李茂松

（中國(guó)鐵建股份有限公司，北京 100855）

盾構(gòu)施工中大角度割線始發(fā)技術(shù)

李茂松

（中國(guó)鐵建股份有限公司，北京 100855）

盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，特別是對(duì)于大角度曲線而言，這一問題則更加突出。結(jié)合蘭州市軌道交通1號(hào)線文西區(qū)段的施工，對(duì)盾構(gòu)施工中大角度割線始發(fā)技術(shù)進(jìn)行研究，內(nèi)容包括盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)控制、盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)控制、盾構(gòu)始發(fā)參數(shù)設(shè)置以及大角度割線始發(fā)時(shí)的注意事項(xiàng)等。其中盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)控制包括始發(fā)割線確定、始發(fā)托架安裝、反力架安裝、負(fù)環(huán)管片安裝以及洞門鑿除等內(nèi)容；盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)控制包括始發(fā)引導(dǎo)軌設(shè)置、負(fù)環(huán)段盾構(gòu)機(jī)參數(shù)設(shè)置以及正環(huán)開始后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制；盾構(gòu)始發(fā)參數(shù)設(shè)置內(nèi)容包括土壓設(shè)置、注漿參數(shù)設(shè)置以及掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置；大角度割線始發(fā)時(shí)的注意事項(xiàng)則包括始發(fā)架、反力架的定位及加固、始發(fā)洞門的防水以及掘進(jìn)控制等。研究?jī)?nèi)容對(duì)相同類型的隧道施工具有一定的指導(dǎo)作用。

隧道工程；盾構(gòu)施工；曲線始發(fā)；大角度割線

1 概述

蘭州市軌道交通1號(hào)線隧道文化宮—西關(guān)什字區(qū)間（簡(jiǎn)稱文西區(qū)間）最大曲線半徑為1 200 m，最小曲線半徑為400 m。區(qū)間縱斷面采用單面坡，從文化宮出站后分別以25.000‰、7.184‰的下坡到達(dá)西關(guān)什字車站。始發(fā)時(shí)盾構(gòu)處于強(qiáng)風(fēng)化砂巖中，隨后穿越泥巖、卵石土，并在卵石土中完成接收。區(qū)間地下水位埋深為7.10～10.60 m，相應(yīng)地下水位高程為1 515.72～1 517.37 m。結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于隧道施工時(shí)盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)研究成果及應(yīng)用狀況[1-9]，確定了蘭州軌道交通1號(hào)線隧道文西區(qū)間采用大角度割線始發(fā)技術(shù)的具體步驟和技術(shù)要求。

2 始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)控制

2.1 始發(fā)割線確定

由于盾體在未全部進(jìn)入土體之前無(wú)法轉(zhuǎn)向，只能沿直線進(jìn)洞，割線始發(fā)具有在盾體全部進(jìn)入土體后盾構(gòu)姿態(tài)偏差最小、管片不侵限、盾構(gòu)糾偏容易等優(yōu)點(diǎn)，所以盾構(gòu)始發(fā)段位于曲線上時(shí)，都采用割線始發(fā)。

文西區(qū)間不僅盾構(gòu)始發(fā)段位于曲線上，盾構(gòu)始發(fā)井也全部位于曲線上。文西區(qū)間右線為1 000 m半徑曲線，左線為600 m半徑曲線，設(shè)計(jì)線路與始發(fā)井側(cè)墻呈夾角狀態(tài)（左線為7.403°，右線為4.674°）。按常規(guī)割線始發(fā)，始發(fā)點(diǎn)位于曲線外側(cè)（見圖1），會(huì)導(dǎo)致反力架與負(fù)3層站臺(tái)板邊沿干涉（文西區(qū)間始發(fā)站為4層結(jié)構(gòu)），并且考慮到連接橋與1號(hào)臺(tái)車擺放位置問題（偏角過大易與底板立柱樁干涉）和始發(fā)圓曲線長(zhǎng)度（13.026 m），故文西區(qū)間始發(fā)割線未按常規(guī)考慮。以左線為例，設(shè)計(jì)割線始發(fā)點(diǎn)位于曲線內(nèi)側(cè)15 mm（見圖2）。該設(shè)計(jì)在不影響盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的前提下，避免了盾構(gòu)臺(tái)車和車站承重柱干涉等問題。

圖1 常規(guī)割線始發(fā)線性示意圖

圖2 文西區(qū)間左線始發(fā)線性示意圖

2.2 始發(fā)托架安裝

大角度割線始發(fā)施工，始發(fā)托架（簡(jiǎn)稱托架）坐標(biāo)一定要精準(zhǔn)?？紤]到托架制作有可能存在誤差，在定位時(shí)除中心軸線坐標(biāo)外，需另外計(jì)算出2條托架軌道的中心線坐標(biāo)，增加定位準(zhǔn)確性。始發(fā)架的中心線與始發(fā)割線重合，托架的坡度與隧道設(shè)計(jì)坡度均為7‰。托架要固定牢固，在澆筑車站底板始發(fā)端頭時(shí)預(yù)埋鋼板，以保證托架底部與預(yù)埋鋼板焊接在一起，增加穩(wěn)固性。

2.3 反力架安裝

文西區(qū)間始發(fā)段與車站側(cè)墻夾角較大，尤其是左線（左線為7.403°，右線為4.674°）。反力架與始發(fā)割線垂直，導(dǎo)致反力架與車站側(cè)墻也成相應(yīng)角度，反力架支撐與車站側(cè)墻不垂直，始發(fā)推進(jìn)時(shí)，盾體會(huì)給反力架一個(gè)側(cè)向力，易使反力架變形或側(cè)斜。所以需在反力架側(cè)邊增加支撐，以增加大角度曲線始發(fā)時(shí)反力架的穩(wěn)固性和安全性。

2.4 負(fù)環(huán)管片

大角度割線始發(fā)，負(fù)環(huán)管片應(yīng)選擇整環(huán)拼裝，拼裝完的負(fù)環(huán)則應(yīng)及時(shí)用鋼絲繩整環(huán)加固，鋼絲繩底部與始發(fā)架連接在一起，既增加負(fù)環(huán)管片的穩(wěn)定性，又保證了負(fù)環(huán)的正圓度。負(fù)環(huán)管片與反力架基準(zhǔn)環(huán)用螺栓連接，負(fù)環(huán)與負(fù)環(huán)之間的螺栓要及時(shí)復(fù)緊，避免負(fù)環(huán)管片產(chǎn)生位移，影響后續(xù)管片的拼裝質(zhì)量或產(chǎn)生安全隱患。

2.5 洞門鑿除

因大角度割線始發(fā)，盾構(gòu)機(jī)刀盤接觸掌子面時(shí)會(huì)產(chǎn)生一側(cè)先接觸，另一側(cè)懸空的狀況，這會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)受到的反作用力不均等，使盾構(gòu)機(jī)、始發(fā)架、反力架產(chǎn)生側(cè)移，割線始發(fā)方向發(fā)生變動(dòng)，所以洞門鑿除時(shí)，鑿除完的洞門平面必須與刀盤平面平行（見圖3）。文西區(qū)間使用的是玻璃纖維樁，按圖3鑿除之后，剩余的部分樁體使用盾構(gòu)機(jī)破除。

3 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)控制

3.1 始發(fā)引導(dǎo)軌的設(shè)置

為防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象，在始發(fā)架和洞門鋼環(huán)之間設(shè)置引導(dǎo)軌。引導(dǎo)軌與始發(fā)架端頭連接，軌面和始發(fā)架軌道面平齊，引導(dǎo)軌下部用20#工字鋼加固支撐。在鋼環(huán)下部加焊引導(dǎo)塊，引導(dǎo)塊使用43軌，長(zhǎng)度為15 cm，距離洞門鑿除面70～80 cm（以刀盤接觸掌子面時(shí)不影響刀盤旋轉(zhuǎn)為宜）。

3.2 負(fù)環(huán)段盾構(gòu)機(jī)參數(shù)控制

在負(fù)環(huán)階段，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)在始發(fā)托架上，掘進(jìn)方向只能直線前進(jìn)，掘進(jìn)段為加固區(qū)，地層穩(wěn)定。此時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)以低速、低壓、穩(wěn)定為原則鉸接不動(dòng)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.8～1.0 r/min，掘進(jìn)速度控制在10 mm/min，土倉(cāng)壓力控制在0.8 bar左右。

3.3 正環(huán)開始后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

從正1環(huán)開始，盾構(gòu)機(jī)盾體已完全進(jìn)入土體，盾構(gòu)掘進(jìn)方向開始調(diào)整，向設(shè)計(jì)隧道軸線靠攏。調(diào)整方向時(shí)以推進(jìn)油缸為主，以鉸接油缸為輔，穩(wěn)定、緩慢調(diào)節(jié)，逐步靠攏。另外，在曲線段掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)有盾尾離心現(xiàn)象，盾構(gòu)掘進(jìn)方向一般控制在曲線內(nèi)側(cè)10～20 mm。

4 盾構(gòu)始發(fā)參數(shù)設(shè)置

4.1 土壓設(shè)置

文西區(qū)間始發(fā)時(shí)處于強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖中，隧道頂部埋深為20 m。土壓計(jì)算示意見圖4。

圖4 土壓計(jì)算示意圖

4.1.1 盾構(gòu)頂部土壓

土壓與水壓之和為：

式中：P0為地面超載，取20 kN/m2；Pe為豎直土壓，kN/m2；Ps為水壓，kN/m2；qe1為盾頂水平土壓，MPa；γ為土的容重，取20 kN/m3；H為隧道頂部埋深，取20 m；K為土層的靜側(cè)壓力系數(shù)，取0.32。

4.1.2 盾構(gòu)中部土壓

式中：qe2為盾中水平土壓，MPa。

4.1.3 盾構(gòu)底部土壓

式中：qe3為盾底水平土壓，MPa。

4.2 注漿參數(shù)設(shè)置

4.2.1 理論注漿壓力

取靜水壓力的1.1～1.2倍，靜水壓力為0.12 MPa，則注漿壓力為0.12×（1.1～1.2）＝0.132～0.144 MPa。下部孔的壓力比上部孔略大（0.5 MPa左右）為0.182～0.194 MPa。

4.2.2 每環(huán)理論注漿量

4.2.3 擴(kuò)大注漿量

計(jì)算擴(kuò)大注漿量時(shí)砂巖土層考慮1.3～1.8擴(kuò)大系數(shù)。

4.3 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)

5 大角度割線始發(fā)時(shí)的注意事項(xiàng)

5.1 始發(fā)架、反力架的定位及加固

大角度割線始發(fā)因其情況特殊，始發(fā)架和反力架定位要比一般始發(fā)更精準(zhǔn)，定位誤差要更小，尤其是始發(fā)架，定位時(shí)除中心線外，還需再測(cè)量2個(gè)軌道中心線；反力架定位時(shí)一定要保證反力架基準(zhǔn)環(huán)和最后一環(huán)負(fù)環(huán)起始坐標(biāo)相同，反力架垂直度和高度可以用薄鋼板調(diào)節(jié)。

加固前根據(jù)始發(fā)架、反力架的受力驗(yàn)算結(jié)果采取合適的加固方案，確保反力架有足夠的支撐力和穩(wěn)定性。

5.2 始發(fā)洞門的防水

大角度割線始發(fā)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)與洞門成一定夾角，盾構(gòu)機(jī)與洞門的防水裝置（橡膠簾布和折頁(yè)板）兩側(cè)距離不同（見圖5）。在進(jìn)行洞門加固注漿時(shí)，在折頁(yè)板外另加一層止水環(huán)形鋼板，保證漿液不外露。

圖5 盾構(gòu)機(jī)與洞門鋼環(huán)位置關(guān)系

5.3 掘進(jìn)控制

在盾體完全進(jìn)入土體后，即可開始向設(shè)計(jì)隧道中心線靠攏。此時(shí)，由于盾體仍在加固區(qū)，轉(zhuǎn)向不易，但是不能急切，以穩(wěn)為主，逐步靠攏，每環(huán)糾偏量控制在5 mm以內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行隧道施工時(shí)，大角度割線始發(fā)比一般割線始發(fā)復(fù)雜。因此，在進(jìn)行蘭州軌道交通1號(hào)線文西段隧道施工時(shí)，采取了嚴(yán)格的控制措施，不但在總體上進(jìn)行了嚴(yán)格把控，同時(shí)在對(duì)始發(fā)架、反力架的定位時(shí)要求的更精準(zhǔn)，在對(duì)其加固時(shí)進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)算，控制加固質(zhì)量，確保了盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)。

從文西段隧道的施工效果來看，由于采用了大角度割線始發(fā)及控制技術(shù)，姿態(tài)偏差滿足規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)，證明采用的大角度割線始發(fā)及其控制技術(shù)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，起到了良好的效果。工程的施工技術(shù)較好地解決了隧道大角度始發(fā)的掘進(jìn)設(shè)計(jì)和施工中的難題，為類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1]邵翔宇，劉兵科，馬云新，等. 小半徑曲線隧道內(nèi)盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)研究[J]. 市政技術(shù)，2008，26(6)：487-491.

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Technologies for Large-angle Secant Launching in Shield Tunneling

LI Maosong
（China Railway Construction Corporation Limited，Beijing 100855，China）

Shield launching is the most critical and diffcult part in shield tunneling. This issue becomes more prominent especially for large-angle curves. Taking the construction of Wenxi section of Lanzhou urban transit Line 1 as an example, this paper studies the technology for large-angle secant launching in shield tunneling,which consists of the key control technologies, position control, parameter setting as well as the key points. The key control technologies include launching secant determination, launching bracket installation, reaction frame installation, partial segment installation and portal cutting, etc. The shield launching position control includes guiding rail installation, partial segment shield parameter setting and shield machine position control after the initialization of positive ring. The parameter settings for shield launching include the settings for earth pressure,grouting parameter and drilling parameter. The key points for special attention include the locating and fixing of the launching bracket and reaction frame, water resistance at launching portal as well the drilling control, etc.The research results can serve as a guideline for the same kind tunneling works.

tunnel engineering；shield construction；launching at curve；large-angle secant

U455

A

1001-683X（2017）11-0099-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.099

甘肅省聯(lián)合基金（148RJZA042）

李茂松（1965—），男，高級(jí)工程師。E-mail：lmszgr66@126.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-05-24