李作仁，周胡蒙，金 立

（1.中铁六局集团有限公司，北京市100071；2.温州市鹿城区城市综合开发投资管理有限公司，浙江 温州 325000；3.温州市鹿城区城市发展集团有限公司，浙江 温州 325000）

0 引 言

随着国家基础建设投资力度的加大、城市交通压力的不断增长，盾构隧道工程建设呈现较大的增长趋势[1]。某地铁盾构隧道采用8.8 m 级土压平衡盾构机，在始发施工过程中采取小净空、上软下硬地层分体始发的工艺。这是国内首例采用该工艺的工程。该工程面临复杂的施工环境、极高的施工技术难度，重大的施工安全风险、较高的环保节能要求。在项目实施过程中，结合现场实际条件，通过一系列的施工工艺优化和发明创造，解决了狭小空间限制问题；通过详细的地质勘探，结合理论基础，对掘进参数、出土量、注浆量等施工参数进行优化，强化施工监测，克服了上软下硬地层始发技术难点，完成大盾构、小净空、上软下硬地层分体始发，为后续类似工程提供了宝贵的经验。

1 工艺原理

（1）依据现场实际空间条件，结合盾构机和台车的设计长度、各设备系统的协同配合运转的形式，通过一系列施工工艺优化，进行多次分体，分阶段推进。

（2）采取一系列发明创造和设备改造，解决盾构分体始发管线延伸及盾构出渣难题。

（3）采取半环始发的形式，解决盾构渣土和管片垂直运输空间受限问题。

（4）针对上软下硬地层始发掘进，结合地勘成果和理论基础，对掘进参数、出土量、注浆量等施工参数进行优化，强化施工监测。

2 工程概况

某地铁盾构隧道采用8.8 m 级土压平衡盾构机在小净空、上软下硬地层条件下采用分体始发的工艺。该盾构隧道内径7.7 m，外径8.5 m，0.4 m 厚，C55、P12 高精度单层装配式平板型钢筋混凝土管片，管片宽1.6 m，环向分块采用七块方式，一块封顶块，两块邻接块，四块标准块。

该区间左线盾构隧道采用分体始发工艺，始发井净空尺寸为27.6 m×18 m（左线净空13.8 m×18 m），分体始发阶段主要穿越地层为⑨含碎石粉质黏土、⑩1全风化熔结凝灰岩、⑩2强风化熔结凝灰岩、⑩3中风化熔结凝灰岩。设计要求隆沉量控制在-30 mm～+10 mm（见图1、图2）。

图1 盾构工作井平面图

图2 盾构工作井剖面图（右为分体始发区间）

3 施工工艺流程与操作要点

3.1 施工工艺流程

本项小净空、上软下硬地层盾构分体始发工法，主要施工工艺流程如图3、图4 所示。

图3 盾构分体始发简图

图4 施工工艺流程图

3.2 操作要点

3.2.1 分体始发操作要点

始发井采用明挖顺做法施工，主体结构为2 层两跨矩形框架结构，盾构吊装孔净空尺寸仅为17.4 m，地处山脚，且与暗挖隧道相接。

由于始发竖井兼作盾构施工出土口，渣土吊运空间有限，在盾体进入土体前的掘进段，采用“龙门吊+小渣斗（6 m3）”的出土方式进行施工。当始发井口空间较大后，采用“龙门吊+大渣土斗（22 m3）”的出土方式进行施工。主要分为7 个阶段，具体叙述如下。

（1）第一阶段

始发托架、后配套设备、盾构机和反力架的先后吊装下井与安装。

（2）第二阶段

盾构机进行设备调试，加长盾体与设备桥间的管路连接（预备至少20 m 的管路连接），盾体前移，刀盘抵至掌子面并进行磨桩后，设备桥和台车继续留在暗挖隧道内。

（3）第三阶段

盾体与设备桥间采用管路连接，掘进10 环（16 m）。此阶段采用“配合龙门吊+ 小渣斗”的出渣方式。由于盾构始发井口的空间狭小，反力架与工作井主体结构净空尺寸仅为3.2 m，同时螺旋机伸出反力架1.5 m，只能采用自制6 方小土斗进行出渣，管片采用单块、侧边吊装下井拼装。

（4）第四阶段

拆除负环管片（-8 环～-3 环，共6 环），形成半环状态，安装钢支撑。空间条件具备后，将设备桥前推至与盾体相连，然后通过半环开口将预先做好的一节自制型钢台车吊装下井。型钢自制台车为设备桥提供支撑力，同时在自制台车上加装皮带机主动轮和下料口，配合设备桥采用皮带机出土，提高施工效率。

（5）第五阶段

采用“龙门吊+ 小渣斗”的出渣方式，再次掘进9.6 m（6 环），接着吊装大土斗下井，改用“龙门吊+大渣斗”的出渣方式。继续掘进20 环（32 m），为后续1#、2#、3# 台车进入隧道提供空间。在此阶段，需考虑管线延长连接。

（6）第六阶段

将1#、2#、3#台车推入盾构隧道内，将自制台车调整至与3#台车相连，配合盾构机掘进26 环（41.6 m），至62 环。此阶段，4#、5# 台车仍留在暗挖隧道内，3#台车与4#台车之间加长管路连接。

（7）第七阶段

将4#、5# 台车推入盾构隧道内，6# 台车吊装下井并推入隧道内，自制台车调整至6# 台车后面，并将7# 台车的污水箱改装至6# 台车，无须使用7# 台车，进入正常掘进阶段。

（8）管线延伸托架装置的应用

为克服4 次分体始发过程中劳动力浪费，节约工期，项目盾构团队研发了一种管线延伸托架装置（见图5）。该装置包括底支撑杆、横支架、滚轴、限位杆和连接耳。其中，底支撑杆用于支撑横支架，与横支架焊接牢固，使其保持水平、稳定。连接耳焊接固定于横支架一端，连接耳需开圆形孔，与盾构管片螺栓连接固定，保证整个托架的稳定。滚轴主要用于减少管线延伸过程中的摩擦力，位于横支架上方，两端采用板型构件支撑，保证滚轴的运转空间。限位杆的主要作用是防止管线延伸过程中产生偏移、滑落，立于滚轴两端。该装置结构简单，能够实现快速安装并使用，且无须破坏管片结构，缩短分体始发管线延伸工作时间，避免耗费大量人力，提高分体始发施工效率，节约工期，并且可重复使用。

图5 管线延伸托架装置大样图

3.2.2 半环始发操作要点（1）管片拆除空间

为同时保证自制台车吊装下井及后期大土斗出渣的空间需求，计划对6 环负环管片进行拆除，分别拆除-8 环～-3 环，每环管片1.6 m，拆除总长度9.6 m，横向净空拆除尺寸拟为5.4 m。

（2）管片吊装

管片拆除过程中，为保证拆除效率，6 环管片拆除后分3 次拆除与吊装，2 块一组，中间通过管片螺栓进行紧固连接成整体。每组管片采用2 点吊装，即每块管片上中间设1 个吊点。吊点采用ϕ100 mm 水钻将管片打孔形成。

（3）负环管片加固

盾构掘进过程中，为使盾构姿态得到良好控制，现拟对已拆除的负环管片范围内采用ϕ609 mm 钢支撑进行加固，左右各一道，长度9.6 m，以管片中线对称布置，中心间距3 m，能满足大土斗出渣的空间需求。

3.2.3 上软下硬地层掘进参数控制要点

该隧道长度474.124 m（长链0.698 m），线间距13.5～16.5 m，隧道埋深约8.64～10.8 m，线路平面最小曲线半径为3 200 m，最大纵坡为-22‰。隧道主要穿越黏土地层，始发段前50 m 穿越上软下硬地层（上部黏土，下部凝灰岩）。

盾构在上软下硬地层分体始发过程中，通过以下措施可克服面临的难题。

（1）地质勘探

做好超前谋划，提前做好始发段地质补勘工作，详细了解地质情况，对盾构掘进施工参数提供强有力的保障。

（2）掘进参数的拟定与控制

通过理论计算，结合以往类似地层的施工经验进行实践数据分析，土压的设定要避免土压过小造成地层沉降变形过大，为1.1～1.3 bar。推力设定在1 700～2 100 T，并应根据参数实际情况进行缓慢增加，避免因推力增幅过大造成地层变形。刀盘扭矩设定在2 300～3 000 kN·m。由于在上软下硬地层，盾构刀盘受力不均匀，易造成较严重的磨损，故刀盘转速不宜过大，宜设定在1.2～1.4 rpm；推进速度宜设定在10～30 mm/min，避免造成刀盘磨损严重及盾构姿态偏差较大。

（3）出土量

由于盾构分体始发阶段时间较长，同时所处上软下硬地层地质不均匀，极易产生地层沉降。因此，盾构过程中需严格做好出土量控制。出土量控制采用重量、方量双控指标，依据理论基础计算出单环理论出渣方量，主要通过实测渣土密度和龙门吊称重系统进行渣土重量实测，宜控制在114～118 m3。根据监测沉降量，建立隧道上部地面沉降槽模型，结合设计要求隆沉量控制范围，求得地层损失率不得大于0.97%。

（4）同步注浆

严格按设计采取质量合格的普通酸盐水泥砂浆作为同步注浆材料，通过多梯度试验对同步注浆配合比进行筛选、优化，形成表1 所示配合比。

表1 上软下硬地层盾构分体始发同步注浆配合比

每环同步注浆量不少于9 m3，宜取9～10 m3，并根据地下水情况、盾构出渣情况进行动态调整。控制同步注浆压力宜控制在2～4 bar，注浆速度需与掘进速度相匹配。管片拼装及时，控制质量严格要求，同时利用管片凹凸榫保证管片拼装的整体性与质量。

3.2.4 技术参数总结

（1）掘进参数

针对上软下硬地层，根据地勘成果，结合以往施工经验拟定初始决定参数，再根据第一次分体始发决定经验，确定最佳掘进参数。盾构分体始发施工掘进参数参考表2。

表2 上软下硬地层盾构分体始发掘进参数

（2）二次注浆

选用水泥、水玻璃双液浆，水灰比0.8∶1～1∶1（质量比），水泥浆∶水玻璃=1∶1（体积比）。管片脱出盾尾3 环后，立即进行二次注浆，每环二次注浆量0.3～0.7 m3，注浆压力不小于1 MPa。洞门封堵止水环施做选用水泥、水玻璃双液浆，配比同上，起到封堵后方、保证后续同步注浆效果的作用。同时通过二次注浆，能够防止隧道渗漏水及控制管片上浮的现象。

（3）渣土改良

上软下硬地层始发掘进过程中，渣土改良不佳时，易出现盾构姿态难以控制、蛇形掘进、管片破损、土方超挖等情况，进而导致掘进参数异常，严重影响盾构正常掘进。为确保渣土具有良好的和易性、流动性，针对地层特点，选用优质泡沫进行渣土改良。同时备好聚合物添加剂，如果存在地下水较大，可在泡沫原液中加入一定的聚合物进行渣土改良。盾构掘进控制方面，控制螺旋转速与土仓压力匹配，加强渣温管理，动态调整渣土改良剂配比和注入量。

3.2.5 上软下硬地层盾构分体始发技术措施

3.2.5.1 盾构掘进技术措施

根据以往施工经验和相关理论，结合本工程的具体情况，采取以下盾构掘进技术措施：

（1）采用隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。

（2）根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向[2]。

（3）严格控制盾构出渣量，避免超挖造成地表沉降。

（4）本区间主要穿越黏土地层，在掘进过程中，需做好地质预测，合理控制掘进参数，优化渣土改良，防止出现结泥饼现象。

（5）区间始发段前50 m 穿越上软下硬地层，应合理控制推进压力及掘进速度，避免出现蛇形掘进、姿态偏差过大。

（6）该隧道始发段为22‰大纵坡掘进，且大部分处于黏土地层，应合理掘进姿态，适当保持上仰，抵消盾构机栽头趋势，避免姿态偏差过大。

（7）通过调整各组推进油缸的压力来实现盾构掘进姿态调整与纠偏。一般情况下，盾构机如果偏离设计轴线20 mm，即进行纠偏。纠偏过程应逐步进行，不能一次到位，每环纠偏量水平方向上不超过2 mm，竖直方向上不超过3 mm[3]。

3.2.5.2 管片拼装技术措施

（1）拼装前，先测量盾尾间隙，根据实测的数据，选取合适的管片拼装点位。

（2）拼装前，清理上一环管片上的泥块和泥浆，保证环面清洁、无渣泥。

（3）拼装时，保证初衬砌环圆度，推进油缸的伸缩顺序应与管片拼装顺序一致。

（4）螺栓三次复紧。每环推进结束后，须拧紧连接螺栓。在下环推进时复紧一次。每掘进完成3 环，对10 环以内的管片连接螺栓复紧一次。

3.2.5.3 壁后注浆技术措施

（1）经过多次配合比试验，选择最合适的同步注浆浆液配合比，确保浆液初凝时间与盾构掘进速度匹配，避免产生管片上浮或偏移。

（2）盾构掘进过程中，合理控制同步注浆量和注浆压力，保证管片壁后空隙填充饱满。

（3）根据现场实际情况，选择合适的二次注浆频率。若出现渗漏水，及时采取二次注浆。

3.2.5.4 监控量测技术措施

为准确了解盾构始发时地面的变形情况，为盾构施工提供依据，做到信息化施工，在盾构始发段监测采取如下措施：

（1）加强暗挖隧道内的净空收敛、拱顶沉降和地表沉降监测，每日形成监测日报，及时发布监测数据信息。

（2）建（构）筑物沉降监测。盾构施工过程中，加强对端头处龙门吊基础、地下管线、周边建筑的监测。

（3）增加监测频率。施工前，应对原数据进行多次观测，取其平均值作为原始数据，确保原始数据的准确。在盾构穿越其间在原有的监测基础上增加监测频率，待盾构穿越后沉降趋于稳定后，逐渐减少监测次数。

（4）测量的数据应及时汇总上报工程部，以便于及时了解施工现状和相应区域的变化情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构操作手，使盾构推进及时作相应调整，确保盾构隧道的施工安全。

（5）采取信息化施工

a. 监测信息的反馈。监测信息实时反馈，盾构施工监测信息按照规定的监测频率及时反馈。

b. 监测分析。根据监控量测数据进行实时分析和阶段（周/ 月）分析，对地层的扰动情况、盾构隧道的安全状态等进行科学合理的评价，并提出相应的建议。盾构施工监测为常规监测项目，主要针对地面加固施工及盾构施工影响范围内的地面沉降、盾构隧道结构净空收敛、拱顶沉降监测。

c. 信息化施工。根据监测数据及分析结果，动态调整施工参数，采取针对性的技术措施、应急措施，或按照应急预案启动相关应急程序。

4 结 语

为保证盾构分体始发施工万无一失，施工前，提前针对始发段上软下硬地层采取地质勘探工作，结合理论基础，为后续的盾构盾构施工参数控制提供了强有力的理论保障。

（1）本工程案例的成功实施，关键在于充分的前期准备。施工前，进行了详细的施工调查，精心策划、科学组织与论证，及时、充分征求了业主、公司的宝贵意见，以此为基础进行了科学合理的施工工艺优化。

（2）小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工的施工安全，关键在于加强吊装风险管控、减小盾构施工扰动、控制盾构掘进参数，控制地层沉降。

（3）本工程案例的成功实施，离不开简洁实用的发明创造。针对盾构分体始发过程中的出渣问题，自制了简易台车。针对盾构分体始发管线延伸的难题，发明了一种盾构分体始发管线延伸托架装置。针对始发空间狭小，垂直运输困难，采取了小土斗出渣方法、半环始发的形式等。该工程实例的上述一系列关键技术、工程实践经验及良好的发明创造，可在类似工程中推广应用。