1、浅析盾构设备与土木工程接口郭卫社(中铁隧道集团有限公司，洛阳)摘 要 文章在总结国内城市地铁盾构施工经验的基础上，从不同的角度综合论述了在盾构隧道施工的不同阶段应该注意的设备与土木工程接口的几个问题关键词 盾构 设备 土木 接口随着地下空间的开发与利用，盾构工法在我国得到了越来越广泛的应用。盾构工法与传统的钻爆法相比具有自动化程度高、对城市居民和建筑物的影响小、在软弱地层中有利于控制地表沉陷、安全性高等优点。但盾构是集液压、机电于一体，附带若干配套设备的庞大机器，如果在设备选型和制造时与土木工程接口考虑不周全或不充分，将会给日后的施工带来极为不利的影响，甚至造成设备无法正常使用：在总结广州、南
2、京地铁盾构施工经验的基础上，本文对盾构设备与土木工程接口的几个问题作以下简要叙述。l 盾构始发时设备与车站结构接口盾构始发有地面始发和洞内始发两种方式。洞内始发即后配套拖车在车站结构内组装并与主机连接好，拖车依次尾随主机通过反力架。洞内始发便于快速形成生产能力，一般有条件的情况下均采用这种方案。洞内始发时应注意以下两方面的问题：(1)车站结构设计阶段要充分考虑盾构洞内始发时设备要求的最小横向尺寸，如图 1 所示。以广州地铁二号线(越三)区间隧道盾构工程为例，盾构从三元里车站洞内始发，而三元里车站的 A 却为 225 nl，小于 D2=27 m(图 1)：在设备监造开始时车站围护结构早已施作完毕
3、，主体结构已开始施工，通过业主与设计方协调改变设计已不可能，而拖车设备的最大尺寸如图 2 所示，因此，洞内始发时由于结构尺寸 A=225 m 的限制，后配套拖车轨道中线势必与线路中线不重合，而门型反力架中心线必须与线路中线重合才能保证盾构主机沿着设计轴线正常始发。拖车要顺利通过反力架其轨道必须设一 S 形平曲线，同时拖车上自勺部分设备还要拆除横移，所有这些都增加了施工难度，造成了工期上不必要的损失。 因此，只有满足图 1 要求，才能保证盾构洞内始发时拖车上的设备不偏移、轨道不设曲线、符合快速直线始发要求。(2)车站结构设计阶段应选择合理的满足盾构始发要求的底板标高，一方面使盾构主机能够以合理的
4、姿态始发，另一方面使拖车能够以平坡顺利始发，不设竖曲线：盾构主机始发时，为了避免洞口段主机下沉和减小管片环缝错台，一般盾构主机在始发基座上都有一个预留的抛高值，加之洞口止浆封堵设施的安装要求。一般在盾壳与工作井井底之间需要一个空间 ， 一般为 50 cm。=(R 环 R 盾 )+M+N-C式中，R 环 洞门预埋环外径；R 盾 盾壳外径，(尺环 斥盾) 通常为 31 cnl；M压皈下拉所需空间尺寸，M=16em ；N预留空间尺寸， N=5 cm；C盾构机预留抛高值，一般取 2 cm：为保证盾构机以合理姿态始发，最佳 6 勺盾构工作井井底标高为： 井底 = 隧轴 （D 盾 /2+）式中， 井底 盾
5、构工作井井底标高； 隧轴 洞门里程处隧道轴线标高；D 盾 前盾盾壳直径；盾壳与工作井井底之间的空间尺寸，一般取 50cm。始发时拖车将依次通过反力架由站台层进入盾构工作井，如果设计中站台层底板标高未考虑拖车通过的需要，则极可能发生拖车通过时被门型反力架或负环管片卡住的现象，如图 4 所示。因为负环管片内径和门型反力架纵、横向尺寸均等于隧道内径(图 5)，而拖车的外轮廓尺寸一般仅比隧道内径小 10cm(图 2)，因此选择合适的站台层底板标高对拖车顺利通过反力架至关重要。由图 5 可见，保证拖车顺利下穿反力架、避免被卡的合理站台层底板标高为： 站台层 = 隧轴 D 盾 /2+h式中， 站台层 一车
6、站站台层底板标高； 隧轴 一洞门里程处隧道轴线标高；D隧道内径；h洞内拖车轨道轨枕底至隧底的间隙，通常为 10 cm。2 合理的出土井位置与尺寸盾构施工除泥水式盾构外，一般有两种出土方式：一种是通过盾构工作井出土；另一种是通过预留的专门出土井出土。前者由于工作井既要进料又要出土，施工干扰严重，出土效率低，造成作业循环时间长。采用专门的出土井方案则可以大大地减少施工干扰、提高出土效率、缩短循环时间，因此在条件许可的情况下建议预留出土井。 21 出土井的位置出土井位置应满足盾构洞内始发需要，即始发时后配套设备能够全部摆放在工作井与出土井之间，初始掘进产生的碴土可顺利地通过出土井提升到地面，在空间上
7、不受后配套拖车的影响，也就是说图 6 中的 L后配套拖车总长。至于出土井横向位置的确定应遵循以下几条原则：(1)出土井开口靠近侧墙时，应考虑侧墙抗弯要求，确保侧墙稳定安全；(2)要便于布置井下轨线，有利于垂直运输；(3)提升用门吊轨道基础中线应与车站结构承重柱中心线重合。22 出土井的尺寸出土井的尺寸应该满足碴车垂直运输的安全需要，根据煤矿安全规程，出土井的长、宽要求如下：E=碴车长+2 =碴车长+0 7；F=碴车宽2+2 +b=碴车宽2+115(双线垂直运输时)；F=碴车宽+2 =碴车宽+07(单线垂直运输时)式中：E出土井长度；F出土井宽度；井壁与碴车间的安全距离，=0 35 m；b碴车与
8、碴车间的安全距离，b=045 m 。3 洞口到达段管片防水与设备接口由于洞口到达段刀盘前方没有了反推力，不能提供足够的挤压力使管片环缝橡胶止水带变形密贴，从而使到达段管片防水成为整座隧道防水的薄弱环节。为了提高到达段管片环缝防水质量，传统的做法是在刀盘前打地锚，向刀盘提供反推力，同时在洞内通过管片吊装孔进行二次注浆加强止水效果。采用这种方法，盾构机每向前推进一循环，地锚即需要向前移动一次，重复打设，工序复杂繁琐，而且地锚可提供的反推力非常有限，因此对环缝橡胶止水带的挤压效果并不佳。另外由于每环管片只有 6 个左右吊装孔供二次注浆用，注浆加固体难以形成封闭的止水圆环（图 7） ，因此止水效果并不
9、好。为了切实提高到达段管片防水质量，笔者建议在 1#和 2#拖车上增加 24 组制动负压油缸，刀盘前围护结构拆除后利用负压油缸通过轨道向后牵制盾构主机，从而使推进千斤顶对管片产生足够的挤压力，原理如图 8 示。制动油缸方案与传统的地锚方案相比较具有工艺简单、自动化程度高及止水效果好、投入较小等优点，但在设备制造时必须对连接盾构主机和拖车的连接桥的极限受拉荷载进行检算和验证：4 环形间隙与盾构回填注浆盾壳外径与管片外径存在一个差值，盾构掘进一循环，管片脱出盾尾后即在围岩壁与管片外壁之间形成了一个环形间隙 。=（Dd）/2式中，D盾壳外径d管片外径。及时回填环形间隙有利于防止隧道周围地基变位，提高
10、隧道的止水性能，确保管片衬砌的早期稳定性。回填注浆系统一般分为两种：一种是同步注浆系统；另一种是即时注浆系统。同步注浆系统是指注浆回填与管片脱出盾尾同步进行，即在环形间隙形成的瞬间即注入浆液进行回填，使地层损失及时得到补充，如图 9 所示。即时注浆系统是指在管片脱出盾尾 58 环后，通过管片吊装孑 L 向环形间隙注入浆液或其他回填材料。这两种系统的优缺点及适用范围见表 1。表 1 回填注浆系统对照项目名称 同步注浆系统 即时注浆系统优 点 及时补充地层损失，有利于控制地层变形 作业时间安排灵活，施工干扰少缺 点 易发生堵塞 遇软弱地层时不利于控制地层变形适用范围 砂土、粘性土及全风化岩层，隧道
11、沉陷槽范围内存在对地 自稳性较好的微风化、中风化、强风化岩石地层等浆 液 惰性浆液 水泥砂浆由表 1 可以看出，根据工程的详细地质情况选择理想的回填注浆系统非常重要。为了有效地控制隧道周围地基变位，保证施工安全顺利进行，笔者建议在选择回填注浆系统时应遵守以下几条原则：(1)在选择盾壳外径和管片外径时应遵守环形间隙尽量小的原则，这对控制隧道周围地基变位极为重要。(2)在软弱地层中建议选用同步注浆系统，同步注浆管宜外置以减小环形间隙。(3)对于自稳性较好、环形间隙较小的情况可采用即时注浆。5 刀盘开口率与地层情况刀盘开口率是表示刀盘机械支撑区面积与非支撑区面积的关系指标，可用下式表示：0=AS/A
12、r式中， 0开口率； AS 刀盘面板开口部分面积(刀头投影面积不计 )；Ar 盾构开挖面积：刀盘开口面积越大，它给开挖面地层提供的支撑越小，刀盘对进入碴仓的碴土的阻力就越小。由于与地层摩擦阻力减小，转动刀盘所需的扭矩也就会随之减小。相反，刀盘开口率越小，则它给地层提供的支撑越大，刀盘对进入碴仓的碴土阻力越大，转动刀盘所需的扭矩也就越大。合理的刀盘开口率与隧道洞身通过的地质情况密切相关，另外开口形状还受地层粒度结构和施工条件的制约，很难一概而论，但总结国内外盾构施工经验般都如表 2 所示。表 2 刀盘开口率与地质情况对照项目名称 地质情况 开口率/%粘性土（泥岩） 2530砂质土 1520砂砾土
13、 2025洪积层软硬互层 2530粘性土 2025砂质土 1015砂砾土 1520冲积层软硬互层 20256 碴车、轨道及洞内运输设备与土木工程接口洞内运输设备不仅决定着出碴、进料等搬运作业，而且更影响着盾构掘进的速度：合理选择运输系统及设备需要考虑以下几个方面的因素：每循环的碴量，运输方法，作业循环时间安排，进料及设备器材数量等：盾构施工洞内运输系统一般有以下两种：重轨单线编组列车运输系统；轻轨四轨三线快速运输系统：61 重轨单线编组列车运输系统编组列车是指由大功率机车牵引 35 节碴车、两节管片车、一节进料车形成的一个列车编组，如图 10 所示。每循环的出碴、进料及运送管片任务可由编组列车
14、进出隧道一趟来完成，全隧道只需配备两组编组列车：62 轻轨四轨三线快速运输系统轻轨四轨三线是指碴土运输时为双线，外侧两根钢轨同时作为盾构拖车的行走轨道，在盾构机后设置浮放道岔以后，中间两根钢轨也可行车，如图 11 所示。装碴和运输时的车位状态如图 12 所示。这两种运输系统自勺优缺点和适用条件见表 3表 3 运输系统优缺点及适用范围对照项目名称 编组列车系统 四轨三线系统优点1、 工序衔接紧密、运输调度管理简单2、 纯掘进时间相对较长，容易形成快速生产能力3、 避免洞内铺设道岔，大大降低了掉道事故率1、 相对一次性投入较少2、 条件困难时可以取消专门的出土井，减少了设计接口工作3、 不需要专门
15、铺设拖车轨道缺点1、 对轨道标准要求较高（38kg 以上）2、 需要专门的出土井以发挥运输系统效率3、 大容量碴车、大功率起吊设备及牵引机车，一次性投入较大1、 洞内需要铺设浮放道岔。2、 掘进中停机次数多，在软弱地层掘进时不利于开挖面的稳定3、 工序衔接不紧凑，运输环节多适用条件或条件1、 隧道开挖直径在 56m 左右，月进度指标超过 200m2、 每循环进尺大于 1.2m，循环碴量超过60m3（松方）3、 有条件预留专门的出土井1、 隧道直径较少，月进度指标小于200m2、 每循环进尺小于 1.2m,循环碴量不超过 60m3。对于泥水式盾构，其碴土是通过管道泵送至地表的，洞内运输轨道及设备
16、的配备只需满足施工进料及运送管片的要求即可，在此不做详述。7 导向系统的选择隧道线形设计时一方面要考虑对地下管线和建筑物基础的保护：另一方面更要与盾构机导向系统的选配相结合，确保导向系统充分发挥效率：目前盾构机导向系统一般有光学式和陀螺式两种。光学式系统是由激光光源或红外线等发光设备与接收这些光的标板组成：陀螺式系统是由陀螺仪、盾构千斤顶行程计、俯仰计、偏转计和水准管式水准仪等构成：光学式导向系统是在盾构机后方隧道内的基点安放一台激光经纬仪，向盾构机内的标板发射激光，根据激光的方向与至标板的距离确定盾构机的位置状况：因此在曲线段掘进时，需要频繁地移动激光经纬仪以保证激光不脱靶，如图 13 所示：陀螺式导向系统的测量基点是相对于刚拼装好的管片而言，但因该管片位于盾构机内，在下一环推进时有可能发生移动。此外这种系统对盾构机的水平移动也难以监测，因此测量精度不稳定，需要人工定期进行补充测量。这两种系统的优缺点及适用条件见表 4。以上所述的七今问题是盾构施工前期策划时需要认真研究考虑内容的一部分。盾构工法是一种环节多、接口多、自动化程度高的工法，只有认真周密地做好没备与土木工程的接口工作，才能充分发挥设备的效率，保证盾构施工顺利进行。
