盾构施工中大角度割线始发技术

李茂松

（中国铁建股份有限公司，北京 100855）

盾构施工中大角度割线始发技术

李茂松

（中国铁建股份有限公司，北京 100855）

盾构始发是盾构施工中的重点与难点，特别是对于大角度曲线而言，这一问题则更加突出。结合兰州市轨道交通1号线文西区段的施工，对盾构施工中大角度割线始发技术进行研究，内容包括盾构始发关键技术控制、盾构始发姿态控制、盾构始发参数设置以及大角度割线始发时的注意事项等。其中盾构始发关键技术控制包括始发割线确定、始发托架安装、反力架安装、负环管片安装以及洞门凿除等内容；盾构始发姿态控制包括始发引导轨设置、负环段盾构机参数设置以及正环开始后盾构机姿态控制；盾构始发参数设置内容包括土压设置、注浆参数设置以及掘进参数设置；大角度割线始发时的注意事项则包括始发架、反力架的定位及加固、始发洞门的防水以及掘进控制等。研究内容对相同类型的隧道施工具有一定的指导作用。

隧道工程；盾构施工；曲线始发；大角度割线

1 概述

兰州市轨道交通1号线隧道文化宫—西关什字区间（简称文西区间）最大曲线半径为1 200 m，最小曲线半径为400 m。区间纵断面采用单面坡，从文化宫出站后分别以25.000‰、7.184‰的下坡到达西关什字车站。始发时盾构处于强风化砂岩中，随后穿越泥岩、卵石土，并在卵石土中完成接收。区间地下水位埋深为7.10～10.60 m，相应地下水位高程为1 515.72～1 517.37 m。结合国内外关于隧道施工时盾构始发技术研究成果及应用状况[1-9]，确定了兰州轨道交通1号线隧道文西区间采用大角度割线始发技术的具体步骤和技术要求。

2 始发关键技术控制

2.1 始发割线确定

由于盾体在未全部进入土体之前无法转向，只能沿直线进洞，割线始发具有在盾体全部进入土体后盾构姿态偏差最小、管片不侵限、盾构纠偏容易等优点，所以盾构始发段位于曲线上时，都采用割线始发。

文西区间不仅盾构始发段位于曲线上，盾构始发井也全部位于曲线上。文西区间右线为1 000 m半径曲线，左线为600 m半径曲线，设计线路与始发井侧墙呈夹角状态（左线为7.403°，右线为4.674°）。按常规割线始发，始发点位于曲线外侧（见图1），会导致反力架与负3层站台板边沿干涉（文西区间始发站为4层结构），并且考虑到连接桥与1号台车摆放位置问题（偏角过大易与底板立柱桩干涉）和始发圆曲线长度（13.026 m），故文西区间始发割线未按常规考虑。以左线为例，设计割线始发点位于曲线内侧15 mm（见图2）。该设计在不影响盾构掘进姿态的前提下，避免了盾构台车和车站承重柱干涉等问题。

图1 常规割线始发线性示意图

图2 文西区间左线始发线性示意图

2.2 始发托架安装

大角度割线始发施工，始发托架（简称托架）坐标一定要精准。考虑到托架制作有可能存在误差，在定位时除中心轴线坐标外，需另外计算出2条托架轨道的中心线坐标，增加定位准确性。始发架的中心线与始发割线重合，托架的坡度与隧道设计坡度均为7‰。托架要固定牢固，在浇筑车站底板始发端头时预埋钢板，以保证托架底部与预埋钢板焊接在一起，增加稳固性。

2.3 反力架安装

文西区间始发段与车站侧墙夹角较大，尤其是左线（左线为7.403°，右线为4.674°）。反力架与始发割线垂直，导致反力架与车站侧墙也成相应角度，反力架支撑与车站侧墙不垂直，始发推进时，盾体会给反力架一个侧向力，易使反力架变形或侧斜。所以需在反力架侧边增加支撑，以增加大角度曲线始发时反力架的稳固性和安全性。

2.4 负环管片

大角度割线始发，负环管片应选择整环拼装，拼装完的负环则应及时用钢丝绳整环加固，钢丝绳底部与始发架连接在一起，既增加负环管片的稳定性，又保证了负环的正圆度。负环管片与反力架基准环用螺栓连接，负环与负环之间的螺栓要及时复紧，避免负环管片产生位移，影响后续管片的拼装质量或产生安全隐患。

2.5 洞门凿除

因大角度割线始发，盾构机刀盘接触掌子面时会产生一侧先接触，另一侧悬空的状况，这会导致盾构机受到的反作用力不均等，使盾构机、始发架、反力架产生侧移，割线始发方向发生变动，所以洞门凿除时，凿除完的洞门平面必须与刀盘平面平行（见图3）。文西区间使用的是玻璃纤维桩，按图3凿除之后，剩余的部分桩体使用盾构机破除。

3 盾构始发姿态控制

3.1 始发引导轨的设置

为防止盾构机始发时发生“磕头”现象，在始发架和洞门钢环之间设置引导轨。引导轨与始发架端头连接，轨面和始发架轨道面平齐，引导轨下部用20#工字钢加固支撑。在钢环下部加焊引导块，引导块使用43轨，长度为15 cm，距离洞门凿除面70～80 cm（以刀盘接触掌子面时不影响刀盘旋转为宜）。

3.2 负环段盾构机参数控制

在负环阶段，盾构机主机在始发托架上，掘进方向只能直线前进，掘进段为加固区，地层稳定。此时，盾构机掘进以低速、低压、稳定为原则铰接不动，刀盘转速控制在0.8～1.0 r/min，掘进速度控制在10 mm/min，土仓压力控制在0.8 bar左右。

3.3 正环开始后盾构机姿态控制

从正1环开始，盾构机盾体已完全进入土体，盾构掘进方向开始调整，向设计隧道轴线靠拢。调整方向时以推进油缸为主，以铰接油缸为辅，稳定、缓慢调节，逐步靠拢。另外，在曲线段掘进时，盾构机有盾尾离心现象，盾构掘进方向一般控制在曲线内侧10～20 mm。

4 盾构始发参数设置

4.1 土压设置

文西区间始发时处于强风化红砂岩中，隧道顶部埋深为20 m。土压计算示意见图4。

图4 土压计算示意图

4.1.1 盾构顶部土压

土压与水压之和为：

式中：P0为地面超载，取20 kN/m2；Pe为竖直土压，kN/m2；Ps为水压，kN/m2；qe1为盾顶水平土压，MPa；γ为土的容重，取20 kN/m3；H为隧道顶部埋深，取20 m；K为土层的静侧压力系数，取0.32。

4.1.2 盾构中部土压

式中：qe2为盾中水平土压，MPa。

4.1.3 盾构底部土压

式中：qe3为盾底水平土压，MPa。

4.2 注浆参数设置

4.2.1 理论注浆压力

取静水压力的1.1～1.2倍，静水压力为0.12 MPa，则注浆压力为0.12×（1.1～1.2）＝0.132～0.144 MPa。下部孔的压力比上部孔略大（0.5 MPa左右）为0.182～0.194 MPa。

4.2.2 每环理论注浆量

4.2.3 扩大注浆量

计算扩大注浆量时砂岩土层考虑1.3～1.8扩大系数。

4.3 掘进参数设置

掘进参数设置见表1。

表1 盾构始发掘进参数

5 大角度割线始发时的注意事项

5.1 始发架、反力架的定位及加固

大角度割线始发因其情况特殊，始发架和反力架定位要比一般始发更精准，定位误差要更小，尤其是始发架，定位时除中心线外，还需再测量2个轨道中心线；反力架定位时一定要保证反力架基准环和最后一环负环起始坐标相同，反力架垂直度和高度可以用薄钢板调节。

加固前根据始发架、反力架的受力验算结果采取合适的加固方案，确保反力架有足够的支撑力和稳定性。

5.2 始发洞门的防水

大角度割线始发时，盾构机与洞门成一定夹角，盾构机与洞门的防水装置（橡胶帘布和折页板）两侧距离不同（见图5）。在进行洞门加固注浆时，在折页板外另加一层止水环形钢板，保证浆液不外露。

图5 盾构机与洞门钢环位置关系

5.3 掘进控制

在盾体完全进入土体后，即可开始向设计隧道中心线靠拢。此时，由于盾体仍在加固区，转向不易，但是不能急切，以稳为主，逐步靠拢，每环纠偏量控制在5 mm以内。

6 结束语

在进行隧道施工时，大角度割线始发比一般割线始发复杂。因此，在进行兰州轨道交通1号线文西段隧道施工时，采取了严格的控制措施，不但在总体上进行了严格把控，同时在对始发架、反力架的定位时要求的更精准，在对其加固时进行了严格验算，控制加固质量，确保了盾构机顺利始发。

从文西段隧道的施工效果来看，由于采用了大角度割线始发及控制技术，姿态偏差满足规范控制标准，证明采用的大角度割线始发及其控制技术满足设计和规范要求，起到了良好的效果。工程的施工技术较好地解决了隧道大角度始发的掘进设计和施工中的难题，为类似工程提供了可借鉴的经验。

[1]邵翔宇，刘兵科，马云新，等. 小半径曲线隧道内盾构分体始发技术研究[J]. 市政技术，2008，26(6)：487-491.

[2]季维果. 大连地铁2号线小半径曲线隧道盾构单井口始发技术研究[J]. 隧道建设，2014，34(9)：895-899.

[3]赵乐. 浅谈盾构机分体始发技术[J]. 工程技术，2016(6)：21-22.

[4]唐卫平，赵林，郑勇. 大直径泥水平衡盾构机12‰下坡隧道双机同井洞内始发控制技术[J]. 铁道标准设计，2013(9)：75-81.

[5]张斌. 盾构在复杂地质条件下的进出洞施工技术[J].隧道建设，2009，29(3)：305-309.

[6]刘典基. 水平冻结加固土体中盾构始发技术[J]. 隧道建设，2008，28(5)：580-585.

[7]王吉华. 土压平衡盾构始发掘进施工技术[J]. 山西建筑，2009，35(9)：335-336.

[8]于澎涛. 南水北调中线穿黄隧洞盾构始发技术[J].南水北调与水利科技，2008，6(4)：54-57.

[9]张继清. 超浅埋大直径盾构穿越海河的设计施工关键技术[J]. 中国铁路，2015(7)：69-73.

Technologies for Large-angle Secant Launching in Shield Tunneling

LI Maosong
（China Railway Construction Corporation Limited，Beijing 100855，China）

Shield launching is the most critical and diffcult part in shield tunneling. This issue becomes more prominent especially for large-angle curves. Taking the construction of Wenxi section of Lanzhou urban transit Line 1 as an example, this paper studies the technology for large-angle secant launching in shield tunneling,which consists of the key control technologies, position control, parameter setting as well as the key points. The key control technologies include launching secant determination, launching bracket installation, reaction frame installation, partial segment installation and portal cutting, etc. The shield launching position control includes guiding rail installation, partial segment shield parameter setting and shield machine position control after the initialization of positive ring. The parameter settings for shield launching include the settings for earth pressure,grouting parameter and drilling parameter. The key points for special attention include the locating and fixing of the launching bracket and reaction frame, water resistance at launching portal as well the drilling control, etc.The research results can serve as a guideline for the same kind tunneling works.

tunnel engineering；shield construction；launching at curve；large-angle secant

U455

A

1001-683X（2017）11-0099-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.099

甘肃省联合基金（148RJZA042）

李茂松（1965—），男，高级工程师。E-mail：lmszgr66@126.com

责任编辑 李葳

2017-05-24