昆明地铁白龙潭公园站至昆明南站站区间盾构始发技术

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【摘要】通过对昆明地铁1号线支线白龙潭公园站至昆明南站站区间盾构隧道的施工，详细介绍了盾构始发施工技术，重点介绍了盾构小曲线地段始发的施工工艺流程。

【关键词】地铁施工；盾构；小曲线始发；工艺流程

1.工程概况

昆明地铁白龙潭公园站至昆明南站站区间右线长为889.325m， 左线长为876.207m，因昆明新南站广场建设，地铁隧道双线410.15m采用明挖法施工，其余采用盾构法施工。盾构区间隧道最小曲线半径R=400m，线间距14～22m，区间覆土厚度13～18m，盾构井洞门段覆土厚度分别为6.1m和6.7m。线路出盾构井后均为7‰的下坡，然后进入白龙潭公园站。

综合考虑铺轨及盾构始发，设计于区间设置了盾构工作井，主要包括盾构竖井、明挖段和轨排井三部分，盾构工作井总长度72.5m。本工程盾构采用中铁装备制造的Φ6440土压平衡盾构机，盾构机总长83m。

区间隧道均在第四系中更新统冲积洪积层中通过，盾构始发井端头地质条件见图1，

根据地质勘查资料显示，始发井地层为⑷1-4黏土层，地层较为稳定。

地下水稳定水位埋深1.8～7.90m，地下水位标高1929.24～1931.01m。地下水位变化主要受季节雨水及气候的控制。

2.工程特点分析

本工程盾构始发是在设计线路半径R=400m的圆曲线段上，始发进洞极易导致盾构姿态跟不上设计轴线的变化速率，从而使盾构姿态与设计轴线偏差超限或管片错台、破损。保证开挖隧道轴线在规范允许范围内是工程的控制难点。

由于盾构井主体长度为72.5m，盾构机总长为83m，结构长度不足，故盾构机必须采用分体始发。将盾构机第5#、第6#台车置于已施工完毕的盾构井明挖段顶板上，通过设置富余的油管、气管、电缆等管线与盾构机其它部件紧密连接，待盾构掘进相应距离后，再下放第5#、第6#台车与其它台车连接。

3.小曲线半径段始发技术

小曲线半径段的始发工艺流程为：端头加固―曲线拟合―安装始发基座―盾构组装调试―反力架安装与定位―洞门砼凿除及洞门密封安装―拼装负环管片―直线推进及曲线推进纠偏。

3.1端头加固

盾构隧道施工中，端头土体加固是盾构始发、到达的重要组成部分，也是盾构事故的多发地带。端头加固其目的为：1保证隧道洞门段土体具有良好的自立性及密实性，防止拆除临时围护等结构的振动影响；2在盾构贯入开挖前，能使围岩自稳及防止地下水流失；3防止开挖面坍塌；4防止地表沉降。

根据盾构的施工特定，端头加固不仅要考虑强度要求，还要有抗渗要求。根据工程地质、水文地质，结合设备经济比选因素，本工程设计采用三重管高压旋喷注浆加固工艺，加固长度纵向为9.0m，横向及竖向为盾构结构线外侧3.0m，高压旋喷施工参数如下：

旋喷直径：800mm；加固深度：均为14.7m，其中有效旋喷深度12.2m，空钻2.5m；桩中心间距：600mm，搭接长度200mm；水泥强度等级：PO.42.5级，加固龄期28d；水灰比：1：1；水泥浆压力：1～2Mpa，空压机压力：0.5～0.7Mpa，高压水压力：20～30Mpa；喷浆量463L/m；旋转速度：10-15r/min；提升速度：10-20cm/min；注浆管分段提升的搭接长度必须大于100mm。

加固完成后，进行钻孔取芯试验以检查加固效果，经加固的土体要具有很好的匀质性和自立性。经取芯实验，加固土体无侧限抗压强度均大于1.1 Mpa，满足设计要求，设计渗透系数不大于10-8cm/sen。另外，在凿除洞门前，在洞门上“米”字型钻设了9个探孔，各探孔深2.5m，探孔取芯试件抗压强也大于设计要求，且各探孔内几乎无水，说明加固满足要求。

3.2曲线拟合

1）根据设计线路与竖井的平面关系确定进洞盾构长度范围内实际推进直线的轨迹，以经过设计圆曲线与洞门交点的切线为基线，绕交点向曲线内侧旋转，以直线与设计圆曲线偏差值不超过规范允许值为衡量指标，反向延长到竖井洞门做为始发曲线，结合考虑盾构机、始发基座、反力架和竖井的空间关系，修改基线旋转角度，找出满足要求的始发轴线。

2）由于始发轴线在曲线内侧，在实际推进中采用比设计半径小的圆曲线来拟合设计线路，待盾构回归到设计线路上且有向设计线路另一端反向增大的趋势时回归到设计半径，随设计线路正常推进。

3.3安装始发基座

始发基座是盾构机在盾构井始发时的坐落基座，也称始发架，它主要承受盾构机的自重和推进时的摩擦力。由于盾构机自重达340t，所以它必须具有足够的刚度和强度，按照本机在其它城市的施工经验，采用250×250H型钢为主要承力构件，两侧间隔1.5m设置横向支撑已提高稳定性。安装时，首先在盾构井底板上放出拟合好的始发轴线，然后选择合适吊点下放基座，使基座轴线与始发轴线重合，确认标高无误后，将其与底板预埋件牢固焊接，在盾构机组装时，在始发基座轨道上涂上黄油以减小盾构机推进时的摩擦阻力。始发基座示意见图4。

根据拟合计算，考虑线路坡度，始发基座摆放按割线始发原则进行摆放，与水平方向成1°夹角，垂直方向成7‰下坡，考虑盾构栽头影响适当抬高0.5‰。

3.4盾构机组装调试

1）在始发井内安装导轨并下放电瓶车，将组织好的配套台车分别吊入盾构井，用电瓶车拖拉按顺序进行连接；

2）按经过评审的盾构吊装方案，将盾构本体分件吊入盾构井中已定位好的始发基座上进行组装；

3）机械组装的同时穿插电气及液压连接；

4）组装完毕后对盾构进行整体调试，检查各部件的运转情况。

3.5反力架安装与定位

在盾构主机与后配套连接调试同时，开始进行反力架的安装。反力架为拼装式全钢架结构，由立柱、横梁、水平撑和斜撑用高强螺栓或法兰连接而成。安装时，按照定好的始发轴线，找准反力架中心高程将下横梁定位，依次组装左、右立柱，上横梁及支撑。安装完毕对其姿态进行复核。

在安装始发基座和反力架时，反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，上下偏差控制在±10mm之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角

3.6洞门凿除及密封

1）洞门凿除：盾构始发前，为使盾构机顺利进入端头土体，必须破除盾构机通过范围内的洞门护结构。为保障施工安全，洞门凿除工作分两次进行： 第一步先从上到下逐层破除围护结构外层1/2部分，并割除钢筋及预埋件，同时对凿除面内侧进行探测，确保没有涌水涌砂危害。第二步，盾构组装调试完成，并推进至距离洞门约1.0～1.5m时，凿除里层。

2）洞门密封：为防止盾构始发掘进时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后衬砌注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门密封。密封装置安装顺序为：洞门圈预埋钢环（始发井施工时已预埋）螺杆帘布橡胶板洞门翻板垫圈螺母。

洞口预埋钢环随盾构井主体结构的施工而完成，其预埋螺栓的间距误差不大于2mm。

密封胶板和扇形翻板严格按设计要求在专业加工厂加工制作，误差符合设计要求。密封装置中心应位于盾构实际始发中心线上，误差不大于10mm，密封胶板与始发洞门井壁紧密接触，螺母紧固有效。

在安装帘布橡胶板前先检查螺栓丝扣，检查合格后，安装帘布橡胶板；帘布橡胶板安装完成后安装扇形翻板，翻板外侧加垫圈并以螺母拧结固定翻板，施工时必须确保螺母拧结牢固。

洞门密封装置示意见图5-1及图5-2。

为防止盾构推进时，刀盘损伤帘布橡胶板而影响密封效果，在盾构向前推进前应在帘布橡胶板外侧及边刀上涂抹黄油。

3.7负环管片拼装

盾构调试完成后，进行负环管片的拼装。负环管片为350mm厚钢筋混凝土管片，外径6200mm，内径5500mm。安装时：①在盾尾壳体内安装管片支撑垫块，为管片在盾尾内的定位做准备。②从下至上依次安装第一环，注意管片的转动角度要符合设计。③安装拱部管片时，由于支撑不足，一定要及时加固。④第一环负环管片拼装完毕后，用推进油缸把管片推出盾尾，并施加一定推力把管片压紧在反力架上。⑤管片在被推出盾尾时，要及时支撑加固，防止管片下沉失圆。⑥当盾构刀盘达到掌子面时，推进油缸已经可以产生足够的推力稳定管片，方可取消管片定位垫块。负环管片拼装示意见图6。

在拼装负环管片的同时，为防止管片失圆，在其底部侧面安装三角支撑，三角支撑落于始发基座上并用螺栓连接，每侧的三角支撑上部用一根43Kg/m的钢轨连接以支撑负环管片，钢轨及始发基座与负环管片间的间隙用木楔垫实。始发时由于油缸推力较小，为防止管片位移，在负环管片间架设槽钢拉紧，槽钢焊接在管片连接螺栓上。

3.8直线推进及曲线推进纠偏

开始推进时由于刀盘与掌子面还有一定距离，此时盾构重心迁移，易产生载头，必须在洞门钢环处做一段导轨支撑盾构顺利进洞；在盾构接触到掌子面时开始旋转刀盘切削土体，加大推力，待土仓充满土建立起土压平衡之后启动螺旋输送机和皮带机开始排土，为了降低刀盘扭矩和改善土体的流动性，需要通过旋转接头往刀盘前面加注适量泥浆和泡沫，同时打开超挖刀进行全断面超挖，为曲线段的盾构纠偏甩尾做准备。

盾构离开始发基座后，将铰接开到理论计算角度，加大左右分区的油压差；通过计算可以得知拟合曲线上转弯环与直线环的比例，当左右推进油缸行程差达到转弯纠偏左右长度差时拼装转弯环。盾尾完全进入帘布橡胶后开始同步注浆，注浆采用注浆量与注浆压力双控的原则。

4.始发掘进控制要点

4.1盾构机姿态控制

始发掘进前人工复测一次盾构机在始发基座上的正确位置，并与盾构机姿态导向系统测量的位置进行比较，调整盾构机姿态后方可始发掘进。

检查盾构机始发基座的稳固情况，检查防止盾构机“栽头”的导轨是否施作牢固和位置得当，查验盾尾外壳上的防扭转装置是否焊接牢固。

保持盾构机4组推力油缸推力均衡，确保刀盘中心和盾尾中心的位移在允许的偏差范围内，在始发掘进阶段尽量少采用纠偏措施。

在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大、过频。每隔5环检查管片的超前量，推进时不急纠、不猛纠，多注意测量盾尾间隙，相对区域油压的变化量随出渣量和千斤顶行程逐渐变化，以减少盾构施工对地面的影响。

4.2掘进参数控制

盾构始发期间位于加固区土体内，加固区土体较硬，宜以

5.结语

随着地下空间的开发，盾构技术已广泛应用于地铁隧道施工。盾构施工的进步，在对地层保护方面贡献很大，但始发施工并未简化，反而变得更复杂，对辅助施工法的依赖也越来越大，目前到了没有辅助施工法就几乎不能施工的地步。不断探索发展和完善盾构机施工技术，特别是盾构始发与到达施工技术，才能更好地控制地表沉降，使地铁隧道的施工质量越来越好。

参考文献：

[1]陈 馈等主编.盾构施工技术. -北京：人民交通出版社，2009.5

[2]江玉生等编著.盾构始发与到达―端头加固理论研究与工程实践.-北京：人民交通出版社，2011.5