重载铁路黄土隧道盾构始发施工技术

毕清泉 （中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

目前的铁路隧道施工中，以矿山法为主，辅以少量的TBM和盾构法，其中盾构法主要用于下穿河流、海峡及城市软土地层中。针对蒙华铁路白城隧道断面，以及穿越的砂质和新黄土地层，矿山法施工需要辅助工法和大刚度的支护，代价较大，而采用盾构法施工则刀具开挖较为便利，结构主要为单层预制管片，无额外的施工支护成本，优点明显。白城隧道原始设计采用矿山法施工，出于施工安全、进度、环保及经济等方面考虑，后变更为采用大断面马蹄形盾构配合预制拼装管片的异形盾构法施工。本文以此工程为例，着重阐述基于重载铁路黄土山岭隧道的异形盾构始发施工技术。

1 工程概况

蒙华铁路白城隧道位于靖边县境内，为单洞双线马蹄形隧道，采用异形盾构法施工，隧道全长3345m，其中隧道进出口分别为202.4m、99m明洞，隧道掘进3043.6m，线路全段位于直线上，隧道纵坡为人字坡，坡度分别为4.5‰、3‰、-3.112‰。隧道最大埋深为81m，最小埋深为7m。隧道主要穿越地层为砂质新黄土（Q3eol），隧道洞身范围内地层主要为第四系全新统风积层（Q4eol）粉砂、细砂，第四系上更新统风积层（Q3eol）砂质新黄土，围岩级别为Ⅴ2730m、、Ⅵ级305m。隧道进口以细砂为主，隧道出口以粉砂为主。隧道范围内无地下水，线路范围内需穿越“三管三线一塔”，即延长天然气管道、延长供水管道、长庆石油管道；包茂高速、海机线、大车路；高压线塔。

2 盾构设备组主要掘进参数选取

马蹄形盾构机整机长度约为110m，重约1300t，主要由开挖系统、驱动系统、盾体、推进系统、出渣系统、拼装机以及后配套等系统组成，适用于粉土、粉质粘土、粉砂、细砂为主的地层，盾构施工的关键就是根据盾构机掘进的地质条件及时准确的确定掘进参数，且直接关系到施工的进度、安全和质量。设备照片及参数如图1、表1。

图1 单洞双线马蹄形隧道盾构机

设备的主参数表 表1

2.1 盾构机刀盘参数

采用9个辐条式刀盘组合的形式，采用前后交叉式布置，相邻刀盘的切削区域相互交叉，每个刀盘相互独立，可实现双向无级调速。在前盾切口环处布置切刀，对盲区进行辅助切削，同时在土仓隔板上预留高压水接口及连接风钻的万向接口（其摆动范围为±20°的圆锥面），始发时便于对盲区进行人工处理，提高设备的整体开挖率。

盾构机刀盘转速及扭矩在不同的地质条件不同的施工阶段所取的参数也随之改变。土压平衡盾构机掘进砂质新黄土地层时，刀盘转速过高对周围地层的扰动较大，容易造成地层失稳，出碴量过大，地表沉降量超限，并且加大刀盘、刀具的磨损；刀盘转速过低，刀盘切削下来的碴土和泥浆（或泡沫）未搅拌充分，刀盘扭矩高，推进速度慢，渣土在土仓底部堆积，造成出渣困难。

因此在在砂质新黄土地层中不同掘进地段合理选择刀盘参数尤为重要，见表2。

刀盘掘进参数表 表2

2.1 推进油缸参数

马蹄形盾构机拥有平行掘进、上下坡掘进、左右拐弯等施工能力；且横纵断面尺寸较常规圆形盾构大大增加，开挖面各点压力更加不均，盾构或管节发生滚转偏差对隧道净空位置的影响明显都对马蹄形盾构姿态控制及滚转纠偏功能的要求更高。本设备吸取圆形盾构线性控制要点，推进液压系统为盾构机提供向前掘进的推力，采用44根推进油缸，最大推进力13200T。推进油缸圆周方向分成6个分区，油缸成单、双缸布置，共18个小组。每个分组中的一根油缸有内置式位移传感器，位移行程可显示于上位机；装有位移传感器的推进缸控制阀组上还装有压力传感器，通过调整每区油缸的推进压力来进行盾构的纠偏和调向。

盾构向前推进是靠安装在支撑环（即我们经常所说的中体）周围的千斤顶推力，各千斤顶的合推力即是盾构的总推力，必须大于各种阻力的总和，否则盾构机就无法向前推进。盾构机推进各种阻力和的理论计算比较复杂，在实际施工过程中盾构机的总推力一般按经验公式求得：

式中：Fj——盾构机总推力（kN）

Pj——开挖面单位截面积的推力（kN），盾构机Pj的取值范围是：

土压平衡盾构机在砂质新黄土地层中的掘进速度一般控制在20～30mm/min。

盾构机推进油缸各组的行程差一般应控制在60mm以内。如果不考虑推力不均而引起的油缸行程差，推进油缸具体参数见表3。

2.3 马蹄形断面土压平衡稳定措施

马蹄形盾构开挖断面为马蹄形变曲率形状，开挖面土体的各点的稳定性不同，同时采用九个不同直径刀盘联合开挖，部分区域存在交叉扰动，而且每个区域土体的扰动灵敏性又不同，因此土压平衡稳定性存在波动性较大。针对穿越砂质新黄土地层特性，采用以齿刀、刮刀和鱼尾刀为主切削土层，以低转速、小扭矩、小推力推进。

推进油缸参数 表3

土仓内土压力值P应略大于静水压力和地层土压力之和P0，即P=KP0(K值介于1.0～3.0)；土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立，并应维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力稳定平衡。

3 施工工艺

3.1 施工工艺流程

施工准备→端头加固→始发基座施工→反力架支撑系统施工→始发导洞施工→盾构机组装与调试→盾构机始发掘进。

3.2 施工工艺操作要点

3.2.1 施工准备

按设计加工马蹄形异型盾构机、始发背靠架及洞门密封装置，并且集中预制装配式管节。

3.2.2 端头加固

白城隧道范围内为砂质新黄土，原状土稳定性较好，地表约3m为细砂层。在大断面异型盾构机始发掘进时，通过洞门密封装置、套拱及掘进过程中的保压措施，可保证洞顶地层稳定，无需再进行端头加固施工。

3.2.3 始发基座施工

①盾构始发基座定型、定位

盾构始发基座全长24m，宽16m，两侧高3m，为与盾构机外轮廓适应的C30钢筋混凝土结构，保证始发基座与底板结构成为整体，承受盾构机的重力荷载和推进时的摩擦力，满足刚度、强度和稳定性的要求。

盾构机组装前，依据隧道设计轴线、洞门位置、盾构机的尺寸及门吊吊装盲区，反推出始发基座的空间位置为：DK206+567.4开始施作，向大里程方向25.4m，始发基座终点里程DK206+592.8。见图2。

②盾构始发基座施工

始发基座按照测量放样的基线，与下覆既有钢筋混凝土底板植剪力筋进行连接，绑扎钢筋立设模板，埋设钢轨连接预埋件，浇筑混凝土成型。在始发基座预埋件上安装3根120kg/m钢轨作为盾构机导向轨道，底部导轨居中，上部两根钢轨距中心4.8m。由于盾构较重，盾体放置于始发基座上后不能随意前后移动，盾尾与中盾需要焊接连接，故在盾尾与中盾连接处，预留宽800mm，高700mm的盾尾焊接槽，焊接槽处不设置导向钢轨，且在焊接槽前方的导轨打斜坡口处理。

图2 始发基座断面结构示意图

3.2.4 反力架支撑系统施工

盾构的反力由已施工明洞提供，即由2模C40加强明洞结构代替常规盾构始发专用反力架提供反力，明洞仰拱连通，盾构始发时，推力主要集中在下半部，详见图2。

3.2.5 始发导洞施工

在接收套拱向小里程方向，施作13.5m长始发导洞，拱架内径为12390mm，即在开挖轮廓线外155mm，距管片外缘340mm，在管片脱出盾尾后，按照要求进行洞门的密封，用1mm铁皮分块制作好，精确定位后焊接在导洞拱架上，即将管片与套拱之间的缝隙进行封闭，同时在拱架内安设支撑，防止在喷浆或者同步注浆时，封闭块发生变形，铁皮必须牢固地嵌入喷浆料且单面紧靠拱架，灌注混凝土或砂浆填筑时不得松动而影响使用。在施作过程中钢环位置的纵向偏差为3mm，低于标准偏差5mm。始发导洞大里程与套拱连接，小里程进洞端焊接预埋钢环，保证盾构在通过拱架区时呈密封状态。

图3 洞门预埋钢环

图4 密封装置示意图

3.2.6 盾构机组装与调试

采用250t履带吊1台，230t门吊1台，配以相应的吊具、机具、工具，将主机按照组装图在始发基座上拼装完成，再吊装螺旋输送机，然后进行后配套连接，完成空载、负载调试。

图5 主机组装图

图6 后配套组装图

3.2.7 盾构始发掘进施工

根据始发场地的长度及设计洞口的宽度，确定需要在导台上拼装的管片数量。盾构机经调试验收确认正常，明洞加强段施作完毕及其他准备工作（洞门加固、管路连接）全部完成后进行初始掘进管片拼装。管片拼装第一环必须注意断面的圆度和与隧道轴线的垂直度，为整环拼装做准备。

一般情况下，第一环管片在盾壳内的正常安装位置进行拼装。在安装第一环管片之前，为保证第一环管片不破坏盾构机尾部的密封刷及第一环管片在拼装好以后能顺利向后推行，在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的槽钢，以使管片在盾壳内的位置得到保证。

盾构位于始发台上时尽量不要进行姿态调整，盾尾离开始发台后盾构已处于相对自由的状态，一般通过盾构推进千斤顶的合理选用来调整盾构姿态，必要时可通过调整管片楔形量来调整，以使盾构逐步沿隧道设计轴线推进。整个盾构掘进过程中，纠偏实行“勤纠、量小”的原则，每环姿态调整量控制在6mm以内；盾构轴线偏离设计轴线不大于±50mm，地面隆陷控制在+10mm～-30mm。

在始发掘进时，严格控制盾构机的各组油缸压力，盾构机总推力小于5000T，刀盘扭矩（总）小于3500kN·m。

始发时在始发基座上推进速度控制在20～30mm/min，盾构进入原状土的前12m推进速度控制在20～30mm/min以内，在盾构机盾尾完全进入原状土后可逐步提高到30～40mm/min左右。

4 结束语

本文根据白城隧道工程特点，通过对始发端头加固、始发基座安设、反力架支撑系统安设、洞门密封装置安装、盾构始发参数优化进行探索与试验，安全、快速的圆满完成了白城隧道大断面马蹄形盾构始发进洞任务。同时因地制宜，优化始发方案，利用明洞开挖和结构加强及进洞处既有套拱防护，节省反力架、负环制安和竖井、始发端墙施做，实现可观的工程效益。为解决山岭隧道盾构始发施工的关键技术难题提供宝贵的案例借鉴。