泥水平衡盾構分體始發井尺寸的優化分析

阮小勇、楊志先

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

作為西霞院水利樞紐輸水及灌區工程的一項控制性工程，穿沁河隧洞盾構施工受水文地質條件及地表建構筑物影響較大，盾構機及其配套設備復雜，施工組織具有一定難度，工期控制存在不確定性，為保證西霞院工程的工期目標，在投資可控的情況下，適當調整始發井的結構尺寸，以便更加合理地組織施工。基于西霞院工程下穿沁河段對泥水平衡盾構分體始發在滿足不同的進料運輸設備編組情況下始發井結構尺寸進行分析，在確保安全質量的前提下，既有利于成型隧洞管片的拼裝質量，又可節約工期。

1 工程概況

河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區工程包含一段新建穿沁河隧洞，長2850m，隧洞工程所用設備為泥水平衡盾構機，盾構開挖直徑6.88m，主機長度8.56m。盾構始發井周邊場地開闊，無建構筑物及地下管線等影響豎井施工。盾構隧洞沿線地面重要建構筑物主要有民房及沁河大堤，需要下穿沁河及方陵村民房，進洞段長672m 為40‰下坡段，施工期間安全風險系數較高。盾構始發井為矩形豎井，圍護結構采用厚度1000mm 地下連續墻，地連墻外側尺寸26m×14.5m，深度26m，原設計方案工作井總長20m，內部凈空長度為16m，垂直水流方向長18m（凈空寬度14m），豎井采用明挖順作法施工。該工作井無法滿足盾構整機組裝始發要求，需要采取分體始發。

2 施工組織及工期、施工期安全方面對比論證

穿沁隧洞施工難度大、施工工序復雜、關鍵工序占直線工期長，是控制西霞院工程總工期的關鍵性工程，加快穿沁河隧洞工程建設進度能有效縮短整個工程的建設工期，有利于工程盡早發揮效益。盾構始發井設計規格最基本的要求有：必須滿足盾構主機及反力架托架安裝；必須保證出渣進料的通道最相關空間保證物料運輸空間。其設計原則是從“最小滿足性”開始考量之后，對不同井的規格與盾構機改造量、掘進工效的相關性進行分析比較，最終確定一個平衡點，既滿足分體始發合理工效，又能控制盾構始發井規格；盡可能滿足主要后配套臺車下井安裝。項目部人員進場后，根據工程特點提出延長工作井尺寸及減小工作井寬度的優化建議及方案，便于更加科學合理地組織施工。業主、設計、施工、監理單位多次進行現場實地勘察。

結合國內主要盾構機生產廠家和配套設備廠家提供的資料，參考國內類似泥水盾構施工經驗，充分結合現場實際情況，始發井垂直水流方向凈空寬度從吊裝、調試和兩側的作業空間等方面考慮，建議由14m 調整為10m；從進料運輸設備的編組及其占用空間的角度對始發井凈空長度方面進行分析對比及論證。作為泥水平衡盾構機一列完整進料運輸設備的編組需要1 臺電瓶車、1 個砂漿車和2 節管片車，總長為22.4m。從原設計始發井內凈空長度16m 及滿足泥水平衡盾構機一列完整進料運輸設備的編組的井內凈空長度22m 考慮。

下面從現場施工組織及工期、施工期安全方面進行分析及論證。

2.1 始發井內凈空尺寸為16m×14m

始發井內凈空長度16m 時，井內不能滿足材料一次運輸進洞的進料運輸設備整列編組（長度為22.4m）的要求，此時共有兩種方案可選擇：

方案1：一次運輸方案。電瓶車在始發井口道岔處通過拆解、倒運、再連接，連接成整列編組后運送材料進洞，電瓶車運送一環材料需進出隧洞1 個來回，需要配置兩列電瓶車。

方案2：兩次運輸方案。進料運輸設備按照兩列配置，機頭+管片車+管片車，機頭+漿罐車。電瓶車運送一環材料需進出隧洞2 個來回，需要配置兩列電瓶車。進料運輸設備編組布置詳見圖1、圖2、圖3。

圖1 列車編組布斷面置縱圖

圖2 列車編組縱斷面布置圖

圖3 列車編組平面布置圖

經過比較分析，上述兩個方案施工功效基本接近，方案1 在拆解再連接電瓶車過程中，在隧洞進口處為40‰斜洞，為下坡段，施工難度較大，施工期間安全風險較高。方案2 相對方案1 安全性高，故以方案2進行功效分析。

2.1.1 功效方面

由于單列電瓶車和兩列電瓶車對盾構機掘進拼裝1 環管片所用時間的影響在前期并不大，盾構掘進時間為主要耗時，但隨著掘進長度的增加，管片、材料及漿液的運輸逐漸成為主要耗時，按照掘進至1300m處分析平均工效。

（1）始發階段（前100m）

采用全分體始發，井內只下盾構主機，盾構主機在井下組裝，連接橋及后配套在地面組裝連接。主機與連接橋之間使用延伸管線進行連接，完成動力、控制信號和耗材運輸，始發施工難度大，投入大。

管片通過卷揚機拖拽運輸進洞，再通過手動葫蘆吊運至喂片機上方，材料運輸洞內吊運以人工+簡易機械為主，管片最重超過5t，在管片搬運過程中，安全風險大，易發生磕碰，造成管片破損，容易使成型隧洞質量較差。

該階段根據以往類似工程經驗需2 個月。

（2）接收階段（最后100m）

盾構掘進至最后100m，應放慢掘進速度，做好貫通前測量等工作，確保順利出洞，計劃工期0.5 個月。

（3）正常掘進階段（按照掘進至1300m 處分析平均工效）

掘進前準備工作：電瓶車帶漿罐車就位，放漿完成后開始掘進。

（a）盾構掘進一環所需時間：管片環寬1500mm，掘進速度平均按30mm/min，掘進一環所需時間1500/30=50min。

（b）材料運輸，完成一環掘進需進出洞2 次運送材料，分別為：機頭+管片車+管片車、機頭+漿罐車。

其一，機頭+漿罐車出洞20min；

其二，機頭+管片車+管片車進洞20min，卸管片、材料30min，出洞20min，總計70min；

其三，機頭+漿罐車進洞20min，卸漿液20min，總計40min，達到下一環掘進條件。

共計130min，約2.17h。

（c）管片拼裝30min。

累計掘進一環時間2.17h，盾構隧洞掘進采取“10h+10h+6h”勞動組織方式，即每天安排兩個掘進班和一個保養班作業，每一掘進班工作10h，保養班工作6h，保養班與每個掘進班的作業時間重疊1h。日平均進度：（10+10）÷2.17×0.85×0.8＝6.27 環/天，取6 環/天（其中0.85 為機械綜合完好率，0.8 為時間綜合利用率）。月掘進180 環（270m），掘進時間2447m/270（m/月）=9.06 個月。

考慮到地層石英含量較大，對刀盤磨損嚴重，中間計劃開倉檢查刀具、刀盤磨損等情況，預計時間2個月。掘進總工期：2+9.06+0.5+2=13.6 個月，清理清除洞內、井內臨時設施約1 個月，盾構施工總工期約15 個月。

能滿足投標文件中盾構施工工期要求。

2.1.2 安全方面

該項目隧洞段坡度大（40‰），由于始發井內凈空長度限制，需配置兩個道岔，道岔需加高至0.65m 才能使兩列電瓶車運行，這使得電瓶車的坡度在隧洞段的坡度上再次增加，施工期間安全風險更大。

2.2 始發井內凈空尺寸為22m×10m

始發井內凈空長度優化至22m 時，能滿足掘進1環材料一次運輸的進料運輸設備整列編組長度。電瓶車編組如下：機頭+管片車+管片車+漿罐車。進料運輸設備編組詳細布置見圖4、圖5。

圖4 列車編組平面布置圖

圖5 列車編組 縱斷面布置圖

2.2.1 功效方面

由于單列電瓶車和兩列電瓶車對盾構機掘進拼裝1 環管片所用時間的影響在前期并不大，盾構掘進時間為主要耗時，但隨著掘進長度的增加，管片、材料及漿液的運輸逐漸成為主要耗時，故按照掘進至1300m 處分析平均工效。

（1）始發階段（前100m）

可以采用半分體始發，井下可以放置盾構主機+2#臺車+司機室，改造后的2#臺車上放置同步注漿系統、盾構油脂及潤滑油脂注入系統、盾構管片吊運系統（增加了雙軌梁），能夠滿足管片洞內吊裝至拼裝機的條件，節約了大量延伸管路，避免了人工采用簡易機械操作，降低了施工期間的安全風險，同時避免了管片的磕碰破損，成型隧洞質量更加有保障。該階段根據以往類似工程經驗需1 個月。

（2）接收階段（最后100m）

同樣，盾構掘進至最后100m 時，應放慢掘進速度，做好貫通前測量，確保順利出洞，計劃工期0.5個月。

（3）正常掘進階段（按照掘進至1300m 處分析平均工效）

掘進前準備工作：電瓶車帶漿罐車就位，放漿完成后開始掘進。

（a）盾構掘進一環所需時間：管片環寬1500mm，掘進速度平均按30mm/min，掘進一環所需時間1500mm/30mm=50min。

（b）材料運輸，電瓶車每次攜帶3 節配套車進洞，完成一環掘進共計需進出洞1 次運送材料，為：機頭+管片車+管片車+漿罐車。

其一，機頭+管片車+管片車+漿罐車出洞20min；

其二，井口材料吊裝30min，機頭+管片車+管片車+漿罐車進洞20min，卸管片、漿液及材料30min，總計80min。

（c）洞內管片吊卸部分后開始管片拼裝，等待時間20min，管片拼裝30min，拼裝完成后達到下一環掘進條件。

累計掘進一環時間2h，盾構隧洞掘進采取“10h+10h+6h”勞動組織方式，即每天安排兩個掘進班和一個保養班作業，每一掘進班工作10h，保養班工作6h，保養班與每個掘進班的作業時間重疊1h。日平均進度：（10+10）÷2×0.85×0.8＝6.8 環/天，取7 環/天（其中0.85 為機械綜合完好率，0.8 為時間綜合利用率）。月掘進210 環（315m），掘進時間為2447m/315（m/月）=7.8 個月。

考慮到地層石英含量較大，對刀盤磨損嚴重，中間計劃開倉檢查刀具、刀盤磨損等情況，預計時間2個月。掘進總工期：1+7.8+0.5+2=11.3 個月，清理清除洞內、井內臨時設施約1 個月，盾構施工總工期約12.5 個月。

相對原投標工期節約2.5 個月。

2.2.2 安全方面

該項目隧洞段坡度大（40‰），在原始發井內凈空長度上增加至22m，無需配置兩個道岔，降低了軌道高度，減小了施工期間的安全風險。

3 結果對比

綜合分析，始發井尺寸優化后不但能夠提高施工效率，節約盾構掘進工期2.5 個月，為后續隧洞二襯施工等工作贏得更多時間，而且采用半分體始發能夠更好地保證前100m 管片外觀質量，提高了施工期間的安全可控性，減少了施工期間的安全風險。

4 結語

盾構始發井屬于臨時建筑物，對始發井尺寸優化后能夠提高盾構掘進施工效率，可節約盾構掘進工期，為后續隧洞二襯施工等工作贏得更多時間，由此能更好地保證整個項目工期目標的實現，成型隧洞質量更加有保障，同時減少了施工期間的安全風險。從整個工程講，提前完成控制性目標與工程提前完工、提前投入使用相比是有利的，能夠使工程提前發揮社會效益。