盾構進洞洞門加固及始發進洞技術研究

馬昌元

摘要： 地鐵施工中盾構始發進洞是盾構法施工安全及質量事故的高發環節，一旦采取的技術措施不當或施工操作失誤，常常發生洞門土體塌坍、地表沉陷、洞門周邊泥漿及土體涌入井內等事故。洞門的加固及盾構始發進洞技術是確保盾構施工安全及質量的關鍵，本文總結了西安鐵四號線盾構始發洞門加固及盾構始發、初期掘進的技術措施，為以后此類項目的施工提供參考與借鑒。

Abstract： In subway construction， the shield launching into tunnel is a high risk link of construction safety and quality accidents in shield tunneling method. When the technical measures are taken improperly or the construction operation is wrong， accidents such as tunnel door collapse， surface subsidence， mud and soil into the well often happen. The reinforcement of the tunnel door and the shield launching into tunnel technology are the key to ensure the safety and quality of shield construction In this paper， the technical measures of the initial tunneling door reinforcement and the initial excavation of the shield are summarized， to provide reference for similar projects.

關鍵詞： 地鐵；盾構法；洞門加固；始發技術

Key words： subway；shield method；tunnel door reinforcement；initial launching technology

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）35-0114-04

0 引言

目前，我國城市開始大力進行地鐵修筑，以緩解日趨嚴重的城市交通問題，城市地鐵區間修筑時大多采用盾構法掘進施工，為了確保安全、按期及優質完成地鐵修筑任務，盾構的始發是盾構法隧道掘進的最初關鍵環節，盾構機在始發進洞時，洞門掘進面處于無支撐的開放狀態，且無支撐的狀態持續時間較長。如果處理措施稍有不妥，土體、泥漿等就會涌入工作井，情況嚴重時導致洞門坍塌。因此做好始發端頭的加固工作在盾構施工中有著非常重要的意義。所以盾構始發洞門加固及盾構初始掘進為盾構施工中的高風險項目。

在盾構始發前根據洞門段地質情況、盾構機類型及其它影響因素，對始發洞門的加固技術進行研究，并嚴格施工，確保盾構以良好、安全、順利的姿態始發及進洞，成為盾構施工需要考慮的一個關鍵難題。

1 工程概況

本項目為西安地鐵四號線工程（航天東路站～北客站）土建施工TJSG-12標段，施工內容包括了2站3區間。2站為大明宮站、大明宮北站；3區間為元殿站～大明宮站、明宮站～大明宮北站、大明宮北站～余家寨站。施工范圍如圖1所示。

本文就標段施工的含元殿站～大明宮站盾構區間洞門加固及盾構始發技術進行闡述，為今后類似工程的施工提供參考與借鑒。

2 始發及到達洞門加固

進洞施工是地鐵盾構法施工的難點之一，通常采取的技術措施是在盾構進出洞前加固或改良端頭井地層，旨在提高地層穩定性。本標段盾構始發井地層主要為粉質黏土、砂層，參照國內地鐵建設及類似工程經驗，可采用攪拌樁+旋噴樁、地面注漿或凍結法加固地層、止水。

結合區間隧道地質條件，并充分研究、參考了西安地鐵其它標段在洞門加固方面的經驗及不足之處。端頭加固采用地面注漿方式，并設置輔助降水井，區間影響范圍內圍護樁采用玻璃纖維筋。注漿加固范圍為盾構隧道洞外周寬3m，沿隧道縱向長3m，如圖2所示。

車站的盾構機始發洞門采用單排Φ1000@1250mm素混凝土樁對一定范圍內的土體進行加固處理，如圖3所示。

3 端頭降水

車站盾構始發處降水可利用車站施工時的降水井進行降水，確保水位降至底板以下1m，降水效果利用現場布置的水位觀測孔進行觀測。

4 洞門鑿除

4.1 洞門鑿除

需要在始發前將洞門端頭圍護結構進行鑿除。鑿除洞門采用人工風鎬開鑿的方法。

為確保洞門加固結構的穩定，鑿除洞門按3階段進行。鑿除次序為先上后下、先中間后兩側。洞門鑿除次序見圖4（左）。第1階段開鑿范圍見圖4（右）；第2階段鑿除剩余混凝土；第3階段迅速鑿除、切割外圍殘留鋼筋混凝土，洞門四周鋼筋要切割平齊，盡可能減少洞門土體無支撐時間。

第1階段洞門鑿挖在盾構始發前14d完成；

第2階段洞門鑿挖在盾構始發前7d完成；endprint

第3階段洞門鑿挖在盾構始發前1d完成。

4.2 洞門鑿除過程的應急措施

①當洞門出現異常情況時，立即使用木板封閉洞口，同時用鋼管支撐牢固，避免泥土涌入始發井。并在洞外盡快對周邊土體實施注漿加固。

②當土體壓力過大，立即用鋼筋網片（預先準備的應急物資）與圍護結構的鋼筋焊接連接，再用鋼管及木板撐牢固，隨后噴錨固定洞門，洞門穩固后，在洞外對周邊土體進行注漿加固。同時對洞門實施水平注漿。

5 盾構進出洞臨時封閉及防水設計

盾構始發時，為了避免泥土及漿液從盾構面與洞門間的空隙漏出，結合本項目洞門及盾構結構及尺寸特點。沿洞門設置環形折葉式密封裝置。洞門密封裝置如圖5所示。沿洞門洞圈預埋鉆設有M20螺孔圓環鋼板A，通過螺栓將橡膠簾布、環板B（壓緊圓環板）及折葉壓板安裝在圓環鋼板A上，采用鋼絲繩把折葉壓板連接成整體。

在洞門鑿除后進行洞門密封裝置的安裝，其安裝流程為：洞門圈上預埋圓環鋼板A（車站施工時預埋）→安設雙頭螺栓→簾布橡膠板→圓環壓板→折頁壓板→墊圈→螺母。

洞門密封裝置施工的關鍵為預埋圓環鋼板A，按圖紙要求嚴格控制其加工精度，在進行車站結構主體施工時預埋，要嚴格控制安裝的位置、垂直度及安裝精度。

6 始發設施的安裝

6.1 始發臺安裝

始發臺安裝前清理干凈基坑，進行測量放線，定出始發臺的軸線位置及安裝高度。始發托架按放樣的軸線位置進行安裝，因始發托架在始發時受到要承受盾構機的縱向、橫向推力的作用，同時還承受盾構掘進的扭矩。為了確保始發臺托架牢固、穩定、不移位，在始發托架兩側增設H加固型鋼，始發托架結構見圖6，加固措施見圖7。

6.2 反力架安裝

盾構主機與后配套連接前安裝反力架，反力架嚴格按設計位置安裝，其端面與盾構的中心線軸線垂直。反力架與車站結構上的預埋鋼構焊接牢固，以確保結構安全及提供足夠支撐。反力架加固措施如圖8。

6.3 負環安裝、加固措施

6.3.1 負環安裝

盾構機依靠負環管片提供支撐以進洞始發。本區間安裝的負環管片為7片，以滿足盾構的尺寸要求及確保洞門環梁長度。見圖9。

負環管片為標準環，使用管片拼裝機進行拼裝。并采取錯縫拼裝以避免負環管片失圓。

負環管片就位前，在盾構機盾尾內安設4～8根厚75mm，寬50mm，長2000mm的硬質方鋼（或角鐵夾方木），當盾構全部入洞內，洞口實施同同步注漿時，方拆除硬質方鋼。

定位負7環第1塊管片前，在負7環管片的A2塊內弧面畫出其偏移36°（9點位向右，1點位向左）后位于弧底的位置。采用水平尺進行拼裝時的確定。

相鄰B、C管塊的安裝。在盾尾盾殼上焊接吊耳，連接導鏈以控制管塊位置，當封頂塊縱插安裝到位后，拆除吊耳、導鏈，將封頂塊與相鄰塊的連接螺栓擰緊。

負環管片螺栓及防水。因負環管片為臨時結構，環管片僅粘貼縱向丁腈軟木橡膠板及環向軟木襯墊，從0環開始，才按設計使用防水材料。

由于始發支座軌道與管片外側有125mm的空隙（盾構始發臺的尺寸是按照盾構機的前體6250mm設計，管片外徑為6000mm），為了避免負環管片全部推出盾尾后下沉，在始發臺導軌上用方木楔楔緊而托起負環管片。每節環管片推出盾尾后，及時用硬木制作的三角楔子支墊于管片與支撐三角架縱向工字鋼及始發臺軌道之間，使管片牢固、均勻承壓在三角架上。每環管片加墊2個楔子。

6.3.2 負環加固措施

①支墊負環管片。在拼裝好第二環負環管片后，讓盾構機繼續向前掘進，使盾尾密封刷脫離第一環管片，將150mm×100mm的三角木楔楔進負環與支撐架之間的空隙內，左右兩側各楔兩個木楔。

②緊固鋼絲繩。用兩根16m？準18的鋼絲繩繞過負環管片頂部，將繩頭分別留在支撐架左右兩側，每個繩頭上穿上緊線器，將緊線器的另一端掛在支撐架的吊耳上，旋轉緊線器，將鋼絲繩拉緊。

盾構機繼續向前掘進，重復上述1、2步，直至盾尾進入洞門后，將負環管片全部用鋼絲繩固定。

③安裝負環緊固架。先將負環緊固架吊入盾構始發井內，用M20的螺栓將負環緊固架分別與左右支撐架連接在一起，然后吊入縱梁與緊固架用M16的螺栓連接。

④加三角木楔。在縱梁與負環管片的空隙內楔入300mm×250mm的三角木楔，每環負環管片左右兩側各楔入兩個木楔。

7 盾構初期掘進技術

7.1 初期掘進長度的確定

本項目設初定前100m為初期掘進長度。此長度的設立考慮了如下2個方面。①盾構機和后方臺車的長度；②管片與土體間的摩擦力要確保盾構機達到正常掘進所需的推力。

7.2 初期掘進模式的選擇

根據地質情況和環境條件，選擇土壓平衡推進模式。

7.3 初期掘進時注意事項

①初期掘進前充分了解掘進段的地質情況，根據具體的土質特性確定適合的掘進參數。做好可能出現的各種情況的處理預案，操作人員隨時依據地質情況的變化而改變、調整盾構機的狀態參數。②根據計算設立盾構正面中心土壓初始值，掘進期間根據參數監控量測結果適時調整設定的壓力。并隨時準備好二次壓漿。③初始盾構掘進推力小，且管環片間相互壓緊困難，故影響成環質量，如果管片接縫有誤差，立即用石棉橡膠楔形料調整至符合要求或用縱向拉桿固定。④設立土壓平衡狀態下土倉土體壓力，掘出的碴土填充土倉時，及時運行旋輸送機出土，通過碴土的排放速度來確保土倉土體壓力與掘進面的水土壓力處于平衡狀態。⑤最初100環管片作為后續掘進的基準，需保持良好真圓度，否則后續環管片誤差累積，導致施工難度越來越大，也造成100環管片損壞，所以初期環管片安裝要采取如下措施：1）按規程及安裝順序嚴格施工；2）同步注漿量足夠；3）管片出露盾尾后立即實施二次注漿；4）強化管片真圓度的監測工作。采用如下2種方法進行測量：a）丈量弦長、間距控制法；b）量測管片也盾尾內壁的間隙寬度，如各方向寬度值基本相同，側表明環管片的真圓度較佳。

7.4 初期掘進的控制管理

隧洞盾構施工的初期掘進是非常關鍵的環節，同時也是施工技術難度大、風險高的環節。為了確保盾構始發能夠順利的進行，針對現場存在的各類風險，結合專家意見，經綜合考慮，將盾構機的推進速度指標設定在20～30mm/min，土倉壓力設定為0.06～0.11MPa，注漿壓力設定為0.15～0.2MPa。并進行了初始的掘進試驗，選取了如下6個施工管控的參數指標。①土倉壓力；②掘進速度；③總推力；④排土速度和排土量；⑤刀盤轉速和扭矩；⑥注漿壓力和注漿量。其中土倉壓力是主要的管理指標。技術人員時刻注意地質變化情況，及盾構機的姿態，及時調整盾構機的如上參數，及采取對對性的操作控制技術和處理方法，確保盾機的正常初始掘進。

7.5 負環管片、始發托架和反力架的拆除

盾構機初期掘進完成100m后，即可進行反力架、負環管片及始發托架的拆除，從而進入正常掘進階段。

為了防止拆除負環管片后，隧洞最外側的管片聯結發生松馳，故沿隧洞縱向采用將6根[18槽鋼將隧洞最外側的10環管片拉緊。

拆除反力架后的支撐鋼管，用千斤頂使反力架與車站主體結構分離約10cm。

負環拆除之后拆除上部管片保留鋼軌下管片。

把剩余負環片的縱向連接螺栓拆除，吊出始發井外。

最后拆作反力架、始發托架，吊出始發井外。

8 結束語

盾構始發洞門采用加固方法有效地控制了地表及管線的沉降；盾構洞門臨時封閉采用由橡膠簾布、折形壓板、墊片及螺栓構成，有效確保了圍護結構與盾構外緣界面的密貼，防止了漿液及土體的流出。盾構始發及初期掘進采取了一系列的有效措施，從而確保了盾構機的安全順利始發。

參考文獻：

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