盾构进洞洞门加固及始发进洞技术研究

马昌元

摘要： 地铁施工中盾构始发进洞是盾构法施工安全及质量事故的高发环节，一旦采取的技术措施不当或施工操作失误，常常发生洞门土体塌坍、地表沉陷、洞门周边泥浆及土体涌入井内等事故。洞门的加固及盾构始发进洞技术是确保盾构施工安全及质量的关键，本文总结了西安铁四号线盾构始发洞门加固及盾构始发、初期掘进的技术措施，为以后此类项目的施工提供参考与借鉴。

Abstract： In subway construction， the shield launching into tunnel is a high risk link of construction safety and quality accidents in shield tunneling method. When the technical measures are taken improperly or the construction operation is wrong， accidents such as tunnel door collapse， surface subsidence， mud and soil into the well often happen. The reinforcement of the tunnel door and the shield launching into tunnel technology are the key to ensure the safety and quality of shield construction In this paper， the technical measures of the initial tunneling door reinforcement and the initial excavation of the shield are summarized， to provide reference for similar projects.

关键词： 地铁；盾构法；洞门加固；始发技术

Key words： subway；shield method；tunnel door reinforcement；initial launching technology

中图分类号：U455.43 文献标识碼：A 文章编号：1006-4311（2017）35-0114-04

0 引言

目前，我国城市开始大力进行地铁修筑，以缓解日趋严重的城市交通问题，城市地铁区间修筑时大多采用盾构法掘进施工，为了确保安全、按期及优质完成地铁修筑任务，盾构的始发是盾构法隧道掘进的最初关键环节，盾构机在始发进洞时，洞门掘进面处于无支撑的开放状态，且无支撑的状态持续时间较长。如果处理措施稍有不妥，土体、泥浆等就会涌入工作井，情况严重时导致洞门坍塌。因此做好始发端头的加固工作在盾构施工中有着非常重要的意义。所以盾构始发洞门加固及盾构初始掘进为盾构施工中的高风险项目。

在盾构始发前根据洞门段地质情况、盾构机类型及其它影响因素，对始发洞门的加固技术进行研究，并严格施工，确保盾构以良好、安全、顺利的姿态始发及进洞，成为盾构施工需要考虑的一个关键难题。

1 工程概况

本项目为西安地铁四号线工程（航天东路站～北客站）土建施工TJSG-12标段，施工内容包括了2站3区间。2站为大明宫站、大明宫北站；3区间为元殿站～大明宫站、明宫站～大明宫北站、大明宫北站～余家寨站。施工范围如图1所示。

本文就标段施工的含元殿站～大明宫站盾构区间洞门加固及盾构始发技术进行阐述，为今后类似工程的施工提供参考与借鉴。

2 始发及到达洞门加固

进洞施工是地铁盾构法施工的难点之一，通常采取的技术措施是在盾构进出洞前加固或改良端头井地层，旨在提高地层稳定性。本标段盾构始发井地层主要为粉质黏土、砂层，参照国内地铁建设及类似工程经验，可采用搅拌桩+旋喷桩、地面注浆或冻结法加固地层、止水。

结合区间隧道地质条件，并充分研究、参考了西安地铁其它标段在洞门加固方面的经验及不足之处。端头加固采用地面注浆方式，并设置辅助降水井，区间影响范围内围护桩采用玻璃纤维筋。注浆加固范围为盾构隧道洞外周宽3m，沿隧道纵向长3m，如图2所示。

车站的盾构机始发洞门采用单排Φ1000@1250mm素混凝土桩对一定范围内的土体进行加固处理，如图3所示。

3 端头降水

车站盾构始发处降水可利用车站施工时的降水井进行降水，确保水位降至底板以下1m，降水效果利用现场布置的水位观测孔进行观测。

4 洞门凿除

4.1 洞门凿除

需要在始发前将洞门端头围护结构进行凿除。凿除洞门采用人工风镐开凿的方法。

为确保洞门加固结构的稳定，凿除洞门按3阶段进行。凿除次序为先上后下、先中间后两侧。洞门凿除次序见图4（左）。第1阶段开凿范围见图4（右）；第2阶段凿除剩余混凝土；第3阶段迅速凿除、切割外围残留钢筋混凝土，洞门四周钢筋要切割平齐，尽可能减少洞门土体无支撑时间。

第1阶段洞门凿挖在盾构始发前14d完成；

第2阶段洞门凿挖在盾构始发前7d完成；endprint

第3阶段洞门凿挖在盾构始发前1d完成。

4.2 洞门凿除过程的应急措施

①当洞门出现异常情况时，立即使用木板封闭洞口，同时用钢管支撑牢固，避免泥土涌入始发井。并在洞外尽快对周边土体实施注浆加固。

②当土体压力过大，立即用钢筋网片（预先准备的应急物资）与围护结构的钢筋焊接连接，再用钢管及木板撑牢固，随后喷锚固定洞门，洞门稳固后，在洞外对周边土体进行注浆加固。同时对洞门实施水平注浆。

5 盾构进出洞临时封闭及防水设计

盾构始发时，为了避免泥土及浆液从盾构面与洞门间的空隙漏出，结合本项目洞门及盾构结构及尺寸特点。沿洞门设置环形折叶式密封装置。洞门密封装置如图5所示。沿洞门洞圈预埋钻设有M20螺孔圆环钢板A，通过螺栓将橡胶帘布、环板B（压紧圆环板）及折叶压板安装在圆环钢板A上，采用钢丝绳把折叶压板连接成整体。

在洞门凿除后进行洞门密封装置的安装，其安装流程为：洞门圈上预埋圆环钢板A（车站施工时预埋）→安设双头螺栓→帘布橡胶板→圆环压板→折页压板→垫圈→螺母。

洞门密封装置施工的关键为预埋圆环钢板A，按图纸要求严格控制其加工精度，在进行车站结构主体施工时预埋，要严格控制安装的位置、垂直度及安装精度。

6 始发设施的安装

6.1 始发台安装

始发台安装前清理干净基坑，进行测量放线，定出始发台的轴线位置及安装高度。始发托架按放样的轴线位置进行安装，因始发托架在始发时受到要承受盾构机的纵向、横向推力的作用，同时还承受盾构掘进的扭矩。为了确保始发台托架牢固、稳定、不移位，在始发托架两侧增设H加固型钢，始发托架结构见图6，加固措施见图7。

6.2 反力架安装

盾构主机与后配套连接前安装反力架，反力架严格按设计位置安装，其端面与盾构的中心线轴线垂直。反力架与车站结构上的预埋钢构焊接牢固，以确保结构安全及提供足够支撑。反力架加固措施如图8。

6.3 负环安装、加固措施

6.3.1 负环安装

盾构机依靠负环管片提供支撑以进洞始发。本区间安装的负环管片为7片，以满足盾构的尺寸要求及确保洞门环梁长度。见图9。

负环管片为标准环，使用管片拼装机进行拼装。并采取错缝拼装以避免负环管片失圆。

负环管片就位前，在盾构机盾尾内安设4～8根厚75mm，宽50mm，长2000mm的硬质方钢（或角铁夹方木），当盾构全部入洞内，洞口实施同同步注浆时，方拆除硬质方钢。

定位负7环第1块管片前，在负7环管片的A2块内弧面画出其偏移36°（9点位向右，1点位向左）后位于弧底的位置。采用水平尺进行拼装时的确定。

相邻B、C管块的安装。在盾尾盾壳上焊接吊耳，连接导链以控制管块位置，当封顶块纵插安装到位后，拆除吊耳、导链，将封顶块与相邻块的连接螺栓拧紧。

负环管片螺栓及防水。因负环管片为临时结构，环管片仅粘贴纵向丁腈软木橡胶板及环向软木衬垫，从0环开始，才按设计使用防水材料。

由于始发支座轨道与管片外侧有125mm的空隙（盾构始发台的尺寸是按照盾构机的前体6250mm设计，管片外径为6000mm），为了避免负环管片全部推出盾尾后下沉，在始发台导轨上用方木楔楔紧而托起负环管片。每节环管片推出盾尾后，及时用硬木制作的三角楔子支垫于管片与支撑三角架纵向工字钢及始发台轨道之间，使管片牢固、均匀承压在三角架上。每环管片加垫2个楔子。

6.3.2 负环加固措施

①支垫负环管片。在拼装好第二环负环管片后，让盾构机继续向前掘进，使盾尾密封刷脱离第一环管片，将150mm×100mm的三角木楔楔进负环与支撑架之间的空隙内，左右两侧各楔两个木楔。

②紧固钢丝绳。用两根16m？准18的钢丝绳绕过负环管片顶部，将绳头分别留在支撑架左右两侧，每个绳头上穿上紧线器，将紧线器的另一端挂在支撑架的吊耳上，旋转紧线器，将钢丝绳拉紧。

盾构机继续向前掘进，重复上述1、2步，直至盾尾进入洞门后，将负环管片全部用钢丝绳固定。

③安装负环紧固架。先将负环紧固架吊入盾构始发井内，用M20的螺栓将负环紧固架分别与左右支撑架连接在一起，然后吊入纵梁与紧固架用M16的螺栓连接。

④加三角木楔。在纵梁与负环管片的空隙内楔入300mm×250mm的三角木楔，每环负环管片左右两侧各楔入两个木楔。

7 盾构初期掘进技术

7.1 初期掘進长度的确定

本项目设初定前100m为初期掘进长度。此长度的设立考虑了如下2个方面。①盾构机和后方台车的长度；②管片与土体间的摩擦力要确保盾构机达到正常掘进所需的推力。

7.2 初期掘进模式的选择

根据地质情况和环境条件，选择土压平衡推进模式。

7.3 初期掘进时注意事项

①初期掘进前充分了解掘进段的地质情况，根据具体的土质特性确定适合的掘进参数。做好可能出现的各种情况的处理预案，操作人员随时依据地质情况的变化而改变、调整盾构机的状态参数。②根据计算设立盾构正面中心土压初始值，掘进期间根据参数监控量测结果适时调整设定的压力。并随时准备好二次压浆。③初始盾构掘进推力小，且管环片间相互压紧困难，故影响成环质量，如果管片接缝有误差，立即用石棉橡胶楔形料调整至符合要求或用纵向拉杆固定。④设立土压平衡状态下土仓土体压力，掘出的碴土填充土仓时，及时运行旋输送机出土，通过碴土的排放速度来确保土仓土体压力与掘进面的水土压力处于平衡状态。⑤最初100环管片作为后续掘进的基准，需保持良好真圆度，否则后续环管片误差累积，导致施工难度越来越大，也造成100环管片损坏，所以初期环管片安装要采取如下措施：1）按规程及安装顺序严格施工；2）同步注浆量足够；3）管片出露盾尾后立即实施二次注浆；4）强化管片真圆度的监测工作。采用如下2种方法进行测量：a）丈量弦长、间距控制法；b）量测管片也盾尾内壁的间隙宽度，如各方向宽度值基本相同，侧表明环管片的真圆度较佳。

7.4 初期掘进的控制管理

隧洞盾构施工的初期掘进是非常关键的环节，同时也是施工技术难度大、风险高的环节。为了确保盾构始发能够顺利的进行，针对现场存在的各类风险，结合专家意见，经综合考虑，将盾构机的推进速度指标设定在20～30mm/min，土仓压力设定为0.06～0.11MPa，注浆压力设定为0.15～0.2MPa。并进行了初始的掘进试验，选取了如下6个施工管控的参数指标。①土仓压力；②掘进速度；③总推力；④排土速度和排土量；⑤刀盘转速和扭矩；⑥注浆压力和注浆量。其中土仓压力是主要的管理指标。技术人员时刻注意地质变化情况，及盾构机的姿态，及时调整盾构机的如上参数，及采取对对性的操作控制技术和处理方法，确保盾机的正常初始掘进。

7.5 负环管片、始发托架和反力架的拆除

盾构机初期掘进完成100m后，即可进行反力架、负环管片及始发托架的拆除，从而进入正常掘进阶段。

为了防止拆除负环管片后，隧洞最外侧的管片联结发生松驰，故沿隧洞纵向采用将6根[18槽钢将隧洞最外侧的10环管片拉紧。

拆除反力架后的支撑钢管，用千斤顶使反力架与车站主体结构分离约10cm。

负环拆除之后拆除上部管片保留钢轨下管片。

把剩余负环片的纵向连接螺栓拆除，吊出始发井外。

最后拆作反力架、始发托架，吊出始发井外。

8 结束语

盾构始发洞门采用加固方法有效地控制了地表及管线的沉降；盾构洞门临时封闭采用由橡胶帘布、折形压板、垫片及螺栓构成，有效确保了围护结构与盾构外缘界面的密贴，防止了浆液及土体的流出。盾构始发及初期掘进采取了一系列的有效措施，从而确保了盾构机的安全顺利始发。

参考文献：

[1]刘建国.深圳地铁盾构隧道技术研究与实践[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]王凯.地铁盾构机进出洞洞门土体注浆加固技术[J].施工技术，2016（1）.

[3]陈馈，张冰.地铁盾构施工[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]张斌.在复杂地质条件下的进出洞施工技术[J].隧道建设，2009（3）.endprint