复杂情况下的盾构始发技术分析

复杂情况下的盾构始发技术分析

罗元开

粤水电轨道交通建设有限公司

摘要：以新建城际轨道广佛环线佛山西站至广州南站段沙堤隧道盾构区间为基础，详尽的介绍在复杂的情况下，盾构始发施工过程中的各种技术手段和施工方法，以对其施工流程中的技术要点作出详尽的阐述，并对施工过程中的一些经验要点进行了总结，以供参考。

关键词：复杂情况；盾构始发施工；技术分析

前言

盾构始发技术是盾构法施工过程中的关键性环节，同时也是盾构施工得以顺利进行的关键性前提条件。整个盾构始发工序包括多个环节的配合，其中包含土建施工、测量监测、以及设备安装等相关工序的配合与衔接，比如端头的地层加固工序、安装盾构机始发基座、盾构机就位、组装、安装反力架、安装洞门密封帘布橡胶板、拼装负环管片、盾构机试运转、洞门处理和试掘进等。

1、盾构始发施工前的准备工作

（1）端头的地层加固工序

在盾构始发前需要对隧道采取必要的加固措施，在加固之前首先需要对隧道的岩层结构、地下水文情况以及不良地质和特殊地质状况等作一个详尽的地质勘查报告，并根据地质勘查报告采取相应的应对措施。在该项目的地层加固中使用的是搅拌桩法。具体的加固措施为：始发井端头加固采用Φ500@400mm搅拌桩，加固纵向范围28m，平面范围为结构线外3m，桩底进入地层1m。加固段两侧及隧道之间设800mm厚地下素混凝土连续墙，深度16.24m，纵向范围18m。在加固的过程中严格控制施工过程中各项施工参数，在底层在地层加固工序完成以后，一定要注意对附近的土体的加固效果进行必要的检验，以保证端头加固的效果，端头加固效果的好与坏直接会影响到盾构机吊装的施工安全性和盾构始发施工的安全性。

（2）对地质加固工作的监测

根据地质加固效果检验报告对盾构始发端头及始发井周边的土体、建筑物、构筑物等进行必要的监测，以保证盾构机吊装安全和盾构始发时的土体沉降。

（3）预埋件的埋设

根据设计要求，在盾构始发前应先进行预埋件的埋设，例如：反力架、始发台架、洞门钢环等预埋件，确保预埋件的埋设位置准确。

（4）盾构机始发台架的安装

盾构机始发台架需要承受盾构的重量，并且还承担着为盾构始发定位的作用。因此在盾构机组安装之前，需要依据隧道设计轴线、洞门位置及盾构机的尺寸，来测算始发台架的空间位置。并根据测算数据进行始发台架的测量放样和确定基线，将其吊入井下。由于盾构机主体质量过大，所以始发台架必须具有足够的强度和刚度[1]。

另外在始发台架安装之前，需要测量组先在始发井底板上设立控制护桩，然后根据控制护桩来精确定位始发台的高程以及左右安放位置。待始发台架安设完成以后，还需由测量组进行复核，复核无误之后，再将始发台架底部结构焊接在预埋钢板上，以确保始发台架整体结构的稳定性。在组装盾构机主体时，需要在始发台架的轨道上涂一层硬质润滑油，来减小盾构机在始发台上前后平移时所产生的摩擦力。另外需要保证始发台的坡度和隧道设计轴线坡度之间的平行，从而保证盾构机按照设定的中心和高度进入地层。

（3）盾构机反力架的安装

在盾构主体部分吊入始发井之后，需要进行反力架的安装。反力架提供盾构机推进时所需的反力，因此反力架须具有足够的刚度、强度和稳定性。反力架底部固定在底板预埋件上，一侧支撑固定于端头结构墙埋设的预埋件上，另一侧支撑为斜撑，底部底板固定在提前做好的预埋件上，以确保始发过程中反力架的稳定性。

在安装反力架的时候，需在测量的基础上进行双向校正，以确保两根立柱的垂直，从而使得立柱形成的平面和盾构机的推进轴线之间也能够保持垂直。同时为了保证盾构机始发姿态，安装反力架和始发台时，反力架左右偏差距离不能超过10mm，高程偏差不能超过5mm，上下偏差不能超过10mm。

（4）洞门密封装置安装

盾构机组装完毕之后接着需要进行洞门密封装置安装工序，在盾构始发之前，首先需要清理掉洞口的渣土。另外为了防止在盾构始发掘进过程中，发生泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失现象，需要安装洞门临时密封装置，临时密封装置由帘布橡胶、卡板、垫片和螺栓等材料组成。

另外，为了保证密封装置安装的快速以及牢固，在进行始发井施工的时候，需要在预留洞门处预埋环状钢板。在安装密封装置之前，需要对帘布橡胶的整体性、硬度、老化程度以及圆环板的成圆螺栓孔位等进行必要的检查，并提前把帘布橡胶的螺栓孔加工好[2]。盾构机进入预留洞门前，需要在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂一层润滑油，以免盾构机刀盘挂破帘布橡胶板而影响到密封的效果。当盾构机刀盘进入洞门后，需将卡板置于外侧，并用螺栓进行固定。当盾构机主体部分全部通过洞门之后，再将卡板置于负环管片的外表面，以防止泥水和浆液的流失，从而降低始发时的地层沉降度。

2、盾构始发

（1）破除洞门

在洞门凿除钢筋混凝土之前，需要在洞门上开9个样洞观察口（孔径5cm，孔深3m）。探孔后，若发现孔洞无泥砂流出等异常现象发生。需进一步使用垂直取芯检测技术来进一步检测土体的加固情况。具体操作为：在洞圈下部1.0m处，取芯体，若发现取出的芯体基本都能成柱状，则证明土体加固已经达标。

确认土体加固状况良好之后，就可以进行破除洞门的操作了，其步骤共分为两个阶段。首先凿除围护结构外侧混凝土保护层，并割除外侧钢筋；然后分块破除剩余的混凝土结构，只留下内侧的钢筋，以起到在始发之前对端头地层的保护作用。

待盾构机调试、始发架及反力架安装等工作完成以后，就需要将剩余的内侧钢筋割除掉了。洞门凿除需保持连续施工状态，尽量缩短作业的时间，以减少正面土体的流失量。在整个作业过程当中，需由专职安全员进行全过程的监督，杜绝安全事故隐患，确保施工的安全性。同时，安排专人对洞口上的密封装置做跟踪检查。在洞门破除以后，应及时始发掘进，以防止洞门壁后土体暴露时间过长，从而导致土体的不稳定而发生坍塌现象。

在进行盾构始发准备阶段工作的时候，需要根据开挖后洞门所暴露出的围岩条件以及暴露时间的长短，必要时需对洞门端头处采用喷混凝土的方法进行加固。破除洞门的时候，一定要注意保持洞门开挖面的平整，且无较大的坑洞，并与盾构刀盘平面平行。若开挖面上存在大于1.0m3的坑洞时，需要使用低标号的砂浆进行回填。以保证施工完成以后，在洞门开挖面上无锚杆、钢筋等侵入隧道开挖所形成的轮廓。

（2）负环管片拼装

破除洞口并探明洞口出没有安装钢筋结构之后，就需要拼装负环管片了。在该项目中管片厚度为400mm，宽度为1600mm，内径为7700mm，外径为8500mm。在拼装第一环负环管片之前，需在盾尾管片拼装区下部的180度范围内安设7根木条或钢板（长1.4m、厚30mm）。

在盾构机内拼装好整环后，利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出盾尾。由于在始发基座轨道和管片外侧处存在有空隙，同时为了避免负环管片全部被推出盾尾后出现负环管片的下沉现象，需要在空隙处用200×200的斜木尖将其塞紧，并用钢丝绳将管片箍紧，钢丝绳两端均固定在始发台架的预留孔上。第二环负环管片拼装完成以后，管片将采用错缝拼装，并用始发台架在负环下部将其托起。

盾构机进站后，还需安装6～7个环管片才能完成区间隧道。同时，随着隧道的贯通，盾构机前面没有了土体提供的反推力，如此以来，将会造成管片之间的环缝连结不紧密，进而发生错台和漏水的现象。所以在随后管片安装的过程中，需要根据现场的实际情况，应采取以下一些措施：

①管片安装好后要复拧紧管片螺栓，在下一环掘进完成后再次拧紧螺栓，保证管片在拖出盾尾后，紧固次数不少于3次（即：初次拧紧、推进油缸加力后拧紧、脱出盾尾后拧紧）。连接扁铁施工时，先分两节套在螺栓两头，待推进油缸加力后拧紧螺栓并将断开的扁铁焊接起来，保证下一环拼装时，收回油缸后管片接缝松动。

②提高管片拼装质量，特别注意F块的安装质量，尽量避免F块挤伤和错台等现象。

③管片安装前应保证止水条不损坏、不预膨胀，并及时清理管片上的混凝土残渣和泥土等。

（3）盾构机调试

①盾构机的空载调试

盾构机组装和连接完成后，即可进行空载调试，空载调试的目的主要是检查设备是否能正常运转。主要调试内容为：液压系统、润滑系统、冷却系统、配电系统、盾构机管片拼装机系统、注浆系统、皮带传送系统以及各种仪表的校正。

电气部分运行调试：检查送电→检测电机→各系统参数设置与试运行→整机调试→综合调试确认。

液压部分运行调试：推进和铰接系统→螺旋输送机→管片拼装机→管片吊机和负载调试。

②盾构机的负载调试

空载调试完且盾构机及其辅助设备满足了初步要求之后，即可进行盾构机的负载调试。负载调试的主要目的是检查各种管线及密封设备的负载性能，对空载调试不能完成的调试项目进一步完善，使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的最佳工作状态。

（4）洞门处理

①洞门钢环预埋

在该案例项目中，洞门钢环的内径为9100mm，外径为9500mm，环向每6度预埋螺栓一个，共计预埋螺栓60个。在盾构始发井主体结构施工阶段，按照设计图纸要求来进行钢环的预埋。盾构始发井衬砌绑扎钢筋至洞门位置时，将已分块制作好的洞门钢环精确定位后，焊接在端墙钢筋上。同时在钢环内设置支撑，防止在浇筑混凝土时洞门钢环出现变形。环板必须要牢固地嵌入混凝土之中，且单面紧靠模板，灌注混凝土时环板不得松动，从而影响到混凝土的灌注。

②洞门预埋钢环的保圆措施

其一、环状钢板加工完成后，内部必须采用型钢来对环板进行定形，待钢板环预埋完成后，再将定形型钢去掉。

其二、在预埋浇筑混凝土之时，预埋钢环内部必须支撑牢固，以免钢环变形。

（5）始发掘进技术要点

①始发前基座定位时，盾构机轴线坡度略大于隧道设计轴线，盾构机中线可比设计轴线适当抬高。

②在进行始发台架、反力架和首环负环管片的定位时，要严格控制始发台架、反力架以及负环的安装精度，确保盾构机始发姿态与设计轴线之间的基本重合。

③第一环负环管片定位时，管片的后端面应与线路中线需保持垂直。负环管片轴线与隧道轴线重合，第一环负环管片与反力架基准环连接时，负环管片外部一周应焊接定位块，防止管片下沉；另外负环管片采用错缝拼装方式。

④盾构机在始发台上向前推进时，通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿始发台向前推进，不能改变盾构机姿态。

⑤始发初始掘进时，盾构机处于始发台架上。因此需在始发台架及盾构机上焊接相对的防扭转支座，为盾构机初始掘进提供反扭矩，并随盾构机的推进逐次切除。

⑥在始发阶段，由于盾构机推力较小，要特别注意盾构机的姿态。

⑦在始发阶段，由于各种设备还需要进一步磨合，因此需要注意对推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位润滑油的有效使用。掘进总推力应控制在反力架承受能力之内，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台能够提供的反扭矩。

⑧在始发盾尾进入洞门环内之后，必须将盾尾三道密封充填满盾尾油脂，以确保盾尾与围岩体的密封性。

⑨盾构机始发时必须与测量部门紧密联系，在反力架上定位9个控制点，并对各个点进行测量监控，防止盾构推力加大时反力架出现变形。

3、结语

盾构机始发施工的成功与否主要是由对始发技术和始发条件中的各个环节的具体处理质量决定的，因为只有保证好始发条件的完备性，才能进一步的保证始发技术的实现，进而促成盾构机始发施工的完成。所以一定要把握好始发环节中的各个工作细节，只有确保各个工序的完成质量，才能够确保始发施工达成预期的目标。

参考文献

[1]王海成.复杂条件下地铁盾构施工过程的影响因素分析[J].工程技术：引文版，2015（46）：00123-00123.

[2]沈永东，杨流，陈凯.复杂周边环境地区超深盾构始发井施工技术[J].隧道建设，2007，27（s2）：365-371.