盾构机分体始发技术研究

段耀伟

（太原轨道交通集团有限公司，山西 太原 030031）

1 盾构分体始发总体概述

1.1 工艺原理

分体始发是指始发井在不符合盾构总体始发需要的条件下，将盾构机盾体或将盾体和一些主要的后配套台车吊入起点端，将整个或部分后配套台车放置于地面上，将地面的台车和井内台车以及盾体之间采用了延长管道相连，同时再按照竖井条件以及盾构前后台车尺寸和各台车厢内的主体设施考虑对盾构分体，并对相关设施实行了改造以完成起始阶段的挖掘建设，等盾构隧洞挖掘至适合将所有后配套台车装入的一定深度后，再按照总体始发的模式实施盾构二次始发、转正常始发掘进模式。

1.2 工法特点

本工法占有场地小，能够减少场地征地、拆迁、管线改迁等费用；始发竖井尺寸小，短竖井施工周期短、安全程度高。如用车站始发可在端头井施做完即可盾构始发，区间可与车站同时施工，工筹合理可以缩短总工期[1]。

2 案例分析

2.1 工程概况

某地铁区间右线线路起讫里程为YDK31+787.763—YDK32+881.800，右线长度1105.511m（含长链3.474m）；左线线路起讫里程为ZDK31+784.808—ZDK32+862.000，左线长度1078.011m（含长链0.819m）。区间平面上有2个曲线段，半径依次为1000m、550m，平均线间距13m，并在中间风井出入洞前后附近渐变为12m；在纵断面上的2个竖曲线半径最小为3000m，区间线路纵向偏移坡度最大为8.019‰。隧道顶部覆土厚度约为29.1m，最小覆土厚度约为13.7m。

2.2 始发井结构设计概况

盾构始发井为中间风井兼2#联络通道（兼轨排吊装井）主体结构净空长38.4m，净空宽度为25.4m，平均埋深为21.97m；轨排井孔洞长27m，宽8.4m，主体结构为地下两层三跨现浇钢筋混凝土框架结构。此中间风井无法满足盾构整体始发[2]。

2.3 盾构机概况

本区间右线采用海瑞克S241盾构机掘进，左线采用的中铁装备83#盾构机掘进。

两台盾构机适宜砂土、淤泥质土、花岗岩风化带、强风化带等地层的掘进施工；盾构机掘进最小曲率半径300m，最大坡度42‰。

盾构机设备由刀盘、前体、中体、后体、连接桥及后配套台车等构成，单台总长度为80m，单台总重量约450t。盾构机主要构件参数见表1。

表1 海瑞克S241盾构机主要构件组成及参数

2.4 地质水文情况

2.4.1 地层岩性及特性

始发井大里程端头地层从上往下为＜1＞素填土、＜4-2A＞淤泥质土、＜3-2＞中砂层、＜5H-2＞砂质黏性土。

2.4.2 水文地质条件

始发井大里程端头盾构始发稳定地下水位线高度为39.25m，稳定地下水位线位于隧道拱顶上方9.01m标高处，水位线和隧道拱顶之间分布淤泥质土、中粗砂层、花岗岩残积土。

2.5 周边环境情况

本次始发阶段100m主要位于公路下方，距离两侧房屋最近距离约为18m。其中公路上各种市政管线，其中包括通信、供水水、电力光缆，各管线均埋深较浅，盾构施工不会对其造成大的影响。

2.6 总体施工方案

拟从始发井（中间风井大里程端）先行始发盾构右线，待右线掘进60环（90m）后再行始发左线。

因始发井（中间风井）纵向长度仅有38.4m，采用的海瑞克S241、中铁装备83#盾构机总长为80m，故始发井不具备整体始发条件。

根据结构净空长度和盾构机盾体和台车长度尺寸考虑，连接桥和1号台车下井，2号～5号台车则布置在地面上，待盾构机掘进70环（105m）后，将地面剩余台车吊装下井，组装调试，正常掘进[3]。

盾构始发地层加固在盾构始发前进行了加强措施，搅拌桩加固深度进入〈5H-2〉地层后不小于1m，以确保在盾构始发时前方土体自稳和较高的防水性能。

因始发井围护结构洞门处连续墙钢筋采用玻璃纤维筋，左右线盾构始发洞门均不需要人工凿除。

始发阶段电瓶车编组形式为1个机车+1个土箱+1个平板车，平均1个班2环（每天4环），在管片拼装和移管线期间，将浆液车增加在编组里面运输浆液，浆液运输完后，重新将浆液车吊出编组。

3 盾构分体始发阶段施工重难点分析及对策

3.1 始发基座安装

盾构始发基座为盾构始发时为盾构提供的平台，通常产用钢结构焊接成整体。始发基座位置要根据设计轴线准确放样，吊入井下就位，安装时按照测量放样的基线吊入井下就位、固定。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角偏差＜±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差＜2‰，水平趋势偏差＜±3‰。盾构始发钢轨中心与隧道洞门中心位于同一竖直面内，纵坡比设计坡度大0.3‰，前头略抬高2cm，底面的工字钢与预埋的钢板焊接，并对两侧加设支撑加固，防止盾构推进时发生侧移[4]。

3.2 反力架安装

反立架是给盾构始发提供反作用力，由于反力架和始发基座为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发基座时，反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm以内。安装反力架时，与始发井连接部位的间隙要充实，保证反力架脚板有足够的抗压强度。安装反力架时，用全站仪双向校正两根立柱的垂直度，使其形成的平面与推进轴线垂直。然后，在反力架上测出最后一环负环管片的位置，弹好控制线，确认高程及左右位置与始发环管片一致后，用螺栓将其与反力架固定[5]。

3.3 运输组织

由于盾构分体始发阶段，盾构机无法全部下井，运输系统不能常规布置，局限了运输效率，则井内运输组织是盾构分体始发的关键。

3.3.1 运输轨道布置

（1）运输轨道内轨距（钢轨内侧）为900mm，采用30kg/m钢轨；盾构机后备车架轨道走行在外侧轨道上，外轨中心轨距为2080mm，采用30kg/m钢轨；编组列车在内轨上运行。

（2）始发井内轨枕采用20号H型钢（200mm×100mm×7mm），轨枕长为3400mm，轨枕间距为1000～1200mm。

隧道内轨枕采用弧形轨枕。

（3）始发阶段采用单线运输轨道；盾构机进入正常掘进状态后，根据出碴及供料需要，在始发井内布设双线会车道。

3.3.2 运输设备配置

隧道每环掘进的土石方量V按下式计算：

式中：V——每环掘进的土方量；D——刀盘外径，m；L——管片宽度，m；K1——松方系数，一般情况下为1.5，在此取1.5。

管片同步注浆量计算：

式中：V1——每环掘进的土方量；D——刀盘开挖直径，m；d——管片外径，m；T——管片宽度，m；K2——扩散系数，取1.5。

盾构机始发阶段运输系统配置围绕出碴、供料等施工需要。在充分考虑始发阶段施工难度情况下，作了以下考虑安排：①盾构机始发阶段，始发阶段电瓶车编组形式为1个机车+1个土箱+1个平板车，平均1个班2环（每天4环），在管片拼装和移管线期间，将浆液车增加在编组里面运输浆液，浆液运输完后，重新将浆液车吊出编组。②盾构机进入正常掘进状态后，设两个编组，始发井内设双线会车道，隧道内设双线运输轨道。

3.4 始发掘进参数控制

根据不同的情况选用合理的参数，始发掘进建议参数控制见表2。

表2 始发掘进的掘进参数

4 盾构分体始发可能遇到的问题及处理对策

分体始发是指在盾构机始发空间不足的特殊情境下，能够预先将部分或整个先下到井内的始发模式，设置好主机后，保证盾构机顺利掘进最少液压管道并将部分台车连接在主机上，接着进行试车和始发，并配合盾构机的挖掘最后再将盾构机上剩下的台车放在井里进行连接并完成整个步骤进行作业。

4.1 盾构分体始发可能遇到的问题

主要论述与分析以下五点问题：在洞口范围打水平探孔，观测孔内出现漏水涌砂的现象，在盾构机贴近土体后，在盾构机螺旋输送器口漏水涌砂或在洞门防水装置处出现漏水的现象，因推力大使负环管片出现变形破损或破裂，由于摩擦小而造成的盾构机滚动以及因刀盘悬空导致的盾构机低头的五点问题。

4.2 处理对策

4.2.1 孔内出现漏水涌砂的处理对策

在现场准备一台注浆设备并准备好注浆的材料，当发现孔出现渗水的情境时，不要慌张，先利用石头和水泥对其他的孔口进行封闭，在封闭最后一个孔口使先要达到一定的压强，然后进行注浆，控制压强，使其≤0.3MPa，使孔口稳定的进行封堵，然后将向基坑内的水进行集中排出。

4.2.2 盾构机输送器口出现漏水处理对策

先检查好其防水装置有没有出现故障，其螺栓是否紧闭，橡胶板是否正常，闸门是否关闭，然后向仓内注入类似泡沫土体，观察是否出现漏水，然后将向基坑内的水运用水泵集中排出基坑。

4.2.3 管片出现变形破损的现象处理对策

管片出现变形破损的现象主要由于油缸的推力过大导致的，因此应该立刻将推进终止，加固已经出现损坏和有破裂倾向的管片，预防其出现问题，影响施工作业进程。

4.2.4 盾构机滚动处理对策

由于盾构机与地层间摩擦力较小，导致盾构出现旋转，因此应对盾构机的转角进行定时检测，如果发现异常，立即利用刀盘慢速调整，保证其处在正确的角度。

4.2.5 盾构机出现刀盘悬空的处理对策

由于盾构机的刀盘出现悬空的现象，因此这就导致了盾构机旋转能力丧失产生低头的结果，如果想要解决这一问题，就需要在始发的洞口安装导轨，并在末端流出刀盘的位置空间，从而保证刀盘正常旋转，从而将刀盘位置固定，改善盾构机出现低头的现象。

5 结语

盾构分体始发当下已是对于缓解城市日益拥挤现状、节省寸土寸金的城市占地、减少建设投资的不二选择。但对于施工单位来说，解决分体始发带来的诸多不便，提高分体始发功效，还需继续探索研究。探孔漏水，输送器漏水，管片出现磨损，机体不固定以及刀盘悬空等问题，对其处理对策展开了分析与探讨，希望能够将盾构分体始发过程中出现问题的可能性降到最低，顺利完成作业任务。