風管。

3.6.1泡沫泵的改良

由于盾構機原裝的泡沫泵無法手動調節泡沫流量，渣土改良效果不佳，將原來的泡沫泵更換可手動調節的流量的泡沫泵后，根據地質情況及掘進參數實時控制泡沫流量，渣土改良效果得到明顯提升。

3 軌道鋪設、反力架、負環、始發臺定位與安裝及支撐

3.1 軌道定位與安裝

始發第一階段只能鋪設單軌道，立柱高706mm，立柱上方鋪設兩層200mmH型鋼，第一層縱向鋪設，第二層橫向鋪設。總高度1106mm。

3.2始發臺定位與安裝

始發臺長10200mm，高528mm，始發臺底部前端用300mm高工字鋼+40mm鋼板墊實，始發臺底部后端用300mm高工字鋼+10mm鋼板墊實。

3.3反力架定位與安裝

本工程因反力架受力較為復雜，為了確保盾構始發的成功與安全，該反力架采用的是具有足夠強度和剛度的組合型鋼框架結構，按盾構始發時最大反力1000t設計，并考慮該反力的不均勻性和最不利因數。

考慮到反力架的變形，在使用前對反力架進行修理矯正。在測量定位后進行加固與支撐。反力架兩根支柱底部與預埋鋼板滿焊；支柱利用預埋于底板的鋼板焊接兩道500mm型鋼的斜撐進行支撐上。

反力架高4700mm，寬700mm，反力架后部支撐采用兩根500mm頂管支撐，反力架支撐和立柱底部與始發井底板預埋鋼板滿焊接。

3.4負環定位與安裝

負環管片采用通用環，為防止負環管片失圓，負環管片采取錯縫拼裝，-9環管片封頂塊位置定為11：00（封頂塊逆時針旋轉18°）；負環管片拼裝時的支撐墊塊。支撐塊尺寸為：長1.5m，高60mm，寬60mm。支撐墊塊加設在3、4、5、6、7、8號油缸對應的位置，支撐墊塊可采用b=160mm的槽鋼，安裝時只需將近油缸端的30cm點焊在盾殼上。-9環第一塊管片的定位。在拼裝-9環負環管片的第一塊管片時，首先在-9環管片的B2塊管片內弧面上劃出管片向左偏移11.25°后位于弧底的位置，拼裝時以水平尺和鋼尺進行確定（B2塊管片前端右邊縱向螺栓孔處于6點位置時，F塊處于1點位置）；鄰接塊L1和L2的安裝。鄰接塊安裝時，在盾尾盾殼上焊接吊耳，并用道鏈進行固定，以支撐管片并保證施工的安全，待封頂塊縱向推插到位后，拆去倒鏈，割除吊耳，緊固封頂塊與鄰接塊的螺栓。

負環管片的螺栓與防水材料。-9～-1環管片只粘貼丁腈軟木橡膠板（縱縫）和軟木襯墊（環縫），不粘貼止水條和自粘性橡膠薄片，管片連接螺栓也不需加遇水膨脹橡膠圈，0、+1環必須正常使用防水材料；負環管片外側支撐。在每環管片推出盾尾后，在管片外的支撐三角架縱向工字鋼及始發臺軌道上用木制或鐵制的楔子及時進行支墊，將管片壓力均勻的傳遞給三角架。每環管片加設兩個楔子，每間隔兩個木楔子加設一個鐵楔子。

4 始發掘進與注漿

4.1 土倉壓力控制

根據盾構始發端隧道工程地質情況，在始發掘進時采用半土壓模式掘進，在掘進過程中土倉壓力保持在0.5bar，因始發段洞門密封不嚴，全土壓掘進。在盾構停機時土倉壓力建立至1.0bar（隧道埋深10m）。

4.2 推力控制

為保證反力支撐系統的安全，盾構推進總推力由200t以每次2t的速度有序的逐步增加，最大總推力不超過400t。值班技術人員必須做好相應的記錄，在交接班或更換操作人員時，必須將推力作為一項重要的內容進行交接。

4.3 其他參數控制

（1）加強碴土改良與出碴量控制。每環泡沫劑用量18～28L，出碴量控制在28m3；（2盾構姿態調整。基于對盾構刀盤自重的影響盾構以高于設計軸線20mm進洞。

（3防止盾構機產生旋轉，在盾構殼體上焊接反旋轉擋塊。但必須注意在盾構向前推進過程中，應及時將其割除，避免損壞簾布橡膠板。

始發段注漿漿液采用水泥砂漿，砂漿施工配合比為：水泥：80 粉煤灰：381 膨潤土：60 細砂：600 水：460（kg/m3）

在盾構刀盤里程達到BDK1+480.6后，緊固好管片連接螺栓，停止掘進對洞門圈進行注漿，注漿時必須密切關注洞門密封裝置的變形情況，出現漏漿及時停止注漿，根據具體情況及時采取相應的措施進行處理。

5 安全及質量控制措施

5.1 安全控制措施

（1）盾構吊裝下井是盾構始發的一個風險點，盾構吊裝必須嚴格按照方案實施并做好吊裝監測；（2）盾構始發推進前，組織相關人員對盾構機設備、反力支撐系統進行檢查，確定符合要求后，才能繼續推進；

（3）盾構進入洞門后，要及時進行洞門注漿，保證洞門的密封性，防止洞門涌水涌砂；

（4）始發前應準備足夠的應急物質并制定應急預案，當出現突發情況時應立即啟動應急預案；

（5）始發井應設置相應的排水設施，并存放足夠的抽水設備，保證雨季施工的安全；

（6）盾構掘進過程中必須進行地表沉降監測，當地表沉降超過預警值時，停止掘進，總結原因并采取措施后方可繼續掘進。

5.2 質量控制措施

（1）對始發臺、反力架進行全面的檢查與修理，安裝固定必須在定位完成后進行，反力架支柱底部必須以鋼板墊實滿焊接，始發臺必須通過加固擋塊與井底預埋鋼板滿焊，近洞門端用200mm型鋼支撐于始發井二襯端墻上；

（2）洞門密封裝置安裝時必須將連接螺栓栓接牢固，根據實際情況合理對扇形壓板的位置進行調整，防止洞門密封橡膠簾布外翻影響密封效果。如出現外翻的情況，停止推進，對其采取加固措施確保密封效果；

（3）由于盾構機前盾較重，始發臺定位時，實際始發軸線仰角應比設計軸線略大，防止盾構機進洞門后栽頭；

（4）確保盾尾密封油脂的注入要來，保證盾尾密封效果；

（5）同步注漿時，選取注漿壓力要綜合考慮地面沉降要求和盾尾密封刷的承壓能力；

（6）盾構掘進前100m是摸索掘進規律、優化掘進參數的試掘進階段，期間要不斷總結和優化盾構掘進參數，提高掘進質量。

6 同類工程始發形式對比與分析

6.1 始發形式對比

航云1標：始發井內底板24m×10m，硐門密封采用鋼套筒、橡膠簾布、扇形壓板墊片和螺栓等組成。盾構隧道采用土壓平衡盾構機施工.主機長度12.249m，盾構盾構設備總長度83m.。始發形式采用三階段分體始發，第一階段將刀盤、前盾、中盾、盾尾、螺旋機及1#拖車下井安裝，第二階段盾構掘進70m后2#及3#拖車下井安裝，第三階段盾構掘進90m后安裝4#-9#拖車。

航云2標：始發井為圓弧過渡的L型，底板長42.6m，寬10.8m，始發可有效利用的直線長度為30.6m.硐門密封采用鋼套筒、橡膠簾布、折形壓板墊片和螺栓等組成。盾構隧道采用土壓平衡盾構機施工，盾構主機長度13.319m，盾構設備總長度76m。始發形式采用三階段分體始發，第一階段將刀盤、前盾、中盾、盾尾、螺旋機及1#拖車下井安裝，第二階段盾構掘進20m后2#及3#拖車下井安裝，第三階段盾構掘進90m后安裝4#-8#拖車。

奧林：始發井底板尺寸19.4m×10.9m，始發區域尺寸4.9m×8.9m，盾構隧道采用泥水平衡盾構機施工，盾構機總長度99.7m。始發形式采用暗埋分體始發技術，將設計要求的位置采用明挖的方式，通過反力墻將盾構機圍在豎井內，將盾構機頭放置到位，安裝好平衡始發段管片，再對已經成封閉的始發端頭進行砂回填，在腰梁位置進行混凝土封頂，并澆水密實，使始發端頭與四周成土壓平衡狀態，在平衡始發回填區域采用止水橡膠帶進行止水，在盾構機沒有掘進時即處于相對平衡狀態的工藝。始發形式分3階段進行，第一階段盾構機主體安裝調試后始發掘進25m，第二階段安裝1#、2#、10#號拖車后再掘進28m，第3階段安裝3#、4#、5#、6#、10#拖車后再掘進26m，第四階段安裝7#、8#、9#、10#拖車后正常掘進。

犀牛：始發井底板尺寸26mx7.9m，硐門密封采用鋼套筒、橡膠簾布、扇形壓板墊片和螺栓等組成。盾構隧道采用土壓平衡盾構機施工，盾構機機身長度12m，總長度77m。始發形式采用三階段分體始發，第一階段將盾構主機及1#拖車下井安裝調試后始發掘進，第二階段安裝2#-3#拖車繼續掘進，第三階段安裝4#-8#臺車正常掘進。

厚德：始發井底板尺寸40.9m×10.7m，硐門密封采用鋼套筒、橡膠簾布、扇形壓板墊片和螺栓等組成。盾構隧道采用土壓平衡盾構機施工，盾構機機身長度12.075m，始發形式采用分體始發形式

6.2 始發形式差異化分析

通過幾個項目的始發形式對比分析發現，硐門密封形式多采用扇形壓板，較少采用折型壓板。連續墻硐門位置全部采用玻璃纖維筋，省略了破除硐門這道工序，節約了工期及成本。由于旋噴樁的加固止水效果較好，以及在廣州地區的適用性，端頭加固全部采用旋噴樁加固。所有項目的始發井空間都無法滿足整體始發的要求，所以所有項目都采用了分體始發形式，其中奧林項目使用的是泥水平衡式盾構，采用了暗埋分體始發技術，無硐門密封裝置。

7 總結

隨著城市軌道交通建設的發展，盾構工法法的使用越來越成熟，尤其分體始發技術應用最廣泛。分體始相對整體始發來說，發有著適應性強，分體始發所使用的短井比長井跟容易施工、更安全、更節省成本。盾構工法還在不斷的研究和發展，希望在不久的將來，盾構分體始發技術能夠更加成熟，更加完善。

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