季維果

(中鐵十局集團(tuán)有限公司濟(jì)南鐵路工程公司，山東 濟(jì)南 250001)

0 引言

始發(fā)是盾構(gòu)法隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點(diǎn)之一。目前國(guó)內(nèi)外隧道盾構(gòu)法施工時(shí)，一般采用2個(gè)井口進(jìn)行始發(fā)，一個(gè)井口用來(lái)下放管片和其他材料，另一個(gè)井口用來(lái)吊運(yùn)渣土;但因城市周邊環(huán)境的復(fù)雜性或工期制約等客觀條件，有時(shí)僅能在車站或區(qū)間隧道上提供1個(gè)井口進(jìn)行始發(fā)。

國(guó)內(nèi)有不少在單井口分體始發(fā)或小半徑曲線始發(fā)的工程實(shí)例。文獻(xiàn)［1］介紹了在廣州市軌道交通6號(hào)線工程海珠廣場(chǎng)—東湖盾構(gòu)區(qū)間制作轉(zhuǎn)向平移裝置，利用車站風(fēng)井預(yù)留孔解決非軸線出土問(wèn)題;文獻(xiàn)［2］介紹了始發(fā)車站無(wú)后置出土口，盾構(gòu)采取特殊始發(fā)方案進(jìn)行掘進(jìn)施工，總結(jié)出分體始發(fā)、鋪設(shè)道岔法及后置單軌梁盾構(gòu)始發(fā)等方案;文獻(xiàn)［3］以盾構(gòu)分體始發(fā)工程為例，從盾構(gòu)設(shè)備選型、始發(fā)方式、始發(fā)方向、管片選型、始發(fā)基座、反力架和楔形環(huán)設(shè)計(jì)、列車編制及注漿控制等方面，探討盾構(gòu)在半徑為250 m的圓曲線上進(jìn)行分體始發(fā)的應(yīng)對(duì)措施;文獻(xiàn)［4］針對(duì)上海市軌道交通9號(hào)線一期工程R413標(biāo)東西出入線的小半徑盾構(gòu)隧道施工，通過(guò)數(shù)值模擬分析，提出了詳細(xì)的施工和設(shè)計(jì)方案。

在小半徑曲線隧道上為單井口時(shí)，一般采用分體始發(fā)，采用整體始發(fā)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)尚不成熟。本文結(jié)合大連地鐵2號(hào)線西安路站至交通大學(xué)站盾構(gòu)區(qū)間工程，通過(guò)自制皮帶機(jī)和管片小車，解決了整體始發(fā)階段出渣、管片運(yùn)輸和盾構(gòu)姿態(tài)控制難題，實(shí)現(xiàn)了在300 m小半徑曲線隧道上單井口盾構(gòu)整體始發(fā)。

1 工程概況

1.1 工程概述

大連地鐵2號(hào)線西安路站至交通大學(xué)站盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)3 367 m，其中，左線長(zhǎng)1 707 m，右線長(zhǎng)1 660 m。區(qū)間隧道出西安路站后沿南北方向向南，通過(guò)半徑為300 m的曲線轉(zhuǎn)入偏東西方向，再通過(guò)半徑為450 m的曲線接入黃河路，到達(dá)交通大學(xué)站。區(qū)間線路平面見(jiàn)圖1。區(qū)間縱斷面布置呈“V”字形，最大縱坡為25‰。始發(fā)井處隧道埋深25.84 m，縱向5‰下坡。盾構(gòu)隧道主要穿越強(qiáng)中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖，局部穿越強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖、中風(fēng)化輝綠巖、石英巖等復(fù)合地層，同時(shí)，地下水位高，裂隙水豐富。

圖1 西安路站至交通大學(xué)站區(qū)間線路平面圖Fig.1 Alignment of running tunnel from Xi’an Road Station to Jiaotong University Station

1.2 始發(fā)條件

西安路站為地下3層暗挖換乘站，不能滿足盾構(gòu)始發(fā)條件，始發(fā)井設(shè)在距離車站約150 m處，由于周邊建(構(gòu))筑物密集，未設(shè)獨(dú)立的出渣井。盾構(gòu)始發(fā)井平面凈尺寸為12 m ×10 m，井壁厚0.8 m，深33.97 m，小里程一側(cè)(長(zhǎng)70 m)施作了初期支護(hù)的馬蹄形區(qū)間隧道。

2 始發(fā)方案比選

2.1 分體始發(fā)方案

將盾構(gòu)主機(jī)安裝在始發(fā)井內(nèi)，受地面場(chǎng)地限制，后配套拖車放在70 m的暗挖區(qū)間隧道內(nèi)，主機(jī)與拖車采用延長(zhǎng)管線連接。掘進(jìn)時(shí)，在拖車與主機(jī)間留出臨時(shí)出入口，用于出土及吊運(yùn)管片等材料;待盾構(gòu)掘進(jìn)到合適位置時(shí)，拆除延長(zhǎng)管線，將主機(jī)與后配套連接，恢復(fù)正常掘進(jìn)。

管片運(yùn)輸分為4個(gè)階段。

1)－8環(huán)～－5環(huán)階段。受盾構(gòu)主機(jī)及反力架的限制，無(wú)法從地面下放管片。在連接橋門架安裝完成后，將5環(huán)管片(每環(huán)均為半環(huán))預(yù)先存放在盾構(gòu)拖車內(nèi)，拼好4環(huán)后，盾構(gòu)上方的垂直運(yùn)輸空間就具備了下放管片的條件。需利用軌道將管片運(yùn)送到管片安裝器的提抓范圍。

2)－5環(huán)～0環(huán)階段。管片輸送器具備安裝空間，管片可以從龍門吊運(yùn)送到管片輸送器上。

3)0環(huán)～35環(huán)階段。管片從龍門吊直接下放到管片輸送器的空間不足，無(wú)法采用管片吊機(jī)將管片轉(zhuǎn)運(yùn)到管片輸送器上，采用可移動(dòng)的門架將管片車上的管片轉(zhuǎn)運(yùn)到管片輸送器上。

4)35環(huán)以后。將盾構(gòu)連接橋、1號(hào)拖車及2號(hào)拖車與主機(jī)連接，按照正常的掘進(jìn)程序進(jìn)行管片運(yùn)輸。

渣土運(yùn)輸分為3個(gè)階段。

1)－8環(huán)～0環(huán)階段。該階段是渣土運(yùn)輸最困難的階段，盾構(gòu)正上方井口垂直運(yùn)輸空間不足且皮帶機(jī)尚未安裝。在盾構(gòu)掘進(jìn)最初的60 cm不出土，將渣土堆積在土倉(cāng)內(nèi)，待始發(fā)井具備出土空間后，用螺旋機(jī)將渣土輸送至小土斗內(nèi)，逐斗吊運(yùn)。

2)0環(huán)～35環(huán)階段。井口垂直運(yùn)輸空間足夠，但皮帶機(jī)尚未安裝。渣土裝滿后由電瓶車?yán)骄?，用龍門吊完成垂直運(yùn)輸。

3)35環(huán)～70環(huán)階段。井口垂直運(yùn)輸空間足夠，但皮帶機(jī)未全部安裝。在35環(huán)拼裝完成后，將連接橋、1號(hào)拖車、2號(hào)拖車往前移動(dòng)并與主機(jī)連接。自制一節(jié)小拖車連接到2號(hào)拖車后面，用來(lái)安裝皮帶機(jī)主動(dòng)輪。完成70環(huán)管片拼裝后，可將剩余的拖車與盾構(gòu)主機(jī)連接，盾構(gòu)始發(fā)工作全部完成。

2.2 整體始發(fā)方案

如何解決由空間狹小而造成的出渣、管片運(yùn)輸、盾構(gòu)姿態(tài)控制等難題，讓單井口同時(shí)具備盾構(gòu)始發(fā)井及出渣井的功能，將單井口整體始發(fā)轉(zhuǎn)化成常規(guī)條件下的整體始發(fā)，成為了盾構(gòu)整體始發(fā)亟待解決的問(wèn)題。

經(jīng)研究，充分利用區(qū)間隧道的有效空間，在后配套拖車旁布置一套皮帶機(jī)裝置，通過(guò)自制皮帶機(jī)與盾構(gòu)原有皮帶機(jī)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)始發(fā)時(shí)盾構(gòu)拖車從下料口至豎井間的渣土倒運(yùn)，解決了單井口整體始發(fā)的渣土運(yùn)輸難題;利用反力架后部豎井空間，采用自制管片小車運(yùn)輸管片至拖車內(nèi)部存儲(chǔ)，解決了單井口整體始發(fā)的管片運(yùn)輸難題。整體始發(fā)豎井及暗挖隧道平面布置如圖2所示。

圖2 整體始發(fā)豎井及暗挖隧道平面布置圖Fig.2 Play layout of shield launching shaft and mined tunnel

2.3 方案比較

由于分體始發(fā)方案盾構(gòu)運(yùn)輸系統(tǒng)不能正常工作，需用小土斗出渣，導(dǎo)致施工效率低下，需購(gòu)置液壓、流體、電氣各類管線80 m，增加投入約100萬(wàn)元;需人工移動(dòng)延長(zhǎng)管線，掘進(jìn)80 m后進(jìn)行拖車轉(zhuǎn)換，施工工序較為繁瑣。整體始發(fā)方案盾構(gòu)一次性組裝完畢，可節(jié)省各類延長(zhǎng)管線購(gòu)置費(fèi);由于使用18 m3的大容量渣車出渣，施工效率高，施工進(jìn)度約為分體始發(fā)的2倍，直接降低了工程成本。

根據(jù)上述分析，與分體始發(fā)方案相比，整體始發(fā)方案掘進(jìn)效率高，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此，采用整體始發(fā)方案。

3 整體始發(fā)出渣和管片運(yùn)輸研究

3.1 單井口整體始發(fā)出渣

為了解決單井口整體始發(fā)的出渣問(wèn)題，除了利用盾構(gòu)原有皮帶機(jī)外，還自制了1臺(tái)皮帶機(jī)和2個(gè)下料槽進(jìn)行輔助出渣。自制皮帶機(jī)總長(zhǎng)70 m，利用葫蘆(便于調(diào)節(jié)皮帶機(jī)的高度)吊裝在礦山法隧道左側(cè)上方，機(jī)架由一節(jié)節(jié)框架組成，兩節(jié)之間鉸接連接。為了方便自制皮帶機(jī)運(yùn)行，將盾構(gòu)自帶皮帶機(jī)主動(dòng)輪改至6號(hào)拖車尾部。在始發(fā)井內(nèi)布置2條軌道，用于拖動(dòng)渣土斗脫離下料口進(jìn)行龍門吊起吊作業(yè)。主要實(shí)施步驟為:1)掘進(jìn)時(shí)渣土通過(guò)6號(hào)拖車的特制下料槽落到可調(diào)節(jié)的自制皮帶機(jī)皮帶上，運(yùn)送到井口后通過(guò)下料槽流入渣土斗內(nèi)，用卷?yè)P(yáng)機(jī)將渣斗拉出下料槽影響范圍，利用地面龍門吊把渣土料斗吊出。渣土由盾構(gòu)皮帶機(jī)倒運(yùn)至自制皮帶機(jī)如圖3所示，渣土由自制皮帶機(jī)倒運(yùn)至始發(fā)井口渣斗如圖4所示。2)隨著盾構(gòu)向前掘進(jìn)，連接在盾構(gòu)6號(hào)拖車上的下料槽也不斷向前，為了使下料槽在高度方向上始終與自制皮帶輸送機(jī)保持一定的間距，需要不時(shí)改變斜度段的位置，使自制皮帶機(jī)高度不斷降低，一般每2～3環(huán)調(diào)節(jié)一次。自制皮帶機(jī)與拖車位置關(guān)系如圖5所示。

3.2 整體始發(fā)管片運(yùn)輸

為了解決整體始發(fā)管片運(yùn)輸問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)制作了管片小車。自制管片小車分為整體管片小車和可裝拆管片小車，見(jiàn)圖6。整體管片小車主要用于將管片由豎井運(yùn)輸至反力架后部隧道中心范圍內(nèi)，如圖7所示?？裳b拆管片小車主要用于隧道內(nèi)的管片運(yùn)輸預(yù)存，如圖8所示。根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)井后側(cè)礦山法隧道的長(zhǎng)度，共做了16個(gè)自制可裝拆管片小車，每個(gè)可裝3塊管片、預(yù)存8環(huán)管片。在盾構(gòu)后側(cè)、反力架左側(cè)空間布置2條整體管片小車軌道。主要實(shí)施步驟為:1)用龍門吊將管片吊至井下的整體管片小車，每次只能裝1塊管片，整體管片小車的軌道與可裝拆管片小車的軌道成90°;2)整體管片小車沿著軌道通過(guò)反力架后部拖車左側(cè)下方進(jìn)入盾構(gòu)拖車內(nèi);3)通過(guò)盾構(gòu)拖車上的雙軌梁或自加工的單軌梁將管片吊運(yùn)至可裝拆管片小車上，在吊運(yùn)前拆除該區(qū)域的電瓶車軌道;4)將放置3塊管片的可裝拆管片小車推到拖車內(nèi)部存放，可存放8環(huán)管片。

圖3 渣土由盾構(gòu)皮帶機(jī)倒運(yùn)至自制皮帶機(jī)Fig.3 Muck delivery from the belt conveyor of the shield machine to the self-made belt conveyor

圖4 渣土由自制皮帶機(jī)倒運(yùn)至始發(fā)井口渣斗Fig.4 Muck delivering from the self-made belt conveyor to the muck tanks at the launching shaft

圖5 自制皮帶機(jī)與拖車位置關(guān)系圖Fig.5 Position relationship between self-made belt conveyor and backup gantries

4 小半徑曲線始發(fā)姿態(tài)控制

4.1 始發(fā)方向計(jì)算

盾構(gòu)采用被動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)，具備260 m小半徑轉(zhuǎn)彎能力，同時(shí)，配備可更換的擴(kuò)挖刀，以備邊刀出現(xiàn)磨損造成卡盾時(shí)擴(kuò)挖，利于盾構(gòu)轉(zhuǎn)向。由于盾體在始發(fā)基座上不能轉(zhuǎn)向，只能直線推進(jìn)，所以，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)將軸線向曲線內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)和偏移，采用比設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑小的實(shí)際推進(jìn)曲線來(lái)擬合設(shè)計(jì)曲線。本工程采用割線始發(fā)，以便實(shí)現(xiàn)最大限糾偏。始發(fā)前10 m沿隧道設(shè)計(jì)中心線(300 m曲線)的內(nèi)弦線推進(jìn)，待盾尾脫離基座后逐步調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，使盾構(gòu)沿隧道設(shè)計(jì)線路推進(jìn)。

圖6 管片小車Fig.6 Segment feeder

圖7 利用整體管片小車將管片由豎井運(yùn)輸至反力架后部Fig.7 Delivering segments from the shaft bottom to the place behind the reaction frame by means of integral segment feeders

圖8 利用可裝拆管片小車存儲(chǔ)管片F(xiàn)ig.8 Segment storage on detachable segment feeder

經(jīng)計(jì)算，盾構(gòu)始發(fā)割線與始發(fā)井軸線夾角(設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中心線偏移值為84 mm，曲線最低點(diǎn)距離豎井始發(fā)端墻距離為8 625 mm)

式中:∠a=arc sin(8 625/299 916)=1.65°(線路中心線與始發(fā)井軸線夾角);∠b=arc sin(5 000/299 916)=0.95°(盾構(gòu)始發(fā)割線與始發(fā)井軸線夾角)。

300 m小半徑曲線盾構(gòu)沿內(nèi)弦線掘進(jìn)的最大偏移量l=300－=0.041 7 m=41.7 mm。

4.2 掘進(jìn)姿態(tài)控制

1)預(yù)偏量控制。設(shè)置預(yù)偏量為20～50 mm，以抵消管片在承受側(cè)向壓力后向弧線外側(cè)偏移。

2)油缸分區(qū)控制。掌握好左右兩側(cè)油缸的推力差，盡量減小整體推力，避免由于水平分力過(guò)大造成管片破碎、損傷盾尾密封甚至卡盾。

3)掘進(jìn)速度控制。掘進(jìn)速度控制在1～2 cm/min，避免因推力過(guò)大引起側(cè)向壓力增大，致使脫出盾尾處于懸浮狀態(tài)的管片環(huán)數(shù)增加。

4)糾偏量控制。掘進(jìn)時(shí)做到勤測(cè)勤糾，每次糾偏量盡量控制在2 mm/m以內(nèi)。

5)注漿控制。縮短同步注漿漿液初凝時(shí)間，嚴(yán)格控制同步注漿量。

5 結(jié)論與體會(huì)

在小半徑曲線段單井口采用管片小車+自制皮帶機(jī)整體始發(fā)模式較傳統(tǒng)的延長(zhǎng)管線+小土斗出渣分體始發(fā)模式，大大提高了施工效率，有效地縮短了施工工期，同時(shí)，減少了延長(zhǎng)管線的投入，降低了施工成本。

小半徑曲線段盾構(gòu)單井口整體始發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)主要有3方面:1)采用自制皮帶機(jī)和盾構(gòu)原有皮帶機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單井口整體始發(fā)出渣;2)采用自制管片小車實(shí)現(xiàn)單井口整體始發(fā)管片存儲(chǔ)運(yùn)輸;3)從始發(fā)方向和盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整等方面進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)小半徑曲線開(kāi)挖隧道軸線在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

［1］鐘振靈.非軸線出土口盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)［J］.廣州建筑，2012(2):37 － 41.(ZHONG Zhenling.TBM starting technology for non-axis mud transporting export［J］.Guangzhou Architecture，2012(2):37 －41.(in Chinese))

［2］齊敦典.無(wú)后置出土口的盾構(gòu)始發(fā)方案［J］.建筑技術(shù)，2012(2):134 － 136.(QI Dundian.Shield originating program of no post-unearthed mouth［J］.Architecture Technology，2012(2):134 －136.(in Chinese))

［3］邵翔宇，劉兵科，馬云新，等.小半徑曲線隧道內(nèi)盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)研究［J］.市政技術(shù)，2008(6):487－491.(SHAO Xiangyu，LIU Bingke，MA Yunxin，et al.Study of lunching technology for shield decomposer in sharp curve tunnel［J］.Municipal Engineering Technology，2008(6):487 －491.(in Chinese))

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