石家莊軌道交通3號線西三莊站-水上公園站盾構施工技術研究

任 濤

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 301800）

1 工程概況

石家莊軌道交通3號線西三莊站—水上公園站位于聯盟路下，呈東西走向，區間采用盾構法施工，左（右）線區間隧道起點里程為DK0+513.840，終點里程為DK1+550.800，左線全長1036.95m（含短鏈），右線全長1036.96m。線路縱向坡度呈V字坡，最大坡度為22‰（下坡）、20‰（上坡）；隧道最大埋深（至內軌頂面）約為22.4m，最小埋深（至內軌頂面）14.5m，區間拱頂穿越地層主要以粉細砂、中砂、粉質黏土為主。右（左）線DK1+088.400處設置1處聯絡通道。施工平面圖如圖1所示。

圖1 石家莊軌道交通3號線西-水盾構區間平面示意圖

2 盾構機選型及設備應用

2.1 盾構選型

每種類型的盾構都具有自己適應的地質范圍，綜合本區間的地質條件和地面情況，適宜的盾構類型主要有泥水平衡盾構、土壓平衡盾構。泥水與土壓平衡盾構比較見表1所示。

表1 泥水盾構與土壓盾構比較

在眾多的盾構類型中，土壓平衡盾構的適應性較大，施工速度較高，能有效的控制地表沉降。根據工程條件、地質特點、工期要求，結合國內外類似工程盾構的選型經驗，本工程采用土壓平衡盾構。

2.2 盾構設備主要概況

用于本區間的盾構機為鐵建重工ZTE6250盾構機（編號：DZ001），該盾構機主要性能特點如下：

（1）總體功能與布局：具備隧道開挖、排土、管片襯砌三大主要功能和碴土改良、同步注漿、油脂潤滑與密封、通風與冷卻、氣體保壓、物料運輸、姿態控制、數據采集八大輔助功能；盾構總體布局充分考慮人機工程學和模塊化設計，能很好的完成石家莊地鐵施工任務。

（2）刀盤：刀盤為圓形，采用輻條+面板式結構，開口率約45%。刀具包括貝殼刀、切刀、保徑刀、魚尾中心刀、超挖刀。各種刀具采用超硬的硬質合金材料制成的刀頭。主切削刀采用栓接方式安裝在輻條上。

（3）主驅動及主軸承密封裝置：刀盤的驅動為液壓驅動型式。總功率630 kW，額定扭矩5949 kNm，脫困扭矩6843 kNm。主軸承形式為3排圓柱滾子軸承，直徑2820mm，轉速0～2.33 rpm。主軸承密封用來防止砂土和泥水進入主軸承和盾構機內，耐壓為4.5 bar。

（4）土壓控制：土壓控制是保持隧道開挖面穩定、控制地表沉降的主要手段，通過土艙隔板和螺旋輸送機上安裝土壓傳感器，配合地面測量數據對比，實現對土艙壓力實時監測與調整，正常施工情況下滿足地面最小沉降量控制目標要求。

3 盾構區間施工技術

3.1 端頭加固設計

西三莊站盾構始發井及水上公園站接收井地層加固方式為素混凝土莊加袖閥管注漿。西三莊站盾構始發井加固范圍：縱向加固長度6m；橫向加固寬度為隧道輪廓外3m；加固深度為隧道輪廓外3m。水上公園站接收井加固范圍：縱向加固長度8m；橫向加固寬度為隧道輪廓外3m；加固深度為隧道輪廓外3m。洞口采用兩排Φ800@1200 C15素混凝土樁，排距700mm，交錯布置，樁長為地面至基坑底一下4.5m。其余區域采用袖閥管注漿加固地層，注漿管采用Φ48×4mm間距1×1m梅花形布置的塑料袖閥管。

3.2 盾構機吊裝技術

項目使用的盾構機為鐵建重工公司生產的ZTE6250盾構機（編號：DZ001），為已有盾構機，盾構機全長83 m，主機部件總共重約260 t，后配套部件總共重約200 t。

3.2.1 吊機選型

盾構各部件均從始發井處的吊裝孔吊入，采用一臺260t履帶吊。

本次吊裝根據盾體重量、場地環境選用的SANY公司SCC2600A型履帶吊，其履帶長度9.134 m，整機寬度7.681 m，吊裝時主臂長度19.5 m，7 m固定副臂工況。主鉤和副鉤滿足盾構機部件的翻轉作業，其外形結構尺寸如圖2所示。

圖2 SCC2600A履帶吊結構尺寸圖

3.2.2 吊裝場地承載力計算

地基承載計算（以起吊重量97 t最大重量為例）：

SCC2600A吊車自重及配重總重量為256 t，地基承載力按最大起重量97 t時計算，若起吊97t重物地基承載力滿足要求，則其余均滿足。吊車自重及配重總重量為256 t，最大件重量：97 t。吊車主鉤和鋼絲繩重量：5 t，合計：358 t。

履帶吊的兩條履帶板均勻受力，反力最大值可按下列公式計算：

其中P吊車自重，Q為起重量，a為動載系數，按a=1.1計算，得：

吊車承力面積（兩條履帶板下部鋪設20mm厚的鋼板，履帶與地面接觸面積為長為8.5m、寬1.22m）

吊車起吊對場地的均布荷載為：P= RMAX/S =3274kN/20.74m2=189.87kPa

吊車起吊按單側履帶板不均布載荷對場地荷載取均布載荷1.5倍：

所以，單位面積的地基承載需求為284.8 kPa。吊裝作業內的地基處理后需滿足單位面積承載力大于284.8 kPa，則地基承載力滿足要求。

3.2.3 盾構機吊裝

以臺車下井為例講述吊裝過程，其他類似。臺車下井時，用4根鋼絲繩與臺車的四個吊耳連接，起吊后的臺車保持平穩，指揮司索工指揮履帶吊司機進行轉臂、趴臂動作，將臺車移動到井口上方，履帶吊緩慢落鉤，將臺車吊裝就位，用電瓶車拉到井內相應位置。下降過程中用牽引繩控制其擺動，防止碰撞，如圖3所示。

圖3 臺車下井示意圖

3.3 盾構掘進施工技術

3.3.1 盾構正常掘進操作控制

盾構完成100m始發段掘進后，進入盾構正常掘進施工階段。根據土壓平衡工況的特點，確定并保持合理的土倉壓力是關鍵因素。因此，土壓平衡工況中掘進參數的確定是以土倉壓力為基準點來考慮。

（1）土倉壓力值P的選定

P值應能與地層土壓力和靜水壓力相平衡，設刀盤中心地層靜水壓力、土壓力之和為PO，PO=γ·h（γ—土的平均重度，h—刀盤中心至地表的垂直距離），則P=K·PO（K—土的側向靜止土壓力系數）。

（2）出碴量的控制

每環理論出碴量（實方）為：

V1=π（6.28/2）2×1.2=37.2 m3/環，虛方約為實方的1.2倍，約45 m3/環。

（3）推進速度

盾構始發在試驗段推進速度在正常情況下為10～30mm/min，并根據地面測量數據及時調整盾構正面中心土壓力。

3.3.2 盾構軸線控制

軸線控制是盾構法隧道施工的一個非常重要的環節，采用人機互動的方式進行嚴格控制。鑒于盾構推進結束后，由于同步注漿漿液需要一段時間才能初凝，因此管片都會有一定程度的上浮。因此掘進姿態宜控制盾構在設計軸線稍靠下位置，并保持一個大致不變的俯仰角。曲線段掘進時，應在進入曲線前預留靠曲線內側的偏移量。根據掌子面地層情況應及時調整掘進參數，調整掘進方向時應設置警戒值與限制值，達到警戒值時就應該實行糾偏程序，計算糾偏曲線，糾偏時姿態調整參照糾偏曲線進行；糾偏作業必須在確保管片相對盾構機處在一良好狀態時方可進行。

3.3.3 管片拼裝

本工程所用管片分為標準環、左轉環及右轉環3種，以適應盾構掘進線型，施工時需根據需要選擇合適的管片，在管片拼裝過程中，嚴格按照設計上的工藝順序進行操作，控制好管片的拼裝質量。

（1）管片運達施工現場后，在地面上按拼裝順序排列堆放，按規定粘貼止水密封條及傳力襯墊；

（2）將檢查合格后已粘貼防水材料的管片及連接管片的螺栓和配件、墊片等，用龍門吊運送到井下，放在管片車上，由電瓶車運送至工作面；

（3）管片拼裝前，清除管片表面上的灰砂等雜物；

（4）拼裝前應保證拼裝設備安全可靠；

（5）對上一環的環面質量進行檢查和確認，結合盾構機的姿態和盾尾間隙，選擇合適的管片拼裝點位。

3.3.4 盾構接收

在掘進至接收洞門50 m時，即進入盾構接收階段。在接收前，及時對隧道軸線進行測量，確認盾構位置，掌握洞門段線形。加強盾構姿態和隧道線形測量，及時對盾構姿態進行糾偏，確保盾構順利貫入洞門。根據實際掘進的經驗總結，將上、下鉸接千斤頂行程控制在40～60 mm之間，左、右鉸接千斤頂行程控制在40～80 mm之間。洞門鑿除完畢后，盾構開始推進。

4 結語

石家莊軌道交通3號線西三莊站-水上公園站盾構區間施工為盾構法施工，本文從盾構機選型及盾構機關鍵設備開始進行了講述。詳細的介紹了盾構區間施工的主要控制技術，將吊裝的方法和管片拼裝技術進行了闡述，施工中采用了上述方法，按時按質的完成了施工任務，取得了很好的效果并有一定的經濟價值。