大直径泥水盾构始发技术

大直径泥水盾构始发技术

邹飞

中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 712000

摘 要：盾构始发阶段，主要要完成盾构设备的安装与调试、始发辅助设备的安装与就位，盾构初始定位与掘进控制、盾构导向系统的安装与调试以及区间隧道洞口的处理。盾构始发技术包括：始发端头处理、始发托架设计加工及安装、反力架设计加工及安装、盾构机安装及调试、洞门凿除及洞门密封装置的安装、负环拼装及加固、始发掘进。本文结合杭州市环城北路-天目山路提升改造工程两次大直径泥水盾构始发过程，介绍了大直径泥水盾构施工始发技术的组成、关键技术、关键工序及工艺。

关键词：大直径泥水盾构；泥水盾构施工；始发技术

1、工程概况

杭州市环城北路-天目山路(中河立交-古翠路)提升改造工程01标段西段盾构设计范围:北线起止里程为NK0+609.745~ NK2+367.207，长1757.462m，南线起止里程为SK0+609.058~SK2+369.237，长1760.179m。线路最小曲线半径2000m，线路纵段呈V字坡，出1#工作井后以最大纵坡3%下至最低点，然后以2.5%、0.3%纵坡升至2#工作井，隧道覆土约7.46m-22.2m。

2.盾构始发施工技术

2.1反力架及始发托架安装

始发基座的主体是在车站底板基础上进行后浇钢筋混凝土(C30)结构，结构前端直接浇筑至距离始发端墙2500mm处，基座分为含盾体和盾尾两部分的弧形结构，基座纵向中心线平行于隧道中心轴线。盾构机机壳和导台之间有三道1000mm的预留缝隙主要用于导轨的焊接，基座纵向预埋工350*350mmH型钢，上部内侧轨道为75kg/m导轨，外侧轨道为100*100mm方形钢柱，导轨纵向每隔10cm设置一道加劲肋，焊缝高度不得小于10mm。盾构始发井底板在施工时预留φ22钢筋，伸入始发导台40cm，将车站底板和导台连接成为一个整体，以提高基座的抗剪能力。

反立架的拼装与盾构机组装调试穿插进行，在超前钻进和拼装机下井之前将反力架底座吊装下井定位，定位完成后将底座与底板预埋钢板进行焊接，底座下井完成后将超前钻和拼装下井组装，然后将台车和盾构连接（包括设备连接和电器管路连接），在盾构机连接管路和调试期间安装反力架其它部件，具体施工细则如下：

①吊装下支座

盾尾底块下井后、超前钻和拼装机下井前,及时将反力架底座吊装下井，将反力架底座焊接固定在底板预埋钢板上，确保焊缝饱满。

②安装左、右立柱后部支撑

盾构机管路连接调试期间,将左右立柱后部支撑下井安装，支撑安装过程中使用在中板预埋好的吊耳将反力架斜撑吊入中板下方，将斜撑底端与底板预埋进行固定连接，顶端采用工字钢将斜撑支撑，在反力架立柱和横梁安装完成后将斜撑分别与立柱和底板预埋钢板进行焊接。

③安装左、右立柱

左右立柱下井后，利用轴销定位反力架立柱位置，然后用螺栓将立柱法兰与支座法兰连接固定。

④安装上横梁

上横梁下井后利用轴销定位反力架横梁位置，然后用螺栓将立柱法兰与上横梁法兰连接固定。

⑤斜撑与立柱定位焊接

反力架门式框连接完成后，确认反力架位置、前段平整度无误后，将斜撑和立柱进行连接固定。

⑥横梁支撑安装焊接

横梁支撑下井后，将横梁支撑分别与横梁和车站结构中板预埋钢板进行连接固定。

⑦安装完成

上部基准环连接完成后由测量组对反力架高程及定位进行复测，确认测量无误后才能进行反力架加固焊接工作。

⑧整体加固焊接

将反力架每个需要焊接部位进行加固，保证焊缝质量和焊缝高度，保证反力架的强度使盾构机顺利始发。

2.2洞门凿除

盾构始发洞门范围内为地下连续墙，此处地下连续墙背土侧为钢筋，迎土侧为玻璃纤维筋（无需破除）。洞门凿除时将内侧地连墙保护层凿除完成后，割除外侧钢筋即可。洞门范围内的凿除施工安排在盾构机组装调试期间，在安装外接洞门前，确保端头安全的情况下方可进行破除。

考虑盾构机组装现场实际情况，为尽量减少洞门凿除对盾构组装的影响，并在盾构组装完成时能尽快始发，洞门凿除施工顺序图如下所示：

洞门凿除流程图

2.3洞门密封装置安装

为了防止盾构始发掘进时泥土、地下水及循环泥浆从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置，结合本区间始发概况，盾构始发临时密封装置采用单帘布加两道加长盾尾刷。橡胶帘布密封安装在延伸钢环上，两道钢丝刷焊接在外接洞门封板内侧。其中两道钢丝刷及盾尾刷与橡胶帘幕之间共增设两道油脂注入孔。连接时先将圆环板一及橡胶密封圈采用M20螺栓连接在洞门预埋钢环上，然后将封板、加劲板，圆环板二焊接成一个整体连接到圆环板一上，封板与圆环板一环节，加劲板与洞门钢环焊接。具体布置形式如下图所示：

盾构密封装置示意图

外接洞门连接好后，在外接洞门正下方采用两道，每道四根350*350H型钢固定，型钢一端焊接在外接洞门外侧，一端固定在地板上。

2.3.1双外接洞门措施

始发洞门采用延长方式处理，洞门延长994mmmm，外接洞门采用2cm钢板焊接而成，每个整环分七块，洞门外接洞门上预留2道、每道12个φ32的油脂注入孔，延长洞门中心与隧道轴线保持同轴，避免密封胶环在脱离盾体到管环外径上的不一致，造成密封失控，在刀盘抵达掌子面后通过预留注入孔注入密封油脂，填充盾壳与外接洞门之间间隙，从而确保降低盾构始发风险。

2.3.2单帘布措施

为增强盾构始发密封效果，在外接洞门上安装一套橡胶帘布，安装前须对帘布橡胶板上所开螺孔位置、尺寸进行复核，确保其与洞圈上预留螺孔位置一致，并清理螺孔内螺纹，确保安装质量。

注意事项：

①由于橡胶帘布和圆环板通过它与管片的密贴防止管片背注浆时的浆液外流，所以安装时螺栓必须进行二次旋紧；

②防止安装圆环板时损坏橡胶帘布；

③检查盾构机盾壳表面是否有凸起物，若有凸起物需清理干净，以免撕裂橡胶帘布

④帘布安装时严格按照图纸施工，需注意帘布安装正反顺序。

2.3.3加长密封刷措施

因本次盾构始发钢环外径13.8m，盾构机刀盘外径13.46m，盾构机盾壳外径13.37m，所以在盾构始发时，钢环和盾壳之间理论上存在21.5cm的间隙。为了防止洞门涌水、涌浆压力较大，在封板内加焊两道盾尾刷以增加盾构始发临时密封防水效果。注意事项：

①在始发初期，仔细检查盾尾刷焊接位置是否牢靠，是否影响刀盘转动，避免刀盘在进洞时挂掉尾刷，造成密封失效，严重时出现卡刀盘的情况。

②围檩破除后，清理干净预埋钢环上的渣土，防止在刀盘推进后，尾刷后的渣土导致尾刷压不下去，造成始发姿态的上浮。

③洞门密封装置在盾构始发时起到至关重要的作用，在洞门密封施工过程中须严格控制各种材料的安装精度和质量，对于折页压板需做到压板质量可靠，翻转灵活，对于帘布要做到帘布的整体性，对于外接洞门，要保证其安装的精度和密封性。

2.4 负环管片安装与加固

待所有准备共组完成后，将盾体前移1785mm时油缸行程为2800mm，停止盾体前移，进行-7环管片的拼装工作，此时刀盘距离进入第一道橡胶帘布还有约429mm，距离掌子面3853mm。

-7环将是本隧道真正意义上的基准环，其拼装的质量将影响到后续管片的拼装速度和质量。如前所述，本环拼装时，绝对不允许出现环向缝隙不均匀的情况。在解决此主要矛盾的基础上，保证端面平整和圆度（测量班复核两点之间弦长）。

拼装过程中，螺栓可以拧紧，但是根据环向缝隙均匀与否，可以将与-8环连接的部分螺栓松开。因此，拼装过程中，每就位一块管片（尤其是上半圆管片），都必须使用钢板和L型钢板进行固定。需要注意的是，拼装过程中的固定钢板，是焊接在-8环和盾尾上，并且其固定位置是在真空吸盘密封范围之外的，焊接时机是真空吸盘离开管片之前。成环之后，确定环向缝隙均匀，前端面平整之后，再凿开管片预埋钢板焊接固定。

2.5 盾构始发

负5环拼装完后刀盘切到掌子面时，在开挖仓内注入泥浆使水位慢慢上升，通过仓内的液位传感器观察仓内液位。

建仓时分三步进行：

第一步将泥浆站准备好的浆液打入开挖面中，保持开挖仓泥浆液面保持在中线以上3米。

第二步对气压仓进行缓慢加压，每次加压不高于0.1bar，将洞门密封环上的注浆孔打开排掉空气，同时盾构机内注意查看前后仓内的液位显示。当最上方的注浆孔开始喷出泥浆时，将该注浆孔的阀门关闭。

盾构始发掘进阶段由于受到后盾支撑力设计值及洞门密封圈等因素的限制，切口水压实际设定值不宜过高。

第三步，提升气垫舱内气压至1.13bar，并保持1.13bar压力15分钟。观察有无泄漏等异常，若有，采取堵漏措施；若无，缓慢降低气压，直至将切口压力缓慢调成0bar。

3、大直径泥水盾构机始发注意事项

（1）泥水盾构机四道密封刷和洞门钢环焊接的尾刷处涂抹密封油脂，必须做到涂抹均匀、饱满。

（2）盾构机始发时应缓慢推进。始发阶段由于设备处于磨合阶段，注意推力、刀盘扭矩的控制，同时注意设备各部油脂的饱满使用。掘进总推力控制在反力架承受能力以下（5000t），同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于盾构机与始发倒台之间提供的扭矩。

（3）始发前在刀盘和洞门密封装置的帘布上涂抹黄油，避免刀盘刀头通过帘布时损害橡胶帘布。装机始发前在始发导台方管上涂抹黄油，减少盾构机推进阻力。

（4）始发架导台方管必须顺直，焊接牢固，严格控制标高、间距及中心轴线，反力架的端面与线路中线垂直。盾构机安装后需对盾构机的姿态复测，复测无误后才开始掘进。

（5）盾构刚进洞时，掘进速度宜缓慢，同时要对反力架及其支撑进行监测，确保反力架及其支撑能够满足始发要求；对拼装好的负环管片内部钢板焊接连接环缝和纵缝加固，对负环管片与始发导台间隙采用钢结构焊接支撑固定负环管片，拖出尾盾的负环采用钢丝绳和5吨倒链固定在始发导台。

（6）在始发阶段，由于盾构机推力小、覆土较薄且地层较软，调整盾构机姿态时尽量使用下侧的千斤顶加朝上的力的同时一边向前推进，防止盾构机磕头。同时要对地面进行监测，根据地面的沉降信息调整掘进参数。

（7）始发初始掘进时，盾构机位于始发导台上，在盾构机上焊接防扭转装置，为盾构机初始掘进提供反扭矩。

（8）始发初始掘进时，洞门密封专人检查，采用盾构机盾尾油脂泵对洞门帘布与洞门钢环焊接的尾刷之间注油脂，避免帘布漏浆。

（9）始发初期需做好地面常规监测，常规监测一般为盾构始发前七天开始，主要根据地面场地布设，对于隧道正上方及附近的承重地基进行沉降监测，避免因始发初期地层扰动造成地表的沉降，再主要为地面建（构）筑物的巡视，巡查是否因为盾构始发导致地面建筑发生形变或者形变。

（10）泥水盾构始发时必须检查压力传感器是否工作正常，并确认间距。

（11）现场做好应急物资的储备，加强现场巡视，一旦出现漏水、漏砂等险情，立即处理。

（12）管片拼装必须落实专人负责指挥，盾构机司机必须按照指挥人员的指令操作，严禁擅自转动拼装机，以免发生意外事件。

（13）初期掘进期间注意泥水仓压力，压力慢慢上升，适当的加大进浆压力，多冲洗仓，同时加大排浆量，通过液位升降来维持切口环压力（加大排浆量的同时防止液位抽空）稳定。等泥水仓压力慢慢回落到原来设定值时在重新调节环流平衡。

（14）在加固段掘进时，盾构机应保持低扭矩、高转速、低推力进行掘进，掘进速度应保持相对稳定。

4 结语

大直径泥水盾构始发过程涉及面广点多、技术复杂，又是决定盾构是否能够安全顺利进洞的关键因素。做好大直径泥水盾构始发工作的关键是熟悉工艺过程和操作规范，制定一套可行合理的安全质量保证措施和大直径泥水盾构始发应急方案处理措施，确保大直径泥水盾构始发工作的顺利完成。