徐洪強(qiáng)，王翔，李先飛 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)是地鐵施工中極易發(fā)生安全事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于地鐵線路施工環(huán)境十分復(fù)雜，使得盾構(gòu)始發(fā)面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。周誠等依托武漢地鐵2號(hào)線越江工程，建立了盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)全過程的施工安全保障體系，并動(dòng)態(tài)調(diào)整了開挖參數(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。朱世友等總結(jié)了既有盾構(gòu)始發(fā)控制關(guān)鍵技術(shù)，提出了相應(yīng)的施工安全保障措施庫，繼而開發(fā)了一套盾構(gòu)始發(fā)自動(dòng)推理軟件，能夠可靠便捷判別地層綜合穩(wěn)定性。張伯陽基于南京緯三路超大斷面盾構(gòu)的工程經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)介紹了泥水盾構(gòu)始發(fā)端頭冷凍加固、洞門密封、聯(lián)機(jī)調(diào)試等多項(xiàng)準(zhǔn)備工作，形成了越江跨海超大盾構(gòu)始發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系。高丙麗等研究了西安地鐵3號(hào)線盾構(gòu)始發(fā)井開挖對(duì)周邊給排水管網(wǎng)的影響機(jī)制，提出了橋梁樁基加固、盾構(gòu)始發(fā)注漿、管線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等行之有效的控制措施。李東海等研究了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受盾構(gòu)始發(fā)開挖的影響機(jī)理，得出玻璃纖維筋樁體的樁體變形明顯大于鋼筋混凝土樁，但仍能保障盾構(gòu)切削的安全始發(fā)。

此外，盾構(gòu)始發(fā)建設(shè)可用地面積受到越來越多的限制，這也直接導(dǎo)致部分盾構(gòu)始發(fā)需在較為狹小的施工環(huán)境下完成。邵翔宇等通過廣州地鐵6號(hào)線小半徑圓曲線盾構(gòu)始發(fā)的工程實(shí)踐，探討了盾構(gòu)機(jī)械選型、始發(fā)參數(shù)和管片設(shè)計(jì)等方面的安全控制經(jīng)驗(yàn)。王剛針對(duì)北京地鐵8號(hào)線盾構(gòu)始發(fā)施工的場(chǎng)地限制，自主研發(fā)了盾構(gòu)分體始發(fā)小臺(tái)車和雙軌梁，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化施工管理與動(dòng)態(tài)化參數(shù)調(diào)整，在降低施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，顯著加快了掘進(jìn)速度。

杭州至富陽城際鐵路為聯(lián)通杭州至富陽的交通干線，受工期與周邊環(huán)境影響，個(gè)別盾構(gòu)需從區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，區(qū)間風(fēng)井尺寸較小，不滿足全套盾構(gòu)設(shè)備安裝就位的長(zhǎng)度要求，需采用分體始發(fā)技術(shù)。本文基于既有研究，針對(duì)分體始發(fā)水平運(yùn)輸與管路銜接工序，進(jìn)行了合理的施工組織，同時(shí)針對(duì)始發(fā)段大縱坡與平面曲線的線形要求，設(shè)計(jì)了適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)參數(shù)。

2 項(xiàng)目概況

杭州至富陽城際鐵路中村站～中文區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間為兩條單洞單線圓形隧道，盾構(gòu)外徑6.48m，管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片寬度1.2m。采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)作業(yè)，全長(zhǎng)88m。受工期限制，盾構(gòu)需由中文區(qū)間風(fēng)井始發(fā)，始發(fā)段位于R=700m圓曲線上，縱坡21‰。風(fēng)井井長(zhǎng)51m、寬23.8m、深22.12m，由于風(fēng)井長(zhǎng)度較短，難以下放全部盾構(gòu)臺(tái)車，故采用分體始發(fā)。

盾構(gòu)始發(fā)段位于全斷面中等風(fēng)化粉砂巖，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值為12.90～79.70MPa，平均值為43.68MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為 35.12MPa，屬較硬巖。地下水為基巖裂隙水，對(duì)盾構(gòu)施工影響較小。

3 盾構(gòu)始發(fā)施工組織

3.1 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備改造情況

3.1.1 螺旋機(jī)、設(shè)備橋拆除

原盾構(gòu)機(jī)為雙螺旋過江專配盾構(gòu)機(jī)（圖1），現(xiàn)因本區(qū)間隧道圍巖存在較大差異，需拆除盾構(gòu)機(jī)的2#螺旋機(jī)，將設(shè)備橋以及后部臺(tái)車（1—5#臺(tái)車）向前順接，拆除2#螺旋機(jī)后，設(shè)備橋整體縮短6m（圖2）。螺旋機(jī)拆除完成后1#、2#螺旋機(jī)之間的伸縮閘門保留在1#螺旋機(jī)上，作為1#螺旋機(jī)在后續(xù)推進(jìn)期間的伸縮閘門，設(shè)備橋處的出土口位置、角度需要重新調(diào)整。

圖1 原設(shè)備橋側(cè)視圖

圖2 調(diào)整后設(shè)備橋側(cè)視圖

3.1.2 新改裝皮帶機(jī)安裝

新改裝皮帶機(jī)安裝的工序包括門架及1#臺(tái)車車架尺寸檢查、放線—皮帶機(jī)骨架安裝—皮帶托架—安裝下托輥—安裝改向滾筒—安裝拉緊裝置—安裝上托輥—皮帶敷設(shè)—安裝傳動(dòng)裝置—安裝頭尾護(hù)罩等附件。

出土口方案也進(jìn)行了調(diào)整，隨著盾構(gòu)機(jī)設(shè)備橋中間段的拆除，將皮帶出土口順延至1#螺旋機(jī)正下方，在設(shè)備橋最前沿段用2個(gè)20t手拉葫蘆將出土口先懸掛起來（圖3）。隨后調(diào)整出土口與皮帶距離之間的凈距離，先調(diào)整至35cm，并根據(jù)出土情況再做調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后采用鐵拉鏈將出土口位置進(jìn)行最終的安裝固定。如使用過程中出現(xiàn)受力不均勻情況，需在設(shè)備橋前段焊接托架將出土口再次進(jìn)行安裝加固。最終在出土口兩側(cè)安裝擋料板，改變物料下落方向，同時(shí)可以增加導(dǎo)向槽使渣土下落到皮帶的位置更加集中。

圖3 臨時(shí)出土口設(shè)置圖

在1#臺(tái)車尾部設(shè)置臨時(shí)出土口，采用20#工字鋼焊接成門架臨時(shí)將皮帶主電機(jī)安裝在門架上，在門架四個(gè)面方向均需要焊接45°角的斜撐，充分固定門架，門架高度2.5m，斜撐長(zhǎng)度0.8m，皮帶寬度為800mm，皮帶帶速為2.5m/s，改裝后的皮帶主電機(jī)高度與原皮帶電機(jī)高度一致，1#臺(tái)車車架上部氣管、油管、水管、膨潤土管等均不改動(dòng)。

3.2 分體始發(fā)階段性流程

階段一：受分體始發(fā)影響，最初時(shí)只能下放盾構(gòu)盾體+設(shè)備橋+1#臺(tái)車，總長(zhǎng)34m。此時(shí)剩余空間僅可以下放后配套系統(tǒng)中的電瓶車+1節(jié)渣土斗+1節(jié)管片小車，含鏈接在內(nèi)共21.08m。受頂部結(jié)構(gòu)橫梁影響，只能將渣土斗置于最后，便于吊裝（圖4）。此外，受1號(hào)臺(tái)車長(zhǎng)度影響，當(dāng)該編組達(dá)到1號(hào)臺(tái)車前部時(shí)，渣土斗尚未到達(dá)皮帶末端下方，因此需在1號(hào)臺(tái)車尾部增加一個(gè)門架，將皮帶順延到渣土斗上方（圖5）。同步注漿漿液由負(fù)一層漿箱直接下放到一號(hào)臺(tái)車漿箱中。單環(huán)推進(jìn)出土量約54方，一個(gè)渣土斗16方，出土需要3.5斗，因此配置一個(gè)管片小車滿足需求。

圖4 臺(tái)車與后配套編組（階段一）

圖5 1號(hào)臺(tái)車尾部增加門架（階段一）

階段二：盾構(gòu)始發(fā)一段距離，上層結(jié)構(gòu)梁不影響吊裝，調(diào)換電瓶車與渣土斗位置（圖6）。

圖6 臺(tái)車與后配套編組（階段二）

階段三：在1號(hào)臺(tái)車過-2環(huán)之前，同步注漿漿液都是直接從中板漿箱下放進(jìn)1號(hào)臺(tái)車漿箱中，其中臺(tái)車進(jìn)入負(fù)環(huán)后通過在-2環(huán)位置開洞的方式（F塊不拼裝）下放漿管。因此在1號(hào)臺(tái)車通過-2環(huán)之后，下放漿車，形成編組1電瓶車+1渣土斗+1漿車+1管片車。此時(shí)因2號(hào)臺(tái)車未下放，1號(hào)臺(tái)車+增加的門架長(zhǎng)度只足夠1渣土斗的出渣空間（圖7）。同理，工程中不具備增加管片小車條件（圖8）。

圖7 臺(tái)車與后配套編組（階段三）

圖8 難以增加渣土斗及管片車（階段三）

階段四：如圖9所示，盾構(gòu)推進(jìn)至68環(huán)位置時(shí)，洞內(nèi)空間已經(jīng)足以下方2-5號(hào)臺(tái)車，此時(shí)結(jié)束分體始發(fā)，下放2-5號(hào)臺(tái)車，同時(shí)后配套實(shí)現(xiàn)滿編組，1電瓶車+3土斗+1漿車+2管片車。完成分體始發(fā)階段。

圖9 臺(tái)車與后配套編組（階段四）

3.3 分體始發(fā)管路配置

由于在階段四之前，2-5號(hào)臺(tái)車位于地面，與1號(hào)臺(tái)車需要通過自上而下的轉(zhuǎn)接管路進(jìn)行連接，同時(shí)該管路需要隨著盾構(gòu)推進(jìn)不斷延伸。為方便施工，盾構(gòu)始發(fā)前所有轉(zhuǎn)接管路一次性安裝完成，配置管線長(zhǎng)度為端頭井長(zhǎng)度+端頭井寬度+深度+階段四時(shí)1號(hào)臺(tái)車尾至洞口長(zhǎng)度。盾構(gòu)始發(fā)后，在隧道臺(tái)車左右兩側(cè)分別布置分體始發(fā)管線同步移動(dòng)裝置，同步移動(dòng)裝置由鋼絲繩、單軌工字滑車和繩子，鋼絲繩一頭固定連接軌道，另一頭固定連接在盾構(gòu)隧道上部的管片螺栓上，單軌工字滑車沿軌道長(zhǎng)向間隔設(shè)置并行走于軌道上，轉(zhuǎn)接管線由繩子吊掛于單軌工字滑車的托架上（圖10）。

圖10 轉(zhuǎn)接管路一次就位

在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)接管線可通過該裝置隨著主機(jī)的前移而不斷前移。通過采用該裝置，避免了轉(zhuǎn)接管路的損壞甚至斷裂，從而使系統(tǒng)無法進(jìn)行。右線盾構(gòu)始發(fā)時(shí)采用左線盾構(gòu)機(jī)2-5號(hào)臺(tái)車，這樣右線結(jié)束分體時(shí)直接下放右線2-5號(hào)臺(tái)車，同時(shí)左線2-5號(hào)臺(tái)車不動(dòng)位置繼續(xù)作為左線分體始發(fā)使用，避免了臺(tái)車的多次移位（圖11）。

圖11 轉(zhuǎn)接管路洞內(nèi)續(xù)接

4 始發(fā)線形控制

4.1 割線始發(fā)

由于始發(fā)段盾構(gòu)機(jī)位于始發(fā)架上，無法自主調(diào)整姿態(tài)，故始發(fā)段采用兩段式割線始發(fā)（圖12）。第一段割線長(zhǎng)度為11.7m、第二段割線長(zhǎng)度7m，第一段割線與設(shè)計(jì)軸線偏差為-24.45mm，第二段偏差為-8.78mm，左右線采用割線始發(fā)達(dá)到軸線均控制在±50mm范圍內(nèi)，滿足盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線控制要求。

圖12 兩段式割線始發(fā)

4.2 推進(jìn)參數(shù)

由于地層為富水巖層，需考慮上浮問題，始發(fā)架坡度設(shè)為21‰，垂直姿態(tài)按-10～-20mm設(shè)置，水平姿態(tài)按-20～-30設(shè)置。刀盤接觸掌子面至+4環(huán)間，土倉壓力由0bar逐漸保持在1.0bar，推 力 1100～1300t，水 平 姿 態(tài) -20～ -30mm，垂直姿態(tài)-15～-30mm。推進(jìn)速度 10～15mm/min，刀盤扭矩 1900～2500kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1.0～1.1r/min。

當(dāng)+4環(huán)油缸至刀盤到達(dá)割線與設(shè)計(jì)線路切點(diǎn)位置時(shí)，土倉壓力基本保持在 1.0～1.5bar。推力 1100～1300t，水平姿 態(tài)-5～-15mm，垂 直 姿 態(tài) -35～-10mm，推進(jìn)速度10～25mm/min，刀盤扭矩 2000～2800kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速 1.1～1.3r/min。其后刀盤盾構(gòu)可以進(jìn)行自行糾偏，控制盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)軸線姿態(tài)。

持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)管片姿態(tài)，分析管片垂直方向變化趨勢(shì)。同時(shí)加強(qiáng)同步注漿，保證管片上部及圓曲線外側(cè)的管片空隙也被漿液填充密實(shí)。如存在管片上浮情況，可通過采用水泥水玻璃1：1雙液漿快速打環(huán)箍。如管片上浮量較大，則垂直偏差可調(diào)整為-30～-50mm推進(jìn)。

4.3 渣土改良

渣土改良對(duì)本區(qū)間盾構(gòu)順利推進(jìn)有著極其重要的作用，改良好的流塑性渣土可以有效防止刀盤、土倉結(jié)泥餅以及降低刀具磨損。本區(qū)間全風(fēng)化粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)化巖層等黏土礦物含量超過25%的地層極易形成泥餅，泡沫混合溶液的組成：原液5%～10%，工業(yè)水93%～95%，泡沫混合液組成：90%～95%壓縮空氣，3%～6%泡沫混合液，泡沫溶液與空氣比例1:10～1:20，泡沫溶液流量根據(jù)刀盤扭矩調(diào)整，控制范圍150L/min～300L/min，泡沫混合液半衰期不得小于6min。泡沫的注入量按開挖量300L/m3設(shè)計(jì)。控制渣土坍落度在150～200mm。膨潤土改良采用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土，膨潤土溶液黏度控制在30±5s。

5 效果驗(yàn)證

中文區(qū)間風(fēng)井～中村站區(qū)間自2019年5月24日始發(fā)，至2019年6月23日完成100環(huán)掘進(jìn)任務(wù)，施工總天數(shù)31天。如扣除分體始發(fā)下臺(tái)車所占用時(shí)間，實(shí)際施工時(shí)間為20天，日掘進(jìn)5環(huán)（圖13），整體效率已滿足實(shí)際施工需求。

圖13 分體始發(fā)掘進(jìn)效率

盾構(gòu)機(jī)總推力平均值在13500kN，最大值16000kN，刀盤扭矩平均值3150kN·m，最大值3400kN·m，最大推進(jìn)速度38mm/min，螺旋機(jī)最大扭矩95kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1.1～1.2r/min。整體參數(shù)在前期設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)。前100環(huán)平面最大偏差偏左（-49mm），高程最大偏差偏下（-55mm），均處于規(guī)范要求之內(nèi)，滿足驗(yàn)收要求。

6 結(jié)論

①依托杭州至富陽城際鐵路中村站～中文區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間工程，系統(tǒng)介紹了因場(chǎng)地受限而采用的盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)，考慮了出渣、管片拼裝、垂直與水平運(yùn)輸?shù)纫蛩?，?shí)施了分階段下放水平運(yùn)輸設(shè)備，一次性布設(shè)轉(zhuǎn)接管路等控制手段，保障了盾構(gòu)始發(fā)安全，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

②通過采用兩段割線始發(fā)，可有效降低曲線段盾構(gòu)的糾偏次數(shù)，并減少始發(fā)平面位置偏差。

③考慮掘進(jìn)區(qū)間處于富水地層，垂直姿態(tài)一般按負(fù)值推進(jìn)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)上浮量較大時(shí)，垂直姿態(tài)甚至可以低于-50mm。