1、1浅谈盾构到达施工控制关键技术【摘 要】盾构到达施工是盾构施工中最关键的环节之一，本文根据北京地铁 10 号线角门西站-草桥站区间左线盾构机到达施工为工程背景，简要概述了盾构机到达接收的相关施工控制技术，总结了此施工过程中的几个关键注意事项。 【关键词】盾构；到达施工；技术 引言 盾构到达是指盾构沿设计线路，在区间隧道贯通前 60m-100m 至到达车站端头的整个施工过程。 【1】盾构到达施工是盾构施工过程中的重要环节之一，因其不同于具有规律化、机械化、信息化特点的盾构正常掘进阶段的施工，盾构到达阶段的施工内容涵盖面较多，需加强注意的细节较多，交叉施工较多，环环相扣，哪个环节稍有不慎均会带来重
2、大安全生产事故的隐患，故国内外均有在盾构到达阶段施工控制不到位而酿成较大工程事故的案例。 盾构机姿态控制、到达阶段掘进技术、端头加固、接收托架安装、洞门密封装置安装、洞门围护结构破除、注浆补充加固等均是在盾构到达施工阶段应加强控制的环节，本文依托北京地铁 10 号线角门西站-草桥站左线盾构工程，对盾构到达中各个施工环节加以简要阐述和总结。 1、工程背景【2】 北京地铁 10 号线角门西站-草桥站区间左线隧道起止里程为2K35+874.047K37+335.900，设置短链 0.029m，全长 1461.824m，区间隧道埋深 10.7-19.4m，隧道洞身基本位于卵石层，局部穿越卵石、圆砾层、
3、粘质粉土、粉质粘土1 层和细中砂2 层。工程采用德国海瑞克生产的加泥式土压平衡盾构机从角门西站始发，向西掘进至草桥站东端吊出，盾构管片外径为 6000mm，厚度 300mm。 草桥站车站围护结构采用?1000mm 1600mm 的钻孔灌注桩，草桥站东端头隧道顶部埋深 10.7m，底部埋深 16.7m，水位埋深 23.5m，洞门范围上部 1.2m 处于卵石层中，中上部约 1.4 m 处于1 粉质粘土、粘质粉土中，中下部 2.2m 处于2 细中砂层中，下部 1.2m 处于卵石层中。草桥站东端头地质剖面图见下图 1。 图 1 草桥站东端头地质剖面图 2、盾构到达施工关键技术 2.1 到达端端头加固
4、由于草桥站东端地层水位较深，在隧道底部以下 6.8m，到达端头处于无水状态，且土体的自稳能力较强，可以对土体不进行加固【3】 ，考虑洞门处的地质情况，为确保端头土体在盾构进洞时不因扰动影响而坍落和盾构机顺利进洞，需对土体进行加固，同时参考与此端头地质情况非常相近的北京地铁 14 号线陶然桥站端头加固方法和效果，砂卵石地层中旋喷施工成孔困难，堵管频繁，常产生“抱管”现象，旋喷桩在砂卵石地层中的加固施工难度大，施工效果很难保证，故草桥站左线接收端土体加固采用水平注浆结合地面垂直深孔后退式注浆的施工工艺。 端头加固的施工技术如下： 3（1）洞口掌子面拱部 135范围车站围护桩间打设 42 注浆小导管
5、，小导管长度 3 米，外插角 10，每桩间 2 根，共 8 根，小导管注双液浆，水灰比为 1：1，水泥浆与水玻璃液体积比为 1：1，控制注浆压力为0.5MPa-1.0MPa。确保桩间拱顶土体不塌落。 （2）地面在桩间采用 1 排垂直注浆孔注双液浆，两侧注浆孔深度 16.7米（及隧道拱底） ，隧道范围内注浆孔深度为拱顶向下 1 米，注浆孔间距1.2m，共 7 根（注浆孔平面布置图见图 2） 。注浆深度 1216.7 米注改性水玻璃+稀磷酸，水玻璃波镁度调至 15左右，稀磷酸浓度调至 10%-20%，体积比为 6：1-7：1，深度 12 米以上注水泥水玻璃双液浆，水灰比为 1：1，水泥浆与水玻璃液
6、体积比为 1：1，控制注浆压力为 0.5MPa-1.0MPa。注浆工艺采用后退式地面注浆。作用是填充车站施工过程中可能出现的地层扰动缝隙或空洞，或滞水，确保桩间土体密实性，自稳性较好。 图 2 注浆孔平面布置图 （3）注浆材料：水泥为 32.5R 矿渣硅酸盐水泥，水玻璃模数为2.43.0，浓度为 40 波美度。考虑到角草区间盾构机始终未换刀，在1460m 砂卵石为主的地层中刀盘的磨损情况，注浆压力不宜过大，注浆达到 0.51MPa 即可。 2.2 盾构机姿态控制 为确保盾构机按照设计的线路向前掘进，要加强对盾构机姿态的检测。盾构机姿态检测包括掘进中不断的自动实时检测和施工阶段性的独立检测。实时
7、检测主要是指盾构机自动导向系统的应用，主要靠全站仪4实时提供的测量信息和智能传感器的处理，通过计算机将获取的盾首中心与盾尾中心位置（其连线即为盾构机轴线）与线路设计位置进行比较，并控制其航偏而实现掘进导向的。它主要靠盾构机自身的 ELS 系统获取和处理测量信息，盾构机 SLS-T 自动导向系统示意图见下图 3 所示。此外，在掘进一个阶段后，还应该利用导线点，独立地测量盾构机上设置的检测点，求算盾首中心与盾尾中心位置，并与线路设计位置进行比较。盾构机上预置的检测点较多，它们的盾构坐标是已知的，一般只需选择三个点，直接安设棱镜即可测量。 图 3 盾构机 SLS-T 自动导向系统示意图 在区间隧道贯
8、通之前 100m 范围之内，需加强盾构机姿态的人工复核测量，确保盾构机中心轴线与隧道设计轴线趋于一致，同时在盾构到达阶段，应充分考虑到达端洞门环中心的实测坐标与此位置处设计线路的中心坐标差异的影响，使得盾构中心不断逼近洞门环实测中心，纠偏要逐步进行，每环的纠偏量不宜过大，从而保证盾构机的顺利贯通。 2.3 型钢导台施工及接收托架安装 根据角草区间右线洞门（即区间隧道终点里程 YK37+335.9 处）中心线标高实测数据、接收托架的尺寸数据、草桥站东端盾构吊出井底板面实测标高可推算出托架下方安设的导台高度为 369mm，考虑导台的施工成本和可循环利用性，本接收导台采用 H 型型钢来进行搭设、加固
9、，同时考虑盾构机到达时盾体的下沉量，为使盾构机顺利上托架，H 型型钢导台的高度定位 250mm。接收托架图如图 4 所示。 图 4 接收托架图如 H 型钢导台采用下层 H=150mm 和上层 H=100mm 的 H 型钢呈“十”字形5上下两层垂直交叉铺设，下面一层型钢沿隧道线路方向铺设，共铺设 5列，每列长度 13 米，与前后端砼面顶紧，下排型钢需用足够的膨胀螺栓固定防止南北偏移，上面一层型钢垂直线路方向铺设，共铺设 10 排，每根 4 米，上下排型钢接点需焊接牢固，用型钢顶紧型钢导台、托架与车站吊出井口的结构柱及北侧的侧墙，防止托架与导台侧移。 H 型钢导台铺设图如下图 5 所示。根据刀盘、
10、前盾、中盾、尾盾、拼装机和螺旋输送机的重量，同时根据型钢的受力强度，测算出型钢导台的强度满足盾构机到达后的强度要求。 图 5 H 型钢导台铺设图 型钢导台焊接完毕后开始铺设接收托架，托架东端头距离车站端墙距离 50cm 进行铺设，托架拼装完毕后对托架上导轨上缘面的高程进行复测，复测无误后方可与导台焊接并加固牢固。在接收托架加固完成后，还需对托架两侧底部的钢板与下排 H=150mm 的 H 型钢之间的空隙进行钢板和型钢填充并焊接牢固，保证托架两侧的纵向钢支撑与下排 H 型钢连接牢固，使盾体上托架后，盾体下传的重力作用均匀作用到纵向型钢导台上，并传至底板砼面。 为加强托架的稳定性，同时减少到达施工
11、阶段的工效，在洞门破除阶段产生的砼垃圾及盾构土仓内掉下的渣土等均应装袋投入托架和型钢导台中间及两侧。 2.4 洞门处围护桩的破除 草桥站围护结构采用 10001600mm 钻孔桩，墙身内侧和外侧均为网格布置的钢筋，左右线洞门范围内各有 4 根围护桩，位置见图 1 所示。6围护桩主筋为 25，定位筋为 20，箍筋为 12，保护层厚度 75mm。 施工前准确定位洞门预埋钢环中心线，然后对围护桩进行开凿放样。确定盾构机中心刀顶到围护桩后，在破除洞门围护桩结构前，通过水平钻孔对洞门范围内地质情况进行判别，根据地下水砂渗透情况，判断端头加固效果，确定处理措施。若涌砂涌水严重，对隧道端头局部范围重新加固后
12、才进行洞门破除施工；若加固效果较好，无涌砂涌水现象，则直接破除洞门。 洞门破除的主要目的是切割盾构机通过范围内的钢筋，破除混凝土，使盾构机顺利进入端头土体。洞门破除施工工序： （1）搭设脚手架。为保证洞门密封和洞门破除施工需要和施工安全，需搭设满堂红钢管脚手架。第一层横支撑紧贴地面搭设，节点处打设锁脚锚杆或锁脚螺栓固定在车站底板上，同时按照相关要求设置剪刀撑，确保脚手架稳固。 （2）为保持掌子面稳定，减少土体暴露时间，分两步凿除围护桩混凝土： 第一步：脚手架搭设完成后，先将掌子面与盾构机联通。利用钢筋通过下部 100 取芯孔，观察掌子面稳定情况，一旦出现渗、漏水严重，必须马上封堵，等待处理方案
13、。若无渗漏现象，开始破除。 第二步：破除洞门范围内围护桩混凝土。采用整桩截桩法破除洞门范围内 3 根围护桩下部及顶部钢筋和混凝土，并预留 5 根钢筋不截断，对最右侧的围护桩采取全部凿除来破除。在破除桩间土的过程中要不断7观察端头及破除时破碎砼的稳定情况，一旦发现问题要及时进行锚喷封闭处理。截桩法破除洞门围护桩现场施工照片见图 6 所示。 图 6 截桩法破除洞门围护桩现场施工照片 第三步：喷锚。桩体顶部和底部砼全部凿出后，在 3 点、9 点位以上沿洞门圈外侧搭设超前小导管，同时要对洞门圈顶部的桩间土进行挂网喷射砼来进行稳固。 第四步：吊桩。在完成 3 根桩下部及顶部钢筋及混凝土破除后，采用 50
14、T 汽车吊悬吊围护桩，依次割除下部及上部 5 根钢筋后，将桩吊至地面。 第五步：验收。凿除完毕后，对凿除后洞门直径、净空、中心位置进行检查，避免盾构机出洞过程中有钢筋或砼块与盾体产生较大的摩擦力。 第六步：拆除脚手架。 第七步：清理渣土后，盾构机恢复推进，拼装管片，到达车站盾构井。 2.5 洞门密封装置安装 为确保盾构机逐步推进上接收托架阶段的过程中，盾构同步注浆的浆液能较好地填充开挖面与盾体间的间隙，不通过此间隙流到接收井内，周边土体不大面积通过此空隙随同步注浆浆液流出，需在洞门破除开始前，在洞门外圈安装洞门密封装置。 洞门密封装置所需材料：B 板，橡胶帘布，压板，螺杆、螺栓，钢丝绳，手拉葫
15、芦及膨胀螺栓，当盾构机前体盾壳被推出洞门时通过压板卡8环上的钢丝绳调整折叶压板使其尽量压紧帘布橡胶板，以防止洞门泥土及浆液漏出。在管片拖出盾尾时再次拉紧钢丝绳，使压板能压紧橡胶帘布，让帘布一直发挥密封作用。 盾构到达洞门环处的密封装置效果图见下图 7 所示，施工照片见图8 所示。 图 7 盾构到达前的密封装置效果图 图 8 盾构到达前洞门密封装置现场照片 2.6 到达阶段盾构掘进技术控制 盾构到达阶段的掘进技术控制环节包括到达里程确定、盾构机进洞姿态最终确定、相关掘进参数确定、同步注浆及二次补浆控制等环节。 1、到达里程确定 角草区间右线终点里程为 YK37+ 335.900，结构为车站盾构井
16、围护桩与端墙连接面。盾构机操作面板上测量界面显示里程为 37332.975（终点里程 37335.900-墙体厚度 0.7m-桩径 1.1m（已考虑外放 10cm）-刀盘厚度 1.125m=37332.975）时，刀盘中心刀会接触围护桩，但考虑围护桩水平偏差及垂直度偏差的影响，盾构掘进至此里程附近时以刀盘扭矩较大幅度的增加来判断刀具是否接触到围护桩外缘，来选择停机时刻。 2、盾构机进洞姿态确定 根据洞门环的实际测量结果和盾构姿态测量结果，到达时盾构机姿态调整为（面板显示）水平前后点为-10mm，竖直前后点为 80mm，保持抬头姿势。 3、相关掘进参数确定 盾构到达段的掘进除应达到纠偏的目的9外
17、，还尤其应注意最后 10m 段的掘进控制。因为在临近洞门的最后 10m盾构掘进对地层的扰动影响极为明显，特别是针对本工程接收段，接收段的施工参数是否合理，直接影响到地面管线的受损情况。 因此应根据到达段的地质情况确定合理的掘进参数。总的要求是：低速度、小推力、合理的土仓压力和及时饱满的同步注浆量。确保盾构接收的总体安全。盾构机在到达车站围护桩的时候土仓压力会慢慢减小，掌子面土压力难以建立起来，很容易造成地表的塌陷。进而造成地面管线破裂等情况发生。所以确保土仓压力，及时的同步注浆等合理的施工参数，以及匀速连续的作业方式来接收盾构。 到达段最后 10m（即面板里程 37+ 322.975-37+3
18、32.975）施工参数拟定如下： 土仓上部压力：0.03Mpa；掘进速度不大于 10-20mm/min； 盾构机推力控制在 40008000KN 之间； 刀盘转速：0.7-1.0r/min； 同步注浆量：6 立方 4、由于盾构机到站时推力较小，洞门附近的管片环与环之间连接不够紧密，因此做好后 20 环管片的螺栓紧固和复紧工作。并在管片 3 点位、9 点位、12 点位用槽钢沿隧道纵向焊接拉紧后 20 环管片，并在螺栓手孔与槽钢之间楔入木楔子来施加预应力，使后 20 环管片连成整体，防止管片松弛而影响密封防水效果和盾构姿态的控制效果。 5、洞内二次注浆要及时，接收阶段分二个阶段进行： （1）最后倒
19、数第 20 环至倒数第 10 环要及时对脱出盾尾后的管片进10行二次补强注浆，注浆设备为气动注浆泵或台车上同步注浆泵，注浆材料为水泥浆，水泥浆的水灰比 1：1-0.8：1，注浆压力控制在 0.3MPa-0.5 MPa，选择注浆的管片距离盾尾要有一定距离，避免浆液堵塞同步注浆孔及窜到土仓里。 （2）刀盘出洞后，压紧橡胶帘布后，及时盾尾后的管片进行二次补强注浆，注浆参数参照上面的要求，同时派人观察地面和洞口密封圈周边的情况，有漏浆情况，立即停止注浆，洗管后，再换孔位注浆。 6、截桩并吊桩完毕后，清理刀盘前渣土并装袋码放到托架两侧，同时测量班对刀盘中心坐标进行复核，并尽快恢复掘进，根据刀盘与洞门圈的
20、相对位置，合理利用铰接油缸主动铰接的作用，调整盾体前进姿态，确保顺利上托架，托架两侧的导轨上涂抹上黄油，以利盾体前行。 7、出洞最后三环，即 1214 环、1215 环、1216 环为直线段，确保用标准环来拼装，根据目前盾尾间隙及盾体姿态来合理选择转弯环与标准环的搭配，其中 1215 环为出洞环，即大里程环面有预埋钢板，1216 环是整个隧道的最后一环。 8、盾构机到达施工注意事项 （1）盾构机到达前检查端头土体加固质量，确保加固质量满足设计要求。 （2）到达前，在洞口内侧准备好锚喷料、空压机、锚喷机等应急物资和工具。 （3）准备洞内、洞外的通讯联络工具和洞内的照明设备。 （4）增加地表沉降监测的频次，并及时反馈监测结果指导施工。
