地鐵盾構始發安全控制關鍵技術

王明亮

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300202)

城市地鐵的大規模建設為盾構設備的推廣和使用提供了條件，目前我國有大量的軌道交通區間采用盾構法施工建設。盾構施工中盾構的始發和接收非常重要，也是安全控制的關鍵環節。根據不完全統計，利用盾構法修建的工程中，有一半以上的事故發生在盾構始發、接收階段。鑒于盾構始發容易引發事故，多位學者總結了盾構始發施工經驗：呂乾乾[1]、劉軍[2]等采用數值模擬軟件進行分析，對不同工況條件下的盾構始發時的不同參數進行模擬，確定了不同地質條件下盾構始發時合適的施工參數；杜寶義[3]、李森[4]等結合施工經驗，認為洞門處采用地下連續墻加其他輔助措施可以有效降低施工風險，使得盾構始發安全順利；李暉[5]介紹了一種可以提高盾構出渣和洞內管片運輸效率的工作井內整體盾構始發施工技術，有效縮短了施工工期；賀文波[6]根據某大直徑盾構始發階段風險分析結果，制定了該隧道盾構始發風險預控方案；李軍[7]提出了一種鋼板外置鋼箱盾構始發施工技術，有效控制了盾構始發滲漏水。

本文結合北京地鐵17號線工程土建施工13合同段地鐵盾構始發施工實際，對該工程盾構始發關鍵控制技術進行介紹，為類似條件盾構施工提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 設計情況

北京地鐵17號線工程土建施工13合同段包含一站兩區間，區間左線長2 817.069 m、右線長2 621.167 m(含空推265.6 m)，最大坡度為23‰，最小曲線半徑為320 m，擬采用一臺全新的鐵建重工生產、編號DL553、直徑為6 640 mm土壓平衡盾構機施工。

盾構隧道整體埋深在6.45～17.94 m之間，沿線土層有粉質黏土⑥層、黏土⑥1層、黏質粉土⑥2層、中砂⑦1層、細砂⑦2層、黏土⑦5等。

1.2 盾構始發施工重難點

1.2.1 端頭加固

始發井端頭加固可以有效提高盾構始發前方土體的強度和整體性，使得土體具有良好的自立性，降低掘進時土體對盾構刀盤的側壓力；良好的加固效果可以有效填充土體內部空隙，堵塞端頭井局部水流路徑，降低始發階段盾構井滲漏水的風險，如果始發時出現滲漏水，很有可能造成盾構始發的失敗，所以，端頭加固及加固質量非常重要。

1.2.2 洞門破除

洞門破除將使洞門前方土體的平衡狀態遭到破壞，在新的平衡形成之前，會出現一定程度的地層擾動、土層坍塌破落等，如果洞門前方加固條件不好，甚至會出現滲水現象，進而影響盾構施工進度和安全，是盾構始發施工必須要注意的。

1.2.3 掘進參數控制

洞門破除后，掘進參數的控制對始發控制至關重要，始發掘進參數控制的好不僅能保證始發的順利進行，而且也為后期盾構正常掘進過程的參數控制提供參考依據，但是，新盾構機進入地層后的參數控制往往以經驗為主，具有很大的主觀性。

2 盾構始發關鍵施工技術

2.1 端頭加固

根據場地實際情況，盾構端頭加固采用洞內深孔注漿，加固范圍為沿結構外邊上、下、左、右各3 m，加固長度為8 m；同時在深孔注漿加固完成后根據周邊降水情況，適當增加降水井降低周邊地下水位，以起到盾構進洞時降低水壓力的作用。端頭加固情況見圖1。

圖1 端頭加固平縱斷面圖(單位：mm)

端頭井加固效果必須經過現場實際檢測確定，28 d加固強度和滲透系數必須不小于設計和規范要求，本工程要求無側限抗壓強度最低0.5 MPa，滲透系數最大1.0×10-6cm/s，對檢測不滿足要求的部位需進行二次加固。對始發井周邊有地下管線的局部需進行補強加固，同時做好地下管線的保護和檢測工作。

2.2 洞門圍護結構鑿除

洞門圍護結構破除(見圖2)一般在端頭加固經過檢測合格后進行。鑿除前，需要在端頭井內部搭設雙排腳手架提供拆除條件。為降低盾構切削過程中對刀盤的磨損，切削范圍內圍護樁一般用玻璃纖維筋代替常規鋼筋，將開挖面圍護樁鑿除至70 cm(以防止盾構機在轉動刀盤的時候對止水簾布造成損壞)后轉動刀盤開始掘進。

圖2 洞門圍護結構鑿除順序示意圖(單位：mm)

鑿除過程中常有土體掉落，需要在安全管理人員的監督下謹慎進行，當出現土體壓力較大的時候，需要快速及時的用提前準備好的鋼筋網片和豎井結構鋼筋焊接，然后用鋼管和方木支撐固定，緊接著在圍護結構外圍和洞門內部注漿加固。

2.3 始發基座及反力架的安裝

盾構始發時推力較大，對始發基座會產生縱橫向推力和刀盤扭轉時的反力，因此，在盾構始發之前需要對基座進行加固，一般是在基座兩側增加型鋼、在盾構機盾體上增加防扭轉的牛腿。

本工程采用的盾構機主機重量為362 t，如圖3所示托架角度60°，根據H型鋼的承重計算得出基座最大承重為168 MPa。使用時單側壓力F1=209 kN，面積A=2.55 m2，則應力σ=F1/A=0.82 kPa<168 kPa，托架強度滿足要求。

根據鋼結構相關手冊，在有潤滑作用條件下，鋼材之間的摩擦系數介于0.05～0.10之間，根據靜力計算手冊查得截面積為352.5 mm2，連接強度為140 N/m2，則設計可承載力f=2 560 kN>940.5 kN，抗剪強度滿足要求。

盾構反力架在始發時受力較大，始發的大部分反力由反力架提供，因此需嚴格按照步驟安裝并驗算反力架的強度、穩定性、抗拔性等。

圖3 始發架示意圖(單位：mm)

反力架受力采用雙榀H450×300型鋼作為支撐，以提供盾構始發時所需的反力，頂部設置2道橫撐及2道抗浮支撐，支撐在南端側墻上；南端東、西兩側側墻設置4道橫撐，采用側墻預埋鋼板固定；底部設置3道橫撐，支撐在底部側墻。盾構始發反力架支撐設置見圖4。

盾構機始發推力取Fn=10 000 kN，通過負環傳遞到反力架上的荷載實際轉化為局部分布荷載，近似認為Fn平均分配到反力架八邊形區域。

反力架通過型鋼支撐把力傳遞給后靠鋼筋混凝土墻，經計算，反力架所受最大彎矩為Mmax=1 935 kN·m，H450×300雙榀型鋼支撐所受最大軸力為N1=2 443 kN。

為方便進行反力架的強度、穩定性的驗算，將反力架視為箱型截面，經查計算手冊，反力架截面抗彎模量W=15.632 cm3，根據計算手冊代入計算得出應力σ=M/W=124 MPa≤[σs]=210 MPa。

圖4 盾構始發反力架支撐圖(單位：mm)

H450×300雙榀型鋼支撐由兩個H型鋼焊接而成，其中軸力N=2 443 kN，查規范得穩定系數為φ1=0.75。其截面面積A1為30 488 mm2，則σ=N1/φ1A1=106.8 N/ mm2≤f=215 N/ mm2。因此，H450×300雙榀型鋼支撐正應力驗算滿足要求。

經計算，在最大軸力N=2 443 kN的作用下，型鋼支撐變形量Δ1=3.9 mm≤L1/200，滿足要求。

反力架東、西兩側立柱與盾構端頭井底板預埋鋼板進行焊接連接，每塊預埋鋼板下均焊接8根規格為HRB400的?28 mm螺紋鋼U型筋。按照兩根型鋼斜撐所受軸向力均為最大值N=2 443 kN計算，則作用于反力架立柱的豎向力為T=2N×cos45°=3 454 kN。而反力架立柱下預埋鋼板所能提供的錨固力為F錨=7 877.6 kN>T=3 454 kN。故在受力情況下，反力架下預埋鋼板錨固筋能夠滿足抗拔力的要求。

2.4 洞門密封安裝

洞門密封的質量直接影響始發時的防水效果，對盾構機的順利始發至關重要。洞門密封一般分兩步進行，一是在始發豎井端墻施工時，按要求布設始發洞門預埋件，保證預埋件和端頭墻主體結構鋼筋進行有效連接；二是在盾構機始發工作之前，在洞門密封壓板和橡膠簾布板安裝時要保證洞口的渣土已經徹底清理。洞門密封結構見圖5。

圖5 盾構洞門密封安裝示意圖

2.5 盾構機調試

盾構機的調試是一項綜合工程，需要多方共同配合方能完成。調試工作順序繁瑣，調試后的盾構機需達到設計規定的性能要求后方可停止，調試的工作流程大致為：供電系統→盾構整體部分→刀盤→盾構機電氣系統→刀盤驅動部分→推進系統→管片拼裝機及管片存放機→螺旋輸送機→刀盤→膨潤土注入系統→盾構機鉸接功能→皮帶輸送機→泡沫系統→漿液注入系統→輔助配套設施→整機及帶載運行。

調試完成并正常運轉后，可以進行盾構負環管片的安裝施工。

2.6 負環管片安裝

負環管片的安裝一般都是在盾構機調試完成后進行，這樣可以避免調試期間盾構機調整的麻煩。該項目采用內徑5.8 m、外徑6.4 m的鋼筋混凝土負環管片。負環環寬1.2 m，含3塊標準塊、2塊鄰接塊、1塊封頂塊。為保證管片安裝的準確度，安裝前需對反力架端頭不平整部位進行清理，然后在端面上沿圓周方向均勻取10個點，為后續根據測量結果調整反力架端面與管片之間間隙的參考。本工程負環采用錯縫拼裝方式，拼裝點位為1、15點位。

根據調整后的管片位置，精確確定后開始組裝負環管片和反力架，以確保盾構推力能夠有效的傳遞到負環管片和反力架上。在布置反力架和負環管片時，一般把緊靠反力架的那一環作為基準，該環采用鋼梁。為保證拼裝負環管片精度，負環管片一般先采用盾構機整體拼裝，接著用千斤頂將負環管片推到安裝位置，然后將負環管片和基準環進行牢固連接，其他負環管片按照整洞掘進管片拼裝即可。

3 盾構始發及試掘進控制

3.1 盾構始發參數選擇

由于始發時端頭加固效果達到設計要求，土體自穩能力好，可以保持直立，有條件時可以采用半敞開模式掘進施工。盾構機刀盤離開加固土體后將進入正常土體范圍，此時要提前調整掘進模式，快速建立土壓平衡模式進行施工。為降低始發對土體的擾動，在剛進入正常土體的前幾環時采用低速小推力進行掘進，一般推力在4 000～8 000 kN之間，刀盤轉速不大于1.2 rpm，土倉壓力在0.5～1.0 bar(1 bar=0.1 MPa)之間，此時需要密切關注土倉壓力的變化，及時調整螺旋機轉速以適應土倉壓力的變化。

根據以往施工經驗，在盾構始發刀盤剛接觸工作面時，螺旋機暫停排土，當土倉內的渣土達到土倉容量的60%時可以逐步開啟螺旋機，通過該辦法可以對盾構初期壓力進行有效合理的調整。

3.2 試掘段掘進參數選擇

盾構始發時的參數確定至關重要，合適的掘進參數是保證掌子面穩定、地表沉降可控及地面建筑安全的基礎。本項目根據地質情況選擇土壓平衡模式施工，根據實際情況，下面主要對土倉壓力控制、千斤頂推力和刀盤轉速、出土量和同步注漿參數進行詳細介紹。

3.2.1 土倉壓力的控制

土倉壓力需要根據地層情況和埋深，通過理論計算并結合經驗參數修正后進行確定。擾動后的土體后期恢復初始平衡時會發生滯后沉降，實際施工過程中為了對這種后期的沉降進行補償，結合盾構施工時盾尾沉降損失會引起沉降，通常會對理論計算的平衡壓力進行調整，一般提高0.01～0.02 MPa，然后根據實際情況進行修正。盾構埋深h=12～20.9 m，土層平均重度= 20.2 kN/ m3，內擦角φ= 17°，靜止側壓力系數K0=0.4，所以P=0.4×20.2 kN/ m3×(12～20.9)m=0.1～0.17 MPa。

(1)加固區土倉壓力設定：盾構機過加固區到原土層土倉壓力由零逐漸增加，保證過加固區后土倉滿倉。

(2)出加固區后的土倉壓力設定：出加固區之后土體情況發生明顯變化，需要根據施工實際逐步提高土倉壓力直至達到理論值，一般控制為0.01～0.02 MPa，并隨監測數據進行適時調整。

3.2.2 千斤頂推力與刀盤轉速

盾構掘進時千斤頂推力和刀盤轉速需要時刻保持在合理的范圍內，因為合適的轉速和推力是保障盾構切削土體順利的關鍵。如果推力過小，就不能保證刀盤對前方巖土體的切削和破裂效果，掘進速度緩慢；如果推力過大，會在管片安裝或者制造不均勻部位產生應力集中，造成局部管片破裂、滲水，影響隧道整體施工質量。一般盾構推力控制在6 000～10 000 kN，最大推力的確定應該根據分組千斤頂壓力反饋的數據修正。依據施工經驗，本項目千斤頂壓力上限取管片混凝土強度的0.5倍即25 MPa是合理的，在此壓力下既能安全掘進，又不會使管片產生擠裂、破損等問題。

考慮到地層黏土含量較高，刀盤轉速控制在1.2 rpm左右可以方便刀具充分切入土層，取得良好的切土效果。同時，刀盤轉速的確定需要考慮刀盤扭矩、泡沫注入速度、掘進速度等因素。

3.2.3 出土量控制

出土量能夠直觀反映盾構掘進過程是否正常以及前方土層是否穩定，在正常注入泡沫劑的情況下，根據隧道斷面大致可以推算出每環出土量在46～48 m3左右，出現出土量偏大或者偏小，往往反映出盾構掘進出現異常，需要引起注意并及時采取措施。

本項目采用的渣土車容量為18 m3/斗，為確保不超挖，要求每環出土量不超過3斗。在掘進時，要求盾構司機做好記錄，并要求有經驗的工程師對每斗渣土進行抽樣檢測，分析盾構機掘進情況。

3.2.4 同步注漿

盾構施工對地層的擾動可以通過同步注漿進行一定程度的補償，及時有效的同步注漿可以起到穩定隧道管片、控制變形、防止盾構管片錯臺的作用，同時可以保證盾構姿態的準確，提高施工速度。

同步注漿要嚴格按照規范操作，合理控制注漿量和注漿壓力，防止因注漿量過少造成地面過量沉降和壓力過大造成涌砂涌水及隆起。

通常情況下，注漿壓力宜為0.2～0.3 MPa，當出現異常情況(噴涌、沉陷)時，可以根據需要適當提高注漿壓力，如遇特殊情況，可以改變注漿材料或者配比，以確保盾構施工的安全。

4 盾構始發施工注意事項

(1)始發基座和反力架、負環的安裝精度是保障盾構始發姿態與隧道設計線形符合的關鍵，需要嚴格控制。

(2)負環管片安裝時通常采用錯縫形式，首環負環管片在定位時，要確保線路中線與端面垂直；在安裝頂部管片時，為克服支持力不足，保證安裝位置準確，需要及時采用方木進行下墊加固。

(3)通過千斤頂把管片推出盾尾時，為避免管片下沉或變形，需要及時進行支撐加固。

(4)對有水地段，始發之前需要先將水位降至隧道底部1 m以下，方可進行始發。

(5)始發時推力不易確定，推力較小、地層較軟時容易出現盾構機栽頭，因此，要時刻注意始發推力和扭矩的控制。

(6)在始發時，若盾構進入圍護結構2～3環時，監測到地層含水量超過允許值，需要通過盾構機的注漿孔進行注漿堵水，一般可以注聚氨酯進行堵水。

5 結束語

盾構始發和接收是盾構施工非常重要的一部分，如何安全高效的保證盾構始發工作的順利進行一直是盾構施工關注的重點，本文依托具體工程，對盾構始發涉及相關關鍵技術進行介紹，希望可以為后期類似盾構地層始發施工參考。