地铁盾构始发安全控制关键技术

王明亮

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300202)

城市地铁的大规模建设为盾构设备的推广和使用提供了条件，目前我国有大量的轨道交通区间采用盾构法施工建设。盾构施工中盾构的始发和接收非常重要，也是安全控制的关键环节。根据不完全统计，利用盾构法修建的工程中，有一半以上的事故发生在盾构始发、接收阶段。鉴于盾构始发容易引发事故，多位学者总结了盾构始发施工经验：吕乾乾[1]、刘军[2]等采用数值模拟软件进行分析，对不同工况条件下的盾构始发时的不同参数进行模拟，确定了不同地质条件下盾构始发时合适的施工参数；杜宝义[3]、李森[4]等结合施工经验，认为洞门处采用地下连续墙加其他辅助措施可以有效降低施工风险，使得盾构始发安全顺利；李晖[5]介绍了一种可以提高盾构出渣和洞内管片运输效率的工作井内整体盾构始发施工技术，有效缩短了施工工期；贺文波[6]根据某大直径盾构始发阶段风险分析结果，制定了该隧道盾构始发风险预控方案；李军[7]提出了一种钢板外置钢箱盾构始发施工技术，有效控制了盾构始发渗漏水。

本文结合北京地铁17号线工程土建施工13合同段地铁盾构始发施工实际，对该工程盾构始发关键控制技术进行介绍，为类似条件盾构施工提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 设计情况

北京地铁17号线工程土建施工13合同段包含一站两区间，区间左线长2 817.069 m、右线长2 621.167 m(含空推265.6 m)，最大坡度为23‰，最小曲线半径为320 m，拟采用一台全新的铁建重工生产、编号DL553、直径为6 640 mm土压平衡盾构机施工。

盾构隧道整体埋深在6.45～17.94 m之间，沿线土层有粉质黏土⑥层、黏土⑥1层、黏质粉土⑥2层、中砂⑦1层、细砂⑦2层、黏土⑦5等。

1.2 盾构始发施工重难点

1.2.1 端头加固

始发井端头加固可以有效提高盾构始发前方土体的强度和整体性，使得土体具有良好的自立性，降低掘进时土体对盾构刀盘的侧压力；良好的加固效果可以有效填充土体内部空隙，堵塞端头井局部水流路径，降低始发阶段盾构井渗漏水的风险，如果始发时出现渗漏水，很有可能造成盾构始发的失败，所以，端头加固及加固质量非常重要。

1.2.2 洞门破除

洞门破除将使洞门前方土体的平衡状态遭到破坏，在新的平衡形成之前，会出现一定程度的地层扰动、土层坍塌破落等，如果洞门前方加固条件不好，甚至会出现渗水现象，进而影响盾构施工进度和安全，是盾构始发施工必须要注意的。

1.2.3 掘进参数控制

洞门破除后，掘进参数的控制对始发控制至关重要，始发掘进参数控制的好不仅能保证始发的顺利进行，而且也为后期盾构正常掘进过程的参数控制提供参考依据，但是，新盾构机进入地层后的参数控制往往以经验为主，具有很大的主观性。

2 盾构始发关键施工技术

2.1 端头加固

根据场地实际情况，盾构端头加固采用洞内深孔注浆，加固范围为沿结构外边上、下、左、右各3 m，加固长度为8 m；同时在深孔注浆加固完成后根据周边降水情况，适当增加降水井降低周边地下水位，以起到盾构进洞时降低水压力的作用。端头加固情况见图1。

图1 端头加固平纵断面图(单位：mm)

端头井加固效果必须经过现场实际检测确定，28 d加固强度和渗透系数必须不小于设计和规范要求，本工程要求无侧限抗压强度最低0.5 MPa，渗透系数最大1.0×10-6cm/s，对检测不满足要求的部位需进行二次加固。对始发井周边有地下管线的局部需进行补强加固，同时做好地下管线的保护和检测工作。

2.2 洞门围护结构凿除

洞门围护结构破除(见图2)一般在端头加固经过检测合格后进行。凿除前，需要在端头井内部搭设双排脚手架提供拆除条件。为降低盾构切削过程中对刀盘的磨损，切削范围内围护桩一般用玻璃纤维筋代替常规钢筋，将开挖面围护桩凿除至70 cm(以防止盾构机在转动刀盘的时候对止水帘布造成损坏)后转动刀盘开始掘进。

图2 洞门围护结构凿除顺序示意图(单位：mm)

凿除过程中常有土体掉落，需要在安全管理人员的监督下谨慎进行，当出现土体压力较大的时候，需要快速及时的用提前准备好的钢筋网片和竖井结构钢筋焊接，然后用钢管和方木支撑固定，紧接着在围护结构外围和洞门内部注浆加固。

2.3 始发基座及反力架的安装

盾构始发时推力较大，对始发基座会产生纵横向推力和刀盘扭转时的反力，因此，在盾构始发之前需要对基座进行加固，一般是在基座两侧增加型钢、在盾构机盾体上增加防扭转的牛腿。

本工程采用的盾构机主机重量为362 t，如图3所示托架角度60°，根据H型钢的承重计算得出基座最大承重为168 MPa。使用时单侧压力F1=209 kN，面积A=2.55 m2，则应力σ=F1/A=0.82 kPa<168 kPa，托架强度满足要求。

根据钢结构相关手册，在有润滑作用条件下，钢材之间的摩擦系数介于0.05～0.10之间，根据静力计算手册查得截面积为352.5 mm2，连接强度为140 N/m2，则设计可承载力f=2 560 kN>940.5 kN，抗剪强度满足要求。

盾构反力架在始发时受力较大，始发的大部分反力由反力架提供，因此需严格按照步骤安装并验算反力架的强度、稳定性、抗拔性等。

图3 始发架示意图(单位：mm)

反力架受力采用双榀H450×300型钢作为支撑，以提供盾构始发时所需的反力，顶部设置2道横撑及2道抗浮支撑，支撑在南端侧墙上；南端东、西两侧侧墙设置4道横撑，采用侧墙预埋钢板固定；底部设置3道横撑，支撑在底部侧墙。盾构始发反力架支撑设置见图4。

盾构机始发推力取Fn=10 000 kN，通过负环传递到反力架上的荷载实际转化为局部分布荷载，近似认为Fn平均分配到反力架八边形区域。

反力架通过型钢支撑把力传递给后靠钢筋混凝土墙，经计算，反力架所受最大弯矩为Mmax=1 935 kN·m，H450×300双榀型钢支撑所受最大轴力为N1=2 443 kN。

为方便进行反力架的强度、稳定性的验算，将反力架视为箱型截面，经查计算手册，反力架截面抗弯模量W=15.632 cm3，根据计算手册代入计算得出应力σ=M/W=124 MPa≤[σs]=210 MPa。

图4 盾构始发反力架支撑图(单位：mm)

H450×300双榀型钢支撑由两个H型钢焊接而成，其中轴力N=2 443 kN，查规范得稳定系数为φ1=0.75。其截面面积A1为30 488 mm2，则σ=N1/φ1A1=106.8 N/ mm2≤f=215 N/ mm2。因此，H450×300双榀型钢支撑正应力验算满足要求。

经计算，在最大轴力N=2 443 kN的作用下，型钢支撑变形量Δ1=3.9 mm≤L1/200，满足要求。

反力架东、西两侧立柱与盾构端头井底板预埋钢板进行焊接连接，每块预埋钢板下均焊接8根规格为HRB400的∅28 mm螺纹钢U型筋。按照两根型钢斜撑所受轴向力均为最大值N=2 443 kN计算，则作用于反力架立柱的竖向力为T=2N×cos45°=3 454 kN。而反力架立柱下预埋钢板所能提供的锚固力为F锚=7 877.6 kN>T=3 454 kN。故在受力情况下，反力架下预埋钢板锚固筋能够满足抗拔力的要求。

2.4 洞门密封安装

洞门密封的质量直接影响始发时的防水效果，对盾构机的顺利始发至关重要。洞门密封一般分两步进行，一是在始发竖井端墙施工时，按要求布设始发洞门预埋件，保证预埋件和端头墙主体结构钢筋进行有效连接；二是在盾构机始发工作之前，在洞门密封压板和橡胶帘布板安装时要保证洞口的渣土已经彻底清理。洞门密封结构见图5。

图5 盾构洞门密封安装示意图

2.5 盾构机调试

盾构机的调试是一项综合工程，需要多方共同配合方能完成。调试工作顺序繁琐，调试后的盾构机需达到设计规定的性能要求后方可停止，调试的工作流程大致为：供电系统→盾构整体部分→刀盘→盾构机电气系统→刀盘驱动部分→推进系统→管片拼装机及管片存放机→螺旋输送机→刀盘→膨润土注入系统→盾构机铰接功能→皮带输送机→泡沫系统→浆液注入系统→辅助配套设施→整机及带载运行。

调试完成并正常运转后，可以进行盾构负环管片的安装施工。

2.6 负环管片安装

负环管片的安装一般都是在盾构机调试完成后进行，这样可以避免调试期间盾构机调整的麻烦。该项目采用内径5.8 m、外径6.4 m的钢筋混凝土负环管片。负环环宽1.2 m，含3块标准块、2块邻接块、1块封顶块。为保证管片安装的准确度，安装前需对反力架端头不平整部位进行清理，然后在端面上沿圆周方向均匀取10个点，为后续根据测量结果调整反力架端面与管片之间间隙的参考。本工程负环采用错缝拼装方式，拼装点位为1、15点位。

根据调整后的管片位置，精确确定后开始组装负环管片和反力架，以确保盾构推力能够有效的传递到负环管片和反力架上。在布置反力架和负环管片时，一般把紧靠反力架的那一环作为基准，该环采用钢梁。为保证拼装负环管片精度，负环管片一般先采用盾构机整体拼装，接着用千斤顶将负环管片推到安装位置，然后将负环管片和基准环进行牢固连接，其他负环管片按照整洞掘进管片拼装即可。

3 盾构始发及试掘进控制

3.1 盾构始发参数选择

由于始发时端头加固效果达到设计要求，土体自稳能力好，可以保持直立，有条件时可以采用半敞开模式掘进施工。盾构机刀盘离开加固土体后将进入正常土体范围，此时要提前调整掘进模式，快速建立土压平衡模式进行施工。为降低始发对土体的扰动，在刚进入正常土体的前几环时采用低速小推力进行掘进，一般推力在4 000～8 000 kN之间，刀盘转速不大于1.2 rpm，土仓压力在0.5～1.0 bar(1 bar=0.1 MPa)之间，此时需要密切关注土仓压力的变化，及时调整螺旋机转速以适应土仓压力的变化。

根据以往施工经验，在盾构始发刀盘刚接触工作面时，螺旋机暂停排土，当土仓内的渣土达到土仓容量的60%时可以逐步开启螺旋机，通过该办法可以对盾构初期压力进行有效合理的调整。

3.2 试掘段掘进参数选择

盾构始发时的参数确定至关重要，合适的掘进参数是保证掌子面稳定、地表沉降可控及地面建筑安全的基础。本项目根据地质情况选择土压平衡模式施工，根据实际情况，下面主要对土仓压力控制、千斤顶推力和刀盘转速、出土量和同步注浆参数进行详细介绍。

3.2.1 土仓压力的控制

土仓压力需要根据地层情况和埋深，通过理论计算并结合经验参数修正后进行确定。扰动后的土体后期恢复初始平衡时会发生滞后沉降，实际施工过程中为了对这种后期的沉降进行补偿，结合盾构施工时盾尾沉降损失会引起沉降，通常会对理论计算的平衡压力进行调整，一般提高0.01～0.02 MPa，然后根据实际情况进行修正。盾构埋深h=12～20.9 m，土层平均重度= 20.2 kN/ m3，内擦角φ= 17°，静止侧压力系数K0=0.4，所以P=0.4×20.2 kN/ m3×(12～20.9)m=0.1～0.17 MPa。

(1)加固区土仓压力设定：盾构机过加固区到原土层土仓压力由零逐渐增加，保证过加固区后土仓满仓。

(2)出加固区后的土仓压力设定：出加固区之后土体情况发生明显变化，需要根据施工实际逐步提高土仓压力直至达到理论值，一般控制为0.01～0.02 MPa，并随监测数据进行适时调整。

3.2.2 千斤顶推力与刀盘转速

盾构掘进时千斤顶推力和刀盘转速需要时刻保持在合理的范围内，因为合适的转速和推力是保障盾构切削土体顺利的关键。如果推力过小，就不能保证刀盘对前方岩土体的切削和破裂效果，掘进速度缓慢；如果推力过大，会在管片安装或者制造不均匀部位产生应力集中，造成局部管片破裂、渗水，影响隧道整体施工质量。一般盾构推力控制在6 000～10 000 kN，最大推力的确定应该根据分组千斤顶压力反馈的数据修正。依据施工经验，本项目千斤顶压力上限取管片混凝土强度的0.5倍即25 MPa是合理的，在此压力下既能安全掘进，又不会使管片产生挤裂、破损等问题。

考虑到地层黏土含量较高，刀盘转速控制在1.2 rpm左右可以方便刀具充分切入土层，取得良好的切土效果。同时，刀盘转速的确定需要考虑刀盘扭矩、泡沫注入速度、掘进速度等因素。

3.2.3 出土量控制

出土量能够直观反映盾构掘进过程是否正常以及前方土层是否稳定，在正常注入泡沫剂的情况下，根据隧道断面大致可以推算出每环出土量在46～48 m3左右，出现出土量偏大或者偏小，往往反映出盾构掘进出现异常，需要引起注意并及时采取措施。

本项目采用的渣土车容量为18 m3/斗，为确保不超挖，要求每环出土量不超过3斗。在掘进时，要求盾构司机做好记录，并要求有经验的工程师对每斗渣土进行抽样检测，分析盾构机掘进情况。

3.2.4 同步注浆

盾构施工对地层的扰动可以通过同步注浆进行一定程度的补偿，及时有效的同步注浆可以起到稳定隧道管片、控制变形、防止盾构管片错台的作用，同时可以保证盾构姿态的准确，提高施工速度。

同步注浆要严格按照规范操作，合理控制注浆量和注浆压力，防止因注浆量过少造成地面过量沉降和压力过大造成涌砂涌水及隆起。

通常情况下，注浆压力宜为0.2～0.3 MPa，当出现异常情况(喷涌、沉陷)时，可以根据需要适当提高注浆压力，如遇特殊情况，可以改变注浆材料或者配比，以确保盾构施工的安全。

4 盾构始发施工注意事项

(1)始发基座和反力架、负环的安装精度是保障盾构始发姿态与隧道设计线形符合的关键，需要严格控制。

(2)负环管片安装时通常采用错缝形式，首环负环管片在定位时，要确保线路中线与端面垂直；在安装顶部管片时，为克服支持力不足，保证安装位置准确，需要及时采用方木进行下垫加固。

(3)通过千斤顶把管片推出盾尾时，为避免管片下沉或变形，需要及时进行支撑加固。

(4)对有水地段，始发之前需要先将水位降至隧道底部1 m以下，方可进行始发。

(5)始发时推力不易确定，推力较小、地层较软时容易出现盾构机栽头，因此，要时刻注意始发推力和扭矩的控制。

(6)在始发时，若盾构进入围护结构2～3环时，监测到地层含水量超过允许值，需要通过盾构机的注浆孔进行注浆堵水，一般可以注聚氨酯进行堵水。

5 结束语

盾构始发和接收是盾构施工非常重要的一部分，如何安全高效的保证盾构始发工作的顺利进行一直是盾构施工关注的重点，本文依托具体工程，对盾构始发涉及相关关键技术进行介绍，希望可以为后期类似盾构地层始发施工参考。