重載鐵路黃土隧道盾構始發施工技術

畢清泉 （中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

目前的鐵路隧道施工中，以礦山法為主，輔以少量的TBM和盾構法，其中盾構法主要用于下穿河流、海峽及城市軟土地層中。針對蒙華鐵路白城隧道斷面，以及穿越的砂質和新黃土地層，礦山法施工需要輔助工法和大剛度的支護，代價較大，而采用盾構法施工則刀具開挖較為便利，結構主要為單層預制管片，無額外的施工支護成本，優點明顯。白城隧道原始設計采用礦山法施工，出于施工安全、進度、環保及經濟等方面考慮，后變更為采用大斷面馬蹄形盾構配合預制拼裝管片的異形盾構法施工。本文以此工程為例，著重闡述基于重載鐵路黃土山嶺隧道的異形盾構始發施工技術。

1 工程概況

蒙華鐵路白城隧道位于靖邊縣境內，為單洞雙線馬蹄形隧道，采用異形盾構法施工，隧道全長3345m，其中隧道進出口分別為202.4m、99m明洞，隧道掘進3043.6m，線路全段位于直線上，隧道縱坡為人字坡，坡度分別為4.5‰、3‰、-3.112‰。隧道最大埋深為81m，最小埋深為7m。隧道主要穿越地層為砂質新黃土（Q3eol），隧道洞身范圍內地層主要為第四系全新統風積層（Q4eol）粉砂、細砂，第四系上更新統風積層（Q3eol）砂質新黃土，圍巖級別為Ⅴ2730m、、Ⅵ級305m。隧道進口以細砂為主，隧道出口以粉砂為主。隧道范圍內無地下水，線路范圍內需穿越“三管三線一塔”，即延長天然氣管道、延長供水管道、長慶石油管道；包茂高速、海機線、大車路；高壓線塔。

2 盾構設備組主要掘進參數選取

馬蹄形盾構機整機長度約為110m，重約1300t，主要由開挖系統、驅動系統、盾體、推進系統、出渣系統、拼裝機以及后配套等系統組成，適用于粉土、粉質粘土、粉砂、細砂為主的地層，盾構施工的關鍵就是根據盾構機掘進的地質條件及時準確的確定掘進參數，且直接關系到施工的進度、安全和質量。設備照片及參數如圖1、表1。

圖1 單洞雙線馬蹄形隧道盾構機

設備的主參數表 表1

2.1 盾構機刀盤參數

采用9個輻條式刀盤組合的形式，采用前后交叉式布置，相鄰刀盤的切削區域相互交叉，每個刀盤相互獨立，可實現雙向無級調速。在前盾切口環處布置切刀，對盲區進行輔助切削，同時在土倉隔板上預留高壓水接口及連接風鉆的萬向接口（其擺動范圍為±20°的圓錐面），始發時便于對盲區進行人工處理，提高設備的整體開挖率。

盾構機刀盤轉速及扭矩在不同的地質條件不同的施工階段所取的參數也隨之改變。土壓平衡盾構機掘進砂質新黃土地層時，刀盤轉速過高對周圍地層的擾動較大，容易造成地層失穩，出碴量過大，地表沉降量超限，并且加大刀盤、刀具的磨損；刀盤轉速過低，刀盤切削下來的碴土和泥漿（或泡沫）未攪拌充分，刀盤扭矩高，推進速度慢，渣土在土倉底部堆積，造成出渣困難。

因此在在砂質新黃土地層中不同掘進地段合理選擇刀盤參數尤為重要，見表2。

刀盤掘進參數表 表2

2.1 推進油缸參數

馬蹄形盾構機擁有平行掘進、上下坡掘進、左右拐彎等施工能力；且橫縱斷面尺寸較常規圓形盾構大大增加，開挖面各點壓力更加不均，盾構或管節發生滾轉偏差對隧道凈空位置的影響明顯都對馬蹄形盾構姿態控制及滾轉糾偏功能的要求更高。本設備吸取圓形盾構線性控制要點，推進液壓系統為盾構機提供向前掘進的推力，采用44根推進油缸，最大推進力13200T。推進油缸圓周方向分成6個分區，油缸成單、雙缸布置，共18個小組。每個分組中的一根油缸有內置式位移傳感器，位移行程可顯示于上位機；裝有位移傳感器的推進缸控制閥組上還裝有壓力傳感器，通過調整每區油缸的推進壓力來進行盾構的糾偏和調向。

盾構向前推進是靠安裝在支撐環（即我們經常所說的中體）周圍的千斤頂推力，各千斤頂的合推力即是盾構的總推力，必須大于各種阻力的總和，否則盾構機就無法向前推進。盾構機推進各種阻力和的理論計算比較復雜，在實際施工過程中盾構機的總推力一般按經驗公式求得：

式中：Fj——盾構機總推力（kN）

Pj——開挖面單位截面積的推力（kN），盾構機Pj的取值范圍是：

土壓平衡盾構機在砂質新黃土地層中的掘進速度一般控制在20～30mm/min。

盾構機推進油缸各組的行程差一般應控制在60mm以內。如果不考慮推力不均而引起的油缸行程差，推進油缸具體參數見表3。

2.3 馬蹄形斷面土壓平衡穩定措施

馬蹄形盾構開挖斷面為馬蹄形變曲率形狀，開挖面土體的各點的穩定性不同，同時采用九個不同直徑刀盤聯合開挖，部分區域存在交叉擾動，而且每個區域土體的擾動靈敏性又不同，因此土壓平衡穩定性存在波動性較大。針對穿越砂質新黃土地層特性，采用以齒刀、刮刀和魚尾刀為主切削土層，以低轉速、小扭矩、小推力推進。

推進油缸參數 表3

土倉內土壓力值P應略大于靜水壓力和地層土壓力之和P0，即P=KP0(K值介于1.0～3.0)；土倉壓力通過采取設定掘進速度、調整排土量或設定排土量、調整掘進速度兩種方法建立，并應維持切削土量與排土量的平衡，以使土倉內的壓力穩定平衡。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工準備→端頭加固→始發基座施工→反力架支撐系統施工→始發導洞施工→盾構機組裝與調試→盾構機始發掘進。

3.2 施工工藝操作要點

3.2.1 施工準備

按設計加工馬蹄形異型盾構機、始發背靠架及洞門密封裝置，并且集中預制裝配式管節。

3.2.2 端頭加固

白城隧道范圍內為砂質新黃土，原狀土穩定性較好，地表約3m為細砂層。在大斷面異型盾構機始發掘進時，通過洞門密封裝置、套拱及掘進過程中的保壓措施，可保證洞頂地層穩定，無需再進行端頭加固施工。

3.2.3 始發基座施工

①盾構始發基座定型、定位

盾構始發基座全長24m，寬16m，兩側高3m，為與盾構機外輪廓適應的C30鋼筋混凝土結構，保證始發基座與底板結構成為整體，承受盾構機的重力荷載和推進時的摩擦力，滿足剛度、強度和穩定性的要求。

盾構機組裝前，依據隧道設計軸線、洞門位置、盾構機的尺寸及門吊吊裝盲區，反推出始發基座的空間位置為：DK206+567.4開始施作，向大里程方向25.4m，始發基座終點里程DK206+592.8。見圖2。

②盾構始發基座施工

始發基座按照測量放樣的基線，與下覆既有鋼筋混凝土底板植剪力筋進行連接，綁扎鋼筋立設模板，埋設鋼軌連接預埋件，澆筑混凝土成型。在始發基座預埋件上安裝3根120kg/m鋼軌作為盾構機導向軌道，底部導軌居中，上部兩根鋼軌距中心4.8m。由于盾構較重，盾體放置于始發基座上后不能隨意前后移動，盾尾與中盾需要焊接連接，故在盾尾與中盾連接處，預留寬800mm，高700mm的盾尾焊接槽，焊接槽處不設置導向鋼軌，且在焊接槽前方的導軌打斜坡口處理。

圖2 始發基座斷面結構示意圖

3.2.4 反力架支撐系統施工

盾構的反力由已施工明洞提供，即由2模C40加強明洞結構代替常規盾構始發專用反力架提供反力，明洞仰拱連通，盾構始發時，推力主要集中在下半部，詳見圖2。

3.2.5 始發導洞施工

在接收套拱向小里程方向，施作13.5m長始發導洞，拱架內徑為12390mm，即在開挖輪廓線外155mm，距管片外緣340mm，在管片脫出盾尾后，按照要求進行洞門的密封，用1mm鐵皮分塊制作好，精確定位后焊接在導洞拱架上，即將管片與套拱之間的縫隙進行封閉，同時在拱架內安設支撐，防止在噴漿或者同步注漿時，封閉塊發生變形，鐵皮必須牢固地嵌入噴漿料且單面緊靠拱架，灌注混凝土或砂漿填筑時不得松動而影響使用。在施作過程中鋼環位置的縱向偏差為3mm，低于標準偏差5mm。始發導洞大里程與套拱連接，小里程進洞端焊接預埋鋼環，保證盾構在通過拱架區時呈密封狀態。

圖3 洞門預埋鋼環

圖4 密封裝置示意圖

3.2.6 盾構機組裝與調試

采用250t履帶吊1臺，230t門吊1臺，配以相應的吊具、機具、工具，將主機按照組裝圖在始發基座上拼裝完成，再吊裝螺旋輸送機，然后進行后配套連接，完成空載、負載調試。

圖5 主機組裝圖

圖6 后配套組裝圖

3.2.7 盾構始發掘進施工

根據始發場地的長度及設計洞口的寬度，確定需要在導臺上拼裝的管片數量。盾構機經調試驗收確認正常，明洞加強段施作完畢及其他準備工作（洞門加固、管路連接）全部完成后進行初始掘進管片拼裝。管片拼裝第一環必須注意斷面的圓度和與隧道軸線的垂直度，為整環拼裝做準備。

一般情況下，第一環管片在盾殼內的正常安裝位置進行拼裝。在安裝第一環管片之前，為保證第一環管片不破壞盾構機尾部的密封刷及第一環管片在拼裝好以后能順利向后推行，在盾殼內安設厚度不小于盾尾間隙的槽鋼，以使管片在盾殼內的位置得到保證。

盾構位于始發臺上時盡量不要進行姿態調整，盾尾離開始發臺后盾構已處于相對自由的狀態，一般通過盾構推進千斤頂的合理選用來調整盾構姿態，必要時可通過調整管片楔形量來調整，以使盾構逐步沿隧道設計軸線推進。整個盾構掘進過程中，糾偏實行“勤糾、量小”的原則，每環姿態調整量控制在6mm以內；盾構軸線偏離設計軸線不大于±50mm，地面隆陷控制在+10mm～-30mm。

在始發掘進時，嚴格控制盾構機的各組油缸壓力，盾構機總推力小于5000T，刀盤扭矩（總）小于3500kN·m。

始發時在始發基座上推進速度控制在20～30mm/min，盾構進入原狀土的前12m推進速度控制在20～30mm/min以內，在盾構機盾尾完全進入原狀土后可逐步提高到30～40mm/min左右。

4 結束語

本文根據白城隧道工程特點，通過對始發端頭加固、始發基座安設、反力架支撐系統安設、洞門密封裝置安裝、盾構始發參數優化進行探索與試驗，安全、快速的圓滿完成了白城隧道大斷面馬蹄形盾構始發進洞任務。同時因地制宜，優化始發方案，利用明洞開挖和結構加強及進洞處既有套拱防護，節省反力架、負環制安和豎井、始發端墻施做，實現可觀的工程效益。為解決山嶺隧道盾構始發施工的關鍵技術難題提供寶貴的案例借鑒。