摘要：盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键,也是盾构施工成败的一个标志,必须要全力做好。同时还应确保盾构连续正常地从非土压平衡工况过渡到土压平衡工况,以达到控制地面沉降,保证施工安全等目的。在北京大部分地铁施工均预留盾构工作井作为盾构始发、到达的工作面,始发期间有时也会存在盾构机因为车站结构的原因而不能整机始发,北京地铁19号线06标右~牛区间受限制与场地狭小，不能满足整体始发，故采用半环始发；始发段主要穿过卵石⑤、卵石⑦地层、卵石层⑨，地下水丰富，且处于上坡竖曲线上，施工难度大，风险高。施工过程中采取了盾构端头加固，辅助降水，精确盾构机姿态，确保反力架 的刚度、强度和稳定性及连接牢固度，做好洞口密封等措施，确保了盾构施工安全、精准始发。
关键词：盾构、半环始发、端头加固、反力架、延长钢环、盾构姿态
盾构始发往往由于各项始发工作技术控制不到位，造成洞门塌方、涌水、盾构姿态严重偏差等事故 ，给工程带来极大危害和损失，特别是特殊地质条件和复杂施工环境下(如半环始发)，事故发生频率越来越高。笔者结合北京地铁19号线06标右安门外站一牛街站区间隧道半环始发成功经验，介绍了盾构半环始发过程中的施工技术。
1.概述
盾构始发主要包括:端头地层加固、安装盾构机始发基座、延长钢环安装、盾构机就位、组装、安装反力架、安装洞门密封帘布橡胶板、拼装负环管片(含钢环、钢支撑)、盾构机试运转,洞门处理、盾构机加压贯入作业面和试掘进等。本工程由于车站结构没有预留下料口,盾构机在盾构井中不能一次整机始发,从而采用半环始发,通过在拼装半环的管片上方进行下料及出碴施工。
2.半环始发施工技术措施
2.1端头地层加固
在盾构始发之前,一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层,并采取有针对性的处理措施,常用的具体处理方法有搅拌桩、旋喷桩、注浆法,SMW工法、冷冻法等。选择哪一种方法要根据地层具体情况而定,并且严格控制整个过程。本实例工程盾构出洞前对洞门段土体进行了旋喷桩与搅拌桩相结合加固。始发端加固范围为纵向9m，横向加固为盾构掘进左、右线隧道外边线以外3米范围，竖向加固至隧道掘进边线上、下各3米范围，加固体尺寸为12.4m×12.4m×9m。始发端头均采用深孔注浆加固，加固后的土体有良好的均匀性和自立性，无明显的渗水。加固过程，应该对成孔垂直度、深度，注浆压力。钻杆提升速度，注浆量等进行严格监控，确保加固质量。尤其在钻杆提升过程中，如地层变化，要及时调整注浆施工参数。端头加固要求达到的效果为无侧限抗压强度0．5～0．8MPa，渗透系数≤lxl0-7cm／s。加固完成后要对加固效果进行检查，检查采用水平抽芯的方式。抽芯孔数量为洞门圈内5个孔，均匀布置。
2.2始发托架的安装
始发托架采用装配式钢结构，制作完成后下井组装。在盾构机始发基座组装之前，应根据始发基座的高度、宽度及长度要求，结合盾构外径尺寸以及始发洞口中心、隧底标高，确定始发基座在盾构井中的空间位置 (确定其平面位置及高程)。考虑到盾构机的后配套车架需在隧道内行走，将始发井高程差找平，使后配套车架的移动轨道与隧道底板保持在同一水平面。充分考虑平移盾构机，始发基座需要足够的刚度、强度、稳定性，并结合现场实际施工情况。
2.3延长钢环安装
由于盾构井侧墙厚度为90cm，始发时为减小施工风险，采用刀盘切桩的方式始发，考虑刀盘厚度及密封帘布尺寸，在预埋钢环上增加长70cm延长钢环。延长钢环安装必须通过螺栓与洞门钢环牢固栓接并将其拼接缝进行满焊。
2.4密封帘布安装
安装洞门密封装置在盾构机组装完毕之后进行,洞口密封装置的作用是盾构在始发时防止地层泥水和背衬注浆砂浆外泄。安装洞门密封装置之前,应对帘布橡胶的整体性、硬度等进行检查,对圆环板的成圆螺栓孔位等进行检查,并提前把帘布橡胶的螺栓孔加工好,然后在洞门预埋件的螺栓孔清理干净,最后按照帘布橡胶板、圆环板、折叶式压板的顺序进行安装。
2.5反力架及负环管片位置确定
反力架为钢结构，用来提供盾构推进时所需的反力。根据设计要求，0环管片嵌入预埋钢环长度为600mm，负环管片的环数为11环(不含0环)，其中负环管片长度均为12m，反力架前端中心里程K=K洞门一(1.2-0.6)-1.2*11=K洞门-13.8。
安放反力架之前，先对底板进行清理，当反力架安放至里程位置后，对反力架进行精确定位，使之与盾构机的中心轴线保持垂直。
2.6负环及钢支撑安装
半环始发共设置11环负环，负11至负4环采用通缝拼装，负3至负1环采用错缝拼装。盾构机拼装完成负11、负10、负9环后千斤顶将管片顶出盾尾至反力架。管片推出盾尾后及时用倒链连接托架，并塞紧垫木，避免管片变形。推进负7环刀盘进入延长钢环，为避免盾体及管片重力对延长钢环造成挤压变形，需及时在延长钢环导引轨对应底部安装型钢支撑。负5环推进至440cm，刀盘接触洞门初支，进行磨桩。磨桩期间可逐渐建立土压。刀盘磨桩前在钢环内堆放数袋膨润土，方便快速建立土压，膨润刀盘减小摩擦力。磨桩期间需安排专人进行盯控，做好地面监测。
盾构机在负1环拼装完成，负4环、负3环脱出盾尾后在负4环安装钢半环。钢半环厚度500mm，两边设置U型槽与管片进行插接，需密贴负3环。为保证钢半环安装与管片密贴，需对负3环管片垂直、位移情况进行监控。负3环、负2环为整环拼装，两侧无支撑，推进过程中由于盾尾的摩擦、挤压可能对负3环、负2环造成位移、倾斜，造成螺栓无法穿入。针对此问题可将负3环、负2环上部采用拉紧装置与后部管片进行连接加强。同时在钢支撑未安装前不可使用上部千斤顶。
钢半环安装完成后，进行钢支撑的安装。钢支撑使用活络头进行调节，待调整、定位与钢半环密贴后，反力架与钢半环之间采用4根φ609钢支撑进行焊接。为增加钢支撑的稳定性，两侧钢支撑采用2cm钢板焊接牢固，钢板尺寸为90cm×50cm，间距为1.8m，所有焊缝进行满焊，整个半环系统可以保证整环的圆度、掘进提供反力和反扭矩。钢支撑的定位过程需测量班进行盯控并符合。吊装过程中需注意吊装安全。见图2.6-1第一阶段施工顺序图、2.6-2钢半环安装图
第二阶段：负5环进入加固区，进行土体切削，严格控制掘进参数，保证盾构机姿态，加强渣土改良，注入减阻泥浆，保证盾构机的顺利掘进。盾构机始发后掘进15米（距离河3米）位置处停机，安装临时皮带机及临时台车，后续掘进拼装正环，并采用18方土斗出渣+1管片车组合的方式进行施工。由于停机位置距离护城河较近，可根据地面环境、地面测量确定安全位置进行停机，同时注入高浓度膨润土进行停机保压。
第三阶段：盾构机以此种方式继续向前掘进80米抵达小区南侧绿地内停机保压，实现分体转整体，同时拆除井口负环、始发托架、反力架，敷设马凳和道岔实现电瓶车双编组。
2.7半环始发推力及扭矩验算
第一阶段：半环推进时推力计算。辽宁三三盾构机共有16根液压千斤顶，油缸规格（Φ缸径/杆径）300/190mm，最大工作压力34.5MPa，推进行程2250mm，最大推力4800t；半环掘进时红色区域内的千斤顶实现正常加力，其余油缸全部随动；共计9根油缸，可提供最大推力2700t，根据实际始发推力约为800t～1000t，故推力满足要求。图2.7-1油缸使用图。
图2.7-1油缸使用图
第二阶段：半环反扭矩计算。半环始发时，脱出盾尾的管片及时通过木楔子与外侧三角架支撑体系加固，防止管片外倾；同时通过管片宽度方向螺栓孔通过φ25钢丝绳+5t倒链与始发托架加固，防止管片内倾，通过内拉外顶确保管片的圆度及稳定性；实际计算中认为此三块管片与托架反力架成为一体，盾体与钢轨、土体的摩擦扭矩忽略不计，只需计算千斤顶撑靴与管片提供扭矩即可，撑靴采用尼龙板材质，单个撑靴接触面积为0.175m2,尼龙板与混凝土摩擦系数约为0.4～0.5，取最不利系数0.4进行验算，推力约800t～1000t。
计算公式：N=Ff*r=μ*FN*r=0.4*（800t～10000Kn）*3m=9600Kn.m～12000KNm；始发掘进扭矩约2500Kn.m～4000Kn.m，故半环提供反扭矩满足始发要求。
第三阶段：安装钢半环后，钢支撑、钢半环受力及稳定性计算。实际始发推力约为800～1000t，考虑不均匀受力和安全系数（1.3～1.5，取1.5）及盾构机调向局部集中受力，总推力按2000t计算，则管片加φ609×t16mm钢支撑将承受2000t的总推力，反力架与钢半环按受力2000t设计，刚度稳定性满足使用要求。
（1）钢支撑刚度计算
1）先计算四个钢支撑受力。整个负环管片环向端面承受2000t，圆的总角度为360°，上部三块管片B1、B2、k块所占的圆周角为158°，则钢半环与四个钢支撑承受的总推力为：2000t×158°/360°=878t，则每个钢支撑承受的推力（钢支撑按集中荷载计算）为878/4=219.4t。
2）在计算一个钢支撑的受力面积
S=304.5×304.5×3.14-288.5×288.5×3.14=29792mm2
一个钢支撑钢结构总断面积为29792mm2，压应力为2194000n/29792 mm2=73.6N/ mm2,钢设计的受压强度为215N/ mm2，故钢支撑可满足盾构始发要求，4个钢支撑都稳定。
（2）钢支撑稳定性计算
支撑面积-S, 钢支撑初偏心LP=L0/1000，φ＝0.561，塑形发展系数γx＝1.15，等效弯矩系数βmx＝1.00 ，钢管引起跨中最大弯矩MZ=44.2
求稳定1 σ1=N*1000/(φA)
=131.2Mpa＜f=215Mpa
欧拉临界点NEX=π^2×EA/λx2
=32204243.7
考虑受作用稳定性σ2=βmx×MZ/〔γx×W1x（1-0.8×N/NEX）〕
=9.4Mpa
稳定计算σ=σ1＋σ2
=140.6Mpa＜f=215Mpa
第二阶段：安装钢半环后，反扭矩计算。
拼装成环后，16组油缸撑靴均与管片贴合，相当于整环始发工况，根据以上计算公式扭矩满足要求。
2.8安装盾构机防扭装置
盾构机刀盘进洞切削掌子面时会产生巨大的扭矩,为了防止此时盾构机壳体在始发导轨上发生偏转,可以在始发导轨两侧的盾构机壳体上焊接防扭装置(采用I18 工字钢加工而成),防扭装置每隔2.0m在盾构机两侧各焊接一个。随着盾构机的前行,当防扭装置靠近洞门密封时,将之割除。
2.9始发导轨安装
盾构机进入洞门时,由于前方还有将近0.9m的空隙,可以在洞门密封内侧架设长约60cm两根导轨,导轨高度略低于始发支座导轨,以防止盾构机进洞后刀盘下沉。
2.10盾构机试掘进
(1)参数的确定。盾构推进过程中, 根据不同地质、覆土厚度、地面建筑情况 ,并结合地表隆陷监测结果调整土仓压力,推进速度保持相对平稳,控制好每次的纠偏量,减少对土体的扰动,为管片拼装创造良好的条件。同步注浆量要根据推进速度、出碴量和地表监测数据及时调整,将施工轴线与设计轴线的偏差及地层变形控制在允许的范围内。
(2)始发时掘进姿态的控制。盾构机始发时,首先调整盾构机的姿态,保证盾构机的前进趋势8‰。盾构机在始发台上往前掘进时,必须严格控制盾构机的各组油缸的推进行程, 确保盾构机能严格按照设计轴线往前推进。盾构在始发时,为了确保始发架的合理受力,要求自零环管片开始推进时,就要严格控制推进油缸的行程,确保盾构机基本沿始发台导轨向前推进。同时要求盾构在向前推进时,盾构合理的纠偏趋势,原则上盾构机趋势不大于±2‰。
3半环始发注意事项
（1）盾尾内管片及脱出盾尾管片拼装圆度保证措施。
1）根据盾构机与管片的理论间隙，在盾尾内部焊接90mm厚的槽钢，对应每块管片2根，总共6根，长度1.8米，焊接到盾尾内侧，使管片在拼装时与盾尾保持间隙一致。
2）管片拼装时保证管片接缝处平整无错台，纵向管片螺栓复紧3次，确保螺栓紧固。
3）管片在脱出盾尾时，按照管片外侧与三角架间隙加工导轨，使管片在脱出盾尾时保持原姿态。
（2）管片脱出盾尾姿态的保证措施。
1）环纵向螺栓及时复紧到位。
2）管片外侧与三角架及时加固，通过木楔子进行稳固，保证管片在受力后不变形、外倾。
3）管片两侧通过打通中部螺栓孔，安装拉紧装置，分别用5t倒链与始发托架连接，确保管片不移动，内倾；并提供足够的反扭矩。
（3）钢制撑体系的稳定性保证措施。
1）钢支撑的两端分别与反力架和钢半环焊接牢固，底部采用U型托，并采用防脱落钢丝绳拉紧。
2）两侧钢支撑分别采用厚度为2cm钢板进行焊接牢固，增强钢支撑的刚度及稳定性。
（4）钢半环稳定性保证措施。
1）钢半环与管片连接处，采用U型插口设计，长度为钢半环 宽度，厚度35cm（管片厚30cm），插入深度40cm，保证与管片的接口，防止钢半环的位移。
2）钢半环两侧扁担采用φ25钢丝绳+5t倒链与始发托架连接，防止受到反向扭矩时转动。
（5）盾构机防扭转措施。
1）盾构机量侧对称位置，在前、中、尾位置采用200H型钢焊接防扭转块，距始发托架面板2cm，随着主机的掘进依次割除、焊接，保证主机受到突变扭矩时不发生大的转动。
2）更换算坏的靴板，使千斤顶撑靴板与管片密贴，拼装完成后及时顶紧。
4. 结束语
盾构机的始发成功主要由始发条件及始发施工技术中每一环节的处理效果决定。同时应对始发技术施工中的每一个环节加强全面、细致的控制,以确保各种处理措施达到预期效果。因为始发技术与各个工程的始发条件息息相关,所以始发时每一个细节如采用什么端头加固方式、连续墙破除方式 、始发台及反力架的定位、负环管片拼装等 ,均需根据现场条件选择最合适的方法。
参考文献：
[1]张凤祥，盾构隧道施工手册[M]，人民交通出版社, 2005
论文作者:程迪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/5/16
标签：盾构论文; 管片论文; 扭矩论文; 推力论文; 托架论文; 螺栓论文; 地层论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;