1、大直径铁路盾构机始发施工技术摘要：盾构机始发技术是盾构法施工的关键点，也是盾构能否顺利施工的技术难点之一。本文结合广深港铁路客运专线狮子洋隧道盾构机始发技术，依据客运专线施工技术规范的具体要求，对盾构直径为11.18、总重量为 1600 t 大型铁路盾构机始发技术和施工措施进行了介绍和总结。 关键词：大直径泥水盾构；盾构始发；负环；施工技术 中图分类号：TU74 文献标识码：A 一、工程概况 新建广深港客运专线狮子洋隧道工程全长 10.8km，从广州侧由西向东下穿狮子洋后进行东莞。根据工程水文地质特点，隧道施工选用四台直径 11.182m 气垫式泥水平衡盾构，气垫控制精度为+0.2bar，装机
2、总功率为 4150KVA，是目前国内同行业盾构机直径较大、装机功率较高的。隧道衬砌采用单层装配式钢筋混凝土管片，管片外径 10.8m，内径为9.8m，管片厚度为 0.5m，环宽 2.0m，每环管片选用“5+2+1”形式，即5 块标准块，2 块邻接块，1 块封顶块，管片接缝设定位榫和定位杆槽。 该工程主要由盾构隧道+明挖暗埋隧道组成，明挖暗埋段是由地面进入盾构隧道的过渡段，其中盾构始发井深 21.69 m 宽 23m，盾构段隧道下穿狮子洋，最大水深约 26.6m，最大水压为 0.67MPa 所以本标段工程具有工程规模大、设计标准高、涉及工法多、工期紧、工程地质复杂、水压力大、盾构掘进距离长等特点
3、，是目前国内铁路隧道最长、标准最高的水底隧道，是广深港客运专线的控制性重点工程。 二、大直径泥水盾构始发总体方案 盾构出洞施工为大直径泥水平衡式盾构的关键重要工序，施工技术方案需根据不同的工程水文地质条件和周围施工环境来确定。大直径泥水盾构的出洞端头土体是否稳定相当重要，洞门端头土体一旦被扰动，可能造成地表塌陷和导致泥水昌溢，所以首先须对始发洞端头地层进行加固处理，常采用“高压旋喷法” 、 “冻结法” “固结灌浆”等。其次，要安设预埋洞口密封止水装置和盾构基座与反力架。接着依次进行组装盾构后配套拖车、盾构主体、刀盘、连接桥及相关配套设施，并完成盾构整机调试工作。最后在盾构机始发前，要完成洞门密
4、封、洞门凿除、反力架支撑加固、负环管片拼装定位和形成盾构始发定位状态，同时待相应的泥水处理系统、垂直运输系统和水平运输系统、制浆系统等准备完善后才可以开始盾构始发掘进。 盾构始发时，从反力架端部里程点开始沿隧道设计中心线的内弦线 推进，直到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。整个盾构始发过程中盾构始发流程见“图 1 盾构始发流程图” 三、大直径泥水盾构始发前施工措施 3.1、洞门地层加固处理 洞门所处地层根据现场钻探揭露自地面往下显示：上部为人工填土层，0.6m8m 为淤泥层与淤泥质砂层，8m27m 为粘土层、粉细砂层、粘土+粉细砂互层、中粗砂层，属于软塑可塑稍密、饱和等稳
5、定性较差地层。27m 以下为微风化泥质粉砂岩。盾构隧道顶部覆土厚度约为7.5m，为了确保盾构始发洞门围护结 构凿除后土体稳定和保证盾构始发阶段姿态的准确，依据需加固土体的强度要求进行了力学计算，采用咬合三重管旋喷桩加固方案。最后，经过现场试验室检测在隧道顶、底部和左、右边线各 3 米范围内的土体均能满足加固土体强度1MPa，满足加固土体渗透性1 立方/d 不得漏泥砂的标准，且加固土体均匀，此加固方案能满足盾构始发地层要求。 3.2、洞门密封装置设计 盾构隧道洞门在围护桩内预埋钢环，钢环的参数为：外经为11.82m（内经为 11.50m） 、厚度为 0.5 m、环框面板宽 1.0 m、钢环共重约
6、为 20 吨。为了确保预埋的钢环整体精度和圆度，对钢环进行分块预埋安装，钢环之间用型钢网格支架连接；在围护施工期间，为了防止砼浇筑造成洞门钢环上浮、错位变形，所以将钢环面板背侧的锚固筋与围护桩体主筋及洞门环形钢筋焊接牢固。在盾构始发阶段，为了防止盾构刀盘进洞门后低头，在安装钢环时均应抬高 50。 根据洞门防水设计，本工程中洞门密封采用双道折叶式翻板。即：采用折叶式密封压板+帘布橡胶板。由两道相同的密封组成，两道密封间隔 480mm，其中每道密封由帘布橡胶板、折叶压板、垫片和螺栓等组成。见图“图 2.洞门密封装置结构图” 3.3、盾构基座 盾构始发基座的主要作用是用于稳妥、准确地放置盾构机，承受
7、盾构机自身重力和推进时的摩擦力，且保证盾构机能够安全地组装、调试与始发，因此始发基座的设计必须有足够的强度、刚度和安装精度。在进行盾构井底板及填充层施工时，提前要按基座相关尺寸调整好标高、坡度，预埋好基座的连接、加固钢板，并预留好盾壳焊接和反力架立柱预留槽等。本次由于盾构机重达 900 多吨，所以盾构基座采用全部钢结构形式，根据盾构机长度（盾壳（含刀盘）总长度 L11.42m）及反力架与洞门距离，故取始发基座总长为 15.971m。 3.4、反力架及支撑系统设计与安装加固 盾构机始发时，支撑在主体框架梁处的反力架为盾构机提供反向推动力，因此，不仅要求反力架须具有足够的刚度和强度，而且应保证反力
8、架安装精确度，采取的主要施工技术措施如下： a)、反力架结构 由于本次约需向盾构机提供 3330 吨的反力，所以反力架采用便于组装与拆卸的组合钢结构件，其结构尺寸要根据支撑面的具体尺寸而定，反力架结构尺寸厚为 1.2m，高 12.37m，宽为 11.47m，支撑面宽 12m。 b)、反力架端部里程的确定 按如下公式计算： 式中： Ds 设计第一环管片起始里程，如本次左线取 DIK42+999.2； N 负环管片数量,如本次取 N8 环； Ws 负环管片宽度，取 2m； cos与基座所设计坡度有关； DR 反力架端部里程， 考虑基座坡度为1%和盾构基座与洞门间导轨长度后，经反复计算复核后确定反力
9、架安装起点中线里程为 DR DIK43+17.266。 c)、支撑系统设计确定 本次反力架的支撑结构采用 12 根 609（=16mm）钢管直接撑到主体结构墙面上，两侧采用 H 型钢加固。根据盾构机始发时需要提供 33300 kN 的反力，每根 609 钢管受力 F033300/12 kN，按荷载不均匀系数 1.2计，反力架的每根 609 钢管所受压力 FF01.2/cos300=3845(kN)，下列分别对 609 钢管强度与稳定性进行验算4： 609 钢管强度验算 = 3845 / （0.60920.5772）/4 129MPas235MPa 故 609 钢管强度满足设计要求。 609 钢
10、管稳定性验算 临界力 Pc=2EIL2 式中：E 210103 MPa ， I (D4 一 d4 )64，钢管长 L= 4.7 m ，厚 =16mm 故 Pc 2210103(D4 一 d4 )644.721.23104kN 临界应力 c = PcA = 413 M Pa p= 200 MPa 根据经验公式 c =s2= 235 0.00668 L2 AI =232 MPa N =c A = 6916 kN F3845 kN 所以 6O9 钢管支撑稳定满足要求。 d)、反力架安装精度控制 由于盾构初始始发姿态是空间状态，在安装反力架时，反力架左右偏差控制在10mm 之内，高程偏差控制在5mm
11、之内，上下偏差控制在10mm 之内。基座水平轴线的垂直方向与反力架的夹角2，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2（且盾尾只能向上偏） ，水平趋势偏差2。 为了保证反力架安装精确度和保证盾构推进时反力架横向稳定需要采取的加固措施为：在反力架横梁安装两个 H 型钢支撑，作为反力架抗浮装置，为防止反力架发生左右位移，在反力架左右两侧加 4 根 H 型钢支撑固定。 3.5、始发导轨线铺设 本工程中始发段导轨线采用的轨道为 43Kg/m 钢轨，轨道采用 43kg/m,单根长 12.5m、6.25m 规格的轨道，轨枕以 H 型钢和槽钢为主。为了防止盾构始发时磕头，在始发洞门处必须安设了具有足够强度和刚度的导轨
12、，且导轨顶面要比基座导轨顶面低 20mm，导轨末端与洞口围岩之间，应留出刀盘的位置，以保证盾构始发时，刀盘可以旋转，且导轨位置及长度要满足不损坏帘布橡胶板。 3.6、洞门凿除 在对洞门围护结构进行凿除前，应采用钻孔取样方式检测确定加固土体强度、洞门处渗透性以及土体的匀质性。盾构始发洞门围护结构凿除采用人工风镐破除方法，整个破除分两次进行，第一次先将围护结构主体凿除，且凿除至地连墙外侧主筋处，即只保留围护结构外侧主筋钢筋及保护层。 待盾构组装完成空载及负载调试成功后进行二次破除。在二次凿除剩余部分混凝土之后，要及时检查始发洞口的净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。在施工过程中要密
13、切观察掌子面的情况，遇到问题要及时处理，不能盲目施工，同时应做好各项凿除安全防护措施。 3.7、负环管片设计 一般设计中盾构负环管片由负环钢管片和负环钢筋混凝土管片组成。负环钢管片起到连接负环钢筋混凝土管片和反力架，起到减小负环钢筋混凝土管片变形的作用。同时，要求钢环的平整度必须达到 5cm，钢环与反力架接触面用细石混凝土嵌实。 然而本次设计与其它盾构工程不同之处：用标准的钢筋混凝土管片直接代替了 50cm 宽的钢环与反力架端面接触，并且预先在第一负环内预埋 14 块厚 16mm 焊接钢板，其尺寸为 250mm400mm，详见“图 3、负环管片侧面预埋焊接钢板示意图” 。 当负环管片与反力架接
14、触后，将预埋 钢板面与反力架端面全部焊接牢固，并将之间的缝隙用薄钢板充填密实。负环与负环间只粘贴丁晴 软木橡胶板（纵缝间）和软木衬垫（环缝间） ，不粘贴止水条和自粘性橡胶薄片，负环管片间连接螺栓也不需加遇水膨胀橡胶圈。 在盾构始发井内负环管片数量确定由如下公式计算： 式中： Ws 负环管片宽度，取 2m； Ds 设计第一环管片起始里程,取 DIK42+999.2； DF 凿除洞门围护结构后的里程，取 DIK42+997.9； L 盾构机盾壳（含刀盘）总长度，取 L11.42m， ； 线路修正系数与始发曲线半径和坡度有关，一般取 1.01.8； N 负环管片数量 经计算后，并反复复核始发线路和盾
15、构始发姿态后确定负环管片数量 N8 环。 四、 大直径泥水盾构始发推进控制要点 4.1、盾构始发前姿态控制 一般情况下，先根据管片拼装里程、盾构机组装位置要求、始发竖井结构、反力架支撑长度及盾构隧道线路设计轴线定出盾构始发姿态空间位置，以确定洞门钢环的预埋中心位置，然后反推出始发台的空间位置，提前调整好盾构井底板的标高、坡度及结构等。由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及抵抗盾构旋转的扭矩，所以在盾构始发之前，必须对始发台两侧进行必要的加固。另外，盾构在始发阶段（盾构主机离开始发基座前）不能够进行调向，如在曲线上始发应事先调整好始发平面轴线，而且，始发台的安装高程要根据端头地质情况和
16、始发坡度进行适当抬高和坡度调整。 考虑到本次始发段线路，在平面上处于半径为 R7000m 的圆曲线和缓和曲线上， 在竖向上处于坡度为20的下坡段，为了确保盾构可以准确地按照设计轴线出洞，采用割线始发，即将洞门内 12 米曲线的弦线向盾构井内延长，以此割线做为始发的平面中线，始发坡度调整为 10，并将始发洞门（预埋钢环）抬高 50mm，即将盾构始发纵向轴线在 10下坡的基础上整体抬高 50mm。 4.2、负环管片拼装与加固系统 在盾构机始发准备工作全部完成后，按顺序吊除清理洞圈内分割的砼块，盾构机开始进行负环段管片的拼装。拼装的总体思路是为了确保负环整体刚性、提高管片拼装的平整度、减少管片碎裂现
17、象并防止负环管片失圆失真，负环拼装全部采取错缝拼装方式。 负环拼装时第一、二环负环的定位相当重要，对后序的负环拼装起着基准面的作用，故在确保其环面的平整度的同时，尽量减少管片的椭圆度，主要施工技术措施如下： a)、拼装第一环负环管片前，因盾尾内侧与管片外弧面的间隙为40mm，为了确保第一环准确定位，在盾尾管片拼装区下部 180 度范围内、在两个推进油缸之间采用局部焊接或点焊均匀安设 11 根长 2m 厚度 40mm的槽钢，如“图 4.负环管片安装示意图” 。然后，利用盾构机千斤顶缓慢地拼装好整环。 b)、当第一环负环管片突出盾尾 300mm 后，将负环管片与始发台导轨间的空隙用纵向型钢垫实，然
18、后继续将管片推出，直至与反力架靠紧，焊接牢固，缝隙充填密实。 c)、第一环负环拼完后，要在反力架和管片安装机之间、以及管片上部的内弧面上焊接两根 H 型钢，在整环管片向后推出时，起到限制管片下坠的作用。 d)、第一环管片推出 1500mm 后开始拼装第二环管片，注意切不可将第一环管片全部推出槽钢段再拼装第二环，避免管片下沉。 e)、在前两环负环管片拼装过程中，由于盾构油缸和反力架不能有效地夹紧管片，每块管片都处于活动状态，所以应在拼装盾尾内上半圆管片、特别 是两块临接块时，要在盾尾盾壳上和反力架上焊接吊耳，用道链对管片进行固定，以支撑管片并保证施工的安全，待封顶块纵向推插到位后，拆去道链，割除吊耳，紧固封顶块与邻接块的螺栓。 在负环管片拼装与盾构机推进的过程中，要及时将负环管片外侧支撑，避免负环管片失圆过大引起管片拼装困难。采用的加固措施如下所述： a)、在每环管片推出盾尾后，将管片与始发台导轨间隙用钢楔子和
