盾构分体始发应用技术研究

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

随着现代城市的不断发展，以盾构技术为支撑的地铁隧道施工工程已成为解决城市化所带来的一系列交通问题的主要技术途径[1]。盾构法施工主要分为盾构始发、盾构掘进和盾构接收，由于受地铁线路规划、地面交通、已有建筑物等限制，不可避免的出现地面空间不足、存在小曲线等导致无法正常始发和出渣等问题。因此，盾构始发已成为盾构施工的关键和难点之一，怎样保证高质量盾构始发、隧道轴线精确控制、提高施工效率是整个盾构施工的重点。

诸多学者针对不同的工况进行了相关的研究，何永洪[2]以成都地铁1 号线工况为例，针对大坡度、全断面砂卵石地质，从施工角度对盾构始发的控制质量方面进行了论述；杨兴旺[3]以珠海地铁为例，针对小曲线从轴线控制、管片分析和始发原理等论述了一系列施工措施；季维果[4]针对大连2 号线单井口工况，制定了整体始发方案并对出渣和管片运输提出了针对性设计；钟振灵[5]针对非轴线出土口盾构始发提出了新制纵向起重机并与钢丝绳组合解决了该工况下的难题；齐敦典[6]利用铺设道岔和增加单梁起重机的方式，解决了盾构始发问题，提高了施工效率；邵翔宇[7]根据广州6 号线小曲线工况从注浆方式、轴线控制以及始发方式进行了论述；张志鹏[8]以北京10号线为例介绍了出土方式负环选型、反力架安装等相关保障措施。

以上文献主要从施工角度介绍了始发方案，从施工控制措施方面保证始发效果，且研究不够深入。本文针对该项目单井口且导洞不能存放台车以及存在小曲线的具体工况，介绍了始发方案，并以此为基础对设备进行针对性选型配置，为盾构在特殊工况下的设计提供一定的技术借鉴。

1 项目概况

如图1 所示，厦门市轨道交通2 号线某盾构区间纵坡为“V”形坡，最大纵坡为21‰，整个区间隧道埋深为12～25m，上行线设计长度约1 600m，下行线设计长度约1 595m，盾构始发井设置在最小平面曲线上，转弯曲线半径为300m，盾构区间管片外径为6.2m。该项目采用土压平衡盾构设计参数如下：开挖直径为6 480mm，盾体采用梭形设计，盾体直径分别6 450mm/6 440mm/6 430mm，转弯能力为R=200m，允许最大隧道纵向坡度为50‰，铰接形式为主动铰接。

图1 厦门市轨道交通2号线一期线路图

2 边界条件分析

始发井尺寸如图2 所示，井口尺寸为12.5m×8m，后部有一个盲洞，尺寸为14m×4m，由于工期限制，后置出渣口暂时不能使用。另外，该始发井处于300m 小曲线转弯段。由于始发井的结构尺寸限制，整体式的常规始发不能解决本项目所遇到的问题。本项目采用盾构开挖直径为6.48m，包括主机、设备桥和6 节拖车，主机长度为9m，整机长度约80m。针对本项目具体情况，结合盾构的尺寸，实现盾构的分体始发需要解决以下问题。

图2 始发井示意图

1）小曲线始发 按照正常的始发，盾构中心线会偏离隧道设计轴线，不能满足施工规范。因此，采用割线始发方案，控制主机中心线与隧道设计轴线的偏差在要求范围内。

2）单井口分体始发出渣 由于后置出土口无法使用，且导洞尺寸为14m×4m，由于空间尺寸限制，无法放置拖车正常出渣。因此，始发井只将主机下井，后配套全部放置在地面井口位置，由于螺机出渣口位置较低，采用电瓶车+小渣斗方式进行出渣。

3）单井口分体始发管片运输 采用分体始发无设备桥管片起重机，无法正常调运管片。因此，特制带自动旋转功能的临时小车和布置纵向单梁起重机，通过单梁起重机+临时小车的方式将管片运输至管片拼装机下方，掘进一定距离后下设备桥，通过管片起重机完成管片输送，提高施工效率。

4）分体始发管线延长 由于只有主机掘进，管线较多，存在管线延长以及在隧道内管线磨损问题。因此，新制1 台小型台车用于放置管线，通过该台车完成管线的延长，避免掘进过程中管线的磨损，节省施工成本。

3 解决方案

由边界条件的分析可知，本项目盾构能高效率的实现分体始发的关键在于恢复正常掘进前的掘进过程中解决渣土、管片的输送以及小曲线的始发问题。本文主要对小曲线始发方案、始发段的渣土和管片的运输以及始发工艺流程进行论述。

3.1 小曲线始发应对措施

目前，盾构始发一般分为直线始发、切线始发和割线始发。一般情况下盾构始发是盾构中心线与隧道设计轴线重合来确定盾构始发方向，保证掘进质量，满足设计和规范。该项目始发井在R300m 的小曲线上，端墙加固区长度为10m。为保证负环管片便于安装且受力稳定，初始始发时顺利通过加固区，主机只能沿直线掘进，直至主机尾部脱离加固区后进行纠偏。因此，盾构从始发沿直线掘进距离20m 后才能进行纠偏，由于此段存在小曲线，常规的直线始发和切线始发导致偏离隧道设计中心线距离过远，不能满足设计规范要求。所以，盾构采用割线始发，误差控制在±50mm 以内。

始发示意图如图3 所示，主机始发方向与端墙的夹角为2.2°，主机中心线与隧道设计中心线的距离为25mm（掘进方向左侧），主机掘进15m时主机中心线与设计中心线重合，沿此方向继续掘进至20m，此时主机位于设计中心线外侧，通过R220m 曲线进行缓和纠偏，直至设计隧道中心下，纠偏距离为12m。通过软件模拟，直线段主机的轴线与隧道设计中心线的最大内偏差为37mm，开始纠偏点距离设计中心线最大外侧偏差为40mm 满足设计规范要求（表1）。

图3 始发示意图

表1 实际中心线与设计轴线偏差量

3.2 分体始发出渣和管片输送研究

结合现场施工条件，本项目采用半环式分体始发方案，负环管片只拼装底部半环，初始掘进时在反力架前部设置一纵向单梁葫芦起重机，主机与地面设备采用延长管线连接。主机布置如图4 所示。根据组件下井顺序将始发方案分为3 个阶段。

图4 主机布置示意图

1）第一阶段：主机下井。主机掘进0～5m时，由于始发井限制，渣土和管片不能通过行吊进行垂直起吊。渣土7m3的小渣斗通过纵向单梁起重机从侧面出渣；管片通过单梁起重机将管片放置在新制的带旋转功能的临时小车上，通过临时小车将管片输送到管片拼装机下部，完成拼装。主机掘进5～15m 时，拆除纵向单梁起重机，直接通过行吊垂直吊装。渣土和管片输送交替进行。

2）第二阶段：设备桥和新制小台车下井。主机掘进15m 后，设备桥下井。如图5 所示，设备桥前部搭接在拼装机主梁上，后部安装支撑和行走轮对，并连续掘进至65m。渣土仍采用7m3的小渣斗出渣，通过行吊直接垂直调运；管片采用常规管片小车输送，每次可输送一整环管片，通过设备桥上的管片起重机进行吊装，提高施工效率。期间在掘进至25m 时新制小台车下井，用于存放和延长管线，防止掘进中管线与隧道的磨损。

图5 设备桥布置示意图

3）第三阶段：后配套下井。当主机和设备桥连续掘进至65m 时，拆除新制台车和设备桥支撑，1～6 号台车下井，恢复正常掘进，管片和渣土输送恢复正常的吊运。整机布置如图 6 所示。

图6 整机布置示意图

4 盾构设备选型设计

结合该项目具体地质和现场施工工况，在已确定的盾构分体始发方案，在满足地质适应性的前提下对盾构进行针对性的选型配置，保证盾构顺利始发，主要体现在以下几个方面。

1）由于该项目实际转弯半径为300m，且采用割线始发的方式进行始发，要求设备配置实际转弯能力小于300m 的纠偏能力来保证隧道轴线的精确控制，所以盾构选用主动铰接形式，实际转弯能力为200m，满足使用要求。

2）盾构配置径向油脂注入系统，在盾构始发时通过径向孔注入到盾壳外面，在负环阶段掘进时注入盾尾油脂，提高始发时的密封性。

3）在盾构始发时采用小渣斗出渣，在螺机出渣口接收渣土，并且地面铺设有轨道无法使用管片小车。因此，盾构采用无管片小车设计，设备桥采用大坡度双梁管片起重机设计技术，起重机梁伸入到管片拼装机底部，通过1 号台车和设备桥上配置的双梁管片起重机直接将管片输送到拼装机抓取位置，完成管片拼装，提高施工效率（图7）。

图7 管片输送示意图

4）盾构所配置的注浆管、液压油管、渣土改良管等所有需拆卸的管路进行永久性标识和快插式设计，方便管路更换和延伸。

5）设备桥由于需要安装支撑和轮对，在设计时预留安装接口，通过螺栓进行连接，减少现场工作量，提高施工效率。

6）在盾构进洞之前掘进时，出现渣土堆积在刀盘底部且无法排渣的情况，导致刀盘承受偏向载荷，不能均匀受力；另外始发时由于无土体对主机包裹，扭矩较高时易出现翻滚现象；因此，盾构通过程序对刀盘扭矩和推力进行限制，避免出现上述问题，影响正常施工。

5 结语

随着国内盾构施工工期越来越紧张，地面条件越来越复杂，盾构施工条件受限制较多，类似工况条件下盾构施工不可避免。本文通过对特定项目的盾构始发的边界条件以及盾构始发方案进行了分析，对渣土和管片输送进行了研究，提高了施工效率；结合始发方案对盾构设计以及应用技术进行了研究，减少了现场施工的工作量。

一方面，建议类似工程设计时尽量考虑给盾构的始发预留足够的空间；另一方面，盾构应在设计之初就要针对现场具体的施工边界条件考虑对应的设计，以期减少盾构在始发、掘进以及接收过程中的施工成本，增加方便性，提高施工的效率和安全性。