广州轨道交通建设监理有限公司深隧监理部 广东广州 510000
摘要：针对广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程盾构机在狭窄空间内始发的施工难题，为有效保证施工安全和进度并高效利用施工作业空间，在施工过程中充分结合盾构始发井深埋及空间狭窄等工况特点，通过细抓分体始发施工工艺的有效衔接等精细化施工管控措施，采用两次盾构分体始发技术，克服施工限界等不利工况，取得了阶段性成果。本文研究成果对于类似工况盾构始发具有一定借鉴意义。
关键词：深层隧道 狭窄空间 盾构分体始发 施工技术
0 引 言
随着城市的快速发展及盾构施工技术的不断进步，城市地下隧道施工逐渐采用盾构施工技术[1~4]。广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程是国内首条具备提高流域排水标准和控制溢流污染双重功能的深层排水隧道工程。该试验段工程隧道具有埋深大、断面小等特点，采用盾构法施工，不仅可以缩短施工工期及节约工程投资，而且还能有效地保护城市地面环境，具有较好的经济和社会效益。城市排水隧道工程一般都处于城市内，盾构始发场地征地较为困难，施工场地小，受吊装空间限制，不具备整体吊装条件，所以考虑采用盾构分体始发技术来解决这一难题[5~6]。
1工程概况
1.1始发井概况
中山三路竖井作为深隧工程的盾构始发井，位于中山三路、东濠涌高架和越秀中路的交界旁，北侧为中山三路，西侧为越秀中路、东平大押博物馆及广东省实验中学，东侧为东濠涌及东濠涌高架桥；中山三路竖井施工场地共7085m2，场地包括办公生活区及施工区，其中施工区场地面积4700m2。该竖井内尺寸为37.0m×15.0m×41.45m（长×宽×高）（见图1），基坑上部围护结构采用“钻孔灌注桩+四道内支撑”支护方式，基坑埋深22.1m以下为岩石喷锚支护方式；基坑防水采用Φ500mm单管旋喷桩桩间止水；主体结构采用C35P12钢筋混凝土施工，侧墙厚度分别为1200mm和1000m。盾构始发时基坑四道钢筋混凝土内支撑保留。竖井主体结构底板标高为-30.75m，冠梁至底板高度40.25m，有效吊装空间分别为10.5m×10m、7.2m×10.1m、6.35m×4.75m。中~尾盾构区间坡度为-2‰。
1.2工程地质及水文地质情况
中山三路竖井基坑地层从上到下分别为：杂填土、海陆交互相沉积层、河流相冲积层、残积土层、全～微风化泥岩，其中海陆交互相沉积层、河流相冲积层中分布透水性较好的淤泥质粉、细砂层，粉、细砂层，含丰富孔隙潜水及承压水；同时中、微风化岩层裂隙发育，局部发育溶蚀裂隙，含一定量的基岩裂隙承压水。隧道位于中风化~微风化泥岩地层中，隧道埋深约33.5~33.9m。具体工程地质钻孔柱状图如表1所示。
1.3盾构选型
工程采用1台直径6260mm德国海瑞克土压平衡盾构机（编号S470）进行施工(见图2)，其主要包括壳体、刀盘、盾体、人行闸、盾尾密封刷、铰接装置、管片拼装机、电机车、螺旋出土器、后配套台车等；盾构机总长75m，总重550t，其中筒体总长8285mm(不含刀盘)，筒体外径6260mm，刀盘开口率为28%，开挖范围6280~6310mm，刀盘采用原装进口整体式刀盘，液压驱动模式，支承结构能够抵抗单轴抗压强度达到120MPa，刀盘配置全断面滚刀（刀具配置为中心双刃滚刀4把+17英寸双刃滚刀16把）+64把刮刀+16把周边铲刀。
2 盾构机分体始发技术
2.1盾构始发方式的确定
盾构始发方式分为整体始发和分体始发两种。整体始发是指将盾构主机和全部台车安装在始发井下，盾构始发掘进时带动全部台车一起前进的施工技术。分体始发是指将盾构主机与全部或者部分台车之间采用加长管线连接, 盾构主机与全部或者部分台车分开前行, 待初始掘进完成后再将盾构主机与全部台车在隧道内安装连接进行正常的掘进。
中山三路竖井作为盾构始发井，其基坑内尺寸为37.0m×15.0m×41.45m（长×宽×高），而盾构机总长为75m，虽有关文献显示[7]，盾构始发反方向修建一定长度矿山法隧道可以满足整体始发的要求，但是基于后期盾构始发反方向也将采用盾构法施工，考虑工期、费用、施工风险等综合因素，整体始发在该工程不适用。基坑有效吊装空间分别为10.5m×10m、7.2m×10.1m、6.35m×4.75m，受始发空间限制，盾构机只能采用分体吊装后再在井下根据盾构机机械构造结合施工场地条件进行分体始发。
2.2盾构始发重难点分析
综合场地布置、始发空间、设备等因素分析，本工程盾构始发施工的重难点主要表现为如下几方面：①始发空间狭小，须进行盾构分体始发；②施工进度缓慢；③盾构设备须进行适应性改造；④盾构机组装难度大。
（1）始发空间狭小，须进行盾构分体始发
始发井内空间狭小，其长度远小于海瑞克盾构机整体长度，结合现场实际情况，本次盾构须进行两次分体始发，但由于往东风路竖井始发时可使用既有隧道，盾构二次分体始发较一次始发难度有所降低。
（2）施工进度缓慢
受分体始发及施工场地狭小影响，盾构掘进前期施工进度缓慢，主要原因为：前期电瓶车无法运行，采用卷扬机带动小土斗进行出土，出土效率较低、难度大、时间长，基坑较深引起垂直吊装时间增加。待盾构机及台车完全进入隧道后，才可运行电瓶车进行出土，出土过程中须采取有效的防溜车措施。
（3）盾构设备须进行适应性改造
受分体始发影响，须对盾构机原设备进行必要的适应性改造和增加部分设备，盾构机原有设备的适应性改造直接影响到盾构始发的安全、效率及功能，因此盾构设备的改造也是本次始发的重难点，始发过程中须加强整体施工控制。
（4）盾构机组装难度大
分体始发的盾构机安装与完成始发安装基本一样，只是在安装过程中应根据始发竖井的空间来考虑设备安装步骤，避免由于设备安装空间不足而造成安装困难，并须将电缆和管路分开放置，因此盾构分体始发在一定程度上增加了盾构机组装的难度。
2.3盾构分体始发施工方案
2.3.1 始发流程
2.3.2盾构分体始发前准备工作及控制措施
(1)场地布置
为便于后期施工生产及管理的需要，确保现场安全文明施工，结合工方案和施工进度计划的要求，中山三路施工场地须进行科学合理布置。其遵循的原则为：①拌浆系统、仓库、加工厂、作业棚、材料堆场等布置，应尽量靠近已有交通线路（越秀中路），缩短运输距离，场地设置2个大门，形成环向施工便道，满足施工及消防要求；②施工物料器具须按照码放整齐、规格分类、挂牌标示等管理标准进行规范摆放，提前做好场区排水系统畅通及道路硬化工作。③为缩短运输时间，渣土池和管片堆场尽可能设置在基坑周边的安全范围内，管片堆场须具有10环管片的储存能力，渣土池须具备30环渣土的储量（综合考虑场地限制及渣土外运的影响）。
鉴于此，渣场设在出土口的东侧，南侧作为管片堆放场地。渣场PC200型履带式挖掘机一台，于夜间将渣土从渣坑挖出装入自卸汽车，由自卸汽车运到弃土场。由于施工场地位于市中心，文明施工要求高，因此余泥外运工作一般在晚间作业。按施工现场的要求，对出入车辆进行冲洗，确保不污染市政道路。
基于盾构吊装最大部件重达92t，为确保盾构下吊场地地基的稳定性，确保施工安全，在盾构吊装前需对场地进行混凝土硬化，吊装过程铺设钢板确保承载力要求。通过计算，采用20cm厚C30钢筋混凝土硬化地面，其地基承载力即可满足M250 S-2履带吊机吊装最大92t的吊装承载力要求。
(2)洞门加固及密封装置安装
1）洞门凿除及其端头加固
盾构通过中山三路竖井一次衬砌时，考虑刀盘未脱出帘板转动会损坏帘板，故需对洞门进行部分凿除使得刀具进入洞门，刀盘脱离帘板后进行始发。
为确保盾构始发的顺利进行，根据盾构始发地层地质特点，结合以往类似地层端头加固施工经验，在沿隧道轴线方向10m及洞门圈向外1m范围内对端头采用水平注浆形式进行加固，可达到洞门止水及岩体加固的目的。
2）洞门密封装置安装
在盾构进洞时，为防止掌子面泥土压力较大而从洞门处经建筑空隙进入井内，影响开挖面初始土压平衡建立及施工安全，必须设置性能良好的密封装置。本次始发采用折形压板与帘布橡胶圈组成的防水装置进行止水，其洞门防水装置安装顺序为：洞门圈预埋钢环（结构施工时已预埋）→安设双头螺栓→帘布橡胶板→圆环压板→以薄螺母固定→折形压板→垫圈→螺母；为防止盾构机推进时，刀盘损伤帘布橡胶板，在盾构向前推进前应在帘布橡胶板外侧及边刀上涂抹黄油。在盾构机切口环进入洞门圈后，及时查看折页压板是否松动，及时进行调整紧固，使其下折页压板边缘基本接触盾壳、压好帘布橡胶板，以保证能起到良好的密封效果；在盾尾尾刷完全进入折页压板后再次调整压板位置，使其下边缘完全压在管片外弧面上，若未完全压紧，必要时进行压板加固。
（3）始发台、反力架及负环管片的定位与安装
1）盾构机托架安装
根据设计要求，从理论上盾构机始发需设置2‰俯角，但盾构在掘进过程中由于盾构机重心靠前，始发掘进时易产生“磕头”现象，故盾构轴线需比设计轴线适当抬高20～30mm，经计算盾构始发时姿态设为水平状态即可满足要求。鉴于始发井底板低于隧道边界底1145mm，托架高度为250mm，考虑到后期盾构施工需在井口设置沉淀池，预先浇筑沉淀池壁作为托架基础，沉淀池壁采用C25混凝土浇筑，内部按设计规范进行构造配筋。
2）反力架、支撑安装
①盾构后盾由钢环、反力架框及钢支撑组成，钢环宽50cm，钢环精度要求：环面平整度5mm，使砼管片受力均匀。②钢环后部用56#二榀工字钢制作反力架框，钢环与反力架框之间焊接固定；在二榀工字钢后用Ø500mm钢支撑，盾构掘进时的后座反向力由其传递至盾构井结构，钢支撑需焊接在预埋的钢板上，反力架受力计算按推力小于1000t。
（2）轨道铺设
电瓶车轨道（900mm）和台车轨道（2180mm）均采用43kg/m轨道，轨道铺设严格按照图纸进行制作安装。负环拆除后需重新布置井口处轨道，并铺设岔道，供电瓶车调度使用。
（5）前两环管片安装
本次始发，采用7环负环加1环零环，共计8环。考虑本标段采用通用环管片，负环管片尽量采用3点或9点错缝拼装。-7环负环的定位对后序管片拼装起着基准面作用，务必确保-7环和盾构姿态保持相对平衡。在-7环负环拼装完成后，用千斤顶将管片整体后推，然后即可在-7环的基础上拼装-6环。
（6）盾构吊装与调试
1）吊装作业概况
由于吊装作业施工场地相对狭小，吊装工艺繁多，重量最大的盾构机前体重达92t，且体积较大；经综合考虑，采用一台M250 S-2履带吊24m主臂工况作为盾构机吊装的主力吊机单机吊装设备，150t汽车吊辅助完成盾体翻身作业。
本工程需要吊装一台海瑞克Φ6280mm土压平衡式盾构机，该盾构主要由刀盘、前体、中体、盾尾、连接桥、五节拖车等部件组成，总重约480T，最重部件约90T，设备总长为78米。所有吊点的吊耳为现场焊接。盾构机主要部件清单如下：
2）盾构机及台车的摆放
因本工程海瑞克盾构机盾体、桥架、1#拖车组装的总长度分别为31m（不含刀盘），始发井内正好满足将其置于井内，其余台车将拆解叠放入竖井东侧，待盾体掘进足够距离后再依次连接进入隧道内。1~3#台车放置于底板上（需搭设平台），4#台车放置于-18.5m标高结构梁上，5#台车放置在地面。增加设备不多即可满足盾构机分体始发需要。所增加的管线须根据竖井的宽度、始发阶段掘进距离、台车在井下的摆放方式进行。
3）盾构始发各部分设备下井顺序
盾构在始发托架安装完成，竖井内轨道铺设完成后进行，井内设备下井顺序为：2#台车→3#台车→反力架安装→托架及轨道安装→1#台车→连接桥→螺旋出土器→中体→前体→拼装机→盾尾→刀盘→台车与筒体连接→4#台车→5#台车，台车就位后进行管路的连接。
2.3.3盾构分体始发方案实施及关键施工技术
（1）盾构组装完成后关键工序
工序一：盾构组装完成后由于1#台车尾部紧贴北侧端墙，通过连接桥架下吊负环管片，完成负环拼装及机头碰壁；
工序二：刀盘面进洞3m后1#台车尾部有3.96m空间，可满足管片下吊要求；
工序三：刀盘面进洞16.5m后2#台车连接进洞；
工序四：刀盘面进洞28.5m后具备电瓶车+1节渣土车+1节平板水平运输条件；
工序五：在盾构掘进 100m 时，1~5#台车一次进洞，停机进行负环及反力架拆除作业，同时在隧道洞口处安装道岔，盾构始发完成。后期正常掘进将投入两列电瓶车组，一列电瓶车拉3 节土斗+1节平板，一列电瓶车拉2节土斗+浆斗+1节平板。
3 施工成效分析
广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段中~尾盾构区间深层隧道狭窄空间盾构始发自2015年11月9日盾构机吊装开始，到2016年1月10最后一节台车安装调试完成，共用时62天；第一次分体始发自2015年11月9日至2015年11月30日，第二次分体始发自2015年12月11日至2016年1月10日。
影响两次分体始发耗时较长的主要原因如下：①始发阶段由于基坑空间狭窄无法采用电瓶车出土，只能采用卷扬机带动小土斗出土，影响施工效率；②基坑深度较深垂直运输过程中花费时间较长；③受基坑长度限制每台电瓶车只能携带两节土斗，影响盾构出土效率；④由于基坑深度较深且作业空间狭窄，台车转移至井下过程中花费时间较长；⑤施工地层主要为中微风化泥岩地层，刀盘易结泥饼，掘进速度较慢；⑥施工过程中设备故障率较高，维修保养花费较长时间。
本工程基坑内尺寸为37.0m×15.0m×41.45m（长×宽×高），基坑有效吊装空间分别为10.5m×10m、7.2m×10.1m、6.35m×4.75m，而盾构机总长为75m，受始发空间限制，盾构机只能采用分体吊装后再在井下根据盾构机机械构造结合施工场地条件进行分体始发。
（1）第一次分体始发（2015年11月9日~2015年11月30日）
因本工程海瑞克盾构机盾体、桥架、1#拖车组装的总长度分别为31m（不含刀盘），始发井内正好满足将其置于井内，其余台车将拆解叠放入竖井东侧，待盾体掘进足够距离后再依次连接进入隧道内。1~3#台车放置于底板上（需搭设平台），4#台车放置于-18.5m标高结构梁上，5#台车放置在地面。增加设备不多即可满足盾构机分体始发需要。所增加的管线须根据竖井的宽度、始发阶段掘进距离、台车在井下的摆放方式进行。
（2）第二次分体始发（2015年12月11日~2016年1月10日）
刀盘面进洞28.5m后具备电瓶车+1节渣土车+1节平板水平运输条件；随着盾构掘进不断向前施工，在底板空间可以满足全部台车摆放条件。在盾构掘进 100m 时，1~5#台车一次进洞，停机进行负环及反力架拆除作业，同时在隧道洞口处安装道岔，盾构始发完成。
4 结论
（1）依托广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段中~尾盾构区间深层隧道狭窄空间盾构始发工程，针对城市深层隧道狭窄空间盾构分体始发的难题，通过细抓分体始发施工工艺的有效衔接等精细化施工管控措施，克服施工限界等不利工况，取得了阶段性的成果，不仅减少了征地面积和时间，而且节约了征地成本，解决了场地狭小盾构整体始发困难的问题。
（2）现场实践表明：深隧项目盾构在狭窄空间分体始发施工虽然在施工进度控制及工序合理化安排方面仍有进一步的提升空间，但整体施工各项目标总体控制良好，本工程的施工经验可为类似工况盾构始发具有一定借鉴意义。
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论文作者:易伶俐
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/17
标签：盾构论文; 台车论文; 隧道论文; 管片论文; 竖井论文; 基坑论文; 场地论文; 《基层建设》2017年2期论文;