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 372m ,线间距由 4.6m 渐变到始发端的 11.46m。
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深圳福田 香港米埔
深港分界里程 盾构起始里程
深圳段
香港段
盾构左线隧道 皇岗竖井 变线间距矿山法隧道 盾构右线隧道
盾构终点里程
米埔竖井
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 后配套系统空推与主机连接 1～5#后配套下井组装 推至后洞内
竖井内始发托架安装
洞 门 密 封 系 统 安 装
盾构机空载调试
盾构主机下井组装
负环管片安装
盾构机空推至始发端墙 建立泥水平衡负载调试
盾构机下台阶 盾构主机完全通过洞门密封后进 行同步注浆 盾构机平移定位
安装反力架系统
盾构始发试掘进
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。
500
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图 3.1 后配套台车行走轨道布置示意图
3600
行走轨道
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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 41′ 15″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。
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夹具
横向千斤顶
滑靴
平移梁
截面类型为A的隧道区间
平移方向
隧道中线
吊装口
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。
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II
盾体在隧道始发段 就位的纵向中心线 盾体 始发架 滑靴 横向千斤顶 夹具 平移梁
平移方向
隧道中线
盾体在隧道始发段 就位的横向中心线
II
图 3.4 盾体主机横移示意图 隧
道 中 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 线 节台车和连接桥整体沿设计轨线牵引至盾尾与主机进
盾体 始发架 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， 横向千斤顶 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 夹具 平移梁 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。
平移方向
滑靴
3.4.4 相关计算 1) 横向千斤顶推移力核算
II II视图
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
F推 =35×4=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
f 静 =900×0.05=45（t）
平移的过程中，滑靴与平移梁之间的动摩擦力为
f 动 =900×0.03=27（t）
则， F推 ? f 静 ， F推 ? f 动 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。 η =900/(8×200) =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Φ 400mm 钢管撑组成。 3.5.1 反力架结构及安装
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(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。
扩大段衬砌 左线中心线 异型反力架 右线中心线
反力架立面图
图 3.5 反力架结构示意图 (2) 预埋件的安装。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Φ 32 的钢筋。
拆装反力架吊点
拆装反力架吊点
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 41′15″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 41′15″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，
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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 型钢做为连接。
后浇承力墙
反力架支撑
反力架
盾构机
盾构隧道
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÷(π ×9.6)=1658kN/m (2)钢筋混凝土环梁 ①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。
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图 3.9 计算模型 ②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
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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 2000mm，内径为 8700mm，外径
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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 0～2.0bar； (2)总推力 2500t； (3)刀盘转速 0.8～1.0 转/min。 (4)推进速度控制在 2～5mm/min。 3.10.2 始发掘进的注意事项 (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 10～15mm/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,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。
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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
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