大连地铁2号线小半径曲线隧道盾构单井口始发技术研究

季维果

(中铁十局集团有限公司济南铁路工程公司，山东 济南 250001)

0 引言

始发是盾构法隧道施工的关键环节和难点之一。目前国内外隧道盾构法施工时，一般采用2个井口进行始发，一个井口用来下放管片和其他材料，另一个井口用来吊运渣土;但因城市周边环境的复杂性或工期制约等客观条件，有时仅能在车站或区间隧道上提供1个井口进行始发。

国内有不少在单井口分体始发或小半径曲线始发的工程实例。文献［1］介绍了在广州市轨道交通6号线工程海珠广场—东湖盾构区间制作转向平移装置，利用车站风井预留孔解决非轴线出土问题;文献［2］介绍了始发车站无后置出土口，盾构采取特殊始发方案进行掘进施工，总结出分体始发、铺设道岔法及后置单轨梁盾构始发等方案;文献［3］以盾构分体始发工程为例，从盾构设备选型、始发方式、始发方向、管片选型、始发基座、反力架和楔形环设计、列车编制及注浆控制等方面，探讨盾构在半径为250 m的圆曲线上进行分体始发的应对措施;文献［4］针对上海市轨道交通9号线一期工程R413标东西出入线的小半径盾构隧道施工，通过数值模拟分析，提出了详细的施工和设计方案。

在小半径曲线隧道上为单井口时，一般采用分体始发，采用整体始发的设计和施工技术尚不成熟。本文结合大连地铁2号线西安路站至交通大学站盾构区间工程，通过自制皮带机和管片小车，解决了整体始发阶段出渣、管片运输和盾构姿态控制难题，实现了在300 m小半径曲线隧道上单井口盾构整体始发。

1 工程概况

1.1 工程概述

大连地铁2号线西安路站至交通大学站盾构隧道全长3 367 m，其中，左线长1 707 m，右线长1 660 m。区间隧道出西安路站后沿南北方向向南，通过半径为300 m的曲线转入偏东西方向，再通过半径为450 m的曲线接入黄河路，到达交通大学站。区间线路平面见图1。区间纵断面布置呈“V”字形，最大纵坡为25‰。始发井处隧道埋深25.84 m，纵向5‰下坡。盾构隧道主要穿越强中风化钙质板岩，局部穿越强风化碎裂岩、中风化辉绿岩、石英岩等复合地层，同时，地下水位高，裂隙水丰富。

图1 西安路站至交通大学站区间线路平面图Fig.1 Alignment of running tunnel from Xi’an Road Station to Jiaotong University Station

1.2 始发条件

西安路站为地下3层暗挖换乘站，不能满足盾构始发条件，始发井设在距离车站约150 m处，由于周边建(构)筑物密集，未设独立的出渣井。盾构始发井平面净尺寸为12 m ×10 m，井壁厚0.8 m，深33.97 m，小里程一侧(长70 m)施作了初期支护的马蹄形区间隧道。

2 始发方案比选

2.1 分体始发方案

将盾构主机安装在始发井内，受地面场地限制，后配套拖车放在70 m的暗挖区间隧道内，主机与拖车采用延长管线连接。掘进时，在拖车与主机间留出临时出入口，用于出土及吊运管片等材料;待盾构掘进到合适位置时，拆除延长管线，将主机与后配套连接，恢复正常掘进。

管片运输分为4个阶段。

1)－8环～－5环阶段。受盾构主机及反力架的限制，无法从地面下放管片。在连接桥门架安装完成后，将5环管片(每环均为半环)预先存放在盾构拖车内，拼好4环后，盾构上方的垂直运输空间就具备了下放管片的条件。需利用轨道将管片运送到管片安装器的提抓范围。

2)－5环～0环阶段。管片输送器具备安装空间，管片可以从龙门吊运送到管片输送器上。

3)0环～35环阶段。管片从龙门吊直接下放到管片输送器的空间不足，无法采用管片吊机将管片转运到管片输送器上，采用可移动的门架将管片车上的管片转运到管片输送器上。

4)35环以后。将盾构连接桥、1号拖车及2号拖车与主机连接，按照正常的掘进程序进行管片运输。

渣土运输分为3个阶段。

1)－8环～0环阶段。该阶段是渣土运输最困难的阶段，盾构正上方井口垂直运输空间不足且皮带机尚未安装。在盾构掘进最初的60 cm不出土，将渣土堆积在土仓内，待始发井具备出土空间后，用螺旋机将渣土输送至小土斗内，逐斗吊运。

2)0环～35环阶段。井口垂直运输空间足够，但皮带机尚未安装。渣土装满后由电瓶车拉到井口，用龙门吊完成垂直运输。

3)35环～70环阶段。井口垂直运输空间足够，但皮带机未全部安装。在35环拼装完成后，将连接桥、1号拖车、2号拖车往前移动并与主机连接。自制一节小拖车连接到2号拖车后面，用来安装皮带机主动轮。完成70环管片拼装后，可将剩余的拖车与盾构主机连接，盾构始发工作全部完成。

2.2 整体始发方案

如何解决由空间狭小而造成的出渣、管片运输、盾构姿态控制等难题，让单井口同时具备盾构始发井及出渣井的功能，将单井口整体始发转化成常规条件下的整体始发，成为了盾构整体始发亟待解决的问题。

经研究，充分利用区间隧道的有效空间，在后配套拖车旁布置一套皮带机装置，通过自制皮带机与盾构原有皮带机相结合的方式，实现始发时盾构拖车从下料口至竖井间的渣土倒运，解决了单井口整体始发的渣土运输难题;利用反力架后部竖井空间，采用自制管片小车运输管片至拖车内部存储，解决了单井口整体始发的管片运输难题。整体始发竖井及暗挖隧道平面布置如图2所示。

图2 整体始发竖井及暗挖隧道平面布置图Fig.2 Play layout of shield launching shaft and mined tunnel

2.3 方案比较

由于分体始发方案盾构运输系统不能正常工作，需用小土斗出渣，导致施工效率低下，需购置液压、流体、电气各类管线80 m，增加投入约100万元;需人工移动延长管线，掘进80 m后进行拖车转换，施工工序较为繁琐。整体始发方案盾构一次性组装完毕，可节省各类延长管线购置费;由于使用18 m3的大容量渣车出渣，施工效率高，施工进度约为分体始发的2倍，直接降低了工程成本。

根据上述分析，与分体始发方案相比，整体始发方案掘进效率高，社会效益和经济效益显著，因此，采用整体始发方案。

3 整体始发出渣和管片运输研究

3.1 单井口整体始发出渣

为了解决单井口整体始发的出渣问题，除了利用盾构原有皮带机外，还自制了1台皮带机和2个下料槽进行辅助出渣。自制皮带机总长70 m，利用葫芦(便于调节皮带机的高度)吊装在矿山法隧道左侧上方，机架由一节节框架组成，两节之间铰接连接。为了方便自制皮带机运行，将盾构自带皮带机主动轮改至6号拖车尾部。在始发井内布置2条轨道，用于拖动渣土斗脱离下料口进行龙门吊起吊作业。主要实施步骤为:1)掘进时渣土通过6号拖车的特制下料槽落到可调节的自制皮带机皮带上，运送到井口后通过下料槽流入渣土斗内，用卷扬机将渣斗拉出下料槽影响范围，利用地面龙门吊把渣土料斗吊出。渣土由盾构皮带机倒运至自制皮带机如图3所示，渣土由自制皮带机倒运至始发井口渣斗如图4所示。2)随着盾构向前掘进，连接在盾构6号拖车上的下料槽也不断向前，为了使下料槽在高度方向上始终与自制皮带输送机保持一定的间距，需要不时改变斜度段的位置，使自制皮带机高度不断降低，一般每2～3环调节一次。自制皮带机与拖车位置关系如图5所示。

3.2 整体始发管片运输

为了解决整体始发管片运输问题，专门设计制作了管片小车。自制管片小车分为整体管片小车和可装拆管片小车，见图6。整体管片小车主要用于将管片由竖井运输至反力架后部隧道中心范围内，如图7所示。可装拆管片小车主要用于隧道内的管片运输预存，如图8所示。根据盾构始发井后侧矿山法隧道的长度，共做了16个自制可装拆管片小车，每个可装3块管片、预存8环管片。在盾构后侧、反力架左侧空间布置2条整体管片小车轨道。主要实施步骤为:1)用龙门吊将管片吊至井下的整体管片小车，每次只能装1块管片，整体管片小车的轨道与可装拆管片小车的轨道成90°;2)整体管片小车沿着轨道通过反力架后部拖车左侧下方进入盾构拖车内;3)通过盾构拖车上的双轨梁或自加工的单轨梁将管片吊运至可装拆管片小车上，在吊运前拆除该区域的电瓶车轨道;4)将放置3块管片的可装拆管片小车推到拖车内部存放，可存放8环管片。

图3 渣土由盾构皮带机倒运至自制皮带机Fig.3 Muck delivery from the belt conveyor of the shield machine to the self-made belt conveyor

图4 渣土由自制皮带机倒运至始发井口渣斗Fig.4 Muck delivering from the self-made belt conveyor to the muck tanks at the launching shaft

图5 自制皮带机与拖车位置关系图Fig.5 Position relationship between self-made belt conveyor and backup gantries

4 小半径曲线始发姿态控制

4.1 始发方向计算

盾构采用被动铰接结构，具备260 m小半径转弯能力，同时，配备可更换的扩挖刀，以备边刀出现磨损造成卡盾时扩挖，利于盾构转向。由于盾体在始发基座上不能转向，只能直线推进，所以，盾构始发时将轴线向曲线内侧旋转和偏移，采用比设计转弯半径小的实际推进曲线来拟合设计曲线。本工程采用割线始发，以便实现最大限纠偏。始发前10 m沿隧道设计中心线(300 m曲线)的内弦线推进，待盾尾脱离基座后逐步调整盾构姿态，使盾构沿隧道设计线路推进。

图6 管片小车Fig.6 Segment feeder

图7 利用整体管片小车将管片由竖井运输至反力架后部Fig.7 Delivering segments from the shaft bottom to the place behind the reaction frame by means of integral segment feeders

图8 利用可装拆管片小车存储管片Fig.8 Segment storage on detachable segment feeder

经计算，盾构始发割线与始发井轴线夹角(设计结构中心线偏移值为84 mm，曲线最低点距离竖井始发端墙距离为8 625 mm)

式中:∠a=arc sin(8 625/299 916)=1.65°(线路中心线与始发井轴线夹角);∠b=arc sin(5 000/299 916)=0.95°(盾构始发割线与始发井轴线夹角)。

300 m小半径曲线盾构沿内弦线掘进的最大偏移量l=300－=0.041 7 m=41.7 mm。

4.2 掘进姿态控制

1)预偏量控制。设置预偏量为20～50 mm，以抵消管片在承受侧向压力后向弧线外侧偏移。

2)油缸分区控制。掌握好左右两侧油缸的推力差，尽量减小整体推力，避免由于水平分力过大造成管片破碎、损伤盾尾密封甚至卡盾。

3)掘进速度控制。掘进速度控制在1～2 cm/min，避免因推力过大引起侧向压力增大，致使脱出盾尾处于悬浮状态的管片环数增加。

4)纠偏量控制。掘进时做到勤测勤纠，每次纠偏量尽量控制在2 mm/m以内。

5)注浆控制。缩短同步注浆浆液初凝时间，严格控制同步注浆量。

5 结论与体会

在小半径曲线段单井口采用管片小车+自制皮带机整体始发模式较传统的延长管线+小土斗出渣分体始发模式，大大提高了施工效率，有效地缩短了施工工期，同时，减少了延长管线的投入，降低了施工成本。

小半径曲线段盾构单井口整体始发的关键技术及创新点主要有3方面:1)采用自制皮带机和盾构原有皮带机相结合，实现单井口整体始发出渣;2)采用自制管片小车实现单井口整体始发管片存储运输;3)从始发方向和盾构掘进姿态调整等方面进行控制，实现小半径曲线开挖隧道轴线在规范允许范围内。

［1］钟振灵.非轴线出土口盾构始发施工技术［J］.广州建筑，2012(2):37 － 41.(ZHONG Zhenling.TBM starting technology for non-axis mud transporting export［J］.Guangzhou Architecture，2012(2):37 －41.(in Chinese))

［2］齐敦典.无后置出土口的盾构始发方案［J］.建筑技术，2012(2):134 － 136.(QI Dundian.Shield originating program of no post-unearthed mouth［J］.Architecture Technology，2012(2):134 －136.(in Chinese))

［3］邵翔宇，刘兵科，马云新，等.小半径曲线隧道内盾构分体始发技术研究［J］.市政技术，2008(6):487－491.(SHAO Xiangyu，LIU Bingke，MA Yunxin，et al.Study of lunching technology for shield decomposer in sharp curve tunnel［J］.Municipal Engineering Technology，2008(6):487 －491.(in Chinese))

［4］ 陈强.小半径曲线地铁隧道盾构施工技术［J］.隧道建设，2009，29(4):446 －450.(CHEN Qiang.Shield boring technology for Metro tunnels on curves with small radius［J］.Tunnel Construction，2009，29(4):446 － 450.(in Chinese))