1、大断面燕尾段隧道盾构长距离空推始发技术大断面燕尾段隧道盾构长距离空推始发技术杜万强(中铁十五局集团有限公司 河南洛阳 471013)摘 要 大断面燕尾段隧道盾构机空推始发、洞内始发反力系统的设计、安装及盾构机的精确定位难度高。结合广深港客运专线深港隧道皇岗公园工作井第一台直径9.6m盾构机空推始发施工情况，介绍了大断面燕尾段隧道盾构机吊装、空推以及始发技术，并进行了总结，为同类工程提供参考。关键词 大断面 燕尾段隧道 盾构始发 盾构空推中图分类号 U25 文献标识码 B 文章编号 1 工程概况广深港客运专线深港隧道北接福田站，经深圳市会展中心沿益田路过福田保税区后下穿深圳河进入香港。隧道通过场
2、地为深圳市中心区，地表高楼林立，道路密布，路上及路下布有众多供气、供水、供电、排水、通讯等管线。深港隧道皇岗公园工作井设计为三台盾构机提供始发掘进条件，一台直径13.23m盾构机往小里程方向掘进、2台直径9.96m盾构往大里程掘进。其中由单孔双线隧道向双孔单线隧道过渡矿山法隧道374m（大断面燕尾段隧道），然后采用两台直径9.6m盾构机继续施工双孔单线的3346m盾构法隧道。大断面燕尾段隧道最大跨度25.3m，高18.5m、开挖断面372m2,线间距由4.6m渐变到始发端的11.46m。图1.1 深港隧道9.6m盾构法隧道工程范围示意图2 盾构空推始发工艺流程盾构机从皇岗公园工作井吊入隧道进行
3、洞内组装，分主机和后配套空推374m到始发端就位，并整体联接。盾构空推始发工艺流程见图2.1。后洞后配套行走基座混凝土浇筑及轨道安装15#后配套下井组装推至后洞内竖井内始发托架安装后配套系统空推与主机连接盾构机空载调试负环管片安装建立泥水平衡负载调试盾构主机完全通过洞门密封后进行同步注浆盾构始发试掘进盾构主机下井组装盾构机空推至始发端墙安装反力架系统盾构机下台阶盾构机平移定位洞门密封系统安装2.1 盾构空推始发流程框图3 主要操作要点 3.1 后配套行走基座混凝土浇筑及轨道安装盾构机总长113m。为便于盾构机洞内组装，后配套台车行走基座采用矿山法隧道仰拱填充C25混凝土，在后配套行走位置预埋螺
4、栓，通过压板固定行走钢轨与基座连结成整体。螺栓长650mm，丝长100mm，间距500mm。图3.1 后配套台车行走轨道布置示意图3.2 竖井内始发托架3.2.1 始发托架形式始发托架均采用钢结构形式，主要承受后配套、盾构机的重力和始发时的摩擦力。由于盾构机主机重达877吨（含刀盘），所以始发托架必须具有足够的刚度、强度。3.2.2 托架的安装考虑盾构机顺利空推，需将始发托架临时轨道底标高调整至与矿山法隧道的坡度一致，即与竖井结构井壁呈4115夹角，该坡度和夹角通过底部托架的立杆长度来调整。考虑到盾体自重和吊装的冲击作用下始发托架变形等因素，盾构中心比设计隧道轴线高30。图3.2 竖井内盾构机
5、及始发托架示意图3.3 盾构机吊装盾构机下井吊装采用360T龙门吊和260T履带吊配合作业，先吊装后配套，再进行盾体及刀盘下井吊装作业。后配套台车及盾构机、刀盘下井顺序： 5号台车4号台车3号台车2号台车1号台车连接桥盾体拼装机刀盘。后配套吊装下井后用卷扬机依次将台车拉至后洞再进行连接。连接桥与盾体暂不连接。3.4 盾构机空推盾构机组装完成后，即进行空推作业。整机空推分为两部分，主机空推和后配套空推，在主机空推至距离始发端墙23m位置时要下台阶，再将盾构机推进始发位置。最后将后配套推进至盾尾与主机进行连接。3.4.1盾构机空推至台阶处主机空推采用两支行程1m的液压油缸顶推移动托架，沿临时铺设的
6、轨道滑移的方式对主机进行推进作业，详见图3.3，推进速度约为8m/h，顶推油缸靠螺栓连接固定在临时轨道上。临时轨道左右侧均为4节8m长的箱型梁，采用螺栓连接，左右轨道中心间距4700mm，每节轨道重约2t，采用小叉车进行循环拼接利用，在顶推过程中轨道梁靠膨胀螺栓及压板进行固定，轨道梁之间采用型钢进行加固。图3.3 盾体主机前移示意图3.4.2盾构机下台阶由于矿山法隧道底板存在一高差为54cm的台阶，盾构机采用以下步骤下台阶。1) 在台阶下等间距布置型钢，高度与矿山法隧道地板高度一致，并保证相同的坡度。2) 将盾构机推至型钢上。3) 采用4个行程1m的液压油缸，将盾构机顶升，将型钢依次抽出，完成
7、盾构机下台阶。3.4.3盾构机横移在盾构机下台阶同时，把轨道调整为横向，将盾体和托架放下，然后用油缸顶推至始发位置，并对始发托架进行固定。图3.4 盾体主机横移示意图后配套设备在反力架安装完成后，用两台卷扬机将后配套5节台车和连接桥整体沿设计轨线牵引至盾尾与主机进行连接。结合后配套结构形式，在其空推段需将各台车轮架加长，其中5#、4#、3#及2#台车后部轮架均需加长1355mm，2#前部及1#台车均需加长1865mm，加长支腿采用与轮架原设计相同规格材料及连接方式进行处理，并在各加长连接部位进行加固，最后在后配套台车进入负环时进行加长支腿拆除。若盾体在空推中发生偏移，则采用千斤顶进行微调。3.
8、4.4相关计算1) 横向千斤顶推移力核算在推移的整个过程中，隧道地面存在的坡度很小，可忽略不计。根据滑靴与平移梁之间的接触面类型，查相关表格得两者之间的动摩擦系数为0.03，静摩擦系数为0.05。 整个平移过程中，横向千斤顶的数量为4台，其推移能力为35t/台，则总推移力为=354=140（t） 横向千斤顶刚启动的瞬间，滑靴与平移梁之间的静摩擦力为=9000.05=45（t） 平移的过程中，滑靴与平移梁之间的动摩擦力为=9000.03=27（t） 则， 所以，横向千斤顶的推移力满足盾体的平移施工要求。2) 千斤顶负荷率顶升采用8台200t千斤顶，千斤顶承载总重为900t。 =900/(8200
9、) =56%（安全）3.5 始发反力系统盾构机始发反力系统由钢结构反力架、钢筋混凝土反力墙以及400mm钢管撑组成。3.5.1 反力架结构及安装(1) 反力架的设计依据盾构机始发掘进反力支承需要，按照盾构机掘进反向力通过千斤顶支承在隧道管片，隧道管片又支承在反力架的工作原理进行设计，设计外形尺寸不得与盾构机各部件及隧道洞口空间相干扰，同时要求结构合理，强度、刚度满足使用要求，加工运输安装方便。反力架需要为盾构机始发提供5000t的反力，因此反力架要具有足够的刚度和强度，结合以往施工经验及盾构始发端隧道结构等，该反力架为异型反力架，由钢结构在洞内拼装组成。图3.5 反力架结构示意图(2) 预埋件
10、的安装。由于9.6m盾构在矿山法隧道内始发，为了便于反力架安装和拆除，在矿山法隧道施工二衬前，先预埋用于反力架安装、拆卸的吊耳。反力架分解成若干组件，采用运输车运送到始发端，再用葫芦挂在预先埋在二衬内的吊耳上，吊装反力架进行组装，其中所用的吊耳采用32的钢筋。 图3.6反力架及支撑预埋件布置图 图3.7 首环负环与反力架钢环的关系图(3) 反力架安装。安装反力架时，先用全站仪双向校正两根立柱的垂直度，使其形成竖直面与水平面垂直。该段处于1.2%的纵坡，即反力架竖直受力面与盾构机推进轴线的垂直面呈4115的夹角。管片中心与反力架钢环中心重合，负环中心所形成的轴线与线路纵坡一致，保持1.2%。即反
11、力架钢环竖直面与首环负环（-6环）管片背千斤顶面在底部与反力架钢环接触面呈4115的夹角。 为了保证盾构机始发姿态，安装首环负环与反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在10mm之内，高程偏差控制在5mm之内，上下偏差控制在10mm之内。始发台水平轴线的 垂直方向与反力架的夹角2，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2，水平偏差3。3.5.2 钢管砼反力墙1) 反力墙支撑由于隧道高18.5m，若采用钢管斜撑，无法保证反力架在盾构始发时的稳定，保证不了盾构始发的推力，为了确保安全，在反力架后面施工一堵厚2m的钢筋混凝土反力墙（如图3.8），用于作为反力架支撑的承力墙，反力架和承力墙之间采用30cm的H型
12、钢做为连接。图3.8反力架支撑示意图2) 反力墙受力验算(1)基本参数盾构始发推力：50000kN作用在反力架上的单位长度分布力为：50000(9.6)=1658kN/m(2)钢筋混凝土环梁计算模型采用shell单元；约束条件：环梁与隧道二衬交界位置采用固结。环梁厚度：2m。图3.9 计算模型计算结果1）环梁变形图图3.10 混凝土环梁变形图（沿推力方向，mm）最大变形量为6mm。 2）弯矩图图3.11 混凝土环梁弯矩图M11（kN.m）图3.12 混凝土环梁弯矩图M22（kN.m）3.6盾构机及后配套空载调试盾构机组装完毕后即可进行空载调试。空载调试的目的主要是检查设备是否能正常运转。主要调
13、试内容为：配电系统、液压系统、润滑系统、冷却系统、控制系统、注浆系统、管片拼装机、整圆器以及各种仪表的校正。另外，还要进行测量系统及环流系统调试，环流系统调试包括地面沙堡泥水处理系统、和环流系统联机调试。3.7洞门密封装置的安装为了防止盾构始发掘进时泥浆、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后，管片外径与刀盘开挖轮廓之间同步注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置。 3.8 负环管片的安装结合工程实际，该隧道设置7环（0-6）负环，负环管片利用盾构机自带的管片拼装机进行拼装，成环后依次推出盾尾，直至-6环与反力架接触。负环管片采用标准通用环管片，450mm厚，环宽2000
14、mm，内径为8700mm，外径为9600mm。3.9 负载调试空载调试完成并证明盾构机满足初步要求后，即可进行盾构机的负载调试。负载调试的主要目的是检查各种管线及密封设备的负载能力，对空载调试不能完成的调试项目进一步完善，以使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。通常试掘进时间即为对设备负载调试时间。3.10 盾构始发3.10.1 盾构始发参数根据盾构机参数、洞门密封保压及始发段地质情况，考虑采用欠压始发，各始发参数如下：(1)泥水压力02.0bar；(2)总推力2500t；(3)刀盘转速0.81.0转/min。(4)推进速度控制在25mm/min。3.10.2 始发掘
15、进的注意事项(1)为控制推进轴线、保护刀盘，推进速度不宜过快，使盾构缓慢稳步前进，推进速度控制在1015mm/min。(2)一环掘进过程中，掘进速度值应尽量保持衡定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。(3)盾构启动时，必需检查千斤顶是否靠足，防止启动速度过大、压力过大，盾体随刀盘转动。(4)盾尾刷油脂的涂抹要均匀饱满；洞门密封两道帘布橡胶板之间通过注脂孔注满油脂，做好洞门密封防水工作。(5)调整掘进速度的过程中，应保持开挖面水土压力平衡，确保开挖面土体稳定。(6)盾构进洞时应对刀盘予以保护，防止刀盘切割帘布橡胶板，破坏洞门密封。(7)由于始发时盾构机与地层间摩擦力很小,盾构易旋转
16、,这时可以在盾构机两侧盾壳焊接两排钢块作为防扭装置,卡在始发基座上,防止盾构机旋转。同时应加强盾构机姿态的测量,如发现盾构有较大转角,可以采用大刀盘正反转的措施进行调整,同时推进速度要慢。(8)如果由于负环管片转动或松动而且盾构推进油缸推力过大,致使负环管片变形、破损或破裂,应立即停止推进,及时更换或加固破损管片,同时对管片环的临时支撑进行加固。(9)拼装第一环负环管片时,为防止两块邻接块失稳,可在管片抓取头归位之前,在盾壳内与负环钢管片之间焊接槽钢以支撑邻接块。(10)盾构机向前推进时,在始发台两侧必须设专人进行观测、查看,当发现异常情况时,立即通知主司机停止推进,待故障排除后,再向前推进。4 结束语广深港客运专线深港隧道皇岗公园工作井，设计为三台盾构机的始发工作场地，特别是往大里程方向是两台直径9.6m盾构机空推374m燕尾段矿山隧道始发。因此两台盾构机始发掘进过程中的相互影响、空推段空间的合理分配利用、反力架及反力支持墙的设置等均要统筹考虑，尽可能优化施工工艺，科学合理组织施工，保证工程安全顺利进展。参考文献1 张公社.超大直径泥水平衡式盾构机始发技术J.铁道建筑技术.2009年8月2 武艳霞.盾构机反力架结构的设计与应用J.筑路机械与施工机械化.2009年2月3 韩吉平.穿黄工程泥水加压平衡盾构机始发技术J. 水利水电施工. 2008年2期
