成都地铁某区间土压平衡盾构始发侧滚修正技术

郑志民

（中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司 山东济南 250000）

1 引言

盾构法已成为城市地下隧道的主要施工方法之一［1］，盾构始发、到达、过站等施工技术［2-4］也日趋成熟。盾构施工中，盾体侧滚［5］是一种常见现象，也是盾构姿态调整中的关键点。一般微小的侧滚对正常施工不会产生明显影响，若未能及时修正，侧滚值累积到警戒值就会对施工造成较大影响，盾构设备受扭状态下可能发生破坏、侧滚，造成测量误差大，导致结构侵限等。因此，盾构施工过程中应随时关注盾构侧滚情况，必要时及时进行调整。当侧滚角度发展加速趋势形成后，则纠正侧滚的难度更大。在纠正侧滚的过程中，一般采用多种措施共同进行。

造成盾构侧向滚动的因素较多，一般主要有以下几个方面：（1）盾构两侧开挖面土层分布不均匀；（2）盾构两侧机体制造误差；（3）已拼装管片作用；（4）盾尾注浆流失；（5）地面超载；（6）施工中的不当操作等。

由于双圆盾构在施工过程中不确定因素较多，特别是在不良地层中受土层影响较大，侧向滚动控制一直是施工中的一个技术难题。因此对盾构侧向滚动纠偏的研究相对较多。郑坚［6］、蔡丰锡［7］等总结了双圆盾构侧向滚动纠偏的几种方法，主要包括纠偏千斤顶控制、对角壁后注浆、单侧压重、超挖刀纠偏、调整左右螺旋输送机出土量等；蔡丰锡［8］等分析了双圆盾构产生侧向偏转的原因，并采用数值计算分析了单侧压重纠正侧向偏转时压重荷载与偏转角的关系以及压重纠偏对地层变形的影响；张旭［9］等在对双圆盾构的改造中采用“千斤顶组合+超挖刀+压重”相结合的措施较好地解决了盾构旋转问题；朱沪生［10］分析了侧向滚动的原因，并提出了一系列控制侧向滚动的措施，包括对角壁后注浆、纠偏千斤顶配合对角壁后注浆、采用组合贴片、采用盾构单侧压重、控制螺旋机土压、采用超挖刀等。此外，张世召［11］介绍了郑州地铁2号线某标段盾构滚动修正方法，包括加泡沫降低刀盘扭曲、及时注浆增大盾体周边摩擦力、改变刀盘旋转方向等；赵岗领，王立川［12］等分析了西安地铁二号线盾构空推时防止侧滚的措施，在具有侧滚的一侧焊2～3个支撑牛腿，用液压千斤顶同步顶起，在盾体重力的作用下，盾体就会发生反向滚动，从而达到调整或防止侧滚的目的。

成都地铁五号线九兴大道-神仙树区间左线盾构二次始发磨除素墙时导致盾体侧向滚动8°，传统修正方法已无法实现安全纠偏。本文以此为背景，提出了一种结构简单、操作方便的盾构侧滚修正装置及修正方法，并在现场取得了较好效果。

2 工程背景

成都地铁五号线九兴大道站-神仙树站区间为地下区间，本区间起于九兴大道站，沿九兴大道地下敷设，下穿创业路后进入紫荆西路，穿越神仙树大院后以400 m半径转向南方，沿神仙树南路西侧绿化带及肖家河地下敷设，最后到达神仙树站。

区间左线ZDK28+012.034～ZDK28+243.434、ZDK29+300.146～ZDK28+351.534暗挖段采用中国铁建重工生产的型号为ZTE6250的土压平衡盾构机掘进（见图1）。刀盘最大开挖直径6.28 m，前盾直径6.25 m，中盾直径6.24 m，尾盾直径6.23 m，盾体长度约7.98 m，采用4辐条加面板复合式刀盘，刀盘开口率约33%。采用拼装式管片衬砌，衬砌环外径6 000 mm，内径5 400 mm，管片幅宽1 500 mm，环间采用错缝拼装。

由神仙树站小里程端始发，左线到达九兴大道站配线段大里程端后空推过站进行二次始发，二次始发端线路纵坡+4.6‰，平曲线为直线，隧道底埋设深度19 m左右。由于盾构机在始发磨除素墙过程中发生了盾体瞬间侧滚，防侧滚装置失效，侧滚滚动角度为逆时针8°，超过安全限制要求，需要采取特殊措施进行修正。

图1 ZTE6250土压平衡盾构机

3 侧滚修正方案选择

3．1 常规纠偏方法

一般情况下，盾体侧滚角度较小，主要采用反向转动刀盘进行小量、缓慢纠正即可完成，或者采用单侧千斤顶直接顶升进行纠正。

第一种纠正方法缺点是纠偏受刀盘前方地质条件影响大，如果刀盘前方存在软弱地层，则在盾构施加顶推力反向转动时，可能会存在推力突变风险，无法达到彻底纠正的目的；第二种纠正方法缺点是存在导轨侧向折断的安全风险，同时由于连接桥、负环、盾体的受力状态复杂，单侧强行顶升可能会导致部件受损。

3．2 其他纠偏方法

本项目盾构机侧滚滚动角度达到8°，侧滚角度过大，在这种工况条件下难以采用常规纠偏方法实现安全纠偏。

通过现场状况调查并结合本项目盾构设备情况，经研究采用分步顶升设备处理方案，即先顶升连接桥，再分别顶升盾体两侧并在盾体底部插入钢轨，最后再单侧顶升盾体进行纠正。

4 侧滚修正装置及纠偏方法

4．1 侧滚修正方案

区间盾构始发平台采用素混凝土弧形导台，导台长度9 m，并预埋2根平行钢轨做为滑行导轨。盾构机侧滚时刀盘处于磨除墙体的过程中，采用常规方法修正无法保证设备结构安全。结合本项目情况，采用“多次顶升、分步纠偏”的方案进行修正纠偏。

施工机具材料包括4台200 t以上千斤顶、6 m2的2 mm厚度钢板、8根2 m长度规格钢轨和20 m的 20型钢。修正前完成油缸卸载，以确保施工安全；修正时，首先顶升连接桥，使之与管片拼装机脱离，减少扭矩荷载；分步进行盾体单侧顶升，在盾体下插入短钢轨，做为盾体侧向滚动时的支撑面；通过单侧顶升盾体完成纠偏。纠偏后撤除短钢轨，综合检查调试后恢复掘进。

4．2 侧滚修正装置

侧滚修正装置见图2。

图2 侧滚修正装置示意

如图2a所示，盾构机左右两侧连接桥连接盾构后配套设施，混凝土弧形导台内侧固定连接安装有关于盾构体竖直中心面对称导轨，盾构体可沿着两侧导轨向前运动。

为修正盾体侧向滚动，于两侧连接桥与混凝土仰拱之间固定连接桥顶升机构，用于顶升两侧连接桥。连接桥顶升机构由工字钢和千斤顶连接构成，千斤顶底部固定在混凝土仰拱上，顶部与工字钢的一端相连，工字钢的另一端与连接桥相连。千斤顶可推动工字钢使连接桥向上运动与管片拼装机脱离，从而减少盾构体修正时的扭矩。

导轨和盾构体之间设置横向钢轨，横向钢轨沿盾构体纵向均布排列放置，相邻横向导轨之间的间距为2 m，钢轨数量可根据盾构体的长度具体确定（见图3）。

图3 侧滚修正导改布置示意

混凝土弧形导台与盾构体之间在盾构体竖直中心面对称连接安装牛腿顶升机构。牛腿顶升机构由焊接在盾构体上的牛腿和千斤顶构成，其中牛腿为箱式结构，千斤顶底部固定在混凝土弧形导台上，顶部与牛腿相连，千斤顶可推动牛腿使盾构体升起，从而将横向钢轨插入进行纠偏修正。

4．3 施工工艺流程

盾体两侧加焊牛腿→卸载推进油缸→顶升连接桥→顶升左侧牛腿→插入左侧横向钢轨→顶升右侧牛腿→插入右侧横向钢轨→顶升左侧牛腿修正盾体姿态→顶升盾体撤除横向钢轨。

4．4 施工方法

用上述装置进行盾构机始发侧滚的修正步骤可总结为：卸载油缸→顶升连接桥→顶升盾体→修正侧向滚动→恢复正常姿态。具体调整步骤如下：

（1）焊接牛腿：牛腿采用2 mm厚的钢板焊接成箱式结构，分别焊接于盾构机中盾和尾盾两侧。牛腿底部距离地面高度控制在50～70 cm，具体可结合千斤顶长度调整。

（2）卸载推进油缸：盾构侧滚后，盾构前方刀盘已顶进岩面，盾体处于受力状态，因此需要将全部推进油缸卸载，使撑靴与管片脱离。

（3）顶升两侧连接桥：采用型钢支撑，千斤顶顶升。先将两只千斤顶底部固定在连接桥钢梁下方的混凝土仰拱面上，顶部分别与两根工字钢的一端相连，工字钢另一端分别支撑于左右两侧连接桥上，采用千斤顶将连接桥顶升约3 cm左右，使连接桥升起并与管片拼装机脱离，减少盾构体被修正时产生的扭矩。

（4）顶升左侧牛腿顶升机构：采用2只千斤顶同步顶升左侧牛腿，使盾构体左侧慢慢升起。

（5）插入左侧横向钢轨：待盾构体左侧升起合适距离（超过15 cm）时，将多个钢轨横向插入盾构体左侧下部，相邻横向钢轨之间保持合适间距，千斤顶需保持顶升状态。横向钢轨长度2 m左右，纵向间距2 m。

（6）顶升右侧牛腿顶升机构：采用2只千斤顶同步顶升右侧牛腿，使盾构体右侧慢慢升起。

（7）插入右侧横向钢轨：待盾构体右侧升起合适距离（高度超过15 cm）时，将多个钢轨横向插入盾构体右侧下部，相邻横向钢轨之间保持合适间距，卸载右侧千斤顶。横向钢轨长度2 m左右，纵向间距2 m。

（8）顶升发生侧滚一侧牛腿修正盾构姿态：采用2只千斤顶异步控制顶升发生侧滚一侧牛腿，同时微步顶升连接桥使连接桥与管片拼装机保持脱离状态，直至盾构体整体侧向转动至正常状态。

（9）顶升盾构体撤出两侧钢轨：修正完成后，两侧千斤顶同时顶升盾构体，撤出两侧横向钢轨，并调整两侧导轨，恢复盾构体至正常施工姿态。

5 结束语

本文以成都地铁五号线某区间盾构始发时发生较大幅度侧滚为背景，提出了一种土压平衡盾构侧滚修正装置及方法。该装置结构简单、操作方便。通过现场施工组织，可在保证安全的前提下48 h之内完成盾体侧滚纠正，可为今后类似问题的解决提供参考。