隧道/地下工程文章编号：1009 -4539 (2021) 01 -0146 - 04
王江华
(中铁卜九局集团轨道交通工程有限公司北京101300)
摘要：为解决土压平衡盾构机在富水细砂、砾砂层中小半径（R270 m)割线始发掘进的技术难题，以南昌地铁3 号线高新停车场出入场线区间为例，从盾构机割线始发技术控制、姿态控制、掘进参数设定等方面系统研究各过程注意事项.，其中，盾构割线始发技术控制包含始发割线设计、托架安装、反力架安装、洞门破除、负环管片安装等；
盾构割线始发姿态控制包含始发导轨托架姿态控制、负环姿态控制以及曲线段姿态控制等；盾构始发参数设定内容包含土压力值、出土量、同步注浆量等通过上述技术研究使得盾构在小半径施工条件下顺利始发，为类似工程环境下盾构始发提供参考， 关键词：盾构法施工割线始发技术姿态控制掘进参数
中图分类号：U455.43 文献标识码：A D O I：!0. 3969/j. iss n. 1009-4539. 2021.01.033
Research on Starting Control Technology of Shield Small Radius Secant
W A N G Jianghua
(C hina Railway 19'1' Bureau Grouj) Kail Transit Engineering Co. I.td., Beijing 101300, China)
Abstract：In order t o solve the technical problem of earth pressure balance shield machine (EPB) starting tunneling at the cutting line with small radius (R270m)in water-rich fine sand and gravel sand, with the entrance and exit line section of high-tech parking l o t of Nanchang Metro Line 3 as an example, the matters needing attention i n each process are systematically studied from aspects of shield machine cutting line starting technical control, attitude control, tunneling parameter setting, etc. Among them, the shield secant originating technology control includes originating secant design, bracket installation,counterforce frame installation, portal breaking, negative ring segment installation, etc. Starting attitude control of shield secant includes starting guide bracket attitude control, negative loop attitude control and curve segment attitude control,etc. Setting of shield starting parameters includes earth pressure value, excavation volume, synchronous grouting volume, etc. Through the above technical research, the shield can s t a r t smoothly under the condition of small radius construction, which provides reference for shield starting under similar engineering environment.
Key words：shield construction； secant originating technology； attitude control； tunneling parameter
1引言
在我国经济高速发展的今天，城市人口数量持续增加，随之而来的交通严重拥堵现象在大部分城市亦是屡见不鲜。现阶段国家大力发展城市 轨道交通建设，来逐步缓解城市拥堵现象，由此可 见，修建地铁对改善城市交通环境起到不可忽视的作用，也是我国城市发展的必经之路陈湘生院士也曾提出“建地铁就是建城市”的发展理 念3。然而地铁多修建在市区中心，施工区域周 边的建构筑物和管线错综复杂，场地施工条件不能满足常规方案要求的例子不胜枚举。本文以南 昌市轨道交通3号线高新停车场出人场线区间为 工程背景，结合国内外关于盾构隧道施工始发技
收稿日期：2020-06-18
基金项目：中铁十九局集团W限公司科技研发计划项目（16-17B)
作者简介：王江华（1980—），男，江西抚州人，高级工程师，主要从事城市轨道交通施工技术与管理工作；E-mail: 24丨8309丨@(丨q.r«m
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王江华：盾构小半径割线始发控制技术研究隧道/地下工程
术研究成果及应用情况[4_~，设计了盾构机割线 始发的施工技术，并对相关的施工工序及控制要 点进行了详细介绍。
2
工程概况及地质
2. 1
工程概况
南昌市轨道交通3号线高新停车场出人场线盾
构区间从梁万站东端始发，沿火炬大街东西方向敷 设，后转人高新五路，沿高新五路南北向敷设至高 新停车场盾构井。左线区间隧道长1 068. 393 m ，右 线区间隧道长1 084.907 m ，设计线路平面图显示最 小曲线半径R 270 m ，而后紧接K 350 m 反向曲线，区 间线间距8.7 ~ 13.62 m 。区间采用“V ”字型坡设 计，最大纵坡为9. 87%，隧道上方的覆土厚度平均 为5.4 ~9. 85 m ，地下水埋深为9.0 m ，地下水与赣 江水力联系较密切，地下水量较丰富。2. 2工程地质
高新停车场出人场线盾构区间隧道范围内地 质勘察报告显示主要地层有:①，杂填土、③，粉质 黏土、③2细砂、③4 粗砂（粗砂层为利用 孔资料揭露）、(D 5砾 砂、③6圆砥、③，泥 质粉砂岩，高新停车 场出入场线盾构区 间地质分布比例如 图1所示。
2.3周边建构筑物及地下管线
高新停车场出人场线区间始发井周边建构筑 物和地下管线众多，其中盾构掘进过程中需要下穿
建筑物主要有3L 医用制品有限公司联合厂房 (4层）、江西华星医学检验中心（7层）、江西银新实 业有限公司（3层），建筑物均为扩大独立基础，基础 埋深为地表下2. 0〜4. 1 m 不等。江西华星医学检验 中心和江西银新实业有限公司地下室与隧道净距仅 2.8 m 。出人场线区间上穿京东大道站至梁万站左线 已完盾构隧道，隧道外边线间距仅为3. 14 m ；区间下 穿既有涵洞，隧道顶部距涵洞底部间距仅4 m ，下穿 小1 800 mm 雨污水合流箱涵等市政管线，施工过程 中风险较大。
3技术控制3. 1
割线始发设计
高新停车场出人场线始发端曲线半径R 270 m ,
由于盾构机在未全部进人土体之前不能进行姿态 调整，结合现场实际情况，盾构机需要采取割线始 发方案。考虑区间明挖段始发井结构与区间线路 斜交影响，加之区间明挖段主体结构侧墙也为曲
线，盾构后配套台车需随盾构机整体形成K 270 m 曲线半径才能避免与侧墙干涉。通过施工图纸中 给出的各项曲线要素指标计算得出，区间隧道设计 轴线与明挖段侧墙夹角为2. 122°，设计割线始发点 位于曲线内侧30 mm ，如图2所示。
3.2托架安装
盾构始发托架采用预制钢结构形式，安装时除 考虑其自身中心线坐标轴线外，还需放样出始发托
架上的2条轨道中心线坐标，以增强始发托架定位 的准确性。始发托架的纵向坡度设置应与明挖段 主体结构18. 156%纵坡一致，且与始发托架的中心 线吻合。始发托架是承受盾构机自重荷载的主要 构件，而铁建重工生产的盾构自重约500 t ，为此明 挖段主体结构施工期间已在相位置提前预埋供始 发托架使用的钢板，在安装始发托架时，将预埋钢 板与其焊接牢靠，确保始发托架在盾构机掘进期间 的稳定性符合要求。3. 3反力架安装
高新停车场出人场线区间盾构始发时，由于反力 架与割线垂直，致使反力架与明挖段主体结构侧墙形 成相应的角度，为保证盾构推进时所需的反力，反力 架在设计时增加侧向400 mm 的工字钢斜撑在明
中华会务网挖段 结构底板的预埋钢板上，四周水平方向均支撑在盾构 井下卧段底板及侧墙上。在安装反力架前要求对隧 道轴线进行测量放样并与割线始发线型进行拟合，做 好标记标识，安装完成后对其偏差值进行复核，重点 控制隧道轴线竖直趋势与盾构姿态偏差。
■粉质黏土
I 细砂难耐的残酷
»粗砂 ■碎砂
图1
高新停车场出入场线 盾构区间地质分布比例图
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隧道/地下工程F .江华：盾构小半径割线始发控制技术研究
3.4洞门破除
在确认加固区良好、降水符合设计要求的情况
下，共分3个阶段进行洞门破除。首先，破除地连墙 背水侧混凝土保护层，再割除背水侧钢筋；其次，分 层破除剩余的混凝土结构至迎水侧钢筋；最后，对 剩余的迎水侧钢筋快速割除，并将盾构机迅速顶至 掌子面。洞门破除必须保持连续作业，尽量缩短施 工时间，以减少掌子面土体暴露时间。由于采用割 线始发，盾构机与端头墙之间会产生2. 12°夹角，为 防止盾构机接触掌子面时右侧先接触而造成刀盘 启动时扭矩过大，洞门破除时前进方向右侧迎土侧 要比左侧多向内破除约22 cm 。为防止盾体扭转， 须在始发导轨两侧的盾构壳体上每隔2. 0 m 采用 200 mm 工字钢加焊接防扭装置，随着盾构的掘进将 其割除，防止其破坏洞门密封系统。3. 5负环管片安装
负环管片拼装应选择整环方式。由于始发托架 轨道与管片外侧有125 mm 的空隙（盾构始发托架的 尺寸是按照盾构机的前盾6 250 mm 设计，管片外径 为6 000 mm )，外侧底部加设型钢支撑防止负环管片 全部脱出盾尾后下沉，并在始发托架导轨上用方木楔 紧，将负环管片托起，保证负环管片的稳定性。每环 管片脱出盾尾后，在管片外侧应及时用钢丝绳整环加 固并复紧螺栓，钢丝绳底部与始发托架固定牢靠，防 止负环管片产生位移，保证负环管片的真圆度。
4
姿态控制
4. 1
导轨姿态控制
盾构机始发托架端头受主体结构预留洞口、围
护结构地连墙及人防截水槽影响，当盾构刀盘超过
托架后有700 mm 距离没有托架支撑，盾构机因自 重会产生“栽头”现象，为避免此现象，应在7〇〇 m m 长度范围内用43钢轨将始发托架上的导轨延伸并 在导轨下部加焊20 mm 工字钢支撑固定。4.2 负环姿态控制
盾构机在始发托架上拼装负环阶段时，掘进区 域为预先完成的三轴搅拌桩+高压旋喷桩加固区， 地层相对比较稳定。此时盾构机还没有全部进入 土体，因此不能自行调整姿态，掘进方向只能保持 直线前行，应以低速、低压、稳定为原则，不影响铰 接的前提下前行。应及时复紧管片螺栓，避免负环 管片产生位移，影响后续管片拼装质量。4.3曲线段姿态控制
盾构机盾体完全进人土体后，也是正1环管片 的开始，盾构机可以适当调整掘进方向，向设计轴 线靠拢。当盾构调整掘进方向时，应以调整主推进 油缸为主，以调整铰接油缸为辅助，缓慢调节，稳步 逐渐向设计轴线靠拢。除此之外，还应考虑在曲线 段掘进时，盾构机的盾尾存在离心现象，为此掘进
方向应保持在曲线内侧25〜35 mm 之间为宜。
5参数设定
5.1 土压力值设定
高新停车场出 入场线区间始发端 盾构机上部处于细 砂层中，下部处于 砾砂层中，隧道顶 部埋深7 m 。土压 力计算示意如图3 所示。
5.1.1盾构顶部土压力计算
土压与水压之和为：Pr =y H +P 〇 = 19. 6 x 7 + 10 = 147. 2 kN /m 2
P = pgh = 1. 0 x l 〇' x 9. 8 x 0 = 0 kN/nr ^e l =KP t . + P , =0. 35 x 147. 2 +0 =51.5 kN /m 2 式中，h 为地表荷载，取l 〇 kN /m 2;P ,.为竖向土压 (kN /m 2 )
针织圆机
为水压（kN /m 2)
为盾构顶水平土压
力（MPa ) ;y 为砂土容重，取】9. 6 kN /m 3;//为隧道顶 部埋深，取7 m
为土层的静止侧土压力，取0. 35。
5. 1.2盾构中部土压力计算
土压与水压之和为：
Pe =yH +P 0 = 19. 6 x 10 + 10 =206 kN /m 2 Ps =pgh = 1.0 x 103 x 9. 8 x 1 = 9. 8 kN /m 2
Q ^2 =KP , +P =0. 35 x 206 +9. 8 =81.9 kN /m 2 式中，为盾构中部水平土压力（MPa ) D 5. 1.3盾构底部土压力计算
土压与水压之和为：
pr =yH +PU = 19. 6x 13 +10=264.8 kN /m 2
Pa =pgh = 1.0 x 103 x 9. 8 x 4 =39. 2 kN /m 2 Q e 3 =KPe +PS =0. 35 x 264. 8 +39. 2 = 131.9 kN /m 2 式中，为盾构中部水平土压力（MPa )。
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王江华：盾构小半径割线始发控制技术研究隧道/地下工程
5.2出土量控制
盾构出土量计算应考虑土体的松散系数，始发 期间盾构主要在细砂和砾砂层中掘进，故松散率按 1. 1 ~ 1. 15倍考虑，则每环理论出土量为：
Q = ir x R~x1.2 = t t x3. 14' x \. 2 -37. 15 m3
即每环实际出土量应为40.9 ~42. 7 m3。当出 土量小于限值时，再次掘进时应适当减小土仓内的 压力设定值，一般调整量控制在〇.2 bar之内，并加 强地表监测数值的变化情况；当出土量大于限值 时，应立即停止出土，关闭螺旋输送机及闸门，同时 加密地表监测，分析地表沉降数值和变化速率，如 果沉降过大，需加大土仓压力设定并采取地表径向 注浆等措施，直到地表沉降数据控制在设计规范允 许的范围后方可复推。5.3同步注浆量控制
取静水压力的1. 1 ~ 1.2倍，则实际静水压力为 1=0. 12 MPa，注浆压力为：
0• 12 x(1. 1 〜1.2) =0. 132 ~0. 144 MPa。
下部孔的压力比上部孔略大(0.5 MPa左右）为 0. 182 ~0.丨94 MPa。每环理论注浆量为：
Q0-[(7r'x D2)/4-T T X-d')/4] x L-
[(t t x6.282)/4 -tt x 6.02)/4] x l.2=3.24 m3始发期间盾构主要在细砂和砾砂层中掘进，计 算扩大注浆量时，考虑2 ~ 2.5注浆扩大系数，则实 际注浆量为：
Q=3.24 x (2 -2. 5) =6. 48 ~8. 1m3
5.4掘进参数设置
盾构机始发掘进参数设置详见表1。
表1盾构机始发掘进参数
序号施工区段土压/bar 刀盘转速/
(r.inin-1 )
掘进速度/
(m m•m i n"1 )
推力/k N扭矩/(k N-m)备注
1负环段00.810 3 000<1000不建土压2加固区段0.2 1.010-30 5 000< 1500中部土压3出加固区至+30环0.6 1.230 ~408 ()00 ~ 11 000 2 000屮部土压4+30环及以后区段0.6〜1.0 1.440-6012 000 ~ 15 000<3 000中部土压
6结束语
城市轨道交通工程盾构法施工越来越受到人 们的推崇，同时也是常采用的施工工法，但更多时 候受施工场地条件制约，盾构机不能按照常规方案 始发。南昌市轨道交通3号线高新停车场出入场线 区间施工期间，在总体技术控制上严格把关，控制 好每一道工序的施工质量，重点对始发托架安装、反力架安装的精度进行反复校核，对其加固质量进 行核验，对割线始发设计方案进行反复拟合匹配，最终保证盾构机顺利始发。
通过实践证实，盾构机割线始发在高新停车场 出人场线区间应用，不仅提高了盾构始发掘进速度，减少施工过程中不必要的停机调整盾构姿态，过程中姿态偏差满足设计规范要求，同时也验证了 方案的可行性，较好地解决了盾构机在特殊环境下 始发难题，为类似工程提供了可借鉴的经验。
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