1、地鐵隧道盾構小半徑圓曲線始發施工工法中鐵九局集團有限公司 地鐵隧道盾構小半徑圓曲線始發施工工法中鐵九局集團有限公司孔海波 陳兆祥 石俊杰 于建軍 張潤文1 前言沈陽地鐵二號線第16合同段下上區間隧道為盾構法施工。區間隧道為單洞單線圓形斷面，線間距為1214米。區間線路呈“S”型穿越沈丹高速公路走行，曲線半徑為R350米和R400米；線路縱向呈“一”型坡，最大縱坡為24。區間隧道結構底最大埋深16米（覆土厚度10米），最小埋深9.6米（覆土厚度3.6米）。盾構始發段在曲線半徑為R350米的圓曲線上。盾構始發是隧道盾構法施工的關鍵環節，是盾構法施工的難點之一，始發的成敗將對隧道施工質量、進度、安全

2、、工期及經濟效益產生決定性的影響。曲線始發對施工技術的要求將更高，尤其是小半徑曲線始發更是難中之難。中鐵九局在盾構始發前多次討論和研究始發方案，多方案比選，計算機模擬，多次召開專家評審會，完善和修訂盾構始發方案，順利地完成了下上區間盾構小半徑曲線始發作業。由于施工方法得當，取得了顯著的社會效益和經濟效益。在施工過程中，通過我們的設計比選形成了一套施工速度快且安全可靠的地鐵隧道盾構小半徑曲線始發的施工方法，保證了施工的順利進行。在該工程完工后經對其施工技術完善總結形成工法。2 工法特點2.1 設計的始發線型簡明、實用；施工過程有效避免分體始發，減少投資，降低成本。2.2 掘進參數設置合理，盾構姿

3、態控制簡便；有效防止地面變形，避免因曲線施工造成地面的不均勻沉降，保證施工質量。2.3 減少曲線始發對盾構施工質量和進度的影響，節約盾構施工工期。3 適用范圍適用于線路曲線半徑大于260m緩和曲線或圓曲線的盾構始發施工。4 工藝原理4.1 合理選擇始發線型：盾構始發段包括盾構始發井全部處于小半徑曲線段（如R350m），盾構始發時在出始發架前和在加固區內只能沿直線推進，軸線偏差控制較為困難。合理選擇始發路徑是始發能否成功的一大難點和關鍵。通常是選擇割線始發。4.2 始發架和反力架的設置：曲線始發的重點之一是考慮盾構機糾偏調整的滯后性，通過計算盡早采用超挖刀、鉸接和區域油缸等措施調整盾構機姿態和掘

4、進線型，其必然導致盾構推進反力的大小和方向都具有較大的不確定性，始發架和反力架必須牢固可靠，能承受側向力的作用。4.3 負環管片拼裝：負環按照16點位置拼裝，螺栓緊固力36KgM，鋼絲繩拉緊牢固。在洞門處對負環管片增加剛性支撐，使管片能承受側向力的作用。4.4 盾構推進時各參數的合理選擇：盾構曲線始發不僅處于小半徑園曲線段（如R350m），而且處于縱向下坡段（如24），盾構姿態的調整和控制至關重要，始發掘進每一環推進時各參數的合理選擇是關鍵。5 施工工藝流程及操作要點5.1 施工工藝流程盾構小半徑曲線始發施工工藝流程見圖5.1確定盾構始發線型制作始發井、洞門、始發段主體土體加固、洞門防水、地面

5、配套設施施工測量點復核安裝始發架盾構機及后配套組裝安裝反力架盾構分項調試和整機空載調試盾構始發根據模擬結果調整盾構機掘進參數是否調至可控狀態否停機重新模擬調整參數是 盾構試掘進后正常掘進圖5.1 盾構小半徑曲線始發施工工藝流程5.2 施工操作要點5.2.1 確定盾構始發線型盾構始發時，在常規情況下，由于受始發架結構限制，只能沿直線推進。盾構機在曲線段始發時，選擇割線方式確定盾構始發中心線。割線尺寸按照下面要求確定（見圖5.2.1）：在+1環位置向內偏離隧道中心線80mm，在始發井后端位置向內偏離隧道中心線20mm，通過計算，盾構始發中心線（割線）在始發井洞口環端面位置尺寸向內偏離隧道中心線約1

6、07mm。圖5.2.1 盾構始發中心線（割線）隧道中心線和線路中心線的偏移量計算：隧道中心線=線路中心線-曲線偏移量。5.2.2制作始發井、洞門和始發段主體結構盾構始發井和洞門按照始發中心線（割線）為中心線制作。在制作始發段（比如明挖段）主體結構時，位于線路中心線外側的墻體結構應適當外放100mm，為盾構機后配套設備的安裝提供方便條件。5.2.3土體加固、洞門防水及地面配套設施施工為了確保盾構始發洞門圍護樁鑿除后洞門土體的安全和盾構始發階段其姿態的穩定，應結合水文地質狀況，采用旋噴與素混凝土樁相結合的聯合加固方案。同時，應考慮始發洞門與隧道軸線不垂直，為防止盾構始發時因刀盤受力不均而引起盾構跑

7、偏，應采取洞門加固體與盾構始發路徑垂直的措施。盾構始發洞門可采用常規的橡膠簾板密封方式，洞門注漿可采用盾構同步注漿裝置注入式，必要時可單獨預埋注漿管。為了防止盾構始發時磕頭，在始發洞門處安設具有足夠強度和剛度的導軌，并安放兩個鐵枕頭，洞門鐵枕頭比切口環外圓低20mm。在地面上安裝各種輔助設施。臨時設施包括：垂直運輸設備（龍門吊）及軌道，渣土坑，管片存放場地，同步注漿砂漿站，砂子，膨潤土，粉煤灰，水泥等各材料存放料庫，膨潤土池，電瓶充電池等。其中，垂直運輸設備的安放要滿足提運管片和出碴的需要。管片存放場地至少要滿足一個班組的施工需要。砂石料庫要滿足防潮、防火，必要時還要考慮到冬季施工的保暖需要。

8、5.2.4 測量點復核在進行盾構始發施工前，對車站內（或始發段內）導線控制點進行復測。5.2.5安裝始發架確定始發架安裝尺寸的三項要求：（1）始發架中心線與盾構始發中心線（即割線）重合。（2）始發架高程與隧道設計坡度一致，但比設計高程提高20mm。（3）根據始發井結構和盾構機尺寸確定負環數量（比如對于1.2米管片通常負環數量為9或10環），按照+1環在洞口的位置尺寸（通常位于洞口環內約400mm），計算盾構機的位置，以此確定反力架和始發架的安裝尺寸。在確定盾構機位置時要充分考慮到割線始發時，盾構后配套臺車對始發段和負環凈空的影響，避免凈空交叉。始發架和反力架牢固地與始發井底板的預埋件焊接，并在

9、側面設鋼支撐，以確保其在盾構始發時不滑移，防止曲線推進時的側向力作用。 為了確保盾構始發成功與安全，反力架必須采用具有足夠強度和剛度的組合型鋼框架結構，并考慮該反力的不均勻性和最不利因素。5.2.6 盾構機及后配套設備組裝在吊入盾構機前應對始發架位置尺寸復核，確保位置正確和穩定。按照盾構機吊裝專項施工方案進行盾構機和后配套設備的吊運和組裝。盾構機在曲線段安裝時，由于盾構機擺放在割線上，而雙梁（連接橋）等后配套設備擺放在曲線上，其間夾角加大；曲線半徑越小，夾角越大；這給雙梁（連接橋）和工作臺的連接增加困難。在有些工況下，只能懸掛處理。5.2.7 盾構分項調試和整機空載調試按照盾構機現場驗收標準和

10、各系統標準參數調試，并記錄調試結果。5.2.8盾構始發盾構始發前，加固區取樣：土體強度檢驗和地下水位測量。對于埋深較深的洞門處，在始發前要進行地面降水，降水水位要在洞門以下500mm。降水到位之后拆除洞門維護樁，并盡快推進以防前方土體塌陷。盾構始發掘進分三個階段：第一階段20環，第二階段30環米，第三階段30環。第一階段為糾偏階段，掘進長度20環，日進度按照24環控制，土壓推力按較小值進行設置（比如土壓0.07MPa，推力5000KN左右），刀盤扭矩控制在30%以下，轉速控制在1檔（0.3rmp），推進速度在0.5cm2cm/min,推力中心設定在曲線外側下方，并使用超挖刀和鉸接裝置對盾構機進

11、行糾偏，控制平均每環調整量（比如在37mm至20mm），注漿量設定為不低于3 m3/環。超挖量和位置確定：超挖量按照曲線半徑大小計算，通常選擇100mm；超挖位置通常選擇刀盤在1、2、3環位置左右同時超挖，在4-10環時只在曲線內側超挖；在盾構機姿態調整好后停止超挖。鉸接裝置可以在負1環到正3環之間逐步開啟，具體的開啟時間和每環開啟量按照計算確定，通常每環的開啟量0.3度。第二階段為試掘進階段，掘進長度30環，可視地表、地層變化情況，將日推進速度增加至6環左右。對密封土倉內刀盤轉速、壓力、推進速度、千斤頂推力、注漿壓力及注漿量等諸項，分別采用三組以上不同的施工參數進行試驗掘進。通過對隧道沉降、

12、地表沉降的測量和數據反饋確定一組合理的施工參數。采用已經掌握、適用的各項參數值，通過施工監測，施工參數作出慎密細致的調整，取得最佳的施工參數。推力和土壓按照現場實際情況計算得出，此階段按照計算推力進行掘進。刀盤扭矩控制在50%，轉速設定為2檔3檔，推進速度在1cm3cm/min，推力中心設定在曲線外側下方，微調鉸接裝置對盾構機進行糾偏，確保盾構機沿圓內線行走。注漿量設定為3m3/環。第三階段為正式掘進施工的準備階段，此階段計劃控制日掘進速度為10環左右，按照第二階段的結果設定土壓、推力，刀盤扭矩控制在70%，轉速設定為檔，推進速度在4cm/min左右，推力中心設定在曲線外側下方，視前一階段糾偏

13、情況調整鉸接和區域油缸推力。注漿量設定為3m3/環。通過80環的始發推進階段，完成對隧道的軸線控制，避免了圓曲線始發對施工的影響，對管片拼裝質量有了具體的保證措施，進一步優化了施工參數，并能根據地下隧道上覆土厚度、地質條件變化、地面附加荷載等變化情況，適時調整出盾構掘進參數，為整個區間隧道施工進度、質量管理奠定良好基礎。5.3 勞力組織勞動組織見表5.3表5.3 勞動組織序號工種人數備注1值班經理1負責全面組織協調2值班工程師1負責日常施工技術3班長1負責日常施工管理4盾構司機2負責盾構機的推進工作5電工2電路部分的維護和修理6機修2對機械部分的維護和修理7龍門吊司機18砂漿站攪拌31名攪拌工

14、，2名上料工9井上掛鉤210井下掛鉤211電瓶車司機2管片車1名，渣土車1名12道岔工113管片拼裝41名負責拼裝，3名負責安裝螺栓及復緊14單雙梁工2負責管片運輸等工作15力工3接軌道、走道板等16倉庫117測量3管片測量和導線測量總計33注：施工作業中24小時中分為2個班次，表中為每班必須配置人數，白班由于工作量較大，機修可適當增加2人。6 材料與設備主要機械設備見表6。表6 機具設備序號機具名稱規 格數 量用 途1盾構機62501臺盾構隧道的掘進2千斤頂100t2臺組裝盾構機3千斤頂200t2臺組裝盾構機4挖掘機1輛出渣裝車5電瓶車電瓶充電式2輛渣土、管片、砂漿及其他物料的運輸6砂漿站自

15、動式1座同步注漿的攪拌7龍門吊32/5t1座管片及渣土的倒運8全站儀TR4021臺控制軸線方向9水準儀S31臺控制水平高程7 質量控制7.1 執行標準7.1.1 嚴格執行盾構法隧道施工與驗收規范（GB 50446-2008）和地下鐵道工程施工及驗收規范（GB50299-1999）。7.1.2 隧道軸線允許偏差值表7.1.2 隧道軸線和高程允許偏差和檢驗方法項目允許偏差（mm）檢驗方法檢查頻率地鐵隧道公路隧道水工隧道隧道軸線平面位置5075100用經緯儀測中線1點/環隧道軸線高程5075100用水準儀測高程1點/環7.1.3 管片拼裝允許偏差值表7.1.3 隧道軸線和高程允許偏差和檢驗方法項目允

16、許偏差（mm）檢驗方法檢查頻率地鐵隧道公路隧道水工隧道襯砌環直徑橢圓度5D6D8D尺量后計算4點/環相鄰管片的徑向錯臺568用尺量4點/環相鄰環片環面錯臺679用尺量1點/環7.2質量控制措施7.2.1 始發前檢查地層加固的質量，確保加固土體強度和滲透性符合要求。7.2.2 盾構始發前要根據地層情況，設定一個掘進參數，開始掘進后要加強監測，及時分析、反饋監測數據，動態地調整盾構掘進參數。7.2.3 在進行始發架、反力架和-9環管片的定位時，要嚴格控制始發架、反力架和負環管片的安裝精度，管片的后端面應與線路中線垂直，負環管片軸線與線路中心線重合。7.2.4 始發架導軌必須順直，嚴格控制其標高及中

17、心軸線，組裝前在基座軌道上涂抹油脂，減少盾構推進阻力。7.2.5 始發前在刀盤和密封裝置上涂抹油脂，避免刀盤上刀頭損壞洞門密封裝置。7.2.6 始發前在盾殼兩側靠近始發基座處焊接防扭樁，克服刀盤旋轉時產生的扭矩，防止盾構機扭矩過大引起側翻。必須派專人觀察盾殼上焊接放扭樁的情況，當防扭樁接近洞門時及時割除。7.2.7 在始發階段要注意推力、扭矩的控制，同時也要注意各部位油脂的有效使用。掘進總推力應控制在反力架承受能力以下，同時確保在此推力下刀具切入地層所產生的扭矩小于始發基座提供的反扭矩。7.2.8 當盾尾完全進入洞門密封后，調整洞門密封，及時通過同步注漿系統對洞門進行注漿，堵住洞門圈，防止洞門

18、密封處出現漏泥水和所注將液外漏現象。7.2.9 嚴格控制盾構機的操作，調節好盾構推進千斤頂的壓力差，防止盾構發生旋轉、上揚和叩頭。7.2.10 推進過程中嚴格控制渣土排量管理，防止由于超挖造成地表沉降。7.2.11 加強地表沉降監測，及時分析、反饋監測數據，動態調整盾構掘進參數。7.2.12 在推進過程中，注漿壓力保持在0.20.4MPa，防止管片因注漿壓力過大造成管片破碎。8 安全控制8.1執行標準8.1.1 建筑施工安全檢查標準（JGJ59-99）8.1.2 建筑機械使用安全技術規程（JGJ33-2001）8.1.3 施工現場臨時用電安全技術規程（JGJ46-2005）8.1.4 建設工程

19、施工現場供用電安全規范（(GB50194-93)8.2安全措施8.2.1 所有進入施工現場的人員，必須佩戴安全帽，禁止非施工人員進入施工現場。8.2.2 負環管片應與反力架密實貼緊，其環面應與掘進軸線垂直。負環管片拼成上部開口，以形成上空運輸與井下水平運輸的通道，在負環管片開口段應有足夠的開口尺寸和穩固的支撐系統。8.2.3盾構始發前，在導軌上通環向前推進，直至盾構前端離洞門一定距離時停止推進，等待掘進。8.2.4 洞口封門拆除后必須盡快將盾構推入洞內，使盾構切口環切入土層，以縮短正面土體暴露時間。在洞口封門拆除前應做好拆除后能及時掘進、拼裝的準備工作。8.2.5 三級動火作業要審批，要做好措

20、施，證實不留火種后，作業者才準離開。氣焊等焊接工人不得把焊嘴對著其它工人或管線。8.2.6 起重作業工人不得擅離崗位，工作中必須集中精神，注意傾聽周圍有無異響，注意指揮信號，信號不明或可能引起事故時，應暫停作業，待弄清情況后方可繼續作業。8.2.7 盾構機操作人員必須熟悉設備的技術性能并持證上崗。8.2.8 對設備運轉時的動態應進行觀察、監控，發現異常情況應立即停止作業，待修復、調試后方可繼續運轉。8.2.9 電動葫蘆運輸管片時，操作應平穩，不得有過急、過猛等動作。運輸和拼裝前應檢查起重螺栓是否損壞，拼裝管片前，管片起重螺栓應擰緊，不得松動。8.2.10 管片拼裝機回轉半徑內嚴禁站人，安裝管片

21、的三個節點部位應有專人負責， 拼裝管片時，拼裝司機前面應無障礙物，拼裝司機應觀察全面，聽從專人指揮。在管片安裝支口平齊后，及時退出工作面，再有專人統一向拼裝機司機發出指令信號，拼裝機司機在得到指令后，方可進行下一道工序的施工。由于管片成弧形，加上可能發生的漏漿、滲水、油污等不利因素，構件上較滑，施工前應及時打掃、清理，防止人員滑倒摔傷。9 環保措施9.1 執行標準9.1.1 整個施工過程中，全面運行ISO14001環境保護體系標準，系統地采用和實施一系列環境保護管理手段。9.1.2建設項目環境保護管理條例9.1.3中華人民共和國水污染防治法實施細則9.1.4建設項目竣工環境保護驗收管理辦法9.

22、1.5關于有效控制城市揚塵污染的通知9.2 控制措施9.2.1 嚴格遵守國家和地方政府部門頒發的環境管理法律、法規和有關規定，根據客觀存在的粉塵、污水、噪聲和固體廢物等環境因素，實施全過程污染預防控制，盡可能減少或防止不利的環境影響。9.2.2 將施工場地和作業限制在工程建設允許范圍內，合理布置、規范圍擋，做到標牌清楚、齊全，各種標識醒目，施工場地整潔文明。9.2.3 對容易產生噪音的設備采取合理布局，加強設備潤滑和維護保養工作，并嚴格執行相應作業指導書和設備檢點規程，同時盡可能避免夜間施工，以減輕噪音對周圍生活環境和居民的影響。9.2.4 固體廢棄物按不同性質和類別分開存放，主要分為危險、不

23、可回收利用固體廢棄物、可回收利用固體廢棄物、生活和辦公垃圾等。9.2.5 棄土要運送至指定地點，防止對周圍環境進行破壞和污染。9.2.6 施工機械產生的廢油料及潤滑油等，必須集中收集進行處理，生產用油料必須嚴格保管，防止泄漏，污染土地。10 效益分析10.1 社會效益 本工法加快了地鐵盾構掘進的速度，減少了曲線始發對施工的影響，降低了施工成本，節約盾構施工工期。具有便于施工組織，容易保證施工安全和整體質量優等特點，取得較好的社會效益。10.2 經濟效益沈陽地鐵二號線十六標段的盾構區間，使用該工法進行施工，較其他方法節約成本81.92萬元 ，其中：工期節約20天，機械費節省31.82萬元，人工費節省4.5萬元，其他費用5.6萬元.施工中，質量