盾构小倾角始发技术研究

孙石头 徐 飞

南宁轨道交通集团有限责任公司 广西 南宁 530029

1 引言

随着城市轨道交通建设的发展，盾构法作为常用区间隧道施工工法，也遇到越来越多的不同始发方式，因线路走向可能会遇到曲线始发的情况。张建中[1]针对太原地铁2-1号线联络线隧道由于曲线半径小及穿越稳定性极差的富水粉细砂地层导致盾构进洞安全问题突出的特点，提出了确定盾构合理始发方向的方法，通过端头井地层加固及洞门变径密封装置等技术措施，保证了盾构安全始发。赵强[2]以南宁轨道交通3号线一期工程02标土建8工区金湖广场站—埌西站区间、青竹立交站—青秀山站区间工程为研究背景，对割线始发与接收施工工艺开展了专项研究。刘大伟[3]以苏州轨道交通6号线江星路站～清塘路站盾构区间左线割线始发解决周边浅基础房屋差异沉降问题。安斌[4]以南昌市轨道交通3号线绳金塔站—六眼井站盾构始发工程为背景，对富水砂层盾构小半径曲线始发段主要掘进参数进行统计分析,确定相关参数的优势区间，并基于盾体姿态控制参数和地表沉降进行掘进参数控制效果评价。姜留涛[5]依托工程实例，建立了小半径曲线段割线始发盾构姿态数值模型，研究盾构始发姿态各影响因素及其关联性，进而提出沿割线方向预设偏转角或盾尾预偏移量的小半径曲线段盾构姿态控制方法，并在北京地铁19号线区间隧道的应用。

2 工程概况

建设路站～大沙田站区间南起建设路站、北至大沙田站，区间线路大体呈北～南走向，区间沿银海大道敷设，隧道采用盾构工法施工。左线设计起止里程为ZDK24+843.474～ZDK25+644.707，短链6.499m，左线区间长度为794.734m；右线设计起止里程为YDK24+843.474～YDK25+644.023，右线区间长度为800.549m。区间在里程ZDK25+375.000 （YDK25+368.500）处设置一个联络通道，不设废水泵房。

结合勘察报告，建设路站～大沙田站区间左线始发段主要穿越地层依次为杂填土①1、粉土⑥2-1、黏土（粉质黏土）⑥1-1、泥岩粉砂质泥岩⑦1-3⑦3-1、粉砂岩泥质粉砂岩⑦2-1。

建设路站～大沙田站区间右线始发段主要穿越地层依次为杂填土①1、粉土⑥2-1、黏土（粉质黏土）⑥1-1、泥岩粉砂质泥岩⑦1-3⑦3-1、粉砂岩泥质粉砂岩⑦2-1。建设路站每个端头素桩共计16根（左、右线各8根），桩长为深入隧道底以下3m。素桩混凝土采用C20混凝土，素桩桩径1000mm，间距为1200mm，施工完成后的素桩应具有良好的完整性。

3 盾构小倾角始发

3.1 按设计轴线始发存在的问题

车站结构干涉影响台车通过，结构侧墙到线路中心线的净距离为2150mm，而卡特盾构机6#台车中线到台车左侧配电箱距离为2250mm，2#台车中线到右侧操作室边距离为2400mm，均大于车站结构侧墙到线路中心线的距离2150mm。影响盾构机牵引梁及管片梁的安装，根据卡特盾构机技术说明文件，铰接系统水平、垂直最大角度为1.5°。基座按设计隧道中心线摆放，在保证台车正常通过的条件下，致使台车中线与设计中心线产生2.86°夹角，超过盾构机铰接水平、垂直最大角度1.5°，导致台车牵引梁及管片梁无法安装。由于施工场地狭小，且工地围挡外侧有未拆除的高压线杆，致使龙门吊悬挑梁无法加装，龙门吊大钩（扁担钩）向西侧行走位置受限，大钩无法正常就位，导致盾构出渣困难。

3.2 小倾角始发可行性分析

为解决以上三个问题，项目部决定以小倾角始发中线按设计盾构中心线向东侧整体平移50mm后，再以小倾角始发中线与区间起始里程交点为基点向东偏转1°始发。小倾角原理如图1所示。

图1 小倾角原理图（盾构机现状）

现盾构机刀盘切口距区间起始里程为2000mm，中盾（铰接）位置距盾构区间起始里程为7000mm，根据实际中线向东平移50mm，且偏转1°计算，盾构机中盾（铰接）位置偏东为172mm，刀盘切口位置偏东85mm。计算书如下：根据三角函数关系Tan1°=0.017mm；中盾位置偏移Tan1°*7000+50=172mm；刀盘切口偏移Tan1°*2000+50=85mm。实际测量为中盾向东偏移157mm，刀盘切口向东偏移85mm，与实际相差15mm，在误差范围以内。待盾构向前推进5500mm，中盾（铰接）位置出基座时，盾构机后端（铰接）位置偏东75mm，前端（刀盘切口）位置偏东2mm。待中盾（铰接）位置出基座后，盾构机开始转弯，如图2所示。

图2 小倾角原理图（铰接出基座）

图4 小倾角原理图（正二环位置）

待盾构机推进至正一环位置时，盾构机中盾（铰接）位置偏东48mm，刀盘切口位置偏西18mm。计算方法同上。此时盾构机姿态以偏移以进入±50mm以内，可正常掘进。待盾构继续推进至正二环位置时，盾构机中盾（铰接）位置偏东30mm，刀盘切口位置偏西14mm，如图3、4所示。

图3 小倾角原理图（正一环位置）

3.3 小倾角始发解决的实际问题

小倾角始发盾构实际中线与结构侧墙间距为2400mm，成功解决了台车通过性的问题。盾构实际中线与设计中线夹角为1°，解决盾构机台车牵引梁及管片梁组装问题。台车中线向东偏移40mm，解决盾构出渣问题。盾构小倾角始发即保证了盾构机在始发掘进时姿态控制在规范允许的范围内，又解决了盾构台车通过性、盾构机牵引梁管片梁的可组装性同时保证了龙门吊正常出渣。

4 盾构始发控制措施

4.1 始发盾构参数

土压设定的理论值按式（1）计算：

其中，P为土压力（包括地下水），γ：土体的平均重度，取1950Kg/m3，h：隧道埋深，前一百米埋深为12.2m～12.6m（隧道中心埋深），K0：土的侧向静止土压力系数，按泥岩粉砂质泥岩⑦1-3⑦3-1地层考虑K0=0.35，代入公式后计算得出：P=0.86kg/2，即0.86bar。

刀盘破洞门时的盾构参数：掘进速度：5～15mm/min；盾构推力：800t～1000t；刀盘：0.8～1.0rp/min；螺旋机转速：3～6rp/min；盾构内壁与管片外侧环形空隙不能小于55mm（上75mm、下75mm、左75mm、右75mm）。刀盘进入洞门后，先低速转动刀盘，防止在进洞门过程中刀盘被卡住，并派专人看护构机进洞情况，由于洞门本身不标准或盾构进洞时中心偏移，可能导致洞门外圈折叠压板被损坏，盾构应立即停止前移，并处理。根据计算当拼装完负4环，负3环推进1150mm时，刀盘碰壁。在-2环管片拼装完成后，-1环管片推进1500mm时，盾构机开始向右转弯掘进。适当增大盾构机左侧千斤顶推力，左侧推力较大与右侧10t。盾尾进入洞门，止水帘布与管片接触后，立即启用盾尾同步注浆，注浆压力为1.0bar，盾构掘进至+7环后，可逐步增加注浆压力至1.5bar，并持续的同步注浆；此时需要对+1环和+2环进行二次双液补浆。

4.2 加强测量监控

盾构姿态监控可通过自动导向系统和人工测量复核进行盾构姿态监测。增加测量监控频率，对每环管片进行复测。加强对掘进过程中反力架监测及巡视。及时调整各项掘进参数，遵循“及时、连续、限量”的原则，逐环、小量纠偏对盾构姿态进行调整，避免纠偏过猛引起盾构机蛇形前进，加剧刀具磨损、损坏已拼装管片和盾尾密封。管片拼装顺序按照由下至上左右交叉的顺序；管片拼装均匀摆布；管片拼装完成及管片脱出盾尾后及时将螺栓拧紧；取保盾尾间隙，铰接处于自由状态。及时进行双液注浆，封堵洞门；待洞门封堵完成后，确保同步注浆足量，按照注浆压力与注浆量双控标准。填补管片与土体间空隙，防止管片偏移量。

4.3 管片拼装

负环共6环。负6环，1.5m标准环、整环安装，为控制负6环与盾尾的间隙和防止管片拖出盾尾后盾尾刷不被损坏，在安装负6环前，先在盾构机内底部距盾尾刷0.3m处焊接1.2m长的截面高43mm槽钢4根见图5。

图5 负环管片垫块

考虑环片的错位安装，负6环锲形块选择1号位安装，因此环片A2块的第一块要定好位置见图6，在A2块安装好后，盾构千斤顶靠拢环片面，为了防止因重力产生的环向滑移，在安装A3块的前要做好上一块环片的固定（固定方式：环片穿纵向螺栓与盾构机焊接）然后安装A3块，连接环向螺栓，并扶紧螺帽，同样作纵向的环片的固定，固定方法同A2块。在安装A1块环片时，由于重力当拼装机撤离后环片有掉落的危险，需作其支撑将其扶住（方法：在反力架和盾构机内焊接管片扶手）。安装B块和C块方法一样，预留安装K块的位置，当其定位调整好后，千斤顶靠拢管片面，连接管片螺栓并扶紧螺帽。当K块完整安装好后，千斤顶靠拢管片面。

图6 楔形块1号位管片拼装及扶手位置

当整个负6环安装完成后，再次扶紧环向螺栓，割除防止管片环向滑移焊接在盾构机外壳的螺栓，同时割除盾构机内的管片扶手，清理有碍于顶移管片的杂物。

本套千斤顶分二十个千斤顶控制，为了使整环管片平稳、无凸块平移，油压控制只用下部千斤顶进行控制，在平移过程中要专人观察，及时调整油压。在管片拖出盾尾后要在其基座的下部支垫块见图7，基本保证管片面的水平，同时用20钢丝绳将管片外壁给捆绑住，使已完全拖出盾尾的整环管片稳固。

图7 负环与始发基座空隙处理图

由于负6环管片已靠拢反力架且受力，为了下环管片安装时由于受重力不致带动环片环向转动负一环纵向螺栓与反力架连接。在安装完成负6环管片拖出盾尾后割除焊接在盾构机内底部的槽钢垫块。其它负环安装按照正常安装，拖出盾尾后支垫块，加木楔字，捆钢绳。

5 结语

通过以上技术措施，建设路站～大沙田站区间小倾角始发顺利实施，区间结构质量优良，说明盾构始发控制措施到位，可为后续其他类似工程提供参考。