大直径铁路盾构机始发施工技术

大直径铁路盾构机始发施工技术

摘要：盾构机始发技术是盾构法施工的关键点，也是盾构能否顺利施工的技术难点之一。本文结合广深港铁路客运专线狮子洋隧道盾构机始发技术，依据客运专线施工技术规范的具体要求，对盾构直径为Φ11.18、总重量为1600 t大型铁路盾构机始发技术和施工措施进行了介绍和总结。

关键词：大直径泥水盾构；盾构始发；负环；施工技术 一、工程概况

新建广深港客运专线狮子洋隧道工程全长10.8km，从广州侧由西向东下穿狮子洋后进行东莞。根据工程水文地质特点，隧道施工选用四台直径Φ11.182m气垫式泥水平衡盾构，气垫控制精度为+0.2bar，装机总功率为4150KVA，是目前国内同行业盾构机直径较大、装机功率较高的。隧道衬砌采用单层装配式钢筋混凝土管片，管片外径10.8m，内径为9.8m，管片厚度为0.5m，环宽2.0m，每环管片选用“5+2+1”形式，即5块标准块，2块邻接块，1块封顶块，管片接缝设定位榫和定位杆槽。

该工程主要由盾构隧道+明挖暗埋隧道组成，明挖暗埋段是由地面进入盾构隧道的过渡段，其中盾构始发井深21.69 m 宽23m，盾构段隧道下穿狮子洋，最大水深约26.6m，最大水压为0.67MPa所以本标段工程具有工程规模大、设计标准高、涉及工法多、工期紧、工程地质复杂、水压力大、盾构掘进距离长等特点，是目前国内铁路隧道最长、标准最高的水底隧道，是广深港客运专线的控制性重点工程。

二、大直径泥水盾构始发总体方案

盾构出洞施工为大直径泥水平衡式盾构的关键重要工序，施工技术方案需根据不同的工程水文地质条件和周围施工环境来确定。大直径泥水盾构的出洞端头土体是否稳定相当重要，洞门端头土体一旦被扰动，可能造成地表塌陷和导致泥水昌溢，所以首先须对始发洞端头地层进行加固处理，常采用“高压旋喷法”、“冻结法”“固结灌浆”等。其次，要安设预埋洞口密封止水装置和盾构基座与反力架。接着依次进行组装盾构后配套拖车、盾构主体、刀盘、连接桥及相关配套设施，并完成盾构整机调试工作。最后在盾构机始发前，要完成洞门密封、洞门凿除、反力架支撑加固、负环管片拼装定位和形成盾构始发定位状态，同时待相应的泥水处理系统、垂直运输系统和水平运输系统、制浆系统等准备完善后才可以开始盾构始发掘进。

盾构始发时，从反力架端部里程点开始沿隧道设计中心线的内弦线

推进，直到盾尾脱离基座后逐步调整盾构姿态使盾构沿隧道设计线路推进。整个盾构始发过程中盾构始发流程见“图1盾构始发流程图”

三、大直径泥水盾构始发前施工措施

3.1、洞门地层加固处理

洞门所处地层根据现场钻探揭露自地面往下显示：上部为人工填土层，0.6m~8m为淤泥层与淤泥质砂层，8m~27m为粘土层、粉细砂层、粘土+粉细砂互层、中粗砂层，属于软塑～可塑～稍密、饱和等稳定性较差地层。27m以下为微风化泥质粉砂岩。盾构隧道顶部覆土厚度约为7.5m，为了确保盾构始发洞门围护结

构凿除后土体稳定和保证盾构始发阶段姿态的准确，依据需加固土体的强度要求进行了力学计算，采用咬合三重管旋喷桩加固方案。最后，经过现场试验室检测在隧道顶、底部和左、右边线各3米范围内的土体均能满足加固土体强度≥1MPa，满足加固土体渗透性≤1立方/d不得漏泥砂的标准，且加固土体均匀，此加固方案能满足盾构始发地层要求。

3.2、洞门密封装置设计

盾构隧道洞门在围护桩内预埋钢环，钢环的参数为：外经为φ11.82m（内经为φ11.50m）、厚度为0.5 m、环框面板宽1.0 m、钢环共重约为20吨。为了确保预埋的钢环整体精度和圆度，对钢环进行分块预埋安装，钢环之间用型钢网格支架连接；在围护施工期间，为了防止砼浇筑造成洞门钢环上浮、错位变形，所以将钢环面板背侧的锚固筋与围护桩体主筋及洞门环形钢筋焊接牢固。在盾构始发阶段，为了防止盾构刀盘进洞门后低头，在安装钢环时均应抬高50㎜。

根据洞门防水设计，本工程中洞门密封采用双道折叶式翻板。即：采用折叶式密封压板+帘布橡胶板。由两道相同的密封组成，两道密封间隔480mm，其中每道密封由帘布橡胶板、折叶压板、垫片和螺栓等组成。见图“图2.洞门密封装置结构图”

3.3、盾构基座

盾构始发基座的主要作用是用于稳妥、准确地放置盾构机，承受盾构机自身重力和推进时的摩擦力，且保证盾构机能够安全地组装、调试与始发，因此始发基座的设计必须有足够的强度、刚度和安装精度。在进行盾构井底板及填充层施工时，提前要按基座相关尺寸调整好标高、坡度，预埋好基座的连接、加固钢板，并预留好盾壳焊接和反力架立柱预留槽等。本次由于盾构机重达900多吨，所以盾构基座采用全部钢结构形式，根据盾构机长度（盾壳（含刀盘）总长度L＝11.42m）及反力架与洞门距离，故取始发基座总长为15.971m。

3.4、反力架及支撑系统设计与安装加固

盾构机始发时，支撑在主体框架梁处的反力架为盾构机提供反向推动力，因此，不仅要求反力架须具有足够的刚度和强度，而且应保证反力架安装精确度，采取的主要施工技术措施如下：

a)、反力架结构

由于本次约需向盾构机提供3330吨的反力，所以反力架采用便于组装与拆卸的组合钢结构件，其结构尺寸要根据支撑面的具体尺寸而定，反力架结构尺寸厚为1.2m，高12.37m，宽为11.47m，支撑面宽12m。

b)、反力架端部里程的确定

按如下公式计算：

式中：

Ds — 设计第一环管片起始里程，如本次左线取DIK42+999.2；

N— 负环管片数量,如本次取N＝8环；

Ws — 负环管片宽度，取2m；

cosα—与基座所设计坡度有关；

DR — 反力架端部里程，

考虑基座坡度为－1%和盾构基座与洞门间导轨长度后，经反复计算复核后确定反力架安装起点中线里程为DR ＝DIK43+17.266。

c)、支撑系统设计确定

本次反力架的支撑结构采用12根φ609（δ=16mm）钢管直接撑到主体结构墙面上，两侧采用H型钢加固。根据盾构机始发时需要提供33300 kN的反力，每根φ609钢管受力F0＝33300/12 kN，按荷载不均匀系数1.2计，反力架的每根φ609钢管所受压力F＝F0×1.2/cos300=3845(kN)，下列分别对φ609钢管强度与稳定性进行验算[4]：

φ609钢管强度验算

= 3845 / [л×（0.6092－0.5772）/4]

＝129MPa≤[σ]＝σs＝235MPa

故φ609钢管强度满足设计要求。

φ609钢管稳定性验算

临界力

Pc=л2×EI／L2

式中：E ＝210×103 MPa ， I ＝л×(D4 一d4 )／64，钢管长L= 4.7 m ，厚δ=16mm

故Pc ＝ [л2×210×103×л×(D4 一d4 )／64]／4.72＝1.23×104kN

临界应力

σc = Pc／A = 413 M Pa ≥σp= 200 MPa

a)、盾构机推进前，要在盾壳外、在始发台导轨两侧要焊接2～3组盾构机防扭块装置，在刀盘切削岩体旋转时，防止盾构机整体侧转和旋转，在每组防扭块进入洞门密封装置之前将其割掉。

b)、当盾构开洞在盾构在切入土体时，为减少盾构开洞时的推进阻力及保护前置刀盘，在盾构外壳、轨道以及帘布橡胶板和翻板涂抹黄油，止水密封装置的箱体内也需充满油脂。

c)、盾构离开始发基座前基本沿预定始发路径推进，必要时可通过对推进千斤顶的选择来对盾构姿态作微量调整，在此期间盾构须切割洞门加固体，易遵循“低推力、低刀盘转速，减小扰动”的原则进行控制，避免盾构推进对主体结构墙体造成影响，以确保盾构姿态的稳定。

d)、在盾构始发掘进施工过程中，应加强盾构机姿态的测量，如发现盾构有较大转角，可以采用大刀盘正反转的措施进行调整，并将其推进速度放慢；同时，要严格控制盾构机操作，调节好盾构推进千斤顶的压力差，防止盾构发生旋转、上飘或叩头现象发生。

e)、在盾构机出加固区前，为了克服地层土体强度的突变，防止地面沉降过大或避免泥饼的产生，盾构机采取的主要掘进参数为：泥水仓中心压力在1.2bar~1.5bar（出洞地层土体侧压系数0.4，地面荷载20kN/m2）、进浆比重1.05kg/m3、进浆粘度数控制在20s左右，进排泥浆流量差必须与掘进速度相匹配，盾构推进速度控制在0~20mm/min范围内。同时，根据地面监测反馈的信息对掘进参数作出调整。

除上述几项内容外，盾构始发试掘进过程中要加强监测，及时分析、反馈监测数据，动态的调整盾构掘进参数，并为后续正常快速施工提供依据。

4.4、同步注浆的形成

当盾尾通过两道洞门密封后进行始发注浆，为了能及时填充管片与地层间环形空隙、控制地层变形、稳定管片结构、控制盾构掘进方向，加强隧道结构自防水能力，对建筑空隙采用盾尾内置的注浆管开始实施同步注浆。同步注浆主要材料是由水泥、粉煤灰、砂子组成，按不同的比例配成不同性能和指标的水泥砂浆液。

本工程同步注浆拟采用“表1同步注浆材料初步配比表”所示的初步配比。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。

表1同步注浆材料初步配比表

水泥(kg) 粉煤灰(kg) 膨润土(kg) 砂(kg) 水(kg) 外加剂

80～260 381～241 60～50 779 460～470 按设计和试验加入

同步注浆浆液的主要物理力学性能满足下列指标：

a)、胶凝时间：一般为3～10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。

b)、固结体强度：一天不小于0.2MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28天不小于2.5MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。

c)、浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。

d)、液稠度：8～12cm

e)、浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。

在同步注浆施工工艺中应注意事项： ①、同步注浆系统在调试结束后应将注浆孔（包括备用孔）用油脂充填密实； ②、同步注浆一定要在通过两道密封后再实施，避免同步注浆污染破坏两道密封间的油脂，从而降低洞门密封的效果。

③、始发阶段由于盾构掘进速度相对较慢，且浆液凝结时间相对较快，要隔一定的时间对注浆管路进行清洗疏通，避免浆液凝结堵塞注浆孔。

五、大直径泥水盾构始发施工效果

在狮子洋隧道大直泥水盾构始发工程中，根据地面变形监测结果及盾构掌子面数据信息反馈显示，本次盾构始发非常成功，隧道轴线水平偏差最大33mm、高程偏差最大18mm，管片错台基本控制在2mm以内，该段隧道未发现有渗漏点和管片顶裂现象，地面最大隆起1mm、最大沉降12mm，未出现周边地表开裂和地下构筑物及管线破坏现象。本次盾构的顺利始发为今后盾构正常掘进施工奠定了基础，同时也受到了业主单位、监理单位、咨询单位和国内同行与专家到施工现场进行了参观考察，对其施工技术和质量给与了肯定和赞扬。

六、结束语

大直径泥水盾构机能否顺利始发直接决定地影响着盾构法施工隧道施工进度、工期、安全、质量及经济经济效益，因此应对盾构始发条件和施工技术中每一环节要进行仔细研究，对施工中的每一步要加强全面、细致的控制，确保各项目施工技术措施达到预期效果。

本文主要通过对狮子洋隧道大直泥水盾构始发技术的总结，充分验证该项目施工技术措施和施工工艺能满足施工安全质量的要求和铁路客运专线的规范规定，保证了盾构的顺利始发，为今后更大直径盾构始发技术提供了可查询和参考的经验性数据。

参考文献：

[1]/.新建铁路广深港客运专线狮子洋隧道指导性施工组织设计. [R].广州: 广深港客运专线有限责任公司，2006：1-8.

[2] 孙谋.盾构隧道始发技术[EB].

http://www.shuigong.com/papers/jianzhu/20051113/paper5288.shtml.2005-3-28

[3] 王宁.北京地铁五号线盾构曲线始发施工技术[EB].

http://www.sinzhu.com/gxfw/ShowArticle.asp?ArticleID=73030. 2007-9-29

[4] 陈计明.浅论隧道盾构施工离进站的技术措施[EB].《铁道标准设计》.2002年9期.vol.58—59