短竖井土压平衡盾构分体始发侧方出土施工技术

吴文彪

摘要：在城市可用空间日益紧缺的背景下，短竖井盾构分体始发在城市隧道建设中被广泛采用，如何提高盾构分体始发施工的效率并取得良好的经济和工期效果，成为了盾构施工中亟待解决的问题之一。本文依托珠江三角洲水资源配置工程试验段项目，进行了分体始发侧方出土施工技术研究，提出一种新的出土方式，并详细论述了其施工技术细节和实际应用效果，实践表明分体始发侧方出土技术可以显著缩短工期、节约投资成本，能有效地解决水工隧洞受限空间下的盾构分体始发施工难题，为土压平衡盾构施工技术在输水隧洞的应用提供宝贵经验。

Abstract： In the context of the increasingly scarce space available in the city， the short-shaft shield split is widely used in the construction of urban tunnels. How to improve the efficiency of the initial construction of the shield and achieve good economic and construction results has become one of the problems to be solved in the construction of shields. This paper relies on the Pearl River Delta water resources allocation project test section project， carries out the research on the construction technology of the unearthed side unearthed side， proposes a new method of unearthing， and discusses in detail the construction technical details and practical application effects. The technology of unearthing from the origin can significantly shorten the construction period and save the investment cost. It can effectively solve the problem of the initial construction of the shield split under the confined space of the hydraulic tunnel， and provide valuable experiencethe for the application of the earth pressure balance shield construction technology in the water tunnel.

关键词：短竖井;土压平衡盾构;分体始发;侧方出土;施工技术

Key words： short shaft;earth pressure balance shield;split origin;lateral excavation;construction technology

中图分类号：U455.43                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）18-0122-06

0  引言

随着城市轨道交通的快速发展，地铁网对城市轨道交通网的发展起着至关重要的作用。盾构法因具有施工速度快、安全性高，对环境影响相对小等特点，已逐步成为城市隧道、管网等工程的首选施工方法。施工過程中，盾构始发是整个过程中尤为复杂、重要的关键环节，决定着盾构施工前期的效率及安全性。

盾构始发包括两种始发方式：整体始发及分体始发。整体始发是盾构和后续设备一次性的放置于始发竖井内，而分体始发是将盾构及部分台车放于始发井内，掘进一定距离后，将剩余部分按顺序在隧道内进行安装就位[1]。整体始发对始发竖井要求较高，需具备较大的始发井尺寸，而分体始发对始发井要求较为灵活，适用于城市隧道的盾构始发。

不少学者对盾构/TBM分体始发技术进行了研究，提出了各类可行的施工方案，李怀洪[1]对大直径泥水平衡盾构的分体始发技术进行了研究，探讨了泥水平衡盾构分体始发的难点和风险，并给出了不同阶段的控制措施，最后将研究成果成功地运用到上海轨道交通11号线工程中;张志鹏[2]等对小半径隧道中盾构分体始发施工技术进行了研究，介绍了相关的施工始发流程，证明了狭小施工场地盾构分体始发的可行性;卜星玮等人[3]依托武汉江夏清水入江项目工程，展开了狭小空间盾构分体始发的研究，给出了相关的施工控制措施;李艳辉[4]以厦门地铁1号线工程为背景，对暗挖盾构隧道小半径曲线空推分体始发技术进行了研究，阐述了施工关键工序;任彦锦等[5]等对地下综合管廊分体始发技术展开了研究，对分体始发的各项技术要点进行了详细阐述;王德超[6]等依托济南R1线王-大区间对三种不同长度竖井的盾构始发方案进行了对比研究，认为83m分体始发方法最具经济价值;王小强[7]等以青岛地铁1号线为例，展开双护盾TBM分体始发研究，对有限施工场地的分体始发基本方案进行了探讨。

前人对盾构分体始发技术的研究较丰富，但多集中在分体始发整体的施工流程控制上，实际工程中，土压平衡盾构在狭小空间分体始发无法按照常规进行正后方出土和材料运输等工作，在盾构施工工期日益紧张的建设浪潮中，研究如何加快盾构分体始发进程显得尤为紧迫和重要，针对现有盾构/ TBM分体始发存在的不足，本文以珠江三角洲水资源配置工程试验段项目为背景，提出一种新的出土方式，以解决土压平衡盾构分体始发进洞阶段出土问题，在实际应用中取得了良好的效果，可为今后类似的工程施工提供参考和指导。

1  研究背景

1.1 工程概況

广东水电二局承建的珠江三角洲水资源配置工程试验段项目位于深圳市光明新区公明水库旁，该项目是广东省大湾区珠江三角洲水资源配置工程的试验项目，主要为全线的施工积累宝贵经验和提供技术参数。如图1所示，线路全长1.667km，包含盾构隧洞1.666km（桩号GM10+200.672～ GM11+866.505）、内衬管钢安装1.667km，公明水库进库闸、交通桥和2座盾构施工工作井（分别位于桩号GM11+527.505、GM11+866.505）以及盾构穿坝防渗处理等，隧道设最小转弯半径为500m，最大坡度为50‰。

盾构隧洞施工采用1台全新海瑞克土压平衡盾构机（出厂编号：F1159），总长83m，总质量约450t。盾构始发井设计尺寸为30m×13.4m，井深16.2m;内设三道混凝土环框梁及混凝土对称梁的支护结构，实际最大吊装作业空间13m×9.4m，井下作业平台空间27.6m×13m，竖井结构示意图如图2所示。

1.2 亟待解决的问题

施工图设计阶段，为减少征地拆迁，节约投资，盾构始发工作井设计尺寸为30m×13.4m，井身为地下连续墙，并设置三道混凝土环框梁和三角斜撑、中间对称的支护结构，盾构实际工作空间狭小，有效吊装空间仅为13.0m×9.4m。盾构分体始发阶段，盾构机井下安装部分长度为27.5m，而盾构井底有效施工空间长度27.6m，因此，土压平衡盾构分体始发进洞阶段无法按照常规进行正后方出土和材料运输等工作。

本工程作为试验段项目，需要进行结构性试验和工艺性试验，为后续全线设计提供实验参数，盾构施工工期非常紧张。为加快盾构分体始发，盾构机设计阶段增加设计4.2m长临时桥架，始发阶段将盾构机连接桥及临时桥架同时下井，以加快盾构分体始发进程。因此，急需采取一种新的出土方式解决土压平衡盾构分体始发进洞阶段出土问题。另外，珠江三角洲水资源配置工程作为2018年国家水利部72项重点项目之一（最大项目），备受关注。全线盾构始发井多为类似短竖井，盾构机均需要采取分体始发方式。试验段项目主要为后续主体工程提供技术支撑、积累施工经验。

2  分体始发侧方出土施工技术

经过多方面、多途径的调研，召开多次专题会议论证之后，认为本项目如何利用有限空间进行出土作业是难点，为了解决珠江三角洲水资源配置工程输水隧洞在短竖井受限作业空间下盾构始发侧方出土问题，以减少分体始发阶段施工投入及施工工期，本文提出一种新的适用于狭小空间的短竖井分体始发侧方出土技术。

2.1 出土方案论证

本文结合现场实际情况与施工经验，通过创新思维、对比分析及科学论证，围绕本工程亟待达到的施工目标，提出了以下三种施工方案，下面对三种施工方案进行详细的论证。

2.1.1 卷扬机出土

卷扬机出土是在盾构机正后方安装一台8T卷扬机，通过制作斗车轨道，拉动小土斗进行出土作业。在技术可行性方面，盾构井有效长度27.6m，盾体+连接桥+临时桥架长度26.5m，盾构正后方已无操作空间安装卷扬机设备。在可实施性方面，卷扬机设备故障率高，极易发生溜车、碰撞事故;盾构机每次掘进1～2m3土就得停机，增加开机次数，同时加大对刀盘掌子面的扰动。经济性方面，相关设备及安装费用约为8万元，小土斗费用0.8万，人工、机具材料等其他费用约101.2万元，根据估算共计费用约为110万元，耗资较大。时间性上，卷扬机1次只能出1～2m3土，工作效率低，因此施工耗时长，导致整个始发需耗时30天。安全性方面，设备易故障，安全性差;盾构分体始发为上坡掘进，容易出现溜车、碰撞现象，安全风险高。综上所述，经论证认为卷扬机出土方案在短竖井分体始发出土施工中不可行。

2.1.2 垂直皮带机出土

垂直皮带机出土是在盾构机临时桥架一侧安装垂直皮带输送机进行出土。在技术可行性方面，该方案通过皮带将临时桥架上方皮带的渣土直接转运出井口，有效利用井口空间，且通过皮带机的传输可实现连续出土。在可实施性方面，皮带机可持续出土，盾构机不用停机等待，但需每天设专人进行皮带机的维护保养。经济性方面，设备及安装费用约为300万元，人工、机具材料等其他费用约84.3万元，合计估算费用为384.3万元，工程经济性较差。时间性方面，能连续出土，盾构机不用停机等待，但皮带机的安装和拆除，盾构机均无法正常工作，整个盾构分体始发耗时约25天。安全性方面，设皮带机出土作业空间小;极易掉落渣土，导致井内文明施工较差，垂直皮带机运输占用空间大对其他工序作业影响大，极易发生碰撞事故。综上所述，经论证认为垂直皮带机出土方案在短竖井分体始发出土施工中不可行。

2.1.3 侧方出土

经科研攻关，本项目提出了一种土压平衡盾构分体始发新的出土方案，即侧方出土方案，侧方出土是指通过在临时桥架一侧安装侧方出土装置进行出土，如图3所示。在技术可行性方面，能利用盾构机侧方空间进行出土作用，土斗采用常规的17m3大斗，每掘进1环管片只需出5斗土大大的降低了盾构机停机等待的时间。在可实施性方面，在临时桥架侧面安装侧方出土装置，将盾构渣土通过临时桥架出土口引至一侧土斗操作方便，施工效率高。经济性方面，装置费用约0.6万元，人临时桥架约为18.0万元，人工、机具材料等其他费用约67.5万元，合计估算费用为87.7万元，工程经济性在比选的方案中最优。时间性方面，每环管片只需出5斗碴土，盾构机停机等待时间较短，且土斗可以用龙门吊直接进行垂直运输，大大缩短盾构掘进时间，整个盾构分体始发耗时约20天。安全性方面，侧方出土装置简易，操作方便，对作业空间占用小，不影响其他施工作业，安全风险小。综上所述，经论证认为侧方出土方案安全、高效、环保、且具有较高的经济性，在本工程短竖井盾构分体始发中可行。

2.2 侧方出土装置

2.2.1 溜槽出土装置

侧方出土装置需根据临时桥架的位置大小、侧面施工空间、安装操作难易程度、经济性等因素考虑。对下面两种出土装置方案进行比选：①侧面皮带机出土;②溜槽出土。若采用侧面皮带机出土，则需在盾构井安装垂直平带运输设备，进行渣土运输，虽然其具有机械化操作简单，生产效率高的优点，但同时也存在经济成本高，不便于安装固定，占用空间大，影响渣土垂直运输等不足，结合实际情况及从工程经济性出发，侧方出土装置不推荐采用侧方皮带机。溜槽出土具有制造安装成本低，占用空间小，对渣土垂直运输无影响的优点，满足本项目的要求，因此本文采用溜槽作为侧方出土的装置。

2.2.2 溜槽的设计制作

溜槽出土在盾构机临时桥架侧方安装溜槽，传输盾构渣土至侧面土斗内，装置轻巧简单，装拆方便。盾构机侧方出土溜槽需根据盾构机上皮带机输送效率，出土口大小，出土作业空间以、溜槽坡度以及溜槽本身的重量、安装固定方式等相关因素进行设计制造。对下面两种溜槽设计制作方案进行比选：①采用1节5m长整体式溜槽;②采用两节可拆装的活动式溜槽。第一种溜槽制作方案加工简便，整体性好且操作简单，但重量偏大，增加固定难度，且无法拆解，在盾构井狭小的侧面空间影响土斗的吊运，不适合本工程项目。两节可拆装活动式组合溜槽的特点是加工相对简便，安装方便，更易固定，可进行分段装拆，空间利用率高，对其他工序施工影响小，溜槽可分段拆解，固定相对容易，且出土过程将溜槽接长，非出土阶段将其拆解，方便施工，能更加有效地利用有效空间进行其他施工工序作业，也使整个运输作业更加安全、高效，因此本文的溜槽制作采用两节可拆装活动式组合滑槽。

2.2.3 溜槽的安装固定

盾构机完成组装调试后对溜槽进行安装，受盾构井空间限制溜槽只能安放在较宽一侧固定，对下面三种溜槽安装固定方案进行比选：①两节均采用固结方式固定;②采用两节可拆装的活动式溜槽;③接土端固结，出土端活动连接。方案1固定方式简单;两节溜槽均牢靠，接头不易掉落，采用该种方法只是相当于在安装过程将溜槽分开安装连接，只是减少了安装的难度，安装完成后与整长安装效果相同，受限作业空间，影响出土和材料运输;方案2固定方式相对简单，方便拆解和连接组装，对施工空间限制要求较小，采用该种方案是的溜槽接土的头侧不固定，当皮带机运输的碴土砸落到溜槽时会对溜槽产生晃动，影响操作，增加安全风险，同时晃动可能造成渣土掉落，导致现场安全文明施工差;方案3固定方式简单，活动端连接溜槽方便拆解和拉起，同时对空间限制要求小，采用该种方式，溜槽既不会晃动，且其中一节可拆解可拉起，不影响吊土和其他材料运输。因此，本文的滑槽固定采用接土端固结，出土端活动连接的方案。

2.3 側方出土运输

盾构侧方收纳渣土采用45T龙门吊进行垂直运输。盾构始发侧方出土需在井内采用纳土装置进行渣土收放、吊运，对下面两种纳土方案进行比选：①采用小土斗收纳渣土;②采用大土斗收纳渣土。方案1质量轻、方便吊装，体积小占用空间也小，但容纳渣土量小，增加吊装次数，盾构机需频繁的停机等，且土斗需要根据溜槽的位置不停前移，增加操作难度;方案2溜槽可分段拆解，固定相对容易，且出土过程将溜槽接长，非出土阶段将其拆解，方便施工，能更加有效地利用有效空间进行其他施工工序作业，也使整个运输作业更加安全、高效。因此，经论证，采用大土斗方案要优于采用小土斗方案。

本文采用17m3的电机车渣斗进行纳土，每环管片掘进时，土斗可保持位置不动，只需溜槽跟着临时桥架一起在轨道上移动即可，每掘进一环只需出约5斗土，减少盾构停机时间和垂直吊运时间。

综上，通过创新思维、对比分析及科学论证，短竖井土压平衡盾构分体始发侧方出土施工技术为最佳方案，其施工方案的流程图如图4所示。

3  工程应用

前文详细地介绍了短竖井分体始发侧方出土方案，下面将介绍该方案在珠江三角洲水资源配置工程试验段项目的应用过程与取得的良好经济、社会效果。

3.1 溜槽的设计制作

如图5所示，侧方溜槽主要是将临时桥架出土口的土通过溜槽转移至侧面的土斗内。因此溜槽宽度应略大于皮带宽度，长度应满足渣土能自动滑入侧面土斗内。

盾构机组装调试期间在地面车间加工一条长3m，宽1.2m溜槽和一条长2.2m，宽1.21m溜槽;溜槽底部采用3mm厚钢板和两根30mm方钢焊接固定，滑槽两侧各采用一块3mm厚钢板和两根30mm方钢焊接固定，并与底部钢板焊接，两侧与底部保持45°角。3m溜槽尾部20cm和2.2m溜槽头部20cm的两侧每10cm预留一处Φ22mm螺栓孔，以便溜槽安装连接与拆卸。同时在2m槽末端30cm处左右侧各开一个Φ30mm圆孔，方便葫芦挂钩，侧方出土溜槽设计图如图5所示。

经过效果检查：溜槽宽度1.2m，大于皮带机宽度1米，能够保证顺畅出土;同时溜槽本身通过预留的螺栓孔位进行螺栓连接，实现铰接连接，能将活动端溜槽拉起，溜槽长度为5m，大于设定目标4.5m，出土口与土斗间水平距离约4.2m，满足侧面出土距离要求。

3.2 溜槽的安装固定

如图6所示，侧方出土溜槽需安放在临时桥架出土口下方，将3m槽设置为固定端，固定在临时桥架上，考虑溜槽的自重及碴土掉落的冲击和重量，在临时桥架下部两支腿中间铁板上焊接一道方钢作为溜槽固定支点。固定端接临时桥架出土口位置采用2mm厚钢板及橡胶帘幕进行密封连接，防止渣土传输至溜槽时四处飞溅，影响文明施工。

临时桥架前端顶部横梁中间焊接两个吊钩装置，用于挂3T的手拉葫芦，可拆装活动式2m槽与固定式3m槽采用螺栓连接，并将2m槽置于3m槽下方，采用螺栓连接，保证渣土不会外溢且两米槽可以上下自由活动。

在2m槽接土斗前端两侧设置一处吊装孔并用葫芦拉住，并将葫芦固定在临时台车顶部横梁提前制作的吊钩装置上，保证2m长溜槽能够向上用葫芦提起。安装完成后应保证溜槽坡度在25°以上，确保碴土能够自由滑落至土斗内。

盾构机掘进时，盾体后方连接桥及临时桥架通过连接牵引装置和铺设轨道跟随盾体的前移而缓慢前移，同时固定于临时桥架侧方的溜槽也随之缓慢向前移动。

溜槽固定端安装牢靠，活动端可利用手拉葫芦人工拉起，溜槽与临时桥架出土口完成封闭，渣土不会处飞溅。溜槽安放至土斗正上方，能够保证渣土顺利进入土斗。经测量溜槽坡度为32°，大于设定目标值25°，满足渣土自由滑落的坡度要求。溜槽固定于临时桥架上，通过临时桥架缓慢向前移动。

3.3 纳土与垂直运输

侧方出土的纳土装置采用电机车大土斗，土斗宽1.5m，长6.25m，高2m，将土斗放置于溜槽正下方的底板上，土斗容量17m3，每掘进1环需出土5斗，较小土斗减少了盾构机停机等待时间，同时采用大土斗减少垂直吊运次数和时间，大大缩短掘进时间。每环掘进时可保持土斗位置不变，渣土通过螺旋机传送到皮带机上，在经皮带机输送至临时桥架出土口转移至侧方溜槽，最后通过侧方溜槽进入土斗。

每掘进完1环后，可根据溜槽位置将土斗适当向前移动，移动通过龙门吊吊起平移本工程采用的大土斗每斗可装15m3渣土，每环只需吊运5次，且不需要挪动位置。采用大土斗较之小土斗每掘进1环加快盾构掘进时间90分钟，大大的提高工作效率，实际应用图示如图7所示。

盾构土斗装满后，人工将2m可拆装组合式溜槽用葫芦拉起，提供土斗垂直运输空间。盾构渣土垂直运输采用地面已安装的45t龙门吊进行。侧方出土垂直运输空间较正常出土空间狭小，因此，出土时严格将龙门吊起吊速度控制在10m/min以内，且保证龙门吊不得四周晃动。龙门吊提升至地面后缓慢移动至临时渣池正上方，再利用龙门吊翻斗勾进行卸土，实际应用图示如图8所示。

弃土斗卸完土后缓慢将土斗放置井底溜槽下方。龙门吊下井速度不得大于15m/min，且当土斗移动至距离溜槽顶部50cm～100cm，将龙门吊速度降至3～5m/min，防止速度过快而发生碰撞。当土斗放置井底平稳后，将拉起的活动端溜槽下放，置于土斗上方继续进行出土作业。

采用龙门吊进行渣土的垂直运输，能够有效地控制起吊和下放速度，且在吊装过程晃动较小，即安全又高效，同时不需要其他辅助措施。每吊运一次土，花费时间约6min。

3.4 应用效果

3.4.1 工期效果

本项目盾构自2018年7月11日顺利始发，至2018年7月30日结束分体始发掘进。分体始发阶段日掘进进尺4.0m，总耗时20天。盾构分体始发将连接桥放置井内并设计临时桥架与其支撑连接，并将油脂泵、水玻璃、泡沫剂、皮带机等置于其上，大大的减少了延长管线的输了，出土的时间。同时，通过采取侧方出土的措施，较好地解决盾构始发掘进阶段后方无出土空间的难题，加快了本项目整个盾构分体始發的进程，较以往常规的分体始发提前约10天完成，安全、高效、顺利的完成短竖井土压平衡盾构分体始发的施工难题。

3.4.2 经济效果

短竖井土压平衡盾构分体始发侧方出土施工技术在珠江三角洲水资源配置工程试验段项目的实践应用，使盾构机快速、高效、安全的通过始发段隧洞掘进，成功的解决了狭小空间盾构渣土运输作业，保障了施工工期，节约了大量的工程成本，取得了较好的经济效益，共节约成本22.3万元，减少了投资，取得了显著的经济效益，详见表1。

3.4.3 社会效果

通过本次活动，解决了输水隧洞短竖井分体始发出土施工难题，保障了工程施工进度、效率、安全和环保。国家水利部、省水利厅、深圳水务局、粤海集团等多家单位及各级领导多次莅临现场检查指导工作，本项目的研究应用赢得了公司、业主、监理的好评，为公司节约成本的同时提高了市场竞争力。短竖井土压平衡盾构分体始发侧方出土施工新技术在输水隧洞中成功地应用，有效地解决了水工隧洞受限空间下的盾构分体始发施工难题，为土压平衡盾构施工技术在输水隧洞的应用提供宝贵经验。

4  结论

本文通过文献调研、科学论证等方式详细论述了短竖井分体始发侧方出土施工方案的工序及特点，并及介绍了该方案在珠江三角洲水资源配置工程试验段项目的应用技术细节和取得的效果，得到以下几点主要结论：

①在短竖井分体始发施工中，侧方出土相比于卷扬机出土和垂直皮带机出土，具有安全、高效、环保、且经济效益较高的特点。

②溜槽出土装置制造安装成本低，占用空间小，对渣土垂直运输无影响，施工效果优于侧面皮带机出土，溜槽宜采用两节可拆装的活动式溜槽，安装固定宜采用接土端固结，出土端活动连接的方案。

③采用大土斗的纳土方案方便施工，能更加有效地利用有效空间进行其他施工工序作业，也使整个运输作业更加安全、高效，效果优于小土斗方案。大土斗纳土加龙门吊垂直运输的侧方出土方案可保证侧方出土的效果达到最佳。

④工程实践证明，侧方出土方案可在安全、高效的前提下，使分体始发提前约10天完成，并节约成本约22.3万元，可为土压平衡盾构施工技术在输水隧洞的应用提供宝贵经验。

参考文献：

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[2]张志鹏，方江华，张智宏.小半径隧道中盾构分体始发施工技术[C].中国盾构技术学术研讨会，2011.

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