淺析超淺覆土及曲線盾構始發技術

王利偉 沈家生

中交三航局廈門分公司盾構中心 福建 廈門 361000

1 工程概況

福州軌道交通2號線的蘇洋站～沙堤站區間盾構隧道，盾構從蘇洋明挖段端頭井始發，盾構井西連區間明挖隧道，東接區間盾構法隧道，其位于R500m的曲線和向下29‰的縱坡上。采用兩臺遼寧三三復合式土壓平衡盾構機掘進施工。

隧道襯砌為鋼筋混凝土預制管片，斷面為圓形，管片外徑6200mm，厚度350mm，環寬1200mm，每環分6塊，管片間彎螺栓連接。

始發段地層從上到下為：雜填土、全風化花崗巖、全風化石英正長斑巖；前30m為淺覆土段，覆土厚度為4.0～4.3m。

本工程的難點：

（1）盾構機以500m半徑的曲線始發，盾構機受始發基座、負環管片和反力架等影響，使得盾構機始發時只能沿基座直線推進，無法擬合設計線路曲線前進，軸線偏差和姿態精度控制困難，易導致始發架移動移位失效、簾布橡膠損壞等安全風險。

（2）始發段前30m為4～4.3m的淺覆土地層，盾構始發掘進施工中易造成地表隆起、沉降甚至塌陷，易導致隧道軸線偏差大，管片拼裝質量差等安全質量事故。

（3）現場場地有限，和蘇洋站、明挖段場地共用，交叉作業多。

2 常規始發方案

本工程使用的2臺遼寧三三盾構機在曲線段掘進，通過推進油缸分區壓力、行程控制，結合鉸接調整及開啟超挖刀可以滿足半徑≥R280曲線段掘進施工。而在曲線段始發出洞時，因盾體、始發架均為直線，即盾頭盾尾的連線在盾頭位置沿曲線切線始發，且始發掘進前10m為加固區，將會給盾構機姿態調整帶來困難，隧道軸線偏差最大處達到113mm，超出規范要求（-50～+50mm），最后容易導致管片錯臺、破損一系列質量問題。

始發掘進前30m為淺覆土段，覆土厚度為4～4.2m，小于盾構機開挖直徑6480mm，為確保施工安全需對地面進行加載，采用堆土回填方式。

3 優化后的始發方案

綜合考慮現場條件和各始發要素，通過計算機模擬后將常規始發方案優化為割線始發；地面淺覆土段采用管片、切割下來的混凝土支撐加載。

（1） 盾構機適用性評價[1]

本標段使用的盾構機在選型時設計為鉸接式盾構，由于盾構增加了鉸接部分，使盾構切口至支撐環， 支撐環至盾尾均形成活體，增加了盾構的靈敏度，理論 上可實現最小曲線半徑250m的曲線掘進，滿足R=500m曲線施工需要。

本工程使用的盾構機設計盾尾間隙為40mm，可 以滿足R=500m時盾構所需的最小盾尾間隙，滿足曲線始發要求。

計算盾構鉸接油缸角度和油缸行程差A盾構主體鉸接前體長度L =5.09m，刀盤面板寬度為0.78m，鉸接可調整角度按最大值20°來計算。

計算最小轉彎半徑Rmin。Rmin= [(5.09 + 0.78) /2] / sin(1.20/2) = 280.28 m；在500 m曲線半徑軸線上，鉸接角度β= (L1+L2)×180/π×R=（5.09+4.51）×180/(π×500 )=1.1°；L1、分別為鉸接盾構的前體和后體，R為曲線半徑，β為盾構機在小曲線上的鉸接角度，此角度小于盾構機自身的最大鉸接角度，滿足要求 。鉸接千斤頂行程差=千斤頂最大行程差×（左右鉸接角度）/最大左右鉸接角度，實際工程中，鉸接角度通過千斤頂行程差來實現，固自然滿足本工程要求。

（2）管片適用性評價

管片為寬度為1.2m通用型管片，管片外徑6200mm，厚度350mm，對曲線地段的管片楔形量檢算：

曲線半徑R=500m圓曲線段進行檢算：

L1/R1=L2/R2即L1/497.1=L2/502.9得L1=1.011668L2。

內，外弧長差值為：△L=L1-L2=0.011668L2。

當管片寬度為1.2m，L2≈1.2m時，△L=14mm。

設計楔形量ΔL'=40mm＞△L=14mm，滿足要求。

4 超淺覆土及小曲線盾構始發技術

（1）施工流程

圖1 小曲線始發施工流程圖

（2）始發線路確定

盾構機必須在托架上直線掘進一小部分，盾構機長度9.62m，始發導軌約1m左右，即盾構機始發直線部分最大10.62m，盾構機只能沿直線前進10.62m，在脫離了始發架后，才能根據自身千斤頂調節推進方向。而此時，盾構已經偏離軸線118mm，這個距離超出了施工 規范要求(-50～ +50 mm)，過大的偏離也不利于盾構后階段的糾偏。所以，在曲線半徑較小段始發施工 時，沿切線始發滿足不了施工要求，必須沿割線始發。 假如刀盤中心在隧道中心線上，那么以刀盤中心位置為圓心畫一個半徑9.62m的圓，就能得到 一個與隧道軸線的交點。這個交點的位置就是盾構主體脫離始發架的位置，因此可以沿這條割線始發推進。

因此設定盾構機在直線掘進10.62m后脫離托架，且刀盤中心在隧道中線上，即推進過程中盾體偏離隧道中心線最大距離為，符合要求，且可確定∠q：滿足要求。

（3）始發架、反力架的安裝加固

在始發線路確定后，要精確定位始發發射架與反力架。與直線始發不同的是，在曲線始發時盾構推進 反力與端頭井結構呈一定角度，因此在加固時應采取加強措施，可在端頭井頂板環梁結構、底板端頭井側壁 植筋預埋鋼板，反力架支墩與鋼板焊接并加三角板防止側向位移，同時在始發架和反力架左右兩側設支撐，負環管片設置斜撐，形成剛性固定。

始發架的高程要比設計提高約2.5～3cm，以消除盾構機入洞后“栽頭”現象的影響。

（4）始發階段姿態控制

①始發姿態。盾構機始發時鉸接未開啟，其角度為0，盾構機中 軸線處于隧道設計軸線外側，即盾構始發線路的延線上，盾構始發坡度與隧道設計坡度相同，根據施工經驗，略高于設計高程。

②盾構主體脫離發射架前姿態控制。盾構主體離開發射架，沿預定線路前進，必要時可 以對盾構姿態進行微調，但絕不能多調。在刀盤進入洞門加固體時，以慢速、勻速為推進原則。經計算，始發段土壓力設置為0.05MPa，則推進加固段時土壓力 由0漸變至0.05MPa。盾構推進速度控制在20mm/min以內，刀盤的轉速設置為0.8 r/min。

③盾構主體脫離發射架后姿態控制。盾構機主體脫離始發架后，就可以通過調整推進千斤頂推力進行姿態調整，還可以用鉸接和超挖刀來配合調整姿態，以便盾構可以盡快沿設計軸線推進。盾構機在500m的曲線半徑較小軸線段推進時，刀盤應向內超出設計軸線14mm左右。隧道30環之前的推進，推進速度最好慢速，控制在30～40mm/min左右， 刀盤轉速1.2r/min以下，土壓力隨著推進逐步穩定在0.05MPa左右。在此期間對地表沉降進行監測，結合監測數據對推進控制參數進行微調。

④注漿控制。同步注漿的作用是充填盾構機殼體與管片外弧面間的空隙，以保證地面不會因超挖而沉降。注漿要對稱、均勻，否則會因管片周圍受力不均衡而引起隧道的 變形、甚至使結構受到不平衡壓力而破壞。由于同步注漿采用雙液漿容易引起堵管，使得使得盾 構停機不能連續推進，增大始發或接收施工中洞門的封堵風險，所以，此階段的推進中，同步注漿宜采用常規漿液，從第3環開始注漿，注漿量從2.7～3.2m3/環逐步加大到4.5～5.2m3/環，第7環開始為5m3/環左右。漿液稠度9～11cm，注漿壓力控制在0.2Mpa～0.25Mpa。

壁后補注漿采用雙液漿。因為雙液漿是瞬凝型漿液，有早期強度高、填充均勻等特性，可以快速充填推進或者糾偏引起的壁后空隙，防止地面沉降、隧道管片受外部壓力不均出現變形。水泥漿水灰比為0.9，水泥漿：水玻璃為1:1；二次注漿壓力≤0.3Mpa，流量控制在10～15L/min。

（5）淺覆土段地面加載方案優化

按照原施工方案，對于始發超淺覆土段采用地面堆土壓實加載方式，共需（6+15+6.5）×2.5×30=2062.5m3。綜合考慮現場情況及成本，后優化改為管片、混凝土支撐加載方案，一是解決了現場30環負環管片堆放問題，二是區間盾構隧道始發后正常掘進正是臨近年底，管片等各物資考慮年底生產、運輸企業放假和產能降低等因數，現場需儲備一定物資量以備快速連續掘進施工。相對于土方回填加載方案，可充分利用已有的1臺25t汽車吊、1輛10t板車，除去零星人工配合費用6500元而不必增加其他額外費用。管片堆載需要2d時間。

圖2 地面加載照片

5 結束語

在盾構法隧道施工中，盾構機的始發成功是保證后續工序正常進行的關鍵，是保證成型隧道的軸線符合設計要求，滿足隧道建筑界限，確保運營后軌道交通行車安全的關鍵環節。福州地鐵二號線蘇洋站盾構機超淺覆土曲線始發的成功，使盾構機得以保證順利出洞，成型隧道軸線偏差≤39mm，管片最大錯臺≤4mm，無滲漏點。攻克了此類施工技術難題，為以后類似工程提供了可借鑒的經驗。