（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著現(xiàn)代城市的不斷發(fā)展，以盾構(gòu)技術(shù)為支撐的地鐵隧道施工工程已成為解決城市化所帶來的一系列交通問題的主要技術(shù)途徑[1]。盾構(gòu)法施工主要分為盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)掘進(jìn)和盾構(gòu)接收，由于受地鐵線路規(guī)劃、地面交通、已有建筑物等限制，不可避免的出現(xiàn)地面空間不足、存在小曲線等導(dǎo)致無法正常始發(fā)和出渣等問題。因此，盾構(gòu)始發(fā)已成為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵和難點(diǎn)之一，怎樣保證高質(zhì)量盾構(gòu)始發(fā)、隧道軸線精確控制、提高施工效率是整個盾構(gòu)施工的重點(diǎn)。

諸多學(xué)者針對不同的工況進(jìn)行了相關(guān)的研究，何永洪[2]以成都地鐵1 號線工況為例，針對大坡度、全斷面砂卵石地質(zhì)，從施工角度對盾構(gòu)始發(fā)的控制質(zhì)量方面進(jìn)行了論述；楊興旺[3]以珠海地鐵為例，針對小曲線從軸線控制、管片分析和始發(fā)原理等論述了一系列施工措施；季維果[4]針對大連2 號線單井口工況，制定了整體始發(fā)方案并對出渣和管片運(yùn)輸提出了針對性設(shè)計(jì)；鐘振靈[5]針對非軸線出土口盾構(gòu)始發(fā)提出了新制縱向起重機(jī)并與鋼絲繩組合解決了該工況下的難題；齊敦典[6]利用鋪設(shè)道岔和增加單梁起重機(jī)的方式，解決了盾構(gòu)始發(fā)問題，提高了施工效率；邵翔宇[7]根據(jù)廣州6 號線小曲線工況從注漿方式、軸線控制以及始發(fā)方式進(jìn)行了論述；張志鵬[8]以北京10號線為例介紹了出土方式負(fù)環(huán)選型、反力架安裝等相關(guān)保障措施。

以上文獻(xiàn)主要從施工角度介紹了始發(fā)方案，從施工控制措施方面保證始發(fā)效果，且研究不夠深入。本文針對該項(xiàng)目單井口且導(dǎo)洞不能存放臺車以及存在小曲線的具體工況，介紹了始發(fā)方案，并以此為基礎(chǔ)對設(shè)備進(jìn)行針對性選型配置，為盾構(gòu)在特殊工況下的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)借鑒。

1 項(xiàng)目概況

如圖1 所示，廈門市軌道交通2 號線某盾構(gòu)區(qū)間縱坡為“V”形坡，最大縱坡為21‰，整個區(qū)間隧道埋深為12～25m，上行線設(shè)計(jì)長度約1 600m，下行線設(shè)計(jì)長度約1 595m，盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)置在最小平面曲線上，轉(zhuǎn)彎曲線半徑為300m，盾構(gòu)區(qū)間管片外徑為6.2m。該項(xiàng)目采用土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：開挖直徑為6 480mm，盾體采用梭形設(shè)計(jì)，盾體直徑分別6 450mm/6 440mm/6 430mm，轉(zhuǎn)彎能力為R=200m，允許最大隧道縱向坡度為50‰，鉸接形式為主動鉸接。

圖1 廈門市軌道交通2號線一期線路圖

2 邊界條件分析

始發(fā)井尺寸如圖2 所示，井口尺寸為12.5m×8m，后部有一個盲洞，尺寸為14m×4m，由于工期限制，后置出渣口暫時不能使用。另外，該始發(fā)井處于300m 小曲線轉(zhuǎn)彎段。由于始發(fā)井的結(jié)構(gòu)尺寸限制，整體式的常規(guī)始發(fā)不能解決本項(xiàng)目所遇到的問題。本項(xiàng)目采用盾構(gòu)開挖直徑為6.48m，包括主機(jī)、設(shè)備橋和6 節(jié)拖車，主機(jī)長度為9m，整機(jī)長度約80m。針對本項(xiàng)目具體情況，結(jié)合盾構(gòu)的尺寸，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的分體始發(fā)需要解決以下問題。

圖2 始發(fā)井示意圖

1）小曲線始發(fā) 按照正常的始發(fā)，盾構(gòu)中心線會偏離隧道設(shè)計(jì)軸線，不能滿足施工規(guī)范。因此，采用割線始發(fā)方案，控制主機(jī)中心線與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差在要求范圍內(nèi)。

2）單井口分體始發(fā)出渣 由于后置出土口無法使用，且導(dǎo)洞尺寸為14m×4m，由于空間尺寸限制，無法放置拖車正常出渣。因此，始發(fā)井只將主機(jī)下井，后配套全部放置在地面井口位置，由于螺機(jī)出渣口位置較低，采用電瓶車+小渣斗方式進(jìn)行出渣。

3）單井口分體始發(fā)管片運(yùn)輸 采用分體始發(fā)無設(shè)備橋管片起重機(jī)，無法正常調(diào)運(yùn)管片。因此，特制帶自動旋轉(zhuǎn)功能的臨時小車和布置縱向單梁起重機(jī)，通過單梁起重機(jī)+臨時小車的方式將管片運(yùn)輸至管片拼裝機(jī)下方，掘進(jìn)一定距離后下設(shè)備橋，通過管片起重機(jī)完成管片輸送，提高施工效率。

4）分體始發(fā)管線延長 由于只有主機(jī)掘進(jìn)，管線較多，存在管線延長以及在隧道內(nèi)管線磨損問題。因此，新制1 臺小型臺車用于放置管線，通過該臺車完成管線的延長，避免掘進(jìn)過程中管線的磨損，節(jié)省施工成本。

3 解決方案

由邊界條件的分析可知，本項(xiàng)目盾構(gòu)能高效率的實(shí)現(xiàn)分體始發(fā)的關(guān)鍵在于恢復(fù)正常掘進(jìn)前的掘進(jìn)過程中解決渣土、管片的輸送以及小曲線的始發(fā)問題。本文主要對小曲線始發(fā)方案、始發(fā)段的渣土和管片的運(yùn)輸以及始發(fā)工藝流程進(jìn)行論述。

3.1 小曲線始發(fā)應(yīng)對措施

目前，盾構(gòu)始發(fā)一般分為直線始發(fā)、切線始發(fā)和割線始發(fā)。一般情況下盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)中心線與隧道設(shè)計(jì)軸線重合來確定盾構(gòu)始發(fā)方向，保證掘進(jìn)質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范。該項(xiàng)目始發(fā)井在R300m 的小曲線上，端墻加固區(qū)長度為10m。為保證負(fù)環(huán)管片便于安裝且受力穩(wěn)定，初始始發(fā)時順利通過加固區(qū)，主機(jī)只能沿直線掘進(jìn)，直至主機(jī)尾部脫離加固區(qū)后進(jìn)行糾偏。因此，盾構(gòu)從始發(fā)沿直線掘進(jìn)距離20m 后才能進(jìn)行糾偏，由于此段存在小曲線，常規(guī)的直線始發(fā)和切線始發(fā)導(dǎo)致偏離隧道設(shè)計(jì)中心線距離過遠(yuǎn)，不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。所以，盾構(gòu)采用割線始發(fā)，誤差控制在±50mm 以內(nèi)。

始發(fā)示意圖如圖3 所示，主機(jī)始發(fā)方向與端墻的夾角為2.2°，主機(jī)中心線與隧道設(shè)計(jì)中心線的距離為25mm（掘進(jìn)方向左側(cè)），主機(jī)掘進(jìn)15m時主機(jī)中心線與設(shè)計(jì)中心線重合，沿此方向繼續(xù)掘進(jìn)至20m，此時主機(jī)位于設(shè)計(jì)中心線外側(cè)，通過R220m 曲線進(jìn)行緩和糾偏，直至設(shè)計(jì)隧道中心下，糾偏距離為12m。通過軟件模擬，直線段主機(jī)的軸線與隧道設(shè)計(jì)中心線的最大內(nèi)偏差為37mm，開始糾偏點(diǎn)距離設(shè)計(jì)中心線最大外側(cè)偏差為40mm 滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求（表1）。

圖3 始發(fā)示意圖

表1 實(shí)際中心線與設(shè)計(jì)軸線偏差量

3.2 分體始發(fā)出渣和管片輸送研究

結(jié)合現(xiàn)場施工條件，本項(xiàng)目采用半環(huán)式分體始發(fā)方案，負(fù)環(huán)管片只拼裝底部半環(huán)，初始掘進(jìn)時在反力架前部設(shè)置一縱向單梁葫蘆起重機(jī)，主機(jī)與地面設(shè)備采用延長管線連接。主機(jī)布置如圖4 所示。根據(jù)組件下井順序?qū)⑹及l(fā)方案分為3 個階段。

圖4 主機(jī)布置示意圖

1）第一階段：主機(jī)下井。主機(jī)掘進(jìn)0～5m時，由于始發(fā)井限制，渣土和管片不能通過行吊進(jìn)行垂直起吊。渣土7m3的小渣斗通過縱向單梁起重機(jī)從側(cè)面出渣；管片通過單梁起重機(jī)將管片放置在新制的帶旋轉(zhuǎn)功能的臨時小車上，通過臨時小車將管片輸送到管片拼裝機(jī)下部，完成拼裝。主機(jī)掘進(jìn)5～15m 時，拆除縱向單梁起重機(jī)，直接通過行吊垂直吊裝。渣土和管片輸送交替進(jìn)行。

2）第二階段：設(shè)備橋和新制小臺車下井。主機(jī)掘進(jìn)15m 后，設(shè)備橋下井。如圖5 所示，設(shè)備橋前部搭接在拼裝機(jī)主梁上，后部安裝支撐和行走輪對，并連續(xù)掘進(jìn)至65m。渣土仍采用7m3的小渣斗出渣，通過行吊直接垂直調(diào)運(yùn)；管片采用常規(guī)管片小車輸送，每次可輸送一整環(huán)管片，通過設(shè)備橋上的管片起重機(jī)進(jìn)行吊裝，提高施工效率。期間在掘進(jìn)至25m 時新制小臺車下井，用于存放和延長管線，防止掘進(jìn)中管線與隧道的磨損。

圖5 設(shè)備橋布置示意圖

3）第三階段：后配套下井。當(dāng)主機(jī)和設(shè)備橋連續(xù)掘進(jìn)至65m 時，拆除新制臺車和設(shè)備橋支撐，1～6 號臺車下井，恢復(fù)正常掘進(jìn)，管片和渣土輸送恢復(fù)正常的吊運(yùn)。整機(jī)布置如圖 6 所示。

圖6 整機(jī)布置示意圖

4 盾構(gòu)設(shè)備選型設(shè)計(jì)

結(jié)合該項(xiàng)目具體地質(zhì)和現(xiàn)場施工工況，在已確定的盾構(gòu)分體始發(fā)方案，在滿足地質(zhì)適應(yīng)性的前提下對盾構(gòu)進(jìn)行針對性的選型配置，保證盾構(gòu)順利始發(fā)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）由于該項(xiàng)目實(shí)際轉(zhuǎn)彎半徑為300m，且采用割線始發(fā)的方式進(jìn)行始發(fā)，要求設(shè)備配置實(shí)際轉(zhuǎn)彎能力小于300m 的糾偏能力來保證隧道軸線的精確控制，所以盾構(gòu)選用主動鉸接形式，實(shí)際轉(zhuǎn)彎能力為200m，滿足使用要求。

2）盾構(gòu)配置徑向油脂注入系統(tǒng)，在盾構(gòu)始發(fā)時通過徑向孔注入到盾殼外面，在負(fù)環(huán)階段掘進(jìn)時注入盾尾油脂，提高始發(fā)時的密封性。

3）在盾構(gòu)始發(fā)時采用小渣斗出渣，在螺機(jī)出渣口接收渣土，并且地面鋪設(shè)有軌道無法使用管片小車。因此，盾構(gòu)采用無管片小車設(shè)計(jì)，設(shè)備橋采用大坡度雙梁管片起重機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，起重機(jī)梁伸入到管片拼裝機(jī)底部，通過1 號臺車和設(shè)備橋上配置的雙梁管片起重機(jī)直接將管片輸送到拼裝機(jī)抓取位置，完成管片拼裝，提高施工效率（圖7）。

圖7 管片輸送示意圖

4）盾構(gòu)所配置的注漿管、液壓油管、渣土改良管等所有需拆卸的管路進(jìn)行永久性標(biāo)識和快插式設(shè)計(jì)，方便管路更換和延伸。

5）設(shè)備橋由于需要安裝支撐和輪對，在設(shè)計(jì)時預(yù)留安裝接口，通過螺栓進(jìn)行連接，減少現(xiàn)場工作量，提高施工效率。

6）在盾構(gòu)進(jìn)洞之前掘進(jìn)時，出現(xiàn)渣土堆積在刀盤底部且無法排渣的情況，導(dǎo)致刀盤承受偏向載荷，不能均勻受力；另外始發(fā)時由于無土體對主機(jī)包裹，扭矩較高時易出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象；因此，盾構(gòu)通過程序?qū)Φ侗P扭矩和推力進(jìn)行限制，避免出現(xiàn)上述問題，影響正常施工。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)盾構(gòu)施工工期越來越緊張，地面條件越來越復(fù)雜，盾構(gòu)施工條件受限制較多，類似工況條件下盾構(gòu)施工不可避免。本文通過對特定項(xiàng)目的盾構(gòu)始發(fā)的邊界條件以及盾構(gòu)始發(fā)方案進(jìn)行了分析，對渣土和管片輸送進(jìn)行了研究，提高了施工效率；結(jié)合始發(fā)方案對盾構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，減少了現(xiàn)場施工的工作量。

一方面，建議類似工程設(shè)計(jì)時盡量考慮給盾構(gòu)的始發(fā)預(yù)留足夠的空間；另一方面，盾構(gòu)應(yīng)在設(shè)計(jì)之初就要針對現(xiàn)場具體的施工邊界條件考慮對應(yīng)的設(shè)計(jì)，以期減少盾構(gòu)在始發(fā)、掘進(jìn)以及接收過程中的施工成本，增加方便性，提高施工的效率和安全性。