盾构小半径割线始发控制技术研究

王江华

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 北京 101300）

1 引言

在我国经济高速发展的今天，城市人口数量持续增加，随之而来的交通严重拥堵现象在大部分城市亦是屡见不鲜。现阶段国家大力发展城市轨道交通建设，来逐步缓解城市拥堵现象，由此可见，修建地铁对改善城市交通环境起到不可忽视的作用，也是我国城市发展的必经之路［1-2］。陈湘生院士也曾提出“建地铁就是建城市”的发展理念［3］。然而地铁多修建在市区中心，施工区域周边的建构筑物和管线错综复杂，场地施工条件不能满足常规方案要求的例子不胜枚举。本文以南昌市轨道交通3号线高新停车场出入场线区间为工程背景，结合国内外关于盾构隧道施工始发技术研究成果及应用情况［4-12］，设计了盾构机割线始发的施工技术，并对相关的施工工序及控制要点进行了详细介绍。

2 工程概况及地质

2.1 工程概况

南昌市轨道交通3号线高新停车场出入场线盾构区间从梁万站东端始发，沿火炬大街东西方向敷设，后转入高新五路，沿高新五路南北向敷设至高新停车场盾构井。左线区间隧道长1 068.393 m，右线区间隧道长1 084.907 m，设计线路平面图显示最小曲线半径R270 m，而后紧接R350 m反向曲线，区间线间距8.7～13.62 m。区间采用“Ⅴ”字型坡设计，最大纵坡为9.87‰，隧道上方的覆土厚度平均为5.4～9.85 m，地下水埋深为9.0 m，地下水与赣江水力联系较密切，地下水量较丰富。

2.2 工程地质

高新停车场出入场线盾构区间隧道范围内地质勘察报告显示主要地层有：①1杂填土、③1粉质黏土、③2细砂、③4粗砂（粗砂层为利用孔资料揭露）、③5砾砂、③6圆砾、③1泥质粉砂岩，高新停车场出入场线盾构区间地质分布比例如图1所示。

图1 高新停车场出入场线盾构区间地质分布比例图

2.3 周边建构筑物及地下管线

高新停车场出入场线区间始发井周边建构筑物和地下管线众多，其中盾构掘进过程中需要下穿建筑物主要有3L医用制品有限公司联合厂房（4层）、江西华星医学检验中心（7层）、江西银新实业有限公司（3层），建筑物均为扩大独立基础，基础埋深为地表下2.0～4.1 m不等。江西华星医学检验中心和江西银新实业有限公司地下室与隧道净距仅2.8 m。出入场线区间上穿京东大道站至梁万站左线已完盾构隧道，隧道外边线间距仅为3.14 m；区间下穿既有涵洞，隧道顶部距涵洞底部间距仅4 m，下穿φ1 800 mm雨污水合流箱涵等市政管线，施工过程中风险较大。

3 技术控制

3.1 割线始发设计

图2 割线始发线性示意

3.2 托架安装

盾构始发托架采用预制钢结构形式，安装时除考虑其自身中心线坐标轴线外，还需放样出始发托架上的2条轨道中心线坐标，以增强始发托架定位的准确性。始发托架的纵向坡度设置应与明挖段主体结构18.156‰纵坡一致，且与始发托架的中心线吻合。始发托架是承受盾构机自重荷载的主要构件，而铁建重工生产的盾构自重约500 t，为此明挖段主体结构施工期间已在相位置提前预埋供始发托架使用的钢板，在安装始发托架时，将预埋钢板与其焊接牢靠，确保始发托架在盾构机掘进期间的稳定性符合要求。

3.3 反力架安装

高新停车场出入场线区间盾构始发时，由于反力架与割线垂直，致使反力架与明挖段主体结构侧墙形成相应的角度，为保证盾构推进时所需的反力，反力架在设计时增加侧向400 mm的工字钢斜撑在明挖段结构底板的预埋钢板上，四周水平方向均支撑在盾构井下卧段底板及侧墙上。在安装反力架前要求对隧道轴线进行测量放样并与割线始发线型进行拟合，做好标记标识，安装完成后对其偏差值进行复核，重点控制隧道轴线竖直趋势与盾构姿态偏差。

3.4 洞门破除

在确认加固区良好、降水符合设计要求的情况下，共分3个阶段进行洞门破除。首先，破除地连墙背水侧混凝土保护层，再割除背水侧钢筋；其次，分层破除剩余的混凝土结构至迎水侧钢筋；最后，对剩余的迎水侧钢筋快速割除，并将盾构机迅速顶至掌子面。洞门破除必须保持连续作业，尽量缩短施工时间，以减少掌子面土体暴露时间。由于采用割线始发，盾构机与端头墙之间会产生2.12°夹角，为防止盾构机接触掌子面时右侧先接触而造成刀盘启动时扭矩过大，洞门破除时前进方向右侧迎土侧要比左侧多向内破除约22 cm。为防止盾体扭转，须在始发导轨两侧的盾构壳体上每隔2.0 m采用200 mm工字钢加焊接防扭装置，随着盾构的掘进将其割除，防止其破坏洞门密封系统。

3.5 负环管片安装

负环管片拼装应选择整环方式。由于始发托架轨道与管片外侧有125 mm的空隙（盾构始发托架的尺寸是按照盾构机的前盾6 250 mm设计，管片外径为6 000 mm），外侧底部加设型钢支撑防止负环管片全部脱出盾尾后下沉，并在始发托架导轨上用方木楔紧，将负环管片托起，保证负环管片的稳定性。每环管片脱出盾尾后，在管片外侧应及时用钢丝绳整环加固并复紧螺栓，钢丝绳底部与始发托架固定牢靠，防止负环管片产生位移，保证负环管片的真圆度。

4 姿态控制

4.1 导轨姿态控制

盾构机始发托架端头受主体结构预留洞口、围护结构地连墙及人防截水槽影响，当盾构刀盘超过托架后有700 mm距离没有托架支撑，盾构机因自重会产生“栽头”现象，为避免此现象，应在700 mm长度范围内用43钢轨将始发托架上的导轨延伸并在导轨下部加焊20 mm工字钢支撑固定。

4.2 负环姿态控制

盾构机在始发托架上拼装负环阶段时，掘进区域为预先完成的三轴搅拌桩＋高压旋喷桩加固区，地层相对比较稳定。此时盾构机还没有全部进入土体，因此不能自行调整姿态，掘进方向只能保持直线前行，应以低速、低压、稳定为原则，不影响铰接的前提下前行。应及时复紧管片螺栓，避免负环管片产生位移，影响后续管片拼装质量。

4.3 曲线段姿态控制

盾构机盾体完全进入土体后，也是正1环管片的开始，盾构机可以适当调整掘进方向，向设计轴线靠拢。当盾构调整掘进方向时，应以调整主推进油缸为主，以调整铰接油缸为辅助，缓慢调节，稳步逐渐向设计轴线靠拢。除此之外，还应考虑在曲线段掘进时，盾构机的盾尾存在离心现象，为此掘进方向应保持在曲线内侧25～35 mm之间为宜。

其中，D为螺旋外径；d为螺旋轴直径，S为螺旋节距。根据饲料的容重和装满系数可计算出每圈螺旋输送的饲料质量，从而设计出螺旋的合理尺寸。

5 参数设定

5.1 土压力值设定

高新停车场出入场线区间始发端盾构机上部处于细砂层中，下部处于砾砂层中，隧道顶部埋深7 m。土压力计算示意如图3所示。

图3 土压力计算示意

5.1.1 盾构顶部土压力计算

土压与水压之和为：

式中，P0为地表荷载，取 10 kN/m2；Pe为竖向土压（kN/m2）；Ps为水压（kN/m2）；Qe1为盾构顶水平土压力（MPa）；γ 为砂土容重，取19.6 kN/m3；H 为隧道顶部埋深，取7 m；K为土层的静止侧土压力，取0.35。

5.1.2 盾构中部土压力计算

土压与水压之和为：

式中，Qe2为盾构中部水平土压力（MPa）。

5.1.3 盾构底部土压力计算

土压与水压之和为：

式中，Qe3为盾构中部水平土压力（MPa）。

5.2 出土量控制

盾构出土量计算应考虑土体的松散系数，始发期间盾构主要在细砂和砾砂层中掘进，故松散率按1.1～1.15倍考虑，则每环理论出土量为：

即每环实际出土量应为40.9～42.7 m3。当出土量小于限值时，再次掘进时应适当减小土仓内的压力设定值，一般调整量控制在0.2 bar之内，并加强地表监测数值的变化情况；当出土量大于限值时，应立即停止出土，关闭螺旋输送机及闸门，同时加密地表监测，分析地表沉降数值和变化速率，如果沉降过大，需加大土仓压力设定并采取地表径向注浆等措施，直到地表沉降数据控制在设计规范允许的范围后方可复推。

5.3 同步注浆量控制

取静水压力的1.1～1.2倍，则实际静水压力为L＝0.12 MPa，注浆压力为：

下部孔的压力比上部孔略大（0.5 MPa左右）为0.182～0.194 MPa。每环理论注浆量为：

始发期间盾构主要在细砂和砾砂层中掘进，计算扩大注浆量时，考虑2～2.5注浆扩大系数，则实际注浆量为：

5.4 掘进参数设置

盾构机始发掘进参数设置详见表1。

表1 盾构机始发掘进参数

6 结束语

城市轨道交通工程盾构法施工越来越受到人们的推崇，同时也是常采用的施工工法，但更多时候受施工场地条件制约，盾构机不能按照常规方案始发。南昌市轨道交通3号线高新停车场出入场线区间施工期间，在总体技术控制上严格把关，控制好每一道工序的施工质量，重点对始发托架安装、反力架安装的精度进行反复校核，对其加固质量进行核验，对割线始发设计方案进行反复拟合匹配，最终保证盾构机顺利始发。

通过实践证实，盾构机割线始发在高新停车场出入场线区间应用，不仅提高了盾构始发掘进速度，减少施工过程中不必要的停机调整盾构姿态，过程中姿态偏差满足设计规范要求，同时也验证了方案的可行性，较好地解决了盾构机在特殊环境下始发难题，为类似工程提供了可借鉴的经验。