土压平衡盾构机小半径割线技术研究

尹 政

（中铁十四局集团 隧道工程有限公司，山东 济南 250014）

1 工程概况

标段包括一站两区间，即草桥站-右安门外站区间、右安门外站、右安门外站-牛街站区间，线路总长5.363 km。草右区间设置一处半径为R=450 m的平面曲线，左右线间距为18.8～10.0 m，区间纵断呈W型，出草桥站后接28‰下坡至区间低点，之后接10‰上坡，后接6‰下坡至区间低点，最后接28‰上坡，随后变坡与车站2‰纵坡衔接。区间结构埋深13.8～29.2 m。

区间隧道主要穿过卵石⑤、卵石⑦地层、卵石层⑨，全线统一水层编号，水层号为潜水（二）层，赋存于第⑦、⑨层卵石层中，渗透系数300 m/d。

2 盾构设备始发性能评价

草桥站-右安门站区间盾构段投入2台复合式土压平衡盾构机，盾构机的开挖直径为6 680 mm。盾构机分为主机和后配套设备，7节车架，全长约75 m，最大掘进速度均可达到100 mm/min。盾构机主要参数：（1）盾构刀盘与刀具。针对本工程穿越砂卵石特点和周边环境特点，采用辐条式刀盘，主要由轮缘、辐条和布设在辐条上的刀具组成。4根辐臂支撑的厚壁法兰连接主驱动装置并且作为刀盘辐臂的基座，以传递足够的扭矩和推力，刀盘可以双向旋转。刀盘直径为6 688 mm，刀盘的综合开口率约为52% ，刀盘的中心部分开口率为60%，有利于中心部分渣土的流动并进入土仓，可以有效的防止中心泥饼的产生。为满足盾构施工掘进进度、沉降控制等要求，刀盘配置有主切削刀、加强切削刀、周边刀、鱼尾刀，考虑到施工中刀具和卵石撞击等不利因素，采用耐磨强度高刀具，刀具加焊耐磨层。（2）始发掘进参数选取依据。根据在类似地层中掘进经验，盾构推力为10 000～17 000 kN，拟投入盾构机总推力为42 400 kN；经加渣土改良后扭矩为1 800～4 000 kN·m。拟投入盾构机刀盘工作扭矩为6 650 kN·m，脱困扭矩8 320 kN·m；螺旋输送机为轴式，规格850 mm（内径）×13 955 mm，出土能力430 m3/h，通过最大直径300 mm×660 mm；盾构机具备加膨润土和加泡沫功能，刀盘配置8个添加剂注入口，土仓壁设置4个添加剂注入口，泡沫系统采用单管单泵，膨润土系统采用螺杆泵，能根据地质条件的变化实施单独加泥、同时加注泥浆和泡沫，对土体进行塑流化改造，使其更容易排出，减少施工对地层的扰动。

3 始发关键技术控制

3.1 端头加固

区间风井-草桥站始发端加固范围为纵向9 m，横向加固为盾构掘进左、右线隧道外边线以外3 m范围，竖向加固至隧道掘进边线上、下各3 m范围、加固深度为16～28.4 m。始发端头均采用高压旋喷桩加固，旋喷桩采用Φ600 mm@450 mm。

3.2 洞门水平探孔检查

盾构进出洞前进行水平探孔取芯检查，确保端头加固体满足盾构进出洞施工。洞门钢环内采用探孔对加固情况进行检测。探孔无明水流出，芯体强度满足设计要求，加固段中心和钻孔全数检查，满足设计要求可进行下一工序。

3.3 割线始发确定

由于盾体在未全部进入土体之前无法转向，只能沿直线进洞，割线始发具有在盾体全部进入土体后盾构姿态偏差最小、管片不侵限、盾构纠偏容易等优点，所以盾构始发段位于曲线上时，都采用割线始发。本区间始发位置线路有450 m转弯半径，需割线始发，托架前端向右偏移27.7 mm，后部偏移220 mm，根据设计线路坡度调整始发基座的前后高低差。为抵消盾构始发段盾构机栽头的现象，将盾构机刀盘抬高20 mm，最终始发线路保持盾构机刀盘中心高程高于设计轴线20 mm，由于盾构路线有6‰ 坡度，盾构始发时始发托架放置需与隧道轴线坡度一致，盾尾中心高程与设计轴线重合。

3.4 盾构机始发姿态

盾构进入洞门即采用超挖刀进行扩挖，以留出初始转向空隙,在盾尾完全进入洞门后即开始转向，保证盾构由直线掘进状态顺利进入曲线状态掘进，避免在曲线外侧超挖。盾构始发时，为提供足够的推力并保持反力架、负环管片稳定,盾构机必须沿直线推进。从始发洞门开始其中心路径前10 m沿隧道设计中心线（平面曲线450 m ）的割线（该割线通过始发洞门中心线）推进，待盾尾脱离基座后逐步调整盾构姿态使盾构沿隧道设计线路推进。经计算，盾构沿内弦线掘进最大偏移量l=27.7 mm; 盾构机轴线与始发井轴线夹角θ=0.635°。故设计曲线内偏移量为27.7 mm。见图1、图2。

3.5 始发托架安装

由于盾构路线有6‰ 坡度，盾构始发时始发托架放置需与隧道轴线坡度一致，盾尾中心高程与设计轴线重合，所以安放托架时前端略高于尾端，高度差控制在20 mm。

图1 割线与始发井结构中心线位置

图2 盾构机割线始发

安装时盾构基座中心线与隧道设计中线同线，盾构基座前端距端墙500 mm。托架最小段靠近洞门，托架两侧均布H型钢支撑。型钢支撑与侧墙和上翻梁接触位置塞钢板加强支撑效果，另一侧与盾构基座牛腿焊接加固，增加始发托架整体受力均匀和安全性，见图3。

图3 始发托架放置

3.6 反力架安装

由于始发时需穿越9 m的加固区，较高强度的加固土体造成推进所需的反力较大，易使反力架变形或侧斜。所以需在反力架侧边增加支撑，以增加大角度曲线始发时反力架的稳固性和安全性，使其满足始发所需的施工空间。在安装反力架时，反力架端面应与割线始发线路垂直。反力架结构形式见图4、图5。

图4 反力架结构形式

3.7 降水

草右区间盾构始发井共布置降水井63眼，井深38 m，基本井间距6 m；潜水泵降水可有效疏干砂性土中的地下水，提供砂卵石地层的密实度，防止凿除洞门时出现涌水、涌砂，避免始发端头的坍塌。

3.8 洞门破除

由于始发洞门为钢筋混凝土及玻璃纤维桩，破除表层钢筋网片采用人工手持风镐破除，剩余的部分桩体使用盾构机破除。因割线始发，盾构机刀盘接触掌子面时会产生一侧先接触，另一侧悬空的状况，这会导致盾构机受到的反作用力不均等，使盾构机、始发架、反力架产生侧移，割线始发方向发生变动，所以洞门凿除时，凿除完的洞门平面必须与刀盘平面平行，见图6。

图5 反力架结构形式

图6 玻璃纤维筋桩平面布置

3.9 洞门密封安装

为防止盾构机始发过程中渗漏水的发生，对洞门采取橡胶帘布+折页翻板处理措施。洞门密封由一道洞门橡胶帘布和24块翻板组成，所有密封机构通过72支双头螺栓，固定在预埋洞门钢环上。安装洞门帘布时需注意外凸缘的朝向，始发阶段凸缘朝向始发方向。

3.1 0 负环管片拼装

盾构机始发前在反力架和盾尾需要拼装9环负环管片,全部采用通缝环拼装。拼装完的负环则应及时用钢丝绳整环加固，钢丝绳底部与始发架连接在一起，以保证在传递推力过程中管片不会旋转浮动，用木楔将管片与始发架间的间隙塞紧,负环与负环之间的螺栓要及时复紧，避免负环管片产生位移、下沉,反力架倾斜，影响后续管片的拼装质量或产生安全隐患。

4 盾构机始发掘进

4.1 盾构机在始发托架上推进

盾构机在进入洞门与加固区之前，沿始发托架的路径直线推进，同时注意控制盾构机的姿态，保持各区域推进油缸的推力基本一致，防止推力不均匀导致负环和反力架的变形。脱出盾尾的管片及时穿入钢丝绳，收紧管片，垫入木楔，既增加负环管片的稳定性，又保证了负环的正圆度。刀盘开始进入洞门密封结构前，提前在刀盘和密封帘布上涂抹黄油，防止刀具将橡胶帘布刮伤。

4.2 土压建仓

每环负环的拼装后，测量负环与端墙之间的距离，验算零环的相对位置是否满足内插洞门400～800 mm之间。负6环开始掘进时慢慢建立土仓压力。增大泡沫注入，提高泡沫液注入，确保渣土改良到位，防止渣土沾在刀盘和土仓上，检查渣土的温度，防止刀盘高温结泥饼。

4.3 盾构机在加固区推进

进入加固区-5环推进时，开始缓慢匀速旋转刀盘，少量向掌子面喷射低浓度、发泡率较低的泡沫，同时螺旋机开始出土，保持空仓掘进。控制推进速度在10 mm/min以内，刀盘扭矩2 000 kN·m以内，总推力8 000 kN以内，若存在较大姿态偏差，不得采取急纠措施，应当采取缓和蛇形纠偏，并时刻注意刀盘扭矩的变化。随后土压缓慢递增，同时观察出土情况，及时修改泡沫注入量，加强土体改良效果，降低刀盘扭矩，防止刀盘发生剧烈扭转，见表1。注意观察洞门密封状况，此时以泡沫溶液来检查洞门密封的效果，并对渗漏点及时进行相应的处理。紧固洞门环板的固定螺栓。

表1 加固区掘进参数

4.4 盾构机通过加固区后续推进

盾构机通过加固区域后，盾构机的各项参数可以适当微调。此阶段要使盾构机进入曲线内侧，以便盾构机逐步的沿着隧道设计的轴线推进。曲线内侧区域千斤顶推力与曲线外侧区域千斤顶的推力差可以调大，铰接度和超挖刀行程都可以调大。此时土仓的压力可以控制在0.6～0.8 MPa;刀盘转速调整到1 r/min;刀盘扭矩控制在2 500～4 500 kN·m;推力控制在10 000～12 000 kN;推进速度可以缓慢提高到40～50 mm/min。

5 小半径割线始发注意事项

5.1 洞门防水

根据国内外类似工程施工经验，小半径割线始发时，洞门密封帘布与盾构机存在一定的夹角，始发前要清理干净内部杂物，特别是尖硬物体，防止帘布失效及破损。

5.2 同步注浆及二次注浆

（1）正5环管片拼装完成后，利用双液浆进行洞门封堵；同时启动同步注浆，同步注浆速度应与掘进速度相匹配，通过同步注浆系统及盾尾的外置注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行，采用双泵4管路对称同时注浆；能保证达到对环向空隙的有效充填；同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏。（2）根据设计及施工要求，管片脱出盾尾3～5环后进行，如果二次注浆后管片接缝仍然渗漏水或者地面沉降增大，可能还会安排进行多次注浆。为保证盾构始发安全以及盾构机的顺利通过始发端头，将达到填充、微隆效果。

5.3 盾构机姿态调整

始发时不得随意调整油缸分区压力，盾尾未完全进入前，不得调整姿态，若存在较大姿态偏差，不得采取急纠措施，应当采取缓和蛇形纠偏，控制底部油缸压力，并时刻注意刀盘扭矩的变化。防止盾构栽头，导致盾尾进入由于行程差异过大，铰接部分变形。

6 结语

结合草右盾构始发采用小半径割线始发方法，通过对狭小空间的有效利用，将以往始发姿态难控制、进度任务难完成等难题一一解决，盾构机小半径割线始发的成功，增加盾构工法的多元化，解决了中心城市核心区采用小半径割线技术方面的问题。