异形钢环补偿盾构侧向始发施工技术

李由

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100040）

1 工程概况

北京地铁昌平线南延工程土建施工02 合同段学院桥站—西土城站区间（以下称学西区间）工程原设计方案的暗挖法+降水施工。为响应北京市关于轨道交通不降水（或少降水）的政策要求，项目设计方案变更为暗挖法+盾构法施工，暗挖段长度499 m，盾构段长度2 620 m，因盾构区间处于交通要道学院路主路下方，受地面条件限制，盾构机不具备垂直始发条件，项目部研究采用横通道内侧向平移、转体、再平移至预定位置后进行始发的方案，但因工期问题项目部创新性地提出盾构机直接在平移横通道内进行始发。但此方案存在侧向始发面与正线斜交的问题，针对此情况，项目技术攻关小组通过方案比选最终创新采用了“异形钢环补偿侧向始发施工技术”，通过钢环内填料补偿始发阶段切削不均衡。此技术不仅解决了侧向始发面与正线斜交等问题，并且可提前工期3个月，真正做到了技术革新与经济效益的双赢，对今后在城市交通繁华地段的地铁盾构施工提供了借鉴和参考。区间盾构侧始发平面示意图如图1 所示。

图1 区间盾构侧始发平面示意图

2 施工方案

本工程采用2 台盾构机施工，同时就位组装，右线全部完成后进行左线始发掘进施工。首先，平移横通道结构及暗挖段二次衬砌完成后，采用水平深孔注浆加固始发端头。盾构机从侧向盾构工作井下井，通过盾构平移横通道侧向平移到始发位置[1]，盾构机整体始发。盾构机掘进至预定位置后进行脱壳解体的同时左线盾构开始始发。

盾构始发过程中，由于平移横通道内不具备编组列车通行条件，故利用出土井及横通道进行管片等材料运输及皮带机将渣土输送至出土井口吊出，待拆除负环进入正常段掘进后在平移通道及出土通道内铺设轨道，通过编组列车完成渣土、管片等材料运输。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程如图2 所示。

图2 施工流程图

3.2 操作要点

3.2.1 端头加固

为保证盾构施工安全，本工程在盾构始发和到达前均需要采用深孔注浆加固的方式对端头进行加固处理，加固完毕后进行现场取芯试验，检测强度符合设计要求后方可始发、到达，以保证盾构施工安全。注浆加固盾构轮廓外3 m 范围土体，纵向加固长度10 m。

3.2.2 盾构后配套台车就位

按照6#台车→1#台车的顺序吊装后配套台车，后配套台车及编组列车均采用轮式移动平台（带轨道）在平移横通道内牵引行走至正线，将移动平台轨道与正线轨道对接然后后退至反向隧道内完成后配套台车和电瓶车就位。

3.2.3 反力架安装

马蹄形的暗挖隧道空间，限制了反力架的结构形式，常规盾构反力架无法满足施工要求，根据暗挖隧道的结构形式，设计了用于马蹄形隧道盾构施工反力架[2]。

反力架采用钢板焊接而成，反力架底部采用扩大混凝土基础预埋连接钢板，顶部与既有二衬结构预埋钢板连接，同时反力架设置水平传力支撑，支撑与二衬结构错台位置连接，在水平支撑区域竖向设置2 道连接立柱，加强水平支撑的稳定性。

为保证盾构始发的安全和反力架的稳定，安装反力架后在架体上布置位移监测点及应力监测点，监测点主要布置在架体的横梁和立柱背后，能准确地反映架体的变形和应力变化情况。

3.2.4 盾构机吊装及平移

1）准备工作。首先在平移横通道内及暗挖段扩大端内铺设15 cm 厚中粗砂再铺设2 cm 厚钢板[3]，钢板拼接采用电焊焊接并打磨平整，钢板上涂抹黄油。将盾构机始发基座利用地面吊车调入横通道内的钢板上，并将其固定[4]。

2）盾构机主机平移。在始发架上安装盾构机主体（主机组装顺序为中体、前体、刀盘、拼装机、盾尾、螺旋机）。始发基座在平移横通道内通过10 t 卷扬机在前方牵引，后方以2 个50 t千斤顶顶在钢板上向前移动，到达与正线斜交位置。平移过程中通过调节2 个千斤顶推力大小进行纠偏。到达既定位置后，通过2 个千斤顶对顶实现转体45°，调整盾构位置与始发位置中线重合然后向北平移，待异形钢环安装完成后前推就位。盾构机平移转体示意图如图3 所示。

图3 盾构机平移转体示意图

3.2.5 异形延伸钢环安装

异形延伸钢环是两端开口的桶状结构，整个套筒总长为800 mm/7 899 mm，筒体分成2 节制作。钢板选择：Q235B，板厚δ=20 mm。钢环直径（内径）6 620 mm，分为上下2 部分。底座高度为3 600 mm，与筒体的下半圆焊接成一个整体。筒体材料20 mm 厚的钢板。筒体的外周焊接横向筋板以保证筒体刚度，筋板厚20 mm，高120 mm。筒体之间的连接用法兰，法兰用40 mm 厚的板，筒体法兰之间均采用M30、8.8 级螺栓连接，中间加8 mm 厚橡胶垫。钢环左右两侧及底部需通过焊接H200 的型钢斜支撑，斜支撑间距1.5 m 每道，防止盾构机掘进时钢环时候发生位移。

1）异形延伸钢环安装

（1）安装前，首先在基坑里确定线路中心线，也就是钢环的中心线。钢环定位时，要求钢环的中心线、线路中心线2 条控制线重合。

（2）在地面上先把钢环吊装下放到盾构井内，平移至始发位置，使钢环的中心与事先确定好的线路中心线重合，分段点焊与洞门预埋钢环焊接，使其稳固。

（3）钢环安装完成后，连接螺栓按顺序紧固后需进行检查并复紧，对钢环位置进行复测，检查与盾构机到达的中心线是否重合。

（4）钢环与洞门预埋钢环进行焊接连接，焊缝沿钢环一圈内外侧满焊。

（5）钢环左右两侧及底部需通过焊接H200 的型钢斜支撑，斜支撑间距1.5 m 每道，防止盾构机掘进时钢环时候发生位移。

2）洞门处理

（1）加固效果检验。在实行破除洞门前，对土体加固效果进行水平钻孔取样检查，同时对地下渗水情况进行判断，根据地下水的渗透情况做出是否进行二次注浆加固的决定。

（2）洞门凿除。加固效果达到要求后开始破除平移通道350 mm 厚初支结构，洞门破除分上下2 层，先下后上，下部破除完毕后立即进行回填，延伸钢环敞口处采用砌体墙封闭，为保证回填期间砌体墙的稳定性，临时用钢管脚手架加固；按照同样顺序完成上半部分初支破除及回填，钢管脚手架待回填料达到自稳强度后方可拆除。

3.3 密封装置安装

密封装置与钢环尾端钢板预留孔通过螺栓连接，密封采用折叶式密封压板。由于帘布橡胶板和扇形压板通过它与管片的密贴防止管片背注浆时的浆液外流，所以安装时螺栓必须进行二次旋紧螺栓，防止安装扇形压板时损坏帘布橡胶板。始发洞口密封示意图如图4 所示。

图4 始发洞口密封示意图

3.4 异形延伸钢环内填料

盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门一侧掌子面后，通过钢环顶部预留孔向钢环内三角区填料，填料采用低强度配比同步回填注浆料，通过试配让其强度和韧性的特性接近加固后的土体，回填料无侧限抗压强度控制在1.0 MPa 左右。异形钢环三角区填料如图5 所示。

图5 异形钢环三角区填料

3.5 盾构机整体始发

1）本标段采用整体始发，负环管片拼装提供盾构掘进的反力，因此，负环管片采用正常隧道管片，负环共11 环，采用错缝拼装，拼装定位为1 点和15 点，以提供更稳定的反推力。根据设计要求，始发阶段长度为120 m。

2）盾构始发阶段的物料运输主要是管片和渣土的运输。

管片的运输：管片通过施工竖井调运至井底，在施工横通道第二层通过叉车水平运输至正线列车上。

渣土的运输：因始发阶段负环管片不能拆除，编组列车不具备轨行条件，始发阶段采用皮带输送机出渣，皮带输送机在既有隧道及施工横通道第一层内敷设，最终汇入施工竖井内土斗，通过龙门吊吊出。单线始发设置皮带输送机共计270 m。

3.6 盾构机正常掘进

始发120 m 后拆除负环管片，盾构机进入正常掘进阶段，正常掘进阶段同常规盾构施工相同。

3.7 盾构机到达接收

当盾构机推进距终点处10 环时，进行管片纵向拉紧联系梁的安装，拉紧连系梁采用槽钢14b，拉紧条预埋件与注浆孔预埋件共用，采用M36 螺栓进行连接，当盾构机推进至西土城站桩基6 m 左右时放慢速度，通过刀盘磨桩使盾构机进入主体结构范围即前盾前沿与西土城站主体结构外轮廓线重合即停止掘进。

3.8 盾构机解体吊出

盾构向南掘进到西土城站后，因西土城站不具备接收条件，根据施工安排及结构设计2 台盾构机到达后只能采用弃壳洞内拆解。

拆除连接桥及1#～6#拖车顶部的皮带输送机、风机、风筒起吊架并通过电瓶车运到至反向隧道，最后再通过平移通道转运至盾构井吊出。然后拆除油缸、拼装机、螺旋机、人仓、主驱动等散件后运送至盾构井口吊出。盾壳作为结构永久留在隧道内。

4 结语

异形钢环补偿盾构侧向始发技术在北京地铁昌平线南延工程土建施工02 合同段学院桥站—西土城站盾构区间得到了成功应用，整体效果较好，正常掘进过程中日最大掘进量为20 环，平均日掘进量为12 环。该项施工技术的应用有效地解决了侧向始发面与正线斜交的问题，开辟了盾构始发的新模式，节约了工期，提高了经济效益。在日后为盾构侧向始发更广阔的应用提供了技术依据，推广前景巨大。