劉天正

（1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100068）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，城市地鐵也進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。盾構(gòu)施工在城市地鐵建設(shè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，其中小直徑盾構(gòu)的始發(fā)階段技術(shù)已經(jīng)形成了一定完整的體系，但是對(duì)于大直徑盾構(gòu)的始發(fā)還在進(jìn)行研究和探討。

目前國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)進(jìn)行了研究，趙洪吉以北京地鐵為背景進(jìn)行了富水地層的盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)研究［1］；李維龍對(duì)盾構(gòu)始發(fā)和接收階段等一系列關(guān)鍵操作進(jìn)行技術(shù)分析，對(duì)一些需要特殊注意的操作進(jìn)行了詳細(xì)的解釋［2］；陳鵬對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)坡度始發(fā)總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，為坡度始發(fā)主要步驟提供了參考［3］；陳曉飛對(duì)超大直徑盾構(gòu)小半徑圓曲線始發(fā)技術(shù)進(jìn)行研究得出減小施工風(fēng)險(xiǎn)的方法［4］；范寶寶通過(guò)理論研究與數(shù)值分析對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞門土體加固方案進(jìn)行了改良［5］；呂傳田通過(guò)大直徑泥水盾構(gòu)的研究，總結(jié)了始發(fā)階段關(guān)鍵步驟［6］；程學(xué)武通過(guò)對(duì)大直徑盾構(gòu)管片破損因素以及修補(bǔ)方法進(jìn)行探討，確保了管片的質(zhì)量安全系數(shù)達(dá)到預(yù)期要求［7］；黃學(xué)軍通過(guò)對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)組成以及始發(fā)進(jìn)行研究，得出了在住房較多地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)的眾多關(guān)鍵因素［8］；李到洪等通過(guò)對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)等多個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)鍵步驟的把控，為大坡度始發(fā)提供了精確保障［9］；鞠義成等通過(guò)南京某過(guò)江通道采用了新型洞門密封方式，完成了大直徑泥水盾構(gòu)的曲線始發(fā)工作［10］；尹鐸霖通過(guò)對(duì)福州某地鐵盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)行詳細(xì)分析研究，并通過(guò)數(shù)值模擬，為全斷面砂層大直徑盾構(gòu)始發(fā)提供了可鑒之處［11］；馬昌元以西安某地鐵為背景，對(duì)洞門加固方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為降低盾構(gòu)始發(fā)安全事故提供了參考［12］。

本文以北京新機(jī)場(chǎng)線為工程背景進(jìn)行技術(shù)研究，進(jìn)而總結(jié)出一套大直徑盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)控制、反力架設(shè)計(jì)、參數(shù)控制、負(fù)環(huán)拼裝等關(guān)鍵步驟的實(shí)施方案，達(dá)到了良好的施工效果。

2 工程概況

盾構(gòu)隧道區(qū)間左線全長(zhǎng)3 832.39 m，右線全長(zhǎng)3 847.44 m，為新機(jī)場(chǎng)線最長(zhǎng)的盾構(gòu)區(qū)段，控制機(jī)場(chǎng)線路貫通時(shí)間。線路埋深12～16 m，最大坡度5.9‰，最小曲線半徑為1 300 m。區(qū)間共設(shè)3座檢修井和6座聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工，盾構(gòu)區(qū)間隧道外徑8.8 m，管片厚度450 mm。

始發(fā)端地質(zhì)情況為卵石圓礫層:雜色，密實(shí)，濕，一般粒徑5～20 mm，最大粒徑不小于140 mm，粒徑大于20 mm的含量大于50%，中粗砂充填；中粗砂層:褐黃色，飽和，密實(shí)，含云母、氧化鐵。

采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)同時(shí)施工，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑9 150 mm，盾體直徑9 100 mm。盾構(gòu)機(jī)分為主機(jī)和后配套設(shè)備，后配套為1節(jié)橋架、7節(jié)車架。主機(jī)長(zhǎng)度約17 m，整機(jī)總長(zhǎng)約116 m，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)設(shè)備

3 盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程采用整體始發(fā)，盾構(gòu)機(jī)后配套拖車、連接橋等設(shè)備在地面預(yù)組裝完成后整體吊裝下井；在拖車及連接橋下井后，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)下井組裝；待所有設(shè)備下井完成后進(jìn)行整體調(diào)試、始發(fā)，始發(fā)流程見(jiàn)圖2。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)流程

3.1 始發(fā)洞門端頭加固

始發(fā)井的端頭加固是盾構(gòu)機(jī)能否成功始發(fā)的關(guān)鍵因素。盾構(gòu)始發(fā)端采用雙重管高壓旋噴進(jìn)行加固，盾構(gòu)端頭加固在有水地層中應(yīng)滿足始發(fā)端長(zhǎng)度L（L為盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度）；無(wú)水地層始發(fā)段加固長(zhǎng)度為0.5L。盾構(gòu)機(jī)盾體長(zhǎng)度為11 m，旋噴樁樁徑600 mm，間距450 mm。確定本盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)端加固長(zhǎng)度5.5 m，如圖3～圖4所示。

圖3 端頭加固平面布置（單位：mm）

圖4 端頭加固剖面（單位：mm）

3.2 洞門破除

洞門破除是指在盾構(gòu)滿足始發(fā)條件驗(yàn)收后，對(duì)洞門鋼環(huán)內(nèi)鉆孔灌注樁等相關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的鑿除工作。洞門破除采用人工風(fēng)鎬鑿除的方法。在鑿除洞門混凝土?xí)r，搭設(shè)腳手架，設(shè)置操作平臺(tái)。

在始發(fā)端準(zhǔn)確測(cè)量定位出隧道洞門中心線。人工鑿除洞門時(shí)，對(duì)洞門進(jìn)行井字形分格，人工用風(fēng)鎬將混凝土“自下而上、先兩側(cè)后中間”逐格鑿除，鑿除厚度約為0.4 m。破除過(guò)程中采用噴射素砼對(duì)樁間土進(jìn)行防護(hù)，防止樁間土滑落。洞門鑿除順序嚴(yán)格按照?qǐng)D5分塊進(jìn)行。

圖5 洞門鑿除分塊示意

3.3 始發(fā)基座安裝

始發(fā)托架長(zhǎng)11 m，寬8 700 mm。整個(gè)托架分四部分組裝，由螺栓連接，兩側(cè)均布設(shè)側(cè)面支撐用于支撐負(fù)環(huán)管片。始發(fā)托架后部臨時(shí)安裝3.1 m托架（托架型式同始發(fā)托架）用于盾構(gòu)機(jī)組裝時(shí)支撐盾尾。始發(fā)托架中心線與隧道設(shè)計(jì)中線同軸，始發(fā)托架前部距端墻800 mm。托架兩側(cè)均布9根200 mm×200 mm的H型鋼支撐，支撐頂在對(duì)應(yīng)位置的側(cè)墻、上翻梁和底板上。型鋼支撐與側(cè)墻和上翻梁接觸位置塞鋼板加強(qiáng)支撐效果，另一側(cè)與始發(fā)托架牛腿焊接加固，如圖6～圖8。

圖6 盾構(gòu)始發(fā)基座結(jié)構(gòu)平面（單位：mm）

圖7 盾構(gòu)始發(fā)基座結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖8 盾構(gòu)始發(fā)基座施工加固圖（單位：mm）

圖9 密封裝置

3.4 洞門密封環(huán)安裝

盾構(gòu)機(jī)工作井洞門預(yù)埋鋼環(huán)為設(shè)計(jì)寬度1 m的圓環(huán)板結(jié)構(gòu)，鋼環(huán)內(nèi)側(cè)面直徑9.6 m。密封鋼環(huán)由封板、加勁板、圓環(huán)板、翻板、洞門簾布橡膠板組成。密封環(huán)整環(huán)環(huán)面與盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)軸線垂直，封板外直徑9.9 m，封板內(nèi)側(cè)設(shè)置加勁板。鋼環(huán)豎直埋設(shè)于主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，鋼環(huán)外側(cè)設(shè)置錨筋埋入主體結(jié)構(gòu)中。密封裝置如圖9。

3.5 反力架的拼裝

反力架的拼裝過(guò)程關(guān)鍵在于中心定位這一步驟。中心定位的核心內(nèi)容是與負(fù)環(huán)接觸的反力架橫截面與隧道的水平軸線垂直。在定位之前首先對(duì)反力架位置開(kāi)始橫斷面的中心線進(jìn)行精確測(cè)量，然后進(jìn)行中心定位，在始發(fā)托架升起的同時(shí)反力架也隨之升起，見(jiàn)圖10～圖11。

圖10 反力架結(jié)構(gòu)

圖11 反力架安裝加固（單位：mm）

3.6 反力架承載力檢算

始發(fā)時(shí)的推力大于正常掘進(jìn)狀態(tài)推力，所以在始發(fā)階段對(duì)反力架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求更高，對(duì)反力架能承受的最大荷載進(jìn)行驗(yàn)算也必不可少。

桿件在滿足雙面焊接的情況下進(jìn)行雙面焊接，在不能滿足雙面焊時(shí)，鋼板的焊縫處應(yīng)作成30°的斜口進(jìn)行塞焊，焊縫的高度均不低于12 mm。經(jīng)計(jì)算，1 m焊縫的抗剪、抗拉承載力為282 t。反力架與預(yù)埋件的焊縫長(zhǎng)度為10.71 m，滿足施工的要求。

各桿件的連接采用M24為長(zhǎng)度90 mm、強(qiáng)度等級(jí)10.9的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，螺栓孔孔徑均為26 mm。經(jīng)計(jì)算，1根M24的高強(qiáng)螺栓的抗剪強(qiáng)度為112.96 kN。

此反力架按最大承受力為3 500 t進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)立柱及底部橫梁進(jìn)行加強(qiáng)，以免在施工中發(fā)生變形。盾構(gòu)推力最大為81 853 kN，一般推力控制在20 000 kN，始發(fā)推力按照一般推力的1.5倍，即20 000×1.5＝30 000。

反力門架的組成為2根1 000×500的箱形鋼立柱和2根1 000×500的上、下橫梁及500×9 100的鋼環(huán)。

下橫梁的受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖12。

鋼支撐撐在車站底板反梁上，采用φ800＠10 mm鋼管進(jìn)行支撐，單一鋼管承受最大力為:

圖12 下橫梁受力簡(jiǎn)圖

考慮盾構(gòu)底部為主要受力部分，底部分擔(dān)盾構(gòu)反力為13 600 kN，則底部5根支撐平均每根支撐所需支撐力為2 720 kN，滿足要求。

頂部橫撐與車站通過(guò)橫撐與中板的搭接進(jìn)行力的傳遞，與中板搭接總面積124 030 mm2。

頂部受力約為底部的1／4，26 046 kN遠(yuǎn)大于3 400 kN，滿足要求。

斜撐采用三道φ800＠10 mm鋼管支撐，總計(jì)單側(cè)立柱支撐為3道，分擔(dān)盾構(gòu)反力為3 608 kN，平均每根支撐為1 202 kN。鋼管支撐均能承受5 209 kN的反力，其斜撐角度為45°，則其可提供的水平反力為2 736 kN。則三根斜撐共計(jì)受力為8 208 kN，遠(yuǎn)大于3 608 kN，滿足要求。

此加固工況下反力架所能承受的最大力為:

3.7 負(fù)環(huán)管片的安裝

盾構(gòu)機(jī)調(diào)試完畢到達(dá)始發(fā)位置后，千斤頂撐靴（完全縮回）距離反力架最大距離4 152 mm，千斤頂行程為2 500 mm。先對(duì)-8和-7兩環(huán)進(jìn)行單獨(dú)拼裝（也可以稱為空拼），待拼裝完成后將兩環(huán)以組合的形式移動(dòng)到指定安裝位置。將-7環(huán)的前端橫截面設(shè)定為整個(gè)隧道的管片組裝的基準(zhǔn)面，然后進(jìn)行包括其余負(fù)環(huán)管片的拼裝工作。

利用千斤頂把已經(jīng)在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)拼裝好的整個(gè)管片一點(diǎn)點(diǎn)平穩(wěn)推出，把負(fù)環(huán)管片的第一環(huán)推出至與反力架相接觸位置，推出過(guò)程中當(dāng)管片超過(guò)盾尾長(zhǎng)度30 mm以上時(shí)應(yīng)適當(dāng)放慢推出速度。采用工字鋼將預(yù)留的始發(fā)基座軌道與反力架底部空間部分充填，將管片緩慢繼續(xù)推進(jìn)直至與反力架頂緊，然后進(jìn)行微調(diào)連接。按照以上方式對(duì)負(fù)環(huán)管片進(jìn)行組裝完成。要注意在拖拉負(fù)環(huán)管片的過(guò)程中的支撐工作，以防止由于負(fù)環(huán)管片的變形問(wèn)題導(dǎo)致拼裝出現(xiàn)問(wèn)題。

3.8 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)測(cè)量

始發(fā)前的負(fù)環(huán)管片拼裝完并定位后，精確量測(cè)盾構(gòu)及拼好的負(fù)環(huán)管片的各項(xiàng)位置參數(shù)，輸入自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，復(fù)核檢查后開(kāi)始始發(fā)。始發(fā)時(shí)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，水平方向控制在+30 mm～-30 mm之間。為預(yù)防盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí)出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，將盾構(gòu)機(jī)的垂直姿態(tài)控制在0～+50 mm之間。當(dāng)盾尾出加固區(qū)后，將盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)緩慢調(diào)整至（水平及垂直方向）+20 mm～-20 mm，保持盾構(gòu)的推進(jìn)姿態(tài)。

3.9 盾構(gòu)始發(fā)施工參數(shù)取值

在正常推進(jìn)過(guò)程中，因?yàn)閷?shí)際施工表現(xiàn)不符合預(yù)期要求或者地層發(fā)生重大變化，應(yīng)在一定范圍內(nèi)對(duì)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。始發(fā)階段需要完成設(shè)定的參數(shù)主要包括刀盤扭矩、貫入度（推進(jìn)速度及刀盤轉(zhuǎn)速）、始發(fā)推力、同步注漿量以及注漿壓力等。

（1）始發(fā)土艙壓力

土艙土壓力的設(shè)定是關(guān)乎盾構(gòu)始發(fā)以及地表沉降的重要參數(shù)之一。因?yàn)槭艿蕉撮T密封以及盾尾密封等一系列原因的影響，在盾構(gòu)始發(fā)階段土艙內(nèi)壓力設(shè)定值應(yīng)該低于常規(guī)掘進(jìn)過(guò)程中的土艙壓力。

結(jié)合本工程實(shí)際情況，在盾構(gòu)尚未出加固區(qū)時(shí)的土艙土壓力一般取為0.5～0.6 bar。等到盾構(gòu)完全脫離加固區(qū)時(shí)，土艙土壓力也應(yīng)該根據(jù)預(yù)先計(jì)算的數(shù)值逐步提高至一定值后保持穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行妥善調(diào)整。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，為了更好地將地表沉降控制在規(guī)定值內(nèi)，一般控制土艙壓力在0.6～0.9 bar之間。

（2）始發(fā)掘進(jìn)推力

在盾構(gòu)始發(fā)整個(gè)過(guò)程中，隨著盾構(gòu)逐漸推進(jìn)，所受阻力也逐漸增大。當(dāng)整個(gè)盾構(gòu)完全進(jìn)入隧道后，阻力才趨于穩(wěn)定，推力也相對(duì)平穩(wěn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，整個(gè)始發(fā)階段的推力應(yīng)控制在20 000 kN左右，最大時(shí)不超過(guò)30 000 kN。

（3）貫入度

貫入度主要有兩方面組成:一是千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度；二是刀盤轉(zhuǎn)速。這兩個(gè)指標(biāo)不單與盾構(gòu)本身有關(guān)，同時(shí)也受工程地質(zhì)條件的影響。在始發(fā)階段，根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算出想要設(shè)定的參數(shù)應(yīng)確定的范圍，待進(jìn)入常規(guī)推進(jìn)階段后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況對(duì)推進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，規(guī)劃出合理的調(diào)整范圍。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)以砂卵石為主的地層以及以往經(jīng)驗(yàn)，最終確定刀盤轉(zhuǎn)速為0.8～1.0 r／min，推進(jìn)速度為15～25 mm／min，后期根據(jù)實(shí)際情況在進(jìn)行調(diào)整。

（4）同步注漿量以及壓力控制

同步注漿一般在盾尾通過(guò)兩道洞門后開(kāi)始實(shí)施。漿液為水泥砂漿，初凝時(shí)間控制在5 h左右，漿液強(qiáng)度應(yīng)大于5 MPa。注漿材料配比見(jiàn)表1。

表1 注漿材料配比

注漿量應(yīng)滿足規(guī)范要求的充盈系數(shù)，每環(huán)理論注漿量為:

式中:D1為盾構(gòu)開(kāi)挖直徑，取9.15 m；D2為管片外徑，取8.8 m；L為管片長(zhǎng)度，取1.5 m。

經(jīng)計(jì)算，每環(huán)理論注漿量為7.4 m3。由于端頭加固減小了地層的空隙率，所以實(shí)際的注漿量為理論注漿量的1.3～1.8倍，即每環(huán)注漿量為9.62～13.3 m3。

根據(jù)管片與土體的空隙大小來(lái)對(duì)注漿壓力進(jìn)行設(shè)定。按照隧道所處位置的縱向深度和工程水文地質(zhì)情況，盾尾初始注漿壓力一般控制在2～3 bar。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京新機(jī)場(chǎng)線大直徑土壓平衡盾構(gòu)隧道為背景，對(duì)盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，主要包括端頭加固、洞門破除、始發(fā)托架安裝、反力架設(shè)計(jì)及驗(yàn)算、盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定等。

經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)措施，順利完成了盾構(gòu)始發(fā)并取得了良好效果，可為后期類似工程施工提供借鑒。