盾构过风井过程解析

杜德平 （合肥市轨道交通建设工程质量安全监督站，安徽 合肥 230001）

1 工程概况

该项目1、5号线盾构区间通过南侧紧邻高速公路的中间风井多达4次，由于紧邻高铁站工程施工导致中间风井负一层北侧土方被挖除，且工期紧，盾构机过该中间风井方案的选择和实施，对项目的盾构安全质量至关重要。为此，借鉴盾构过站、站内掉头、半环始发等施工实例经验，并结合该项目实际情况，经过方案比选，最终确定了采用局部半环与整环组合拼装盾构机整体平推通过中间风井的方案。实施前对方案的工艺流程、施工方法、技术要点等细节进行了详细分析，过程中根据现场实际情况进行了优化和论证，最终完成了盾构通过中间风井任务，在安全、质量、工期、成本等方面均达到预期的效果。

2 方案选择

2.1 方案比选

2.1.1 方案一：整环拼装过中间风井

整环拼装过中间风井是在盾构到达中间风井后，通过拼装整环管片，利用千斤顶提供反力，完成盾构机过站施工。其优势在于二次始发过程中不需要再次架设反力架装置，通过拼装管片后的成型隧道提供反力，隧道整体线型效果好；其不足在于隧道封闭成整体后，不能满足两井间定向联系测量的要求，无法实现在风井处的垂直运输，需要较大的人力、物资和机械设备投入。

2.1.2 方案二：半环拼装过中间风井

半环拼装过中间风井是盾构机到达风井后采用拼装下半环管片通过。其优势在于负环拼装方便、节约管片、节省拼装时间，同时盾构进入风井后可利用此机会对盾构机进行维修，从而加快施工进度；其不足在于始发时需在上半环架设反力支撑系统，与管片连接成为一体，为盾构机前进提供反力。

2.1.3 方案三：安装反力架拼装负环过中间风井

安装反力架拼装负环过中间风井是将通常的到达接收及再次始发完全重复一次，该方法适用于风井内部空间较大、方便垂直运输的情形，但投入较大、工序较繁、施工周期长。

2.2 利弊分析

①全部采用半环拼装，始发时需要在上半环架设反力架支撑系统为盾构机提供反力。该项目中间风井宽度为12.3m，风井内施工场地狭小，且过站段处于封闭空间，支撑系统拼装、架设施工难度较大，同时支撑与管片连接面平整度难以保证。另外支撑钢管或型钢需要10m以上长度，在始发推力作用下，易发生变形，影响正环管片的拼装质量，同时存在较大安全风险。

②隧道通风靠风机向洞内送风，长距离送风对风机设备要求高，且损耗大。当盾构机通过风井后，若将风机移到风井处，在满足通风需求的同时，又能减少部分管材料的消耗及风机用电损耗。

③该工程中间风井内四周封闭结构吊装无法进行吊装作业，后期管片拆除比较困难，只能通过安装在负三层结构中预埋件上的倒链采用人工进行负环拆除。

④根据该项目中间风井洞门与底板相对位置关系及中间风井结构设计的具体情况，盾构在风井内接收采用安装在通长混凝土导台上的钢轨代替常规的接收钢托架，安全可靠、施工方便。

2.3 方案确定

经过前述分析，本着安全可行、工期可控、节约成本的原则，该项目最终采用局部半环拼装过中间风井方案完成盾构施工。

3 盾构局部半环拼装过中间风井施工

3.1 前期准备工作

3.1.1 到达前准备工作

盾构到达时，应确保端头土体具有足够的强度及抗渗能力。根据地质情况，采取适宜的方式对端头土体进行加固，当地下水位较高的，还需采取必要降水措施，将端头区域的地下水位降至隧道底板面以下。该项目在风井主体施工过程中已采用水平袖阀管注浆加固方式对4次过风井的8个端头进行加固，并在到达前进行抽芯试验。

3.1.2 浇筑通长混凝土导台

根据隧道中心线位置、风井结构尺寸、盾构接收托架尺寸等计算确定通长混凝土导台尺寸及用于固定钢导轨的预埋构件的位置。盾构到达前30天完成相关工作，以保证混凝土导台有足够的强度。

3.1.3 安装钢导轨

为确保盾构顺利接收及再次始发，在通长混凝土导台上安装用于代替常规始发托架的钢轨。第一，严格安装设计的高度、断面尺寸进行混凝土导台的浇筑，确保导台结构尺寸及预埋件埋设位置准确可靠；第二，根据混凝土实际浇筑的效果，确定钢导轨安装间距、角度、高度，确保最终接收端钢导轨中心轴线比隧道设计轴线低10mm～20mm，以便将盾构机顺利推上钢导轨，同样确保盾构始发端钢导轨中心比隧道设计轴线高20mm，以便减小二次始发时盾构机栽头对隧道轴线的影响；第三，浇筑混凝土导台时靠近洞门两端的位置各留出40cm宽度的范围降低20cm，安装钢导轨时应与风井端墙保持35cm～40cm距离，以方便洞门钢环密封圈及橡胶帘布的施工；第四，钢导轨与预埋件必须焊接牢固、焊缝饱满。

3.1.4 安装洞门防涌水密封圈

作为盾构到站阶段临时的防塌方涌水措施，在洞门圈安装橡胶止水帘布、折叶压板等组成的密封装置，并采用钢丝绳、倒链与预埋件拉结的方式固定压板，待盾构进洞时，逐步收紧，直至盾尾脱出管片后完全收紧。

3.1.5 洞门处围护结构凿除

当盾构掘进进入洞门加固体时，必须先进行洞门探孔检查，探孔检查无异常情况后，开始进行洞门破除工作。洞门破除由高向低先分层分段进行，先进行围护结构的一半厚度破除施工，当盾构推进至距离洞门约2m时，快速破除剩余围护结构混凝土，保留围护桩的外排钢筋和保护层，待盾构机刀盘渐进到刮磨外排钢筋网时停机割除外排钢筋。洞门处围护结构的整个凿除过程应先凿孔探明端头区是否有水，若存在涌水涌砂现象，当立即停止凿除，进行注浆封堵。

3.1.6 贯通前盾构机掘进控制

在盾构机到达前100m，通过对洞内导线测量、水准测量、管片姿态测量，明确盾构机中心轴线与隧道设计轴线的关系，并对接收洞门位置进行复核，确定盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划。到站前30m要采取辅助措施确保管片环间纵向连接力，以防盾构掘进推力的减小引起环间推力不足而影响密封防水效果。到站前6环要根据复测结果调整盾构机姿态，派专人观察洞门掌子面变形情况，并根据变形情况及时调整掘进参数，以确保站端墙的稳定和防止地层坍塌。

根据该项目地质情况等，盾构接近中间风井时，采用半仓式掘进模式慢速推进，减小刀盘转速及掘进推力，其中推进速度控制在10mm/min～20mm/min以内，推力控制在500t左右，刀盘转速控制在1rpm～1.2rpm。在即将破洞前，尽量减少土仓内的渣土，使盾构正面及桩体背后土压力降低到最低值，又减少出洞后人工清渣的工作量。

3.2 局部半环拼装过中间风井

3.2.1 盾构机进洞

盾构机刀盘进入风井以后，为了顺利地上到钢导轨上，需在洞门圈内安装一段导轨，并将其与导台上钢导轨连接起来。在钢轨上预先涂抹润滑油脂，减少盾体与钢轨的摩擦力，降低过站空推总推力。

进入风井前6环的注浆材料配合比及注浆量要进行调整，必要时可通过盾构壳体设置的孔向盾壳外注入水泥~水玻璃双液浆进行止水，在进洞环管片脱出盾尾后，及时采用二次注浆填充管片和土体的环向间隙。

3.2.2 盾构机在风井内空推、检修维护

盾体上导台以后，盾构机采用推进油缸在倒台上推进，不转动刀盘，正常拼装负环管片。当盾构机到达中间风井位置后，由机械、电气专业人员对盾体、刀具、盾尾密封刷检查更换、刀盘耐磨层的补焊、重要设备部件进行维护和检修，并做好再次始发前调试工作。

3.2.3 过中间风井管片拼装

①为便于后期管片拆除，过风井管片拼装采取通缝拼装，共需安装9环，整环7环，半环2环。沿盾构掘进方向，在第4环位置前安装半环由16#工字钢加工成型的钢环，拼装后一侧翼板紧贴在第4环管片上，并采用特制的管片螺栓将钢环与管片进行紧固。

②在管片脱离盾壳后，用钢丝绳和倒链拉紧管片，以加强成环管片的真圆度。

3.2.4 中间风井内始发

盾构机在导台上推进的同时安排始发洞门凿除，并安装洞门密封装置。洞门破除完成后，继续推进，按盾构始发流程再次始发。

盾构机从风井段再次始发所用反力由已拼装好的成型隧道管片提供，始发推进阶段总推力按1600t进行设计，推力增加要遵循渐进的原则，速度应控制在10mm/min～20mm/min以内；为防止盾构机在推进过程中发生盾体滚动现象，在盾体两侧焊接防滚楔块。

3.3 负环管片拆除

3.3.1 负环管片拆除验算

拆除负环管片前，需进行管片受力计算，以满足仅依靠管片与土体间的摩擦力能够提供盾构机正常掘进的最大反力，即

F摩=μπDLP≥F推力

式中：μ——管片与土体的磨擦系数，取μ＝0.3

D——管片外径，取D ＝6.0m

L——已安装的管片长度，取L＝54×1.5＝81m

P——作用于管片背面的平均土压力，P=γ1'h1+γ2′h2…….

γ′——土体有效重度,地下水位以上取天然重度，按以下公式计算：γ′=γw(ds-1)/(1+e)

其中：ds 为土粒比重（参照微膨胀性粘土）；e为孔隙比（参照微膨胀性粘土）。

在该项目中，始发后的100m盾构区间平均埋深为17.5m，地下水位为隧道底下1m,γ′取天然重度，取20kN/m3，则P=111.46kN。

故管片提供的摩阻力为：

F摩=0.3×3.14×6.0×81×111.46=51027.72kN>37500 kN（盾构机额定最大推力）。

该项目中间风井至下一车站线路较短，考虑始发段掘进长度要求，为了减少施工影响，过站负环的拆除工作在盾构机到达下一车站以后进行。

3.3.2 负环管片拆除

①钢环拆除：盾构过站后，切割取出钢环，以便能够为顺利拆除负环管片提供空间。

②将加固负环管片保持其稳定的钢丝绳及木楔块拆除，并将在管片内铺设的轨道、循环水管等拆除，注意保护高压电缆不被损伤。

③负环管片拆除：半环及整环负环管片采用整体分块一次性拆除方式。

4 实施效果分析

4.1 成本效益

该项目在初次始发时采用整环拼装始发，因此有足够的管片供过风井使用，局部半环管片拼装比整环管片拼装节省约1环管片，虽不及全部半环管片拼装方案，却比其节省型钢约70m30#型钢。

此外，该风井采用局部半环管片拼装方案后，剩余隧道在掘进时的空气流动性完全满足施工作业健康要求，故在风管材料、电费方面又有所节省。

4.2 其它效益

局部半环拼装通过中间风井的方案，通过在中间风井适当位置预留垂直提升条件，可以有效缩短物资在隧道内水平运输距离，既可以节约能源，又可以降低负环拆除劳动强度，加快盾构施工进度。

5 结 论

6号风井由于结构内尺寸限制，盾构机通过时大型吊装设备没有使用条件，在有限的空间内既要保证盾构机安全通过，又要确保后期过站负环管片拆穿方便安全，本文提出了一种安全高效的施工方法，可为类似盾构机通过风井或过站提供参考。

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