石家庄轨道交通3号线西三庄站-水上公园站盾构施工技术研究

任 涛

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 301800）

1 工程概况

石家庄轨道交通3号线西三庄站—水上公园站位于联盟路下，呈东西走向，区间采用盾构法施工，左（右）线区间隧道起点里程为DK0+513.840，终点里程为DK1+550.800，左线全长1036.95m（含短链），右线全长1036.96m。线路纵向坡度呈V字坡，最大坡度为22‰（下坡）、20‰（上坡）；隧道最大埋深（至内轨顶面）约为22.4m，最小埋深（至内轨顶面）14.5m，区间拱顶穿越地层主要以粉细砂、中砂、粉质黏土为主。右（左）线DK1+088.400处设置1处联络通道。施工平面图如图1所示。

图1 石家庄轨道交通3号线西-水盾构区间平面示意图

2 盾构机选型及设备应用

2.1 盾构选型

每种类型的盾构都具有自己适应的地质范围，综合本区间的地质条件和地面情况，适宜的盾构类型主要有泥水平衡盾构、土压平衡盾构。泥水与土压平衡盾构比较见表1所示。

表1 泥水盾构与土压盾构比较

在众多的盾构类型中，土压平衡盾构的适应性较大，施工速度较高，能有效的控制地表沉降。根据工程条件、地质特点、工期要求，结合国内外类似工程盾构的选型经验，本工程采用土压平衡盾构。

2.2 盾构设备主要概况

用于本区间的盾构机为铁建重工ZTE6250盾构机（编号：DZ001），该盾构机主要性能特点如下：

（1）总体功能与布局：具备隧道开挖、排土、管片衬砌三大主要功能和碴土改良、同步注浆、油脂润滑与密封、通风与冷却、气体保压、物料运输、姿态控制、数据采集八大辅助功能；盾构总体布局充分考虑人机工程学和模块化设计，能很好的完成石家庄地铁施工任务。

（2）刀盘：刀盘为圆形，采用辐条+面板式结构，开口率约45%。刀具包括贝壳刀、切刀、保径刀、鱼尾中心刀、超挖刀。各种刀具采用超硬的硬质合金材料制成的刀头。主切削刀采用栓接方式安装在辐条上。

（3）主驱动及主轴承密封装置：刀盘的驱动为液压驱动型式。总功率630 kW，额定扭矩5949 kNm，脱困扭矩6843 kNm。主轴承形式为3排圆柱滚子轴承，直径2820mm，转速0～2.33 rpm。主轴承密封用来防止砂土和泥水进入主轴承和盾构机内，耐压为4.5 bar。

（4）土压控制：土压控制是保持隧道开挖面稳定、控制地表沉降的主要手段，通过土舱隔板和螺旋输送机上安装土压传感器，配合地面测量数据对比，实现对土舱压力实时监测与调整，正常施工情况下满足地面最小沉降量控制目标要求。

3 盾构区间施工技术

3.1 端头加固设计

西三庄站盾构始发井及水上公园站接收井地层加固方式为素混凝土庄加袖阀管注浆。西三庄站盾构始发井加固范围：纵向加固长度6m；横向加固宽度为隧道轮廓外3m；加固深度为隧道轮廓外3m。水上公园站接收井加固范围：纵向加固长度8m；横向加固宽度为隧道轮廓外3m；加固深度为隧道轮廓外3m。洞口采用两排Φ800@1200 C15素混凝土桩，排距700mm，交错布置，桩长为地面至基坑底一下4.5m。其余区域采用袖阀管注浆加固地层，注浆管采用Φ48×4mm间距1×1m梅花形布置的塑料袖阀管。

3.2 盾构机吊装技术

项目使用的盾构机为铁建重工公司生产的ZTE6250盾构机（编号：DZ001），为已有盾构机，盾构机全长83 m，主机部件总共重约260 t，后配套部件总共重约200 t。

3.2.1 吊机选型

盾构各部件均从始发井处的吊装孔吊入，采用一台260t履带吊。

本次吊装根据盾体重量、场地环境选用的SANY公司SCC2600A型履带吊，其履带长度9.134 m，整机宽度7.681 m，吊装时主臂长度19.5 m，7 m固定副臂工况。主钩和副钩满足盾构机部件的翻转作业，其外形结构尺寸如图2所示。

图2 SCC2600A履带吊结构尺寸图

3.2.2 吊装场地承载力计算

地基承载计算（以起吊重量97 t最大重量为例）：

SCC2600A吊车自重及配重总重量为256 t，地基承载力按最大起重量97 t时计算，若起吊97t重物地基承载力满足要求，则其余均满足。吊车自重及配重总重量为256 t，最大件重量：97 t。吊车主钩和钢丝绳重量：5 t，合计：358 t。

履带吊的两条履带板均匀受力，反力最大值可按下列公式计算：

其中P吊车自重，Q为起重量，a为动载系数，按a=1.1计算，得：

吊车承力面积（两条履带板下部铺设20mm厚的钢板，履带与地面接触面积为长为8.5m、宽1.22m）

吊车起吊对场地的均布荷载为：P= RMAX/S =3274kN/20.74m2=189.87kPa

吊车起吊按单侧履带板不均布载荷对场地荷载取均布载荷1.5倍：

所以，单位面积的地基承载需求为284.8 kPa。吊装作业内的地基处理后需满足单位面积承载力大于284.8 kPa，则地基承载力满足要求。

3.2.3 盾构机吊装

以台车下井为例讲述吊装过程，其他类似。台车下井时，用4根钢丝绳与台车的四个吊耳连接，起吊后的台车保持平稳，指挥司索工指挥履带吊司机进行转臂、趴臂动作，将台车移动到井口上方，履带吊缓慢落钩，将台车吊装就位，用电瓶车拉到井内相应位置。下降过程中用牵引绳控制其摆动，防止碰撞，如图3所示。

图3 台车下井示意图

3.3 盾构掘进施工技术

3.3.1 盾构正常掘进操作控制

盾构完成100m始发段掘进后，进入盾构正常掘进施工阶段。根据土压平衡工况的特点，确定并保持合理的土仓压力是关键因素。因此，土压平衡工况中掘进参数的确定是以土仓压力为基准点来考虑。

（1）土仓压力值P的选定

P值应能与地层土压力和静水压力相平衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为PO，PO=γ·h（γ—土的平均重度，h—刀盘中心至地表的垂直距离），则P=K·PO（K—土的侧向静止土压力系数）。

（2）出碴量的控制

每环理论出碴量（实方）为：

V1=π（6.28/2）2×1.2=37.2 m3/环，虚方约为实方的1.2倍，约45 m3/环。

（3）推进速度

盾构始发在试验段推进速度在正常情况下为10～30mm/min，并根据地面测量数据及时调整盾构正面中心土压力。

3.3.2 盾构轴线控制

轴线控制是盾构法隧道施工的一个非常重要的环节，采用人机互动的方式进行严格控制。鉴于盾构推进结束后，由于同步注浆浆液需要一段时间才能初凝，因此管片都会有一定程度的上浮。因此掘进姿态宜控制盾构在设计轴线稍靠下位置，并保持一个大致不变的俯仰角。曲线段掘进时，应在进入曲线前预留靠曲线内侧的偏移量。根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值，达到警戒值时就应该实行纠偏程序，计算纠偏曲线，纠偏时姿态调整参照纠偏曲线进行；纠偏作业必须在确保管片相对盾构机处在一良好状态时方可进行。

3.3.3 管片拼装

本工程所用管片分为标准环、左转环及右转环3种，以适应盾构掘进线型，施工时需根据需要选择合适的管片，在管片拼装过程中，严格按照设计上的工艺顺序进行操作，控制好管片的拼装质量。

（1）管片运达施工现场后，在地面上按拼装顺序排列堆放，按规定粘贴止水密封条及传力衬垫；

（2）将检查合格后已粘贴防水材料的管片及连接管片的螺栓和配件、垫片等，用龙门吊运送到井下，放在管片车上，由电瓶车运送至工作面；

（3）管片拼装前，清除管片表面上的灰砂等杂物；

（4）拼装前应保证拼装设备安全可靠；

（5）对上一环的环面质量进行检查和确认，结合盾构机的姿态和盾尾间隙，选择合适的管片拼装点位。

3.3.4 盾构接收

在掘进至接收洞门50 m时，即进入盾构接收阶段。在接收前，及时对隧道轴线进行测量，确认盾构位置，掌握洞门段线形。加强盾构姿态和隧道线形测量，及时对盾构姿态进行纠偏，确保盾构顺利贯入洞门。根据实际掘进的经验总结，将上、下铰接千斤顶行程控制在40～60 mm之间，左、右铰接千斤顶行程控制在40～80 mm之间。洞门凿除完毕后，盾构开始推进。

4 结语

石家庄轨道交通3号线西三庄站-水上公园站盾构区间施工为盾构法施工，本文从盾构机选型及盾构机关键设备开始进行了讲述。详细的介绍了盾构区间施工的主要控制技术，将吊装的方法和管片拼装技术进行了阐述，施工中采用了上述方法，按时按质的完成了施工任务，取得了很好的效果并有一定的经济价值。