盾构机分体始发设备的改造及技术控制措施

薛长鹏

（中铁二十局集团第三工程有限公司， 重庆 400000）

引言

盾构机是一种集机械、电气、液压等技术为一体的大型隧道掘进设备，广泛应用于市政等隧道工程。盾构机分体始发是指在盾构机整体始发空间不足的条件下，先将主机和后配套部分台车下到始发井内，安装好主机后，将地面台车上能保证盾构机正常掘进的最少的液压管路、电缆等管线连接到主机上，进行盾构机试机、始发，并随着盾构机掘进将剩余台车放入始发井内并连接成整体的过程。

分体始发工序复杂、施工难度大，是盾构始发控制重难点。分体始发方案直接影响盾构始发的安全、施工效率以及设备功能的发挥[1]。分体始发总体要求为尽量使除主机之外的设备尽可能地下井组装，减少管路和电缆再连接。分体始发原则为最大限度地利用盾构原有设备，减少对盾构主体结构机不必要的改造；在具备满足设备正常使用及台车位置的场地情况下，尽量减少管路、电缆线长度；具有满足始发时渣土及管片等垂直运输以及人员进出等条件。因此，盾构分体始发既要考虑盾构机后配套台车上设备分布特点以及施工现场的布置，也要顾及到管片运输和渣土外运。

1 工程概况

广州市某综合管廊23 号井～24 号井区间全长688.277 m，拱顶最大覆土埋深15 m，最小埋深9 m，最大曲线半径450 m，最小曲线半径250 m，最大坡度23.98‰。盾构在23 号工作井西南侧始发，沿西南方向掘进到达24 号工作井。本工程始发井周边场地地势平坦，基坑围护结构采用Φ1 000 mm×1 200 mm 钻孔灌注桩，桩间采用双管旋喷桩止水，旋喷桩与围护结构咬合150 mm。始发井主体为地下三层结构，长度为37 m，宽度为15 m，设置11.9 m×6.6 m的吊装口和12.3 m×7.5 m 的出土口，分别用于盾构主机、后配套台车吊装下井和渣土吊运，如图1 所示。本工程由于受到始发井周边环境条件的限制，盾构始发井尺寸已确定，必须采用分体始发。分体始发主要针对盾体、后配套台车拆分及管路改造[2]。

2 盾构机分体及其改造

盾构分体始发即将盾构机盾体及部分后配套台车吊入到始发端，另一部分后配套台车安装在地面上，在盾构掘进长度达到足够能使所有的后配套台车放入的长度后，再按整体始发的模式将后配套台车吊装下井进行二次始发[3]。

由于综合管廊区间盾构始发井内净空长37 m，而盾构机全长80 m，导致部分台车无法下井整机组组装，必须采用分体始发。即将盾构机部分台车必须先放置于竖井顶板处，以延伸1 号台车与2 号台车之间的管路来实现始发，经过管路转接使盾构机设备正常连接和正常掘进，待掘进长度满足后续台车布置后再对其进行吊放和组装连接。始发组装顺序依次为：始发基座安装、轨道铺设→盾体及后配套台车下井组装调试→安装反力架→安装洞门密封圈→洞门凿除→负环拼装→掘进[4]。盾构机下井顺序为：盾构主机→连接桥→1 号台车至4 号台车下井，5号、6 号台车不参与第一次始发。

中板预留吊装口尺寸为11.9 m×6.6 m，而2 号台车总长12 m，整体无法吊装下井，因此必须对2号台车[5]进行改造。采取拆除2 号台车推进泵、电机（包含底部平台）、泡沫原液箱（包含底部平台）方式吊装下井，同时对推进泵、泡沫原液泵及其管路进行保护。拆除以上设备后，2 号台车长为10.5 m，可以顺利下井，同时提高了吊装下井安全性。

2.1 管路的改造

延伸管路[6]长度设定为100 m，其中污水管、EP2 油脂管、盾尾油脂管及HBW 油脂管不用延伸。始发初期污水排放采取盾尾污水直接排放井口方式，5 号和6 号台车水管卷盘、污水箱污水泵、电缆箱不投入使用。始发掘进过程中，高压电缆和延伸管路同步收放，循环水软管、污水软管采取设计滑车收放或直接盘放于1 号台车后方。考虑管路延伸的复杂性，将3 号和4 号台车上的污水管改装到1 号台车；主控室门口将接线箱移至柱子背面，让出位置安装EP2 油脂泵；拆除同步注浆罐尾部水箱，用于安装盾尾油脂泵和HBW 油脂泵，采用1.2 m×1.2 m×10 mm 钢板制作延伸平台，底部用20a 工字钢两边支撑。因空间狭小，如果需放备用油脂，则将延伸平台加长一倍。

盾构机液压流体延伸管路总计22 根，现场需要从2 号台车头部连接到1 号台车尾部；在出土口顶板安装一个管路支架，通过管路支架将管路送到底板（管路下井处用手拉葫芦悬吊保护，防止油管接头脱落），下井后管路继续往1 号台车尾部延伸，1 号台车尾部也设置一个管路支架，盾构机掘进时，管路由人工辅助跟随盾构机前进。

从盾构机原主气管往1 号台车右侧送气管加装一个DN25 三通阀门，分别往盾尾油脂泵、EP2 油脂泵、HBW 油脂泵三处送气源。

2.2 出土方式的改造

将出土口[7]改装至1 号台车尾部，出土分四个阶段。

第一个阶段：开挖前1.5 m 采用自制小渣斗出土，门式起重机吊装出土。

第二个阶段：掘进负2 环至25 环出土：采用一台5 t 卷扬机+电动平板车运输出土，门式起重机吊装出土。

第三个阶段：掘进25 环至60 环，采用电瓶车带一个18 m3渣土车运输出土。掘进25 环后，管片长37.5 m，管片摩擦力大于1 200 t。前10 环管片采用槽钢全部连接起来，拆除负环上半部分，对0 环至反力架位置顶撑加固。配备电瓶机车+1 台浆液车+1台渣土车+1 台管片车进行运输，浆液车放在渣土车前面，保证同步注浆和渣土外运。

第四个阶段：掘进60 环后，进行二次始发，铺设道岔，考虑始发井净距仅有35 m，采用两列电瓶车组正常出土。

2.3 同步注浆液输送方式的改造

随着盾构掘进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙”，即通过盾构机设在盾尾的4 个压浆管予以同步填注浆液[8]。同步注浆输送方式的改造分两个阶段。第一个阶段：负环上半部分拆除前25 环，1 号台车最大距离洞门7 m，可采用DN100 钢丝软管将浆液自流入1 号台车同步注浆灌。第二个阶段：掘进25 环后，采用电瓶车带一个浆液车，通过浆液车倒运注浆液到同步浆灌。随着盾构机掘进，始发距离加长，同步注浆管道输送能力随之下降，注浆效果减弱，及时进行二次注浆可以弥补同步注浆的不足，有效防止地面沉降[9]。

3 始发托架及反力架的安装

测量人员对始发托架及反力架[10]在底板上的位置进行定位，始发托架调整就位后，测量人员再次进行高程复核，确保盾构机在始发托架组装完毕后中心与隧道中心重合。为了避免盾构机进洞后出现“栽头”现象，始发托架前端应比设计标高提高20 mm。始发托架长9 m，中心与洞门夹角84.7°，距洞门端墙0.3 m。盾构机始发时抬高20 mm 进洞，始发托架安装后，底部距离结构底板480 mm，采用2 层43 号钢轨加20a 工字钢垫设形式（每层43 号钢轨高140 mm，剩余200 mm 采用20a 工字钢铺垫）。反力架前端面距离洞门端墙中心9.58 m，垂直于始发中线，安装时注意与底板和始发中线的垂直度。

图2 盾构始发姿态模拟示意图（单位：mm）

4 小曲线段始发姿态的控制措施

本工程盾构始发端位于半径为250 m 曲线段，盾构机始发进入土体之前无法转向，只能沿直线形式进洞[11]。为保证小半径曲线段控制姿态不超限，采取割线始发，割线长9 m，割线起点为始发里程起点，如图2 所示。割线始发后在距离起始里程4.5 m位置姿态最大偏离中线40.5 mm，盾构始发中线与结构墙夹角为5.3°。刀盘进洞9 m 后，盾构机具备整体调整方向条件，按常规姿态控制掘进方向。

5 盾构机防“栽头”控制措施

盾构机离开托架时容易出现“栽头”[12]现象，需要对洞门钢环处采取加固处理措施，防止盾构机“栽头”。洞门钢环内径Φ6 620 mm，盾体直径Φ6 250 mm，存在185 mm 间隙，由于盾构机抬高20 mm 进洞，因而底部间隙为205 mm。采取在洞门钢环上焊接两根20a 工字钢支撑盾体始发，如图3 和图4 所示。另外特别注意，工字钢焊接位置及长度需要考虑避开洞门帘布及刀盘边缘滚刀。

图3 洞门导向工字钢安装示意图（单位：mm）

图4 洞门导向工字钢安装示意图（单位：mm）

6 结语

盾构分体始发作为盾构施工难点之一，其设备改造方案和技术控制措施的合理性决定了盾构始发的安全性和时效性。盾构机在狭窄场地施工适合采用分体始发，具有可行性和操作性，且能满足项目施工需求，同时能节约工程成本，减少占地面积，保证工序的衔接和施工进度。但也有不足之处，分体始发难度相对整体始发大，出土速度对比整体始发慢。

小半径曲线盾构始发，具有轴线曲率大、半径小、始发姿态难控制、水平位移大等特点，因此必须选择合适的始发方向来控制盾构机的姿态，结合同步注浆、二次注浆来稳定成型管片，确保施工质量满足设计、规范要求。