浅析地铁盾构始发、接收关键施工技术

张 杉 王利龙

（中国电建集团华东勘测设计研究院 浙江杭州 310000）

1 土体加固

1.1 加固方法的选择

杭州地区盾构始发、接受洞门土层一般位于砂土类、粉土类、黏土类，三类土层在有水状态下均不稳定，始发、接收时必须进行加固。目前常用的加固方法有冷冻法、搅拌桩法、注浆法、高压旋喷桩、及组合加固法等，但每种工法都有一定的局限性，若加固方法选择不当，就会导致加固质量不能达到要求，如主要地层为淤泥质土层时不宜采用旋喷桩加固，可用搅拌桩或冷冻加固；地层含水量低于2.5%或地下水流速大于10m/d时，不宜采用冷冻法；搅拌桩法适用于饱和软黏土、粉土，但成本较高。端头加固方法的选择需要考虑工程所处地层的水文土质、周边环境、加固范围、经济性和工期等因素。加固后土体应具有良好的均匀性、直立性、止水性和强度，加固土体28d无侧限抗压强度≥0.8MPa，渗透系数＜1.0×10-8cm/s。

1.2 端头加固范围

（1）盾构始发、接收区域地层不受地下水影响或受地下水影响较小，纵向加固范围可根据土体强度和整体稳定性验算、工程经验和周边环境保护等级来确定加固范围。

（2）始发时加固范围分析，始发区域地层受地下水影响较大时，纵向加固范围一般大于盾体长度，盾尾出洞门时，及时同步注浆，此时刀盘仍处于加固区域，能及时密封洞门，防止水土流失；反之，纵向加固范围应该小于盾体长度，盾尾还未出洞门，刀盘已出加固区，地下水可能沿盾壳与岩土之间的间隙涌入，严重时造成始发失败，如图1所示。

1.3 加固土体强度和稳定性验算

1.3.1 加固土体强度验算

将加固土体视为厚度为h的周边只有支承的弹性圆板，板中心处的最大弯曲应力，支座处的最大剪力，按照弹性力学原理求得强度验算公式，其中砂性土水压力和土压力分别计算；粘性土水土合算。

图1 始发时纵向加固长度小于盾体长度

沿工作井开洞口周边计算加固体的剪切应力，检验加固厚度是否合理：

其中：h——加固体厚度；

K——安全系数，一般取1.5；

D——盾构机直径；

σ——加固体设计弯拉强度，一般可取极限抗压强度的10%；τ：加固体抗剪强度，一般可取1/6的极限抗压强度。

1.3.2 稳定性验算

假定加固土体滑动面是以洞门最外侧O点为圆心，洞门直径D为半径的圆弧滑动面，通过验算可得下面结果：

此时引起的下滑力矩为：

式中：M1——地面堆载P引起的下滑力矩，M1=PD2/2；

M2——上覆土体自重Q上引起的下滑力矩，M2=Q上D/2；

M3——滑移圆弧线内的土体下滑力矩，M3=rtD3/3；

抵抗下滑的力矩为：

Cu——加固前土体的黏结力；

Cut——加固后土体的黏结力；

H——上覆土体的高度；

上述计算方法仅是一种简化处理，实践中尚需根据类似的工作经验予以核定。

2 托架、反力架安装

①盾构始发时，托架要承受纵向、横向推力及约束盾构旋转的扭矩，所以，在始发前，必须对托架两侧进行加固，接收时也需对托架两侧进行加固；②盾构机前盾重量较大，重心靠前，始发托架前端易发生变形下沉，盾构始发时容易产生向下的“磕头”想象。为了减小这种“磕头”现象对盾构始发造成的影响，始发托架安装时将托架前端高程或洞门圆心标高抬高2～3cm。同理，在盾构接收时接收托架降低2～3cm，方便盾构驶上托架。

反力架一般由横梁、立柱、底座、调整垫块等组成，为盾构始发提供所需的反推力，故需保证反力架的强度、刚度和稳定性，安装时应根据盾构中线、负环管片环数、第1负环管片位置确定反力架位置，反力架左右偏差、高程偏差必须控制在设计规范要求之内。预埋件将反力架的支撑系统与土建结构连接，使盾构推力作用到车站主体结构上，预埋件的安装质量极为重要。

3 始发、接收测量

钢环定位测量：盾构始发、接收时，一般需要在隧道洞口设置洞门钢环，设置洞门钢环有利于车站与区间的节点防水，而在盾构始发、接收时需从洞门钢环内穿过，所以洞门钢环中心位置与盾构姿态是否一致是盾构顺利进出洞的关键。在施工过程中，钢环中心位置可能发生偏移，导致钢环实际中心位置与钢环设计中心位置不一致，故在盾构始发、接收时需要对钢环中心位置进行测量。

托架定位测量主要任务是始发架中线、始发架高程测量、基础平整度测量。始发架定位测量须保证始发架中心线与设计轴线、始发架高程与设计高程均在允许偏差范围内。

反力架定位测量包括反力架的高程、垂直度、与隧道中心线的关系，反力架为盾构始发时提供反推力，在安装反力架时，反力架端面应与始发托架水平轴垂直，以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行。反力架定位好以后，我们还需要检查盾构机尾端上下两点S、X以及左右点距反力架前端的距离是否相等或接近。

盾构机的水平偏航、俯仰角用于判定盾构机在以后掘进过程中是否在隧道设计中线上前进，滚动角测量用于判定盾构机是否在容许范围内发生扭转。盾构接收测量：隧道掘进至最后100环时，暂停掘进，进行隧道测量定位复核、洞门中心偏差联测等，根据测量结果调整盾构姿态，确保盾构顺利驶上盾构接收托架。

4 洞门破除

洞门凿除过程中，洞口形成水土压力释放区，洞门破除过早，洞口土体暴露时间过长，端头土层受力平衡被打破，致洞门涌水涌砂，土体失稳，严重危及洞门凿除工作人员人身安全，因此选择适当的洞门凿除时机和合理的凿除方式极为重要。围护结构在洞门凿除时一般采用人工手持风镐凿除，洞门凿除分两次凿除，第一次：当盾构调试完毕，具备推进条件时开始凿除洞门，凿除洞口背土侧混凝土及钢筋，凿除时自上而下，凿至迎土面钢筋外露为止，及时清理洞口，方便密封装置安装。第二步，盾构机缓慢抵达围护结构前约1m时停止推进，凿除洞口迎土面混凝土及钢筋。

5 洞门密封装置

在密封装置安装施工中预埋钢环必须与车站结构钢筋连接牢固，与车站结构密实紧贴。密封装置安装前先清理洞门处的渣土，同时保证帘布橡胶板螺栓孔与预留螺栓孔位置一致，螺栓必须进行二次旋紧螺栓。

在施工过程中容易出现密封圈准确性差，刀盘旋转可能损坏帘布橡胶板或使钢板发生位移，导致密封性能下降，故在盾构驶入洞门前在刀盘外围和帘布橡胶板外侧涂抹润滑剂，接收时及时调整扇形板，改善受力状况，防止刀盘磨损帘布橡胶板。

6 结语

盾构始发、接收时风险较大，在施工过程中需根据工程环境选择合理施工方式，加强管理，保证每个施工环节的施工质量，降低始发、接收风险，才能保障盾构始发、接收的顺利进行。