盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)安全技術(shù)研究

左永發(fā)（中鐵十七局集團(tuán)上海軌道交通工程有限公司，上海 200135）

受復(fù)雜的周邊環(huán)境及施工場地狹小等因素的影響，盾構(gòu)工程中經(jīng)常會出現(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)工作井的結(jié)構(gòu)長度小于盾構(gòu)機(jī)總長度的情況，致使盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備不能一次性安裝到位，需要采取分體始發(fā)的施工技術(shù)，其面臨的主要問題有：①在盾構(gòu)始發(fā)工作井結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，科學(xué)合理地確定盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)的分節(jié)長度，最大限度地降低盾構(gòu)機(jī)管路改裝的數(shù)量，是降低盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)故障率，保障盾構(gòu)順利始發(fā)的關(guān)鍵；②盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)時(shí)，受工作井長度及盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造尺寸影響，與之配套的電機(jī)車編組在分體始發(fā)掘進(jìn)的過程中不能滿編使用，合理確定此階段的水平運(yùn)輸方式?jīng)Q定著盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)的工作效率。本文以蘇州市胥江引水工程的盾構(gòu)施工為例，針對以上問題進(jìn)行了分析并形成了技術(shù)總結(jié)。

1 工程概況

蘇州市胥江引水工程引水隧道采用盾構(gòu)法施工，線路全長 2.1 km，為單線隧道。盾構(gòu)始發(fā)工作井受其北側(cè)既有220 KV 高壓架空線及南側(cè)既有軌交 3 號線制約影響，長僅38.9 m，寬 10.1 m。本工程采用的小松 φ 6 340 mm 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)全長 66.88 m（含盾構(gòu)機(jī)本體、連接橋架及 6 節(jié)后配套臺車），配套電機(jī)車整列編組長度 46.2 m（含 1 節(jié)機(jī)頭，4 節(jié)土箱，1 節(jié)漿車，2 節(jié)管片平板車）。盾構(gòu)始發(fā)工作井長度不能滿足盾構(gòu)機(jī)正常始發(fā)要求，故盾構(gòu)機(jī)需采用分體始發(fā)技術(shù)進(jìn)行始發(fā)，待盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一定長度，工作井及隧道內(nèi)長度滿足盾構(gòu)機(jī)整機(jī)始發(fā)要求時(shí)將分體始發(fā)放置在井上的后配套臺車吊裝下井，組裝調(diào)試后進(jìn)行二次始發(fā)。

2 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)施工工藝

2.1 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)分節(jié)長度確定

盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)分節(jié)長度需綜合考慮盾構(gòu)始發(fā)工作井長度、盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)時(shí)相關(guān)管路、零部件改造的工作量以及盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)階段的施工效率最大化，以在滿足盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)的條件下盡可能少的改造盾構(gòu)機(jī)及其后配套設(shè)備的零部件為原則，提高盾構(gòu)機(jī)改造的功效，降低被改造部件的故障率。

蘇州市胥江引水工程盾構(gòu)始發(fā)工作井長 38.9 m，寬10.1 m，所采用的小松 φ 6 340 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)各部位尺寸如表 1 所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)各部件尺寸一覽表

根據(jù)本工程盾構(gòu)始發(fā)工作井長度及盾構(gòu)機(jī)各部件尺寸可知，在保證盾構(gòu)施工具備水平運(yùn)輸條件的情況下，盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)分節(jié)長度可有以下兩種。

方案一：盾構(gòu)機(jī)本體在井下組裝，后配套臺車放置在地面，接長配套管路與盾構(gòu)機(jī)本體連接，組裝調(diào)試后始發(fā)；

方案二：盾構(gòu)機(jī)本體、連接橋架及第一節(jié)臺車在井下組裝，其余臺車放置在地面，接長配套管路與盾構(gòu)機(jī)本體連接，組裝調(diào)試后始發(fā)；

方案一中盾構(gòu)機(jī)本體長度 8.68 m，工作井內(nèi)還有 30 m左右的空間可為盾構(gòu)施工時(shí)水平運(yùn)輸提供條件，但盾構(gòu)機(jī)需要改造管路較多，尤其同步注漿漿管，加長改造后極易發(fā)生堵塞（本工程采用的盾構(gòu)機(jī)同步注漿漿箱位于第一節(jié)臺車）；方案二中盾構(gòu)機(jī)本體長度 8.68 m，連接橋架 14 m，第一節(jié)臺車長度 6.5 m，工作井內(nèi)還有 9 m 左右的空間可為盾構(gòu)施工時(shí)水平運(yùn)輸提供條件，盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)初期不能使用電機(jī)車編組，水平及垂直運(yùn)輸條件較為不利 。方案一隨著盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)距離的增加其注漿管路會隨之加長，注漿管堵塞的不利條件會愈發(fā)突出；方案二中隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離的增加，其水平運(yùn)輸?shù)臈l件也會越來越有利；故方案二為本工程的最優(yōu)方案。

2.2 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)施工順序

盾構(gòu)施工場地及盾構(gòu)始發(fā)工作井內(nèi)布置完成，盾構(gòu)機(jī)吊裝的準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)吊裝。先將盾構(gòu)的支撐環(huán)、切口環(huán)、刀盤依次吊裝到位后，在將螺旋輸送機(jī)及盾尾、連接橋架、第一節(jié)臺車吊裝下井，隨后將第 2～第 6 節(jié)臺車依次按照順序放置在地面指定位置，最后進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)安裝、調(diào)試。盾構(gòu)機(jī)經(jīng)驗(yàn)收合格后鑿除洞門，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)。

2.3 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)階段水平運(yùn)輸方式

盾構(gòu)工作井長度僅有 38.9 m，盾構(gòu)機(jī)本體、連接橋架及第一節(jié)臺車總長度約 29 m，除刀盤前方預(yù)留洞門鑿除的作業(yè)空間外，工作井內(nèi)僅剩余 9 m 左右的空間，不滿足電機(jī)車水平運(yùn)輸及垂直運(yùn)輸作業(yè)條件。故在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)初期分別在盾構(gòu)工作井小里程端及盾構(gòu)機(jī)盾尾后方安裝一臺卷揚(yáng)機(jī)，通過卷揚(yáng)機(jī)拖動電機(jī)車配套的平板車實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸，卷揚(yáng)機(jī)將平板車拖動至脫出盾構(gòu)機(jī)第一節(jié)臺車后采用盾構(gòu)工作井上方的門式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)輸。

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)初期，采用一節(jié)平板車與卷揚(yáng)機(jī)協(xié)同進(jìn)行水平運(yùn)輸，同步注漿漿液由設(shè)置在地面的拌漿站通過管道直接輸送至盾構(gòu)機(jī)的同步注漿漿箱內(nèi)，不在另行通過漿車運(yùn)輸；盾構(gòu)渣土運(yùn)輸采用特制的小土箱，盾構(gòu)渣土從螺旋輸送機(jī)直接排放至小土箱，通過卷揚(yáng)機(jī)拖動的平板車運(yùn)送至垂直吊裝口；每環(huán)掘進(jìn)完成后，將土箱吊離平板車，將管片吊放至平板車上運(yùn)送至作業(yè)面。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至工作井內(nèi)空間有20 m 左右時(shí)，可撤去卷揚(yáng)機(jī)，將電機(jī)車機(jī)頭吊裝入井，通過機(jī)頭拖動板車實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸。

3 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)與二次始發(fā)的轉(zhuǎn)換施工

3.1 盾構(gòu)機(jī)停機(jī)轉(zhuǎn)換注意事項(xiàng)

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至工作井及隧道內(nèi)長度滿足盾構(gòu)機(jī)整機(jī)始發(fā)要求時(shí)，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)轉(zhuǎn)換，將分體始發(fā)放置在井上的后配套臺車吊裝下井，組裝調(diào)試后進(jìn)行二次始發(fā)。本工程盾構(gòu)掘進(jìn)至 80 m 時(shí)停機(jī)轉(zhuǎn)換，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)轉(zhuǎn)換需注意：

（1）盾構(gòu)停機(jī)轉(zhuǎn)換需選擇好時(shí)機(jī)，盡可能選擇在盾構(gòu)機(jī)所處位置地質(zhì)條件良好，地面周邊環(huán)境無重大風(fēng)險(xiǎn)源的施工段停機(jī)轉(zhuǎn)換，并加快轉(zhuǎn)換施工進(jìn)度，做好相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。

（2）盾構(gòu)停機(jī)前通過盾構(gòu)機(jī)本體的徑向注漿孔對盾構(gòu)機(jī)外圍的土體進(jìn)行注漿加固，防止盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)發(fā)生“栽頭”現(xiàn)象。

（3）盾構(gòu)停機(jī)前合理計(jì)算盾構(gòu)刀盤前方土壓力，做好盾構(gòu)機(jī)土倉及螺旋機(jī)的保壓工作，關(guān)閉好螺旋機(jī)閘門，使土倉壓力大于刀盤前方的土壓力 0.02 MPa 左右，防止盾構(gòu)前方土體坍塌造成地面沉降過大。

（4）盾構(gòu)停機(jī)前拼裝完成的 5 環(huán)管片背部粘貼海綿條，加大盾尾油脂注入量，防止停機(jī)期間發(fā)生盾尾漏砂現(xiàn)象。

（5）盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)備好注漿機(jī)、水泥、聚氨酯等應(yīng)急物資并安排好值班人員 24 h 值班，防止停機(jī)期間發(fā)生漏水漏砂事故。

圖8示，以CON組(Atg5相對表達(dá)量=1±0.005)為標(biāo)準(zhǔn)，NC組和Si-Atg5組中Atg5相對表達(dá)量分別為1.07±0.04和0.40±0.06，NC組和Si-Atg5組比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)=2.729，P=0.019。

3.2 盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)換二次始發(fā)施工順序

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)后拆除第一節(jié)臺車與地面其余臺車之間的管路連接，拆除洞口負(fù)環(huán)管片及反力架，依次將第二節(jié)～第六節(jié)臺車吊放至工作井內(nèi)，利用電機(jī)車車頭將臺車拖拉到指定安裝位置后進(jìn)行組裝調(diào)試，隨后進(jìn)行電機(jī)車編組及軌道安裝工作。盾構(gòu)機(jī)組裝調(diào)試驗(yàn)收合格后進(jìn)行二次始發(fā)，恢復(fù)正常掘進(jìn)。

盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)換二次始發(fā)恢復(fù)正常掘進(jìn)，采用兩列電機(jī)車編組進(jìn)行水平運(yùn)輸工作，需要安裝道岔，本工程盾構(gòu)工作井尺寸較小，無法在工作井內(nèi)安裝道岔，故在隧道內(nèi)安裝“人”字形道岔供電機(jī)車編組“會車”，道岔安裝示意圖如圖 2 所示。

盾構(gòu)機(jī)配套使用的電機(jī)車編組滿編長度為 46.9 m，而盾構(gòu)工作井長度僅為 38.9 m，電機(jī)車編組長度大于工作井長度，不能滿足垂直吊裝條件，所以需對電機(jī)車編組進(jìn)行調(diào)整。1 號電機(jī)車編組為 1 個(gè)機(jī)頭＋3 土箱＋1 漿箱＋1 節(jié)管片平板，編組長度為 35.9 m，滿足垂直運(yùn)輸條件；2號電機(jī)車編組為 1 個(gè)機(jī)頭＋3 土箱＋2 節(jié)管片平板，編組長度為34.5 m，滿足垂直運(yùn)輸條件。采用此編組時(shí)需預(yù)先在片拼裝作業(yè)面存放一環(huán)管片，電機(jī)車水平運(yùn)輸 3 次可完成 2 環(huán)管片的掘進(jìn)、安裝。

4 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)掘進(jìn)及二次始發(fā)掘進(jìn)階段質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)掘進(jìn)階段質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)掘進(jìn)時(shí)地面臺車與井下設(shè)備的各連接管路須由專人負(fù)責(zé)，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)里程的增加不斷調(diào)整改造管路的長度及位置，防止管路被卡住或拉斷。

（2）盾構(gòu)機(jī)在加固我內(nèi)掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)速度不宜過快，適時(shí)開啟超挖刀，推力及扭矩不宜超過正常掘進(jìn)的70%，防止反力架變形破壞或盾構(gòu)機(jī)本體發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

（3）盾構(gòu)機(jī)盾尾進(jìn)入洞門鋼圈后及時(shí)收緊洞門外側(cè)的簾布橡膠板，盾尾進(jìn)入加固我后開始同步注漿；盾構(gòu)機(jī)刀盤抵達(dá)止水帷幕后通過盾構(gòu)機(jī)本體的徑向注漿孔注漿，防止止水帷幕外側(cè)的水涌入加固我引起洞門發(fā)生漏水漏砂；正環(huán)管片脫出盾尾 5 環(huán)后開始從＋1 環(huán)管片的注漿孔注入雙液漿封堵洞門，注漿壓力宜由小變大，最大不得超過 0.5 MPa，以防擊穿盾尾刷。

（5）盾構(gòu)機(jī)刀盤出加固我前需建立起與理論值相匹配的土倉壓力，防止盾構(gòu)機(jī)出加固我后出現(xiàn)“栽頭”或地面沉降較大等現(xiàn)象。

4.2 盾構(gòu)機(jī)二次始發(fā)掘進(jìn)階段質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)換完成二次始發(fā)后應(yīng)先緩慢轉(zhuǎn)動刀盤，隨后再恢復(fù)掘進(jìn)，二次始發(fā)后初始掘進(jìn)速度不宜超過2 cm/min。

（2）若停機(jī)期間盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)發(fā)生變化，二次始發(fā)后應(yīng)遵循“勤糾緩糾”的糾偏原則通過調(diào)整管片楔形量及千斤頂分我推力緩緩糾正，單次糾偏量不可過大。

（3）總結(jié)盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)掘進(jìn)階段同步注漿量、管片上浮或沉降值、地表沉降值等參數(shù)，綜合考慮地質(zhì)條件進(jìn)一步優(yōu)化二次始發(fā)掘進(jìn)階段的施工參數(shù)，保證成型隧道的施工質(zhì)量。

（4）加強(qiáng)電機(jī)車軌道的檢修，尤其是道岔處的檢修維護(hù)工作，電機(jī)車通過道岔時(shí)應(yīng)緩慢通過，防止發(fā)生“脫軌”。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合蘇州市胥江引水工程引水隧洞盾構(gòu)始發(fā)工作井長度不足的條件下， 盾構(gòu)始發(fā)施工面臨的技術(shù)難點(diǎn)，分析提出了適合該條件下盾構(gòu)分體始發(fā)的最優(yōu)技術(shù)方案，解決了有限空間下盾構(gòu)分體始發(fā)的技術(shù)難題，顯著提高了盾構(gòu)分體始發(fā)的施工效率，降低了工程施工風(fēng)險(xiǎn)，對后續(xù)類似工程盾構(gòu)分體始發(fā)施工具有較強(qiáng)的借鑒意義。