盾構法隧道始發施工關鍵技術

吳木懷，周文軍

（中交四航局第一工程有限公司，廣東　廣州　510500）

盾構法隧道始發施工關鍵技術

吳木懷，周文軍

（中交四航局第一工程有限公司，廣東廣州510500）

盾構施工中，始發是最大的風險之一。文中結合珠海城際盾構施工實例，論述了始發施工中端頭加固、始發托架及反力架安裝、洞門鑿除、洞門密封裝置、始發掘進控制等工序的關鍵控制技術，確保每個關鍵點措施的實施，保障盾構始發施工的安全。

盾構隧道；始發施工；關鍵技術

0　引言

在盾構施工中，始發與接收是風險性較大的工序，至目前國內外已經出現多例安全事故，如涌水涌砂、地表沉降、洞門塌陷、始發架失穩、盾構機進洞姿態不當等。

珠海城際金-橫區間隧道管片外徑8 500 mm，采用直徑8 800 mm土壓平衡盾構機施工，隧頂離地面約22 m，端頭采用三軸旋噴樁加固。結合珠海城際的施工實例，同時借鑒行業先進的施工經驗[1-3]，本文重點闡述盾構始發施工中端頭加固、始發托架及反力架安裝、洞門鑿除、始發掘進控制等關鍵技術。

1　端頭加固

盾構機始發時需穿過車站或豎井的圍護結構，通常圍護結構為鋼筋混凝土地連墻或排樁，盾構始發前需鑿除其中的鋼筋，鑿除施工期間，如后側的土體無法自穩或地下水豐富、透水性強就容易發生涌水，從而導致土體在土壓力及水壓力的共同作用下坍塌。所以在始發之前必須對墻后土體進行改良加固，以提高土層的強度及抗滲性。常用的加固方法分擋墻式，如素混凝土樁、素混凝土墻，主要針對自穩能力有限但含水量不大的地層；外包塊體式，如高壓旋噴樁、攪拌樁、注漿加固及凍結法等，主要針對無自穩能力的地層，如淤泥層、砂層、軟塑黏土層等。根據加固的地點可分為地面加固、井內水平加固及洞內加固。加固的范圍應經土體穩定性驗算確定，可以單獨采用其中一種或多種結合使用，必須根據地質情況、覆蓋層厚度（結合地質鉆探及補勘資料及豎井施工時暴露的地層情況綜合判斷）、地下水、盾構類型、地面條件，同時結合安全性、經濟性及進度要求選用。對加固效果無把握時，應提前進行試驗。常用端頭加固方法及適應性見表1。

表1　 常用端頭加固方法及適應性Table 1　Common reinforcement method and adaptability of end head

端頭加固根據各工法的特點以及加固后的效果檢測情況，往往多種工法結合使用或補充加固，如廣州地鐵采用在端頭加固范圍四周先施工1排素混凝土樁，再在內側施工攪拌樁，以提高攪拌樁的成樁效果。在加固體與豎井圍護結構間，如檢測兩者結合效果不好，須采用注漿補強。另外在端頭隧道的兩側邊布置降水井，在始發施工中抽水降低地下水位，但應注意地下水降低對周邊沉降的影響。

端頭加固的檢測方法主要采用豎向取芯與水平抽芯相結合的方式，檢測加固體強度、抗滲性能，觀察水平孔的滲水情況。

2　始發托架、反力架設置

始發托架是盾構機進洞前的安裝、滑移平臺，具有承載盾構機的重量、抵抗掘進時的扭矩以及為掘進提供導向等姿態設置調整等功能。托架采用鋼筋混凝土結構或鋼結構，鑒于鋼結構安裝方便、可以周轉，所以普遍使用。托架設計必須保證具有足夠的強度、剛度和穩定性。

始發托架由若干榀桁架組成，通過軌道梁把桁架連系在一起，形成整體受力結構。托架由鋼構廠加工，在現場正式安裝前，必須對托架進行試拼裝，檢查各組件的尺寸、精度符合要求后方準下井安裝。托架設置于豎井底板（有些底板設置有墊層）上，與底板預埋板焊接牢固。為增強側向抵抗扭力，每間隔2 m采用工字鋼在托架梁與豎井側墻之間作支撐。托架安裝時，必須根據洞門安裝復測數據及盾構機進井姿態，設置數據反算托架的線形與標高，并由測量進行精確定位。為防止盾構栽頭，在托架與洞門間的空隙，采用導軌順接，導軌的支撐必須與托架具有同等的剛度與承載力。

反力架抵抗盾構機始發推進時產生的反力，即推進千斤頂的總推力，包括前方土體的水土壓力、進洞盾體與土體的摩擦力、洞外盾體與托架摩阻力與后方臺車的牽拉力。

反力架結合車站結構設置（如圖1），設置支撐與車站的底板、中板及側墻相連接，背后無結構作支撐的采用斜撐支撐于車站底板上，反力架底部及斜撐與車站底板的預埋板焊接，其他支撐在車站結構的相應部位預埋鋼板上，并焊接牢靠。反力架安裝時分兩部分進行，下半部分在托架安裝時同時進行，上半部分在盾構機螺旋機安裝后吊裝。

3　負環的安裝與拆除

珠海城際的負環共設置-9環，管片外徑8 500 mm，厚度400 mm，長度1 600 mm，由4個標準塊（B塊）、2個鄰接塊（L塊）和1個楔形塊（F塊）組成。

負環安裝從-9環開始，因盾尾內壁與管片外徑有30 mm的間隙，負環拼裝前需要放置1.6 m長φ30 mm的圓鋼或其他型鋼在盾尾下部避開千斤頂撐靴的位置，以支撐負環管片，保證盾尾刷不會被負環管片破壞。型鋼在靠撐靴位置點焊，負環安裝完成后拆除。

圖1　反力架示意圖Fig.1　Schematic diagram of reaction frame

負環安裝前，先設置三角托架支撐負環（如圖2所示），選定管片點位，首先，吊放靠下的一塊，再吊放B2（或B3）塊負環放置于托架上，使其中心線與托架中心線重合。緊接著對稱拼裝標準塊、鄰接塊，鄰接塊拼裝完成后，采用鋼板或型鋼制作L形焊接于盾殼，勾住鄰接塊，最后拼裝楔形塊。

圖2　負環安裝支撐示意圖Fig.2　Schematic diagram of installation bracing for negative ring support

整個環片拼裝完成后，檢查拼裝質量，及時在托架及三角支撐間塞入三角墊塊，并用φ22的鋼絲繩箍緊負環，隔一道箍采用手拉葫蘆與托架拉緊。

隨著盾構機的推進，其對負環管片的反力逐漸減少，轉而由洞內的管片與土體的摩擦力承擔。此時始發掘進完成，珠海城際始發段經計算掘進70環112 m可滿足要求，需要拆除負環管片轉入區間的掘進施工。

負環管片的拆除順序及注意事項：

1）緊固相鄰管片，為保證拆除負環管片時相鄰管片失去擠壓力而松動，造成漏水，在負環拆除前，對洞內相鄰的10環管片采取緊固措施。即沿管片的螺栓孔縱向布置6道φ25鋼筋或 [14號槽鋼與管片螺栓拉緊，同時對管片螺栓進行二次緊固。

2）拆除負環內的軌道、管線等物件，并對拆除的管線做好標記，方便后面再接回。

3）拆除反力架，割除反力架與車站結構的連接，將反力架吊出或用千斤頂向后頂推，為拆負環騰出空間。

4）拆除管片，拆除前應檢查各項準備工作是否到位，吊裝設備性能良好，人員交底到位。負環拆除從-9環開始到-1環止，先拆楔形K塊，再拆鄰接L塊，最后依次拆除標準B塊。拆除時先打通管片吊裝孔，穿入鋼絲繩及銷子固定，龍門吊輕輕拉緊后，方可拆管片連接螺栓，松動管片吊出井外。

4　洞門鑿除

4.1洞門人工鑿除

因盾構機無法直接切除鋼筋，始發前需人工切除洞門范圍的連續墻或圍護樁的鋼筋、H型鋼等。洞門鑿除的范圍以能全部切除鋼筋、型鋼為目標，最里側的保護層混凝土可以由盾構機直接掘進，施工原則為：分塊鑿除，從上到下，快速完成，做好應急。為確保洞門鑿除的安全，在施工前應做好以下措施：

1）端頭加固體水平探測，探孔直徑10 cm左右，布置形式為“米”字形，孔數視隧道直徑大小確定，一般按間距2 m左右布孔，孔深4～6 m，同時確保不超出加固體。探孔鉆完后，在孔內裝入端頭帶閥門的水管，空隙以快凝材料封堵。

觀察水平探孔的情況，如出現成條狀且流速較快的水流或大部分孔都有漏水的情況，水流帶出泥砂的情況更嚴重，則表明端頭加固體效果不佳，需考慮再次補加強。

2）搭設腳手架，端頭鑿除時，必須按照規范要求進行腳手架的搭設，如鑿除時盾構機體仍有人員操作時，應掛好安全網，防止落物傷人。

3）端頭降水井及豎井內應裝好應急抽水機，并有專人值班，出現涌水時及時降低水位。

4.2洞門圍護新型材料應用

洞門鑿除及盾構機始發進洞時，是風險性較高的工序，為了保證施工安全，隨著新材料的發展應用，現在已有不少新工藝、新材料應用，避免人工鑿除洞門，轉而由盾構機直接掘進，從而大大提高始發的安全。

1）連續墻采用玻璃纖維筋代替鋼筋，玻璃纖維筋具有抗拉強度高（可達550 MPa以上），彈性模量穩定，熱應力下尺寸穩定，可加工成任意形狀，與混凝土結合性強，易于切割等特點，可由盾構刀盤直接切割。玻璃纖維筋經濟性與普通鋼筋差不多，其應用越來越廣。

2）采用SEW工法，即使用FFU板材代替洞門范圍內的圍護結構，FFU是一種通過玻璃纖維硬質氨基甲酸乙酸樹脂泡沫進行強化的輕量耐腐蝕合成材料，具有重量輕、抗彎與抗拉強度高、防水性能好、抗剪切強度低等特點。FFU可以與圍護結構的鋼筋籠進行焊接。始發時，可由盾構刀盤直接切除FFU。但因FFU材料造價比較高，目前國內只在廣州地鐵5號線試用過，并未推廣使用。

采用盾構機直接掘進時，可能會存在刀盤已經將圍護結構切除完，但盾體仍未進入止水簾布的情況，這種情況可采取在洞門鋼環設計時延長至洞外，止水簾布安裝位置相應的移動，另外也可以采用鋼套筒密閉始發等方法避免洞門鑿除的風險。

5　洞門密封裝置

車站端頭墻施工時需給盾構機預留出孔洞，在隧道的軸線位置預埋洞門鋼環，洞門鋼環采用10 mm厚的A3鋼板制作而成，其內徑為φ9 200 mm。鋼環與盾構機殼體有200 mm的空隙、與管片環外側有350 mm的間隙。洞門密封裝置就是在鋼環四周安裝簾布橡膠密封板及可翻折式鋼壓板，防止盾構始發掘進時，地下水及同步注漿時的砂漿外泄。洞門密封裝置由固定環板、可翻折式壓板、固定螺栓及簾布橡膠板組成（如圖3所示）洞門密封裝置在洞門鑿除完成后開始安裝。

圖3　洞門密封裝置Fig.3　Sealing device for tunnel entrance

為保證起到可靠的密封效果，必須控制以下幾點：

1）固定環板螺栓孔應設計成朝圓心的長條形，以便調節洞門鋼環的安裝誤差及施工變形，同時刀盤進洞后，向內側調整簾布壓板，壓緊盾環，盾尾通過簾布后，再次調整壓板，使其壓緊管片環。

2）洞門鋼環安裝時應與端墻鋼筋連接固定，內側安裝支撐防止變形，端墻混凝土澆筑時應確保振搗棒不會碰撞洞門，同時確保四周的混凝土振搗密實，拆模后應檢查鋼環外周與端墻混凝土的結合程度，如出現空隙，應采用膨脹混凝土堵緊，另外在端墻安裝鋼筋時，應沿洞門鋼環四周預埋小鋼管，外側連接球閥，以備應急注漿。

3）止水簾布、刀盤切口環應涂抺黃油，防止刀盤刮傷。

4）注漿時，應有專人觀察洞門四周，如出現漏水或者簾布外鼓，應急時采取應急措施。

6　始發掘進控制

為使盾構始發順利進行，必須控制好以下幾個要點：

1）盾構機姿態控制：盾構機全部進入洞前，一般不對盾構機姿態進行調整，所以始發前的姿態設置非常關鍵，理想的姿態是平面與豎向都與設計軸線一致，但也須根據實際情況作一些調整。在托架安裝前，必須復測洞門鋼環的安裝精度，如出現洞門鋼環偏差或變形，為不使盾構機進洞時破壞簾布，必須對盾構機姿態作適當調整，但最大調整量不得超出5 cm。同樣，對于曲線始發，盾構機必須以直線狀態進洞，完全進洞后才慢慢糾正至設計軸線。豎向設置上，為防止盾構機出端頭加固區時栽頭，一般比設計高2～3 cm。為防止刀盤轉動時盾構機跟著滾動，所以在托架上部的盾體上焊接三角鋼板及塞入三角形的墊木作為防扭轉塊。在始發推進過程中，安排專人檢查反力架的變形、防扭轉塊是否松動，防扭轉塊必須在盾構機進洞前割除。

2）始發參數控制：始發參數設置主要有推力、轉速、土倉建壓。始發推進應“低速慢推”，一般推力控制在7 000～9 000 kN，最大不得超過反力架設計計算推力，推進速度控制不大于10 mm/min，刀盤轉速控制不大于1.5 r/min；進入加固區后，可以慢慢建立土倉壓力，出加固區前，視前方土體設置，軟土地層土倉壓力必須接近計算水土壓力。

3）防栽頭措施：盾構機在兩個位置容易出現栽頭，托架與洞門鋼環間、端頭加固體與土體間。在托架與洞門間，可以設置導軌來預防，注意導軌與托架軌道的連接部位必須平順，標高略低3 mm左右，以免劃壞盾構機鉸接；在出端頭加固體時，通過設置盾構機姿態抬高2～3 cm及調整底部油缸壓力略大于其他油缸壓力。

4）管片背后注漿：盾構機完全進入洞門，并且盾尾離止水簾布1 m左右開始進行注漿，同步注漿壓力控制在0.2 MPa內，漿液應為速凝型，一般還須進行二次注漿，二次注漿可采用雙液漿。注漿同時觀察止水簾布及地面是否漏漿。

另外始發掘進前，應再次檢查盾構機各部件的連接、運行情況，土倉內應確保無工具遺留，刀盤前洞門鑿除的渣土應清除干凈。止水簾布、切口環應涂抺黃油，防止刀盤刮傷，刀盤進洞后，調整簾布壓板，壓緊盾環。

7　結語

始發施工是盾構施工控制的關鍵工序，必須結合地質、地面條件選擇合適的端頭加固方案。托架與反力架設計、安裝，洞門臨時擋土墻的鑿除，負環的安裝與拆除以及盾構機掘進時的姿態設置，掘進參數的設置等是始發施工的關鍵控制點，確保每個關鍵點的措施均做到位，才能保障盾構始發的順利進行。

[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2004. ZHOU Wen-bo.Construction technology and application of shield tunneling method[M].Beijing:China Building Industry Press，2004.

[2]王力.盾構隧道始發關鍵技術分析與對策[J/0L].城市建設理論研究：電子版，2015，5（3）[2015-04-27].http：//d.wanfangdata.com. cn/periodical/csjsllyj2015031670. WANG Li.Key technology analysis and countermeasure of shield tunneling[J/OL].Urban Construction Theory Research:Electronic Edition,2015,5(3)[2015-04-27].http://d.wanfangdata.com.cn/ periodical/csjsllyj2015031670.

[3]桂林.廣州軌道交通五號線盾構施工關鍵技術[J].鐵道工程學報，2007（11）：76-82. GUI Lin.Key construction technologies in shield tunneling of Guangzhou Metro Line 5[J].Journal of Railway Engineering Society,2007(11):76-82.

Key technology for launching of shield tunnel construction

WU Mu-huai，ZHOU Wen-jun
（The First Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510500,China）

In shield tunneling,launching is one of the biggest risks.Taking Zhuhai Intercity Railway shield construction for example,the paper expounds on the key control technologies such as the reinforcement of the launching end,originating carrier and counter force frame installation,portal removal,portal sealing device,and control of shield originating processes,to ensure the full implementation of each key measure and guarantee the safety of shield launching.

shield tunnel;launching;key technology

U455.43

B

2095-7874（2016）09-0053-05

10.7640/zggwjs201609013

2016-02-24

2016-08-04

吳木懷（1979— ），男，廣東揭陽市人，工程師，土木工程專業。E-mail：417570131@qq.com