盾构法隧道始发施工关键技术

吴木怀，周文军

（中交四航局第一工程有限公司，广东　广州　510500）

盾构法隧道始发施工关键技术

吴木怀，周文军

（中交四航局第一工程有限公司，广东广州510500）

盾构施工中，始发是最大的风险之一。文中结合珠海城际盾构施工实例，论述了始发施工中端头加固、始发托架及反力架安装、洞门凿除、洞门密封装置、始发掘进控制等工序的关键控制技术，确保每个关键点措施的实施，保障盾构始发施工的安全。

盾构隧道；始发施工；关键技术

0　引言

在盾构施工中，始发与接收是风险性较大的工序，至目前国内外已经出现多例安全事故，如涌水涌砂、地表沉降、洞门塌陷、始发架失稳、盾构机进洞姿态不当等。

珠海城际金-横区间隧道管片外径8 500 mm，采用直径8 800 mm土压平衡盾构机施工，隧顶离地面约22 m，端头采用三轴旋喷桩加固。结合珠海城际的施工实例，同时借鉴行业先进的施工经验[1-3]，本文重点阐述盾构始发施工中端头加固、始发托架及反力架安装、洞门凿除、始发掘进控制等关键技术。

1　端头加固

盾构机始发时需穿过车站或竖井的围护结构，通常围护结构为钢筋混凝土地连墙或排桩，盾构始发前需凿除其中的钢筋，凿除施工期间，如后侧的土体无法自稳或地下水丰富、透水性强就容易发生涌水，从而导致土体在土压力及水压力的共同作用下坍塌。所以在始发之前必须对墙后土体进行改良加固，以提高土层的强度及抗渗性。常用的加固方法分挡墙式，如素混凝土桩、素混凝土墙，主要针对自稳能力有限但含水量不大的地层；外包块体式，如高压旋喷桩、搅拌桩、注浆加固及冻结法等，主要针对无自稳能力的地层，如淤泥层、砂层、软塑黏土层等。根据加固的地点可分为地面加固、井内水平加固及洞内加固。加固的范围应经土体稳定性验算确定，可以单独采用其中一种或多种结合使用，必须根据地质情况、覆盖层厚度（结合地质钻探及补勘资料及竖井施工时暴露的地层情况综合判断）、地下水、盾构类型、地面条件，同时结合安全性、经济性及进度要求选用。对加固效果无把握时，应提前进行试验。常用端头加固方法及适应性见表1。

表1　 常用端头加固方法及适应性Table 1　Common reinforcement method and adaptability of end head

端头加固根据各工法的特点以及加固后的效果检测情况，往往多种工法结合使用或补充加固，如广州地铁采用在端头加固范围四周先施工1排素混凝土桩，再在内侧施工搅拌桩，以提高搅拌桩的成桩效果。在加固体与竖井围护结构间，如检测两者结合效果不好，须采用注浆补强。另外在端头隧道的两侧边布置降水井，在始发施工中抽水降低地下水位，但应注意地下水降低对周边沉降的影响。

端头加固的检测方法主要采用竖向取芯与水平抽芯相结合的方式，检测加固体强度、抗渗性能，观察水平孔的渗水情况。

2　始发托架、反力架设置

始发托架是盾构机进洞前的安装、滑移平台，具有承载盾构机的重量、抵抗掘进时的扭矩以及为掘进提供导向等姿态设置调整等功能。托架采用钢筋混凝土结构或钢结构，鉴于钢结构安装方便、可以周转，所以普遍使用。托架设计必须保证具有足够的强度、刚度和稳定性。

始发托架由若干榀桁架组成，通过轨道梁把桁架连系在一起，形成整体受力结构。托架由钢构厂加工，在现场正式安装前，必须对托架进行试拼装，检查各组件的尺寸、精度符合要求后方准下井安装。托架设置于竖井底板（有些底板设置有垫层）上，与底板预埋板焊接牢固。为增强侧向抵抗扭力，每间隔2 m采用工字钢在托架梁与竖井侧墙之间作支撑。托架安装时，必须根据洞门安装复测数据及盾构机进井姿态，设置数据反算托架的线形与标高，并由测量进行精确定位。为防止盾构栽头，在托架与洞门间的空隙，采用导轨顺接，导轨的支撑必须与托架具有同等的刚度与承载力。

反力架抵抗盾构机始发推进时产生的反力，即推进千斤顶的总推力，包括前方土体的水土压力、进洞盾体与土体的摩擦力、洞外盾体与托架摩阻力与后方台车的牵拉力。

反力架结合车站结构设置（如图1），设置支撑与车站的底板、中板及侧墙相连接，背后无结构作支撑的采用斜撑支撑于车站底板上，反力架底部及斜撑与车站底板的预埋板焊接，其他支撑在车站结构的相应部位预埋钢板上，并焊接牢靠。反力架安装时分两部分进行，下半部分在托架安装时同时进行，上半部分在盾构机螺旋机安装后吊装。

3　负环的安装与拆除

珠海城际的负环共设置-9环，管片外径8 500 mm，厚度400 mm，长度1 600 mm，由4个标准块（B块）、2个邻接块（L块）和1个楔形块（F块）组成。

负环安装从-9环开始，因盾尾内壁与管片外径有30 mm的间隙，负环拼装前需要放置1.6 m长φ30 mm的圆钢或其他型钢在盾尾下部避开千斤顶撑靴的位置，以支撑负环管片，保证盾尾刷不会被负环管片破坏。型钢在靠撑靴位置点焊，负环安装完成后拆除。

图1　反力架示意图Fig.1　Schematic diagram of reaction frame

负环安装前，先设置三角托架支撑负环（如图2所示），选定管片点位，首先，吊放靠下的一块，再吊放B2（或B3）块负环放置于托架上，使其中心线与托架中心线重合。紧接着对称拼装标准块、邻接块，邻接块拼装完成后，采用钢板或型钢制作L形焊接于盾壳，勾住邻接块，最后拼装楔形块。

图2　负环安装支撑示意图Fig.2　Schematic diagram of installation bracing for negative ring support

整个环片拼装完成后，检查拼装质量，及时在托架及三角支撑间塞入三角垫块，并用φ22的钢丝绳箍紧负环，隔一道箍采用手拉葫芦与托架拉紧。

随着盾构机的推进，其对负环管片的反力逐渐减少，转而由洞内的管片与土体的摩擦力承担。此时始发掘进完成，珠海城际始发段经计算掘进70环112 m可满足要求，需要拆除负环管片转入区间的掘进施工。

负环管片的拆除顺序及注意事项：

1）紧固相邻管片，为保证拆除负环管片时相邻管片失去挤压力而松动，造成漏水，在负环拆除前，对洞内相邻的10环管片采取紧固措施。即沿管片的螺栓孔纵向布置6道φ25钢筋或 [14号槽钢与管片螺栓拉紧，同时对管片螺栓进行二次紧固。

2）拆除负环内的轨道、管线等物件，并对拆除的管线做好标记，方便后面再接回。

3）拆除反力架，割除反力架与车站结构的连接，将反力架吊出或用千斤顶向后顶推，为拆负环腾出空间。

4）拆除管片，拆除前应检查各项准备工作是否到位，吊装设备性能良好，人员交底到位。负环拆除从-9环开始到-1环止，先拆楔形K块，再拆邻接L块，最后依次拆除标准B块。拆除时先打通管片吊装孔，穿入钢丝绳及销子固定，龙门吊轻轻拉紧后，方可拆管片连接螺栓，松动管片吊出井外。

4　洞门凿除

4.1洞门人工凿除

因盾构机无法直接切除钢筋，始发前需人工切除洞门范围的连续墙或围护桩的钢筋、H型钢等。洞门凿除的范围以能全部切除钢筋、型钢为目标，最里侧的保护层混凝土可以由盾构机直接掘进，施工原则为：分块凿除，从上到下，快速完成，做好应急。为确保洞门凿除的安全，在施工前应做好以下措施：

1）端头加固体水平探测，探孔直径10 cm左右，布置形式为“米”字形，孔数视隧道直径大小确定，一般按间距2 m左右布孔，孔深4～6 m，同时确保不超出加固体。探孔钻完后，在孔内装入端头带阀门的水管，空隙以快凝材料封堵。

观察水平探孔的情况，如出现成条状且流速较快的水流或大部分孔都有漏水的情况，水流带出泥砂的情况更严重，则表明端头加固体效果不佳，需考虑再次补加强。

2）搭设脚手架，端头凿除时，必须按照规范要求进行脚手架的搭设，如凿除时盾构机体仍有人员操作时，应挂好安全网，防止落物伤人。

3）端头降水井及竖井内应装好应急抽水机，并有专人值班，出现涌水时及时降低水位。

4.2洞门围护新型材料应用

洞门凿除及盾构机始发进洞时，是风险性较高的工序，为了保证施工安全，随着新材料的发展应用，现在已有不少新工艺、新材料应用，避免人工凿除洞门，转而由盾构机直接掘进，从而大大提高始发的安全。

1）连续墙采用玻璃纤维筋代替钢筋，玻璃纤维筋具有抗拉强度高（可达550 MPa以上），弹性模量稳定，热应力下尺寸稳定，可加工成任意形状，与混凝土结合性强，易于切割等特点，可由盾构刀盘直接切割。玻璃纤维筋经济性与普通钢筋差不多，其应用越来越广。

2）采用SEW工法，即使用FFU板材代替洞门范围内的围护结构，FFU是一种通过玻璃纤维硬质氨基甲酸乙酸树脂泡沫进行强化的轻量耐腐蚀合成材料，具有重量轻、抗弯与抗拉强度高、防水性能好、抗剪切强度低等特点。FFU可以与围护结构的钢筋笼进行焊接。始发时，可由盾构刀盘直接切除FFU。但因FFU材料造价比较高，目前国内只在广州地铁5号线试用过，并未推广使用。

采用盾构机直接掘进时，可能会存在刀盘已经将围护结构切除完，但盾体仍未进入止水帘布的情况，这种情况可采取在洞门钢环设计时延长至洞外，止水帘布安装位置相应的移动，另外也可以采用钢套筒密闭始发等方法避免洞门凿除的风险。

5　洞门密封装置

车站端头墙施工时需给盾构机预留出孔洞，在隧道的轴线位置预埋洞门钢环，洞门钢环采用10 mm厚的A3钢板制作而成，其内径为φ9 200 mm。钢环与盾构机壳体有200 mm的空隙、与管片环外侧有350 mm的间隙。洞门密封装置就是在钢环四周安装帘布橡胶密封板及可翻折式钢压板，防止盾构始发掘进时，地下水及同步注浆时的砂浆外泄。洞门密封装置由固定环板、可翻折式压板、固定螺栓及帘布橡胶板组成（如图3所示）洞门密封装置在洞门凿除完成后开始安装。

图3　洞门密封装置Fig.3　Sealing device for tunnel entrance

为保证起到可靠的密封效果，必须控制以下几点：

1）固定环板螺栓孔应设计成朝圆心的长条形，以便调节洞门钢环的安装误差及施工变形，同时刀盘进洞后，向内侧调整帘布压板，压紧盾环，盾尾通过帘布后，再次调整压板，使其压紧管片环。

2）洞门钢环安装时应与端墙钢筋连接固定，内侧安装支撑防止变形，端墙混凝土浇筑时应确保振捣棒不会碰撞洞门，同时确保四周的混凝土振捣密实，拆模后应检查钢环外周与端墙混凝土的结合程度，如出现空隙，应采用膨胀混凝土堵紧，另外在端墙安装钢筋时，应沿洞门钢环四周预埋小钢管，外侧连接球阀，以备应急注浆。

3）止水帘布、刀盘切口环应涂抺黄油，防止刀盘刮伤。

4）注浆时，应有专人观察洞门四周，如出现漏水或者帘布外鼓，应急时采取应急措施。

6　始发掘进控制

为使盾构始发顺利进行，必须控制好以下几个要点：

1）盾构机姿态控制：盾构机全部进入洞前，一般不对盾构机姿态进行调整，所以始发前的姿态设置非常关键，理想的姿态是平面与竖向都与设计轴线一致，但也须根据实际情况作一些调整。在托架安装前，必须复测洞门钢环的安装精度，如出现洞门钢环偏差或变形，为不使盾构机进洞时破坏帘布，必须对盾构机姿态作适当调整，但最大调整量不得超出5 cm。同样，对于曲线始发，盾构机必须以直线状态进洞，完全进洞后才慢慢纠正至设计轴线。竖向设置上，为防止盾构机出端头加固区时栽头，一般比设计高2～3 cm。为防止刀盘转动时盾构机跟着滚动，所以在托架上部的盾体上焊接三角钢板及塞入三角形的垫木作为防扭转块。在始发推进过程中，安排专人检查反力架的变形、防扭转块是否松动，防扭转块必须在盾构机进洞前割除。

2）始发参数控制：始发参数设置主要有推力、转速、土仓建压。始发推进应“低速慢推”，一般推力控制在7 000～9 000 kN，最大不得超过反力架设计计算推力，推进速度控制不大于10 mm/min，刀盘转速控制不大于1.5 r/min；进入加固区后，可以慢慢建立土仓压力，出加固区前，视前方土体设置，软土地层土仓压力必须接近计算水土压力。

3）防栽头措施：盾构机在两个位置容易出现栽头，托架与洞门钢环间、端头加固体与土体间。在托架与洞门间，可以设置导轨来预防，注意导轨与托架轨道的连接部位必须平顺，标高略低3 mm左右，以免划坏盾构机铰接；在出端头加固体时，通过设置盾构机姿态抬高2～3 cm及调整底部油缸压力略大于其他油缸压力。

4）管片背后注浆：盾构机完全进入洞门，并且盾尾离止水帘布1 m左右开始进行注浆，同步注浆压力控制在0.2 MPa内，浆液应为速凝型，一般还须进行二次注浆，二次注浆可采用双液浆。注浆同时观察止水帘布及地面是否漏浆。

另外始发掘进前，应再次检查盾构机各部件的连接、运行情况，土仓内应确保无工具遗留，刀盘前洞门凿除的渣土应清除干净。止水帘布、切口环应涂抺黄油，防止刀盘刮伤，刀盘进洞后，调整帘布压板，压紧盾环。

7　结语

始发施工是盾构施工控制的关键工序，必须结合地质、地面条件选择合适的端头加固方案。托架与反力架设计、安装，洞门临时挡土墙的凿除，负环的安装与拆除以及盾构机掘进时的姿态设置，掘进参数的设置等是始发施工的关键控制点，确保每个关键点的措施均做到位，才能保障盾构始发的顺利进行。

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004. ZHOU Wen-bo.Construction technology and application of shield tunneling method[M].Beijing:China Building Industry Press，2004.

[2]王力.盾构隧道始发关键技术分析与对策[J/0L].城市建设理论研究：电子版，2015，5（3）[2015-04-27].http：//d.wanfangdata.com. cn/periodical/csjsllyj2015031670. WANG Li.Key technology analysis and countermeasure of shield tunneling[J/OL].Urban Construction Theory Research:Electronic Edition,2015,5(3)[2015-04-27].http://d.wanfangdata.com.cn/ periodical/csjsllyj2015031670.

[3]桂林.广州轨道交通五号线盾构施工关键技术[J].铁道工程学报，2007（11）：76-82. GUI Lin.Key construction technologies in shield tunneling of Guangzhou Metro Line 5[J].Journal of Railway Engineering Society,2007(11):76-82.

Key technology for launching of shield tunnel construction

WU Mu-huai，ZHOU Wen-jun
（The First Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510500,China）

In shield tunneling,launching is one of the biggest risks.Taking Zhuhai Intercity Railway shield construction for example,the paper expounds on the key control technologies such as the reinforcement of the launching end,originating carrier and counter force frame installation,portal removal,portal sealing device,and control of shield originating processes,to ensure the full implementation of each key measure and guarantee the safety of shield launching.

shield tunnel;launching;key technology

U455.43

B

2095-7874（2016）09-0053-05

10.7640/zggwjs201609013

2016-02-24

2016-08-04

吴木怀（1979— ），男，广东揭阳市人，工程师，土木工程专业。E-mail：417570131@qq.com