盾構機分體始發設備的改造及技術控制措施

薛長鵬

（中鐵二十局集團第三工程有限公司， 重慶 400000）

引言

盾構機是一種集機械、電氣、液壓等技術為一體的大型隧道掘進設備，廣泛應用于市政等隧道工程。盾構機分體始發是指在盾構機整體始發空間不足的條件下，先將主機和后配套部分臺車下到始發井內，安裝好主機后，將地面臺車上能保證盾構機正常掘進的最少的液壓管路、電纜等管線連接到主機上，進行盾構機試機、始發，并隨著盾構機掘進將剩余臺車放入始發井內并連接成整體的過程。

分體始發工序復雜、施工難度大，是盾構始發控制重難點。分體始發方案直接影響盾構始發的安全、施工效率以及設備功能的發揮[1]。分體始發總體要求為盡量使除主機之外的設備盡可能地下井組裝，減少管路和電纜再連接。分體始發原則為最大限度地利用盾構原有設備，減少對盾構主體結構機不必要的改造；在具備滿足設備正常使用及臺車位置的場地情況下，盡量減少管路、電纜線長度；具有滿足始發時渣土及管片等垂直運輸以及人員進出等條件。因此，盾構分體始發既要考慮盾構機后配套臺車上設備分布特點以及施工現場的布置，也要顧及到管片運輸和渣土外運。

1 工程概況

廣州市某綜合管廊23 號井～24 號井區間全長688.277 m，拱頂最大覆土埋深15 m，最小埋深9 m，最大曲線半徑450 m，最小曲線半徑250 m，最大坡度23.98‰。盾構在23 號工作井西南側始發，沿西南方向掘進到達24 號工作井。本工程始發井周邊場地地勢平坦，基坑圍護結構采用Φ1 000 mm×1 200 mm 鉆孔灌注樁，樁間采用雙管旋噴樁止水，旋噴樁與圍護結構咬合150 mm。始發井主體為地下三層結構，長度為37 m，寬度為15 m，設置11.9 m×6.6 m的吊裝口和12.3 m×7.5 m 的出土口，分別用于盾構主機、后配套臺車吊裝下井和渣土吊運，如圖1 所示。本工程由于受到始發井周邊環境條件的限制，盾構始發井尺寸已確定，必須采用分體始發。分體始發主要針對盾體、后配套臺車拆分及管路改造[2]。

2 盾構機分體及其改造

盾構分體始發即將盾構機盾體及部分后配套臺車吊入到始發端，另一部分后配套臺車安裝在地面上，在盾構掘進長度達到足夠能使所有的后配套臺車放入的長度后，再按整體始發的模式將后配套臺車吊裝下井進行二次始發[3]。

由于綜合管廊區間盾構始發井內凈空長37 m，而盾構機全長80 m，導致部分臺車無法下井整機組組裝，必須采用分體始發。即將盾構機部分臺車必須先放置于豎井頂板處，以延伸1 號臺車與2 號臺車之間的管路來實現始發，經過管路轉接使盾構機設備正常連接和正常掘進，待掘進長度滿足后續臺車布置后再對其進行吊放和組裝連接。始發組裝順序依次為：始發基座安裝、軌道鋪設→盾體及后配套臺車下井組裝調試→安裝反力架→安裝洞門密封圈→洞門鑿除→負環拼裝→掘進[4]。盾構機下井順序為：盾構主機→連接橋→1 號臺車至4 號臺車下井，5號、6 號臺車不參與第一次始發。

中板預留吊裝口尺寸為11.9 m×6.6 m，而2 號臺車總長12 m，整體無法吊裝下井，因此必須對2號臺車[5]進行改造。采取拆除2 號臺車推進泵、電機（包含底部平臺）、泡沫原液箱（包含底部平臺）方式吊裝下井，同時對推進泵、泡沫原液泵及其管路進行保護。拆除以上設備后，2 號臺車長為10.5 m，可以順利下井，同時提高了吊裝下井安全性。

2.1 管路的改造

延伸管路[6]長度設定為100 m，其中污水管、EP2 油脂管、盾尾油脂管及HBW 油脂管不用延伸。始發初期污水排放采取盾尾污水直接排放井口方式，5 號和6 號臺車水管卷盤、污水箱污水泵、電纜箱不投入使用。始發掘進過程中，高壓電纜和延伸管路同步收放，循環水軟管、污水軟管采取設計滑車收放或直接盤放于1 號臺車后方。考慮管路延伸的復雜性，將3 號和4 號臺車上的污水管改裝到1 號臺車；主控室門口將接線箱移至柱子背面，讓出位置安裝EP2 油脂泵；拆除同步注漿罐尾部水箱，用于安裝盾尾油脂泵和HBW 油脂泵，采用1.2 m×1.2 m×10 mm 鋼板制作延伸平臺，底部用20a 工字鋼兩邊支撐。因空間狹小，如果需放備用油脂，則將延伸平臺加長一倍。

盾構機液壓流體延伸管路總計22 根，現場需要從2 號臺車頭部連接到1 號臺車尾部；在出土口頂板安裝一個管路支架，通過管路支架將管路送到底板（管路下井處用手拉葫蘆懸吊保護，防止油管接頭脫落），下井后管路繼續往1 號臺車尾部延伸，1 號臺車尾部也設置一個管路支架，盾構機掘進時，管路由人工輔助跟隨盾構機前進。

從盾構機原主氣管往1 號臺車右側送氣管加裝一個DN25 三通閥門，分別往盾尾油脂泵、EP2 油脂泵、HBW 油脂泵三處送氣源。

2.2 出土方式的改造

將出土口[7]改裝至1 號臺車尾部，出土分四個階段。

第一個階段：開挖前1.5 m 采用自制小渣斗出土，門式起重機吊裝出土。

第二個階段：掘進負2 環至25 環出土：采用一臺5 t 卷揚機+電動平板車運輸出土，門式起重機吊裝出土。

第三個階段：掘進25 環至60 環，采用電瓶車帶一個18 m3渣土車運輸出土。掘進25 環后，管片長37.5 m，管片摩擦力大于1 200 t。前10 環管片采用槽鋼全部連接起來，拆除負環上半部分，對0 環至反力架位置頂撐加固。配備電瓶機車+1 臺漿液車+1臺渣土車+1 臺管片車進行運輸，漿液車放在渣土車前面，保證同步注漿和渣土外運。

第四個階段：掘進60 環后，進行二次始發，鋪設道岔，考慮始發井凈距僅有35 m，采用兩列電瓶車組正常出土。

2.3 同步注漿液輸送方式的改造

隨著盾構掘進，脫出盾尾的管片與土體間出現“建筑空隙”，即通過盾構機設在盾尾的4 個壓漿管予以同步填注漿液[8]。同步注漿輸送方式的改造分兩個階段。第一個階段：負環上半部分拆除前25 環，1 號臺車最大距離洞門7 m，可采用DN100 鋼絲軟管將漿液自流入1 號臺車同步注漿灌。第二個階段：掘進25 環后，采用電瓶車帶一個漿液車，通過漿液車倒運注漿液到同步漿灌。隨著盾構機掘進，始發距離加長，同步注漿管道輸送能力隨之下降，注漿效果減弱，及時進行二次注漿可以彌補同步注漿的不足，有效防止地面沉降[9]。

3 始發托架及反力架的安裝

測量人員對始發托架及反力架[10]在底板上的位置進行定位，始發托架調整就位后，測量人員再次進行高程復核，確保盾構機在始發托架組裝完畢后中心與隧道中心重合。為了避免盾構機進洞后出現“栽頭”現象，始發托架前端應比設計標高提高20 mm。始發托架長9 m，中心與洞門夾角84.7°，距洞門端墻0.3 m。盾構機始發時抬高20 mm 進洞，始發托架安裝后，底部距離結構底板480 mm，采用2 層43 號鋼軌加20a 工字鋼墊設形式（每層43 號鋼軌高140 mm，剩余200 mm 采用20a 工字鋼鋪墊）。反力架前端面距離洞門端墻中心9.58 m，垂直于始發中線，安裝時注意與底板和始發中線的垂直度。

圖2 盾構始發姿態模擬示意圖（單位：mm）

4 小曲線段始發姿態的控制措施

本工程盾構始發端位于半徑為250 m 曲線段，盾構機始發進入土體之前無法轉向，只能沿直線形式進洞[11]。為保證小半徑曲線段控制姿態不超限，采取割線始發，割線長9 m，割線起點為始發里程起點，如圖2 所示。割線始發后在距離起始里程4.5 m位置姿態最大偏離中線40.5 mm，盾構始發中線與結構墻夾角為5.3°。刀盤進洞9 m 后，盾構機具備整體調整方向條件，按常規姿態控制掘進方向。

5 盾構機防“栽頭”控制措施

盾構機離開托架時容易出現“栽頭”[12]現象，需要對洞門鋼環處采取加固處理措施，防止盾構機“栽頭”。洞門鋼環內徑Φ6 620 mm，盾體直徑Φ6 250 mm，存在185 mm 間隙，由于盾構機抬高20 mm 進洞，因而底部間隙為205 mm。采取在洞門鋼環上焊接兩根20a 工字鋼支撐盾體始發，如圖3 和圖4 所示。另外特別注意，工字鋼焊接位置及長度需要考慮避開洞門簾布及刀盤邊緣滾刀。

圖3 洞門導向工字鋼安裝示意圖（單位：mm）

圖4 洞門導向工字鋼安裝示意圖（單位：mm）

6 結語

盾構分體始發作為盾構施工難點之一，其設備改造方案和技術控制措施的合理性決定了盾構始發的安全性和時效性。盾構機在狹窄場地施工適合采用分體始發，具有可行性和操作性，且能滿足項目施工需求，同時能節約工程成本，減少占地面積，保證工序的銜接和施工進度。但也有不足之處，分體始發難度相對整體始發大，出土速度對比整體始發慢。

小半徑曲線盾構始發，具有軸線曲率大、半徑小、始發姿態難控制、水平位移大等特點，因此必須選擇合適的始發方向來控制盾構機的姿態，結合同步注漿、二次注漿來穩定成型管片，確保施工質量滿足設計、規范要求。