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盾构始发、到达关键施工技术问题分析

0 前言
盾构法因其施工快捷、安全性高、对地面交通干扰小、对底层沉降控制好、无须降水等优点，在各隧道工程中得到越来越广泛的应用。而始发、接收是盾构施工中最重要、风险最大的关键环节，也是盾构法施工的难点之一。本文结合盾构工程实例，重点对盾构始发、到达的快速施工技术进行阐述。
1 工程概况
石家庄城市轨道交通1号线体育场站~北宋站区间隧道全长936.54m，隧道内径5.4m，外径6.0m，盾构选型采用直径6.28m的土压平衡盾构机进行施工。盾构始发洞门埋深为11m，接收洞门埋深为10m，主要地层为粉细砂、细砂及少量粉质黏土，无地下水。
2 盾构始发、到达施工质技术
2.1 盾构始发技术
（1）盾构始发施工分类
根据破除洞门围护桩结构和防止开挖面地层塌陷的方法不同，目前盾构始发施工主要有以下几种类型，如图1所示，而端头加固方法主要有旋喷加固法、注浆加固法、冻结法、降水地层自稳法等。结合石家庄地铁的设计工艺而言，主要采用旋喷加固地层法，而注浆加固地层法则是对旋喷加固的一个补救措施。

旋喷加固地层法是采取旋喷桩对盾构始发端头既定范围内的地层进行加固处理，使开挖面地层能够自稳，随后将盾构推进到加固过的自稳地层中掘进。
在计划始发工法时，因石家庄市城市轨道交通1号线主要施工地层为粉细沙及粉质黏土层，设计施工盾构机均采用大开口率的全刮刀刀盘，该刀盘破岩能力差，故无法使用“直接切削临时墙法”始发。同时因拔桩法造价较高，目前石家庄地铁1号线始发、到达施工时主要采用盾构始发的方法。盾构始发加固范围如图2所示。

（2）盾构始发流程
盾构始发是指利用反力架和负环管片，将处于始发托架上拼装、调试完成的盾构机，由始发托架推入地层，沿设计轴线循环掘进的重复性较强的施工作业过程，盾构的顺利始发在施工中占有相当重要的位置，是盾构施工中的关键技术环节之一，其主要内容包括：主体施工时洞门钢环的定位及安装、始发前主体结构端头指定范围内地层的加固、盾构始发托架的定位和加固安装、盾构机的组装与调试、安装反力架、安装洞门止水帘幕与翻板、盾构姿态复核、拼装负环管片、业主单位组织现场验收、凿除洞门临时围护结构、盾构贯入开挖面建立土压和试掘进等。归纳起来，盾构始发流程可以分为准备作业、临时围护结构拆除、始发掘进3个过程，如图3所示。

①盾构始发准备作业
采用土压平衡盾构时，需配备水泥砂浆拌制设备、输送管路、储存设备、运输设备、出土设备、壁后注浆设备、搬运设备等。
始发准备作业包括始发架设置、盾构组装、门禁系统设置、反力架设置、后配套台车设置及管片储备等。
②拆除临时围护结构
因为盾构始发洞门的破除作业易造成地层坍塌，拆除前需确认地层的自稳性、止水性等的完好状况。随后本着对土体扰动尽可能小的原则，把围护桩分成多个单元，按照先两边后中间，先下边后上边的原则依次拆除，同时可视情况采取整桩吊出的方法，减少对洞门周边土体的扰动。拆除时要注意掌子面的稳定及必要的临时支护，拆除作业要迅速连续，实现短平快的原则。
③盾构始发掘进
围护桩拆除后，立即推进盾构，盾构进入地层后，对掘削面加压，同时密切观测与监控洞门处密封装置状况（橡胶止水帘幕和翻板），缓慢提高压力，直到预设压力值。盾尾通过洞门密封时，密封装置易改变状态，故要引起高度重视，通过盾尾要低速推进，盾构整体进入洞门后方可进行壁后注浆，封闭稳定洞门。
（3）盾构始发关键技术
①端头加固
端头地层加固是为了防止拆除临时围护结构时的振动影响，在盾构刀盘顶到掌子面并建立土压前，能使土体自稳，防止开挖面坍塌，出现地表沉降过大、坍方等，其目的主要有以下几点：
（a）加固土体满足设计强度要求。
（b）加固土体满足整体稳定性的要求。
（c）加固土体满足堵水和渗透性的要求。
（d）加固土体满足变形特征的要求。
盾构法施工中，端头土体加固是盾构始发、到达技术的一个重要组成部分，端头失稳、坍塌是盾构始发、到达施工的常见事故，端头土体加固成功与否直接关系到盾构能否安全始发、到达。因此，端头加固方法的选取、端头加固范围的确定以及端头加固效果的检测是保证盾构顺利始发与到达的关键。
端头加固土体不仅有强度和稳定性的要求，还要满足渗透止水的要求。石家庄地区地下水较深，可不考虑此要求。
②端头加固质量验证
为确保端头土体的加固质量，需对旋喷桩加固范围域内的整体性进行验证，目前一般采用垂直、水平钻孔取芯钻取加固土体，通过对其垂直钻取土体的完整改正性及所取土样“无侧限抗压”强度来判断土体的加固效果；水平钻取土体增强对土体加固效果的判定，同时验证土体加固的密闭性，有水地区的水平钻孔尤为重要，是必须严格实施的，若加固密闭效果不好，需对加固土体采取补注浆措施进行加固，直到密闭为止，方可进行始发或接收掘进，如图4所示。

③盾构机托架安装
托架是盾构机始发、接收的基础，它决定着盾构机始发时的姿态，是始发时需重点关注的要素之一。首先，在水平方向上，若是直线始发则托架应与线路轴线保持一致，若是曲线始发需根据曲线方向调整始发角度。在垂直方向上，为防止盾构机脱离托架后产生“栽头”现象，一般需将托架标高抬高2cm~3cm。而接收时为保证盾构机顺利驶上托架，需将托架降低2cm~3cm。
④反力架安装
盾构机反力架是盾构始发时的主要受力部件，其安全性至关重要，事发前需对其加固程度进行细致检查。具体要点如下：
（a）保证反力架稳固，应在车站土体施工时预先在车站底板及中板处预埋相应的焊接钢板。
（b）加固反力架时，将反力架支撑体系与之进行焊接，从而增加整体稳定性。
（c）根据隧道长度计算0环管片的里程，反算出反力架具体的安装位置，从而确保出洞后现。
（d）浇环梁的宽度满足设计40cm~80cm的需求。
（e）自行或委托具有相关资质的单位或个人，对反力架的受力情况进行模拟、检算，并出具相关具有法规效力的证明材料。
⑤洞门凿除方法
洞门凿除是盾构始发、接收风险最大的环节，施工中需高度重视。
始发时因施工场地限制，一般采用人工破除的方式进行洞门凿除，为了避免洞门凿除对车站周边地层造成挠动而造成塌落，围护桩钢筋混凝土凿除分两部分进行（如图5所示）。第一次凿除的时间为盾构始发前5天，第二次凿除的时间为盾构始发前8h。

同时，为了避免钻孔桩凿除时因土体失稳涌入车站而对作业人员造成伤害，围孔桩的凿除顺序需由下向上进行凿除，如图6所示。

接收时因施工场地较大，体育场站~北宋站区间采用了人工配合破机的方式进行凿除。首先盾构机刀盘掘进至距刀盘20cm~50cm时，在对车站主体围护桩进行凿除，以减少凿除过程中的安全性。
围护桩凿除采用人工手持风稿凿除，凿除工作通常分两步进行：
第一步，先清除表层喷射混凝土并割除钢筋网片及预埋件，表层凿除工作先上部后下部，钢筋预埋件割除要彻底，以保证预留洞门的直径。
第二步，根据洞门钢环内围护桩数量的情况，人工将钢环范围内的围护桩上、下两端进行剥皮处理，把钢筋外露出来，再将上下外露钢筋内的混凝土各清理50cm出来，使围护桩只用钢筋受力，然后采用起重设备吊住围护桩，人工采用氧气、乙炔先切割下部、后切割上部钢筋，把中间部分围护桩正体吊装至地面后采用小型机械对其进行破碎、机械装车外运至弃土场，人工清理场地遗留残渣。这样既增加了施工效率，也减少了机械破除震动对底层的扰动，体育场站~北宋站区间接收洞门因采取相同的方式进行施工，接收洞门凿除仅用时两天，就完成了施工。
⑥洞门密封设置
盾构机在刚完成始发或刚进行接收作业时，一般会因洞门密封不严密，造成同步注浆量及同步注浆压力不满足施工要求的情况出现，从而造成进洞后10环或出洞前10环管片出现大幅上浮、下沉现象。所以在进、出洞10环范围内为保证管片成型质量，需对进出洞各10环范围内管片采取措施进行加固，一般采用自行加工的“U”形连接件进行连接。同时，在此段施工时，需加强盾构标高测量，并且根据测量结果及时调整同步注浆及二次注浆，确保成型隧道满足设计要求。
洞门密封施工分两步进行：
第一，洞门结构施工时，加强标段间的沟通协调，做好洞门预埋件的预埋工作，预埋件必须按设计要求与结构的钢筋连接在一起。
第二，盾构正式始发、接收时，应先清理洞门处的渣土，然后进行洞门密封装置的安装。
洞门密封装置由帘幕橡胶、扇形压板或翻板、垫片和螺栓等组成。为了防止盾构进入洞门时刀盘损坏帘幕橡胶，可在帘幕橡胶外侧涂抹一定量的黄油。随着盾构向前推进随时对洞门密封压板或翻板进行调整，以保证密封效果。
⑦负环管片的拼装
负环管片拼装前，要组织标段相关人员对盾构设备、反力架、始发架等再次进行全面检查和自验。确认无误后，开始拼装负环向隧道方向推进。负环拼装应注意以下几点：
（a）在盾尾处盾壳内安装管片支撑垫块，为管片在盾尾内的定位做好准备。
（b）从下至上一次安装一环管片，注意管片的转动角度要符合设计要求。
（c）安装拱部管片时，由于管片支撑不足，要及时稳固管片。
（d）第一环负环管片拼装完成后，用推进油缸缓慢把管片推出盾尾，并施加一定的推力把管片垂直平压在反力架上。
（e）管片在推出盾尾时，要及时支撑加固，防止管片下沉或失圆。同时要考虑到盾构推进时可能产生的偏心力，因此反力架支撑的加固应尽可能地稳固。
3 结语
盾构始发、接收安全隐患比较大，在施工中影响端头加固效果的因素比较多，为保证盾构机的顺利始发、接收，通过对石家庄地铁目前盾构始发、接收部分案例的分析，本人梳理了以上盾构始发、接收作业过程的技术卡控要点，希望能为盾构施工提供一定的参考价值。

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