小半徑曲線段盾構始發施工工法

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》是中國建築一局（集團）有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是黃常波、李鐘、牛經濤、張峰、牛晉平；適用範圍是帶超挖刀的鉸接式土壓平衡盾構機在設計線路轉彎半徑不小於300米的曲線始發。

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》主要的工法特點是糾偏能力強；糾偏曲線擬合在CAD軟體上進行，清晰直觀；糾偏節點和糾偏參數設定合理；利用空間偏移和盾構機本身的糾偏設計。

2008年1月31日，《小半徑曲線段盾構始發施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：小半徑曲線段盾構始發施工工法
• 工法編號： YJGF217-2006
• 完成單位：中國建築一局（集團）有限公司
• 主要完成人：黃常波、李鐘、牛經濤、張峰、牛晉平
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

盾構是2005年前捷運隧道施工採用的主要方式之一，該施工技術的關鍵是盾構機始發進洞。由於絕大多數盾構都是在車站始發，區間開始為直線段或緩和曲線，所以只需按照線路方向直線始發則可。但是，較小的曲線半徑，能夠較好地適應地形、地物、地質等條件的約束。在上海、北京這樣的城市，隨著社會經濟的快速發展，高層建築、高架橋等設施大量興建，其深樁基對軌道交通選線形成很大的約束。此外，一些需要保護的古建築、古樹、防汛牆樁基、大型污水管等也在一定程度上影響線路走向的選擇。在這樣複雜的約束條件下，縮小曲線半徑可以大大減少工程拆遷量。有時，如果遇到高層建築群，一處曲線採用大、小半徑引起的拆遷工程費差異達數千萬元甚至上億元因此，盾構始發進洞就不可避免地處在較小的曲線半徑上，研究小曲線半徑盾構始發技術對於降低城市軌道交通造價、改善運營條件、降低運營成本具有極其重大的社會意義與價值。

北京捷運四號線工程角門北路站至北京南站盾構區間工程就是在設計線路為350米半徑圓曲線段上的豎井始發進洞，保證開挖隧道軸線在規範允許範圍內是一具有相當重大的技術難題。通過多次曲線擬合，結合施工曲線，中國建築一局（集團）有限公司成功摸索出了《小半徑曲線段盾構始發施工工法》，為小曲線盾構始發積累了經驗，對中國軌道交通事業的發展有著深遠的意義。

工法特點

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的工法特點是：

1.糾偏能力強，在350米小半徑圓曲線線路上的實際推進軸線與設計線路誤差控制在規範允許值內。

2.糾偏曲線擬合在CAD軟體上進行，清晰直觀。

3.糾偏節點和糾偏參數設定合理。

4.充分利用了空間偏移和盾構機本身的糾偏設計。

操作原理

適用範圍

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》適用於帶超挖刀的鉸接式土壓平衡盾構機在設計線路轉彎半徑不小於300米的曲線始發。

工藝原理

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的工藝原理敘述如下：

盾構機在始發機座上不能開鉸接和採用分區油壓差來進行曲線糾偏，只能直線推進，因而小半徑曲線段盾構機始發主要是通過對盾構機始發軸線向曲線內側的旋轉和偏移在始發段盾構機長度範圍內直線推進，過該直線段後用比設計轉彎半徑小的實際推進曲線來擬合設計曲線，充分利用盾構機自身的糾偏設計如超挖刀、鉸接、分區油壓差等，再加上合理的管片選型來保證實際推進曲線與設計曲線偏差在規範允許的範圍內。

施工工藝

• 工藝流程

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的工藝流程是：

曲線擬合→安裝始發機座→組裝盾構機及後配套→安裝反力架→直線推進→曲線推進糾偏。

• 操作要點

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的操作要點如下：

一、曲線擬合

1.根據設計線路與豎井的平面關係確定進洞盾構機長度範圍內實際推進直線的軌跡，以經過設計圓曲線與洞門交點的切線為基線，繞交點向曲線內側旋轉，以直線與設計圓曲線偏差值不超過規範允許值為衡量指標，反向延長到豎井暗挖洞門作為始發軸線，結合考慮盾構機、始發機座、反力架和與豎井的空間關係，修改基線旋轉角，找出滿足上述要求的始發軸線。

2.由於始發軸線在曲線內側，盾構機直線進洞後如果還是按照設計圓曲線半徑推進將出現實際推進線路與設計線路偏差逐漸增大的情況，所以在實際推進中採用比設計半徑小的圓曲線來擬合設計線路，待盾構機回到設計線路上來且有向設計線路另一端反向增大的趨勢時回歸到設計半徑，隨設計線路正常推進。

二、安裝始發機座

1.測量放線，在豎井地板放出在電腦上擬合好的始發軸線。

2.分體始發機座在地面上用高強度螺栓連線拼成整體，選擇合適吊點往豎井下放，機座中線與始發軸線重合，確認機座高程無誤之後，將其與底板預埋件牢固焊接。

三、組裝盾構機及其後配套

1.豎井及暗挖隧道里舖軌並放下電瓶車，將在地面組裝好的後備台車吊入豎井並用電瓶車拉進暗挖隧道進行台車之間的連線。

2.利用龍門吊及大噸位吊車按組裝將本體部分一一吊入豎井中已定位好的始發機座上進行組裝。

3.在機械組裝的同時穿插電氣及液壓連線。

4.組裝完畢之後對盾構機進行整體調試檢查各部件的運轉情況。

四、安裝反力架

在調試的同時進行反力架的安裝，反力架由立柱、橫樑加水平撐斜撐用高強螺栓法蘭連線而成，各組成部件均採用箱梁內外加肋板的形式極大提高了實際承載力。安裝時按照定好的始發軸線，找準反力架中心高程將下橫樑定位，依次組裝左、右立柱，上橫樑及支撐，由於推進軸線的旋轉將在反力架水平撐與豎井壁之間形成揳口，並須用鋼板將此口密實形成良好的傳力體系。

五、直線推進

1.負環採用通縫拼裝模式，封頂塊放在12點位置，便於始發完畢之後拆卸。拼第一環負環的A塊時，在盾尾下半圈千斤頂之間的間隙內焊20的圓鋼，保證第一環負環拼裝完後有良好的盾尾間隙並且在推出盾尾時不會拉壞盾尾密封刷，當水平尺的氣泡居中與縱向螺栓孔連線重合時用事先做好的定位板將第一塊管片固定，然後依次拼裝其他塊，成環之後將其推出頂到反力架為後續推進提供反力，最後啟動油脂泵將三道盾尾密封刷之間的間隙填滿。

2.開始推進時由於刀盤與掌子面還有一定距離，此時盾構機重心前移，易產生栽頭，必須在洞口鋼環處做一段導軌支撐盾構機順利進洞。

3.在盾構機接觸到掌子面時開始旋轉刀盤切削土體，加大推力，待土倉充滿土建立起土壓平衡之後啟動螺旋輸送機和皮帶機開始排土為了降低刀盤扭矩和改善土體的流動性需要通過旋轉接頭往刀盤前面加注適量泥漿和泡沫，同時打開超挖刀進行全斷面超挖，為盾構機進入曲線段後的糾偏甩尾做準備。

六、曲線推進糾偏

1.盾構機離開始發機座後，將鉸接開到理論計算角度，加大左右分區的油壓差。

2.通過計算可以得知擬合曲線上轉彎環與直線環的比例，當左右千斤頂行程差達到轉彎環糾偏左右長度差時拼裝轉彎環。

3.盾尾完全進入帘布橡膠圈裡後開始同步注漿，注漿採用注漿量與注漿壓力雙控的原則。

• 勞動力組織

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的勞動力組織是盾：

構隧道施工安排24小時2班作業，每班工作12小時，每周工作6天，勞動力結構詳見表1。

表1 盾構隧道施工勞動力組成

項目名稱				一條隧道		兩條隧道
班組		崗位	每班人數	班組數	合計	班組數	合計
隧道掘進	隧道內及井口下	盾構司機	1	2	2	4	4
		電瓶車司機	1	2	2	4	4
		注漿	2	2	4	4	8
		千斤頂操作	1	2	2	4	4
		看土	1	2	2	4	4
		管片安裝工	3	2	6	4	12
		井下掛鈎	2	2	4	4	8
	地面井口區域	龍門吊司機	1	3	3	6	6
		管片裝卸	3	2	6	4	12
		吊土配合	1	2	2	4	4
		製漿操作工	5	2	10	4	10
		制泥操作	2	1	2	2	2
機電維修		電工	2	2	4	4	8
		機械工	2	2	4	4	8
		蓄電池充電工	1	2	2	4	4
		軌道整修工	2	1	2	2	4
雜工		╱	4	1	4	2	8
測量隊		測量工	3	1	3	2	6
地面/隧道		工人管理員	1	1	1	2	2
總計		╱					114

材料設備

一、材料

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》所用的材料明細如下：

1.主材

管片、管片螺栓、管材、軌道、軌枕、泥漿、砂漿、泡沫、油脂、高低壓電纜等。

2.輔材

走道板、支架、燈具、小壓板及配套螺栓、大壓板及配套螺栓、風筒、軌距保持器、照明電纜、通信電纜等。

二、設備

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》所用的設備見表2。

表2 主要機械設備表

序號	名稱	型號	單位	數量
一	盾構及其配套設備	╱	╱	╱
1	盾構機（包括後續台車）	Φ6140毫米土壓平衡式	台套	2
2	背後注漿設備	╱	╱	╱
2.1	背後注漿液製備站	立軸連續式攪拌機	套	1
2.2	攪拌儲存罐	容量為6立方米	台	2
2.3	砂漿泵送設備	渣漿泵（22千瓦）	台	3
3	泥漿製備設備	╱	╱	╱
3.1	泥漿製備站	╱	台	1
3.2	泥漿儲存罐	╱	個	2
3.3	泥漿泵送設備	泥漿泵	台	2
4	隧道內排污水設備	╱	╱	╱
4.1	潛水排污泵	WQ20-40-7.5	台	4
5	通風系統	╱	╱	╱
5.1	軸流風機	SDF-NO10	台	2
二	洞內水平運輸設備運輸系統	╱	╱	╱
1	變頻機車（25噸）	Yxk25	台	2
2	渣車（13.5立方米）	LJK8T-13.5立方米	台	8
3	管片車	LJK8G	台	4
4	砂漿車	LJK8S-7.5立方米	台	2
5	充電器	KCA-100安/300伏	台	6
三	提升系統	╱	╱	╱
1	龍門吊	40噸/15噸/17.4米	台	2
2	汽車吊	50噸	台	1
四	應急設備	╱	╱	╱
╱	應急發電機	200千瓦	台	1
五	機修設備	╱	╱	╱
1	車床	C620	台	1
2	鑽床	Z3050	台	1
3	切割機	J3G-400	台	1
4	氧焊機	╱	台	3
5	電焊機	BX5-400	台	5
6	千斤頂	YCQ-80	台	2
7	千斤頂	YCQ-30	台	2
8	千斤頂	YCQ-10	台	4
9	倒鏈	20噸	台	2
10	倒鏈	10噸	台	6
11	倒鏈	5噸	台	4
六	地面運輸設備	╱	╱	╱
1	手動叉車	2噸	輛	2
2	挖掘機	EX300	台	1
3	裝載機	ZL40B	台	1
4	渣土運輸車輛	斯太爾、太脫拉	輛	8
七	測量儀器	╱	╱	╱
1	全站儀	瑞士徠卡 TCRA1202 R100	套	1
2	電子水準儀	瑞士徠卡 DNA03	套	1
3	經緯儀	國產 北光 DJD2-G	套	1
4	水準儀	日本 索佳 C30Ⅱ	套	1
5	塔尺	國產 5米	把	2
6	鋼尺	國產 50米	把	2
7	測傘	國產	把	2
8	線墜	國產 250克	個	2
9	花桿	國產 5米	根	2
10	拉力計	國產	個	2
11	盒尺	國產 5米	把	2
12	對講機	美國 GP88S	台	4
13	計算器	日本 卡西歐 FX4500P	台	4
14	對中桿	2米	台	1
15	測量平差軟體	南方平差易	套	1
16	電子手簿	PC-E500S	台	1
八	其他設備	╱	╱	╱
1	風管	D800	米	2600
2	消防系統	╱	項	1
3	計算機	╱	╱	10
4	印表機	三星	╱	1
5	複印機	佳能	╱	1

質量控制

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的質量控制要求如下：

一、認真執行北京市和業主的有關規定，加強對所有參加施工人員進行成品保護教育，落實成品保護責任制。在施工過程中安排必要的人員，材料和設備用於整個工程的成品保護，防止任何已完工程遭受任何損失或破壞。

1.定期對全體施工人員進行文明施工、成品保護教育，提高自覺保護成品的質量意識。

2.經常進行檢查，發現被碰壞、損壞、污染要及時採取措施進行糾正處理，對責任人給予經濟處罰。

二、編製成品保護細則，加強現場管理，科學組織施工，減少成品損壞。

1.管片拆模過程中嚴禁用鐵錘敲擊，防止損傷管片。

2.管片吊裝前應檢查起重設備、吊具是否滿足要求，吊裝、翻轉管片時應設專人指揮緩慢操作，防止摔壞或碰損管片。

3.管片堆放高度不應超過8層；墊木放置位置必須正確，各層墊木應在同一豎直線上且前後對齊。

4.管片運輸要有專門車輛，專用墊襯，運輸中要平穩行駛，堆放高度不應超過3層。

5.貼上完成的密封墊應防止高溫曝曬。

6.施工中嚴格控制土壓，以維持開挖面的穩定。

7.在掘進施工中，應嚴格控制千斤頂推力和行程差，以防管片被擠裂。

8.在管片拼裝時千斤頂推力應均勻，防止管片因局部受力過大而導致破裂。

9.管片拼裝中應嚴格控制盾尾間隙的均勻性。若盾尾間隙過小，易導致在盾構後續掘進過程中盾尾與已拼裝成環的管片發生擠壓、摩擦，進而造成管片及盾尾密封裝置的損壞。

10.管片脫離盾尾後，應及時進行壁後注漿，並嚴格控制注漿施工工藝，以防成型隧道出現位移或變形。

11.漿液在運輸及注漿過程中不得混入雜物，以保證漿液性能。

12.在隧道中鋪設軌枕時，應採取措施，防止軌枕損傷管片。

13.在隧道內鋪設管路及電纜需安裝支架時，應儘量利用管片連線螺栓來進行固定，嚴禁在管片上打孔。

安全措施

採用《小半徑曲線段盾構始發施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1嚴格遵守施工操作規程和施工工藝要求，嚴禁違章施工。

2進入施工現場必須戴安全帽，高空作業必須系安全帶。

3不得向豎井內投擲任何物品。

4安全用電，注意防火，必須配備消防器材。

環保措施

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的環保措施如下：

1.施工前，對基坑附近建築物、構築物進行調查，以便採取相應保護措施。

2.夜間施工應採取降噪聲措施，最大限度地減少擾民。

3.施工廢水、廢漿應排入沉澱池中，不得隨意排放，保持場地清潔。

4.施工現場應制定灑水降塵措施，指定專人負責現場灑水降塵和清理浮土。

效益分析

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》在直線段始發的基礎上充分利用空間特性和盾構機設計性能，未增加其他輔助設備和施工工法，而且日進尺與直線段始發持平，甚至略有提高。

套用實例

《小半徑曲線段盾構始發施工工法》的套用實例如下：

一、工程概況

北京捷運四號線工程角門北路站北京南站盾構區間右線於2006年9月10日開工。設計里程：右K2+446.318~右K3+778.224，全長1382.858米，其中盾構法區間長度為1231.434米，在K3+635.000處設盾構始發豎井。盾構法區間隧道設計斷面形式為圓形，外徑為6.0米，內徑5.4米。該區間隧道軌頂設計標高為17.75~25.00米，隧道結構頂標高為22.75~30.0米，隧道結構底標高為16.75~24.00米，隧道埋深約為16.0~23.5米，覆土厚度約為10.0~17.5米，盾構機在設計線路為半徑350米的圓曲線上始發。

二、施工情況

（一）曲線擬合

1.在CAD上對盾構始發進洞曲線進行反覆擬合，根據設計線路與豎井的平面關係確定進洞盾構機

長度範圍內實際推進直線的軌跡，以經過設計圓曲線與洞門交點的切線為基線，繞交點向曲線內側旋轉，以直線與設計圓曲線偏差值不超過規範允許值為衡量指標，反向延長到豎井暗挖洞門作為始發軸線，結合考慮盾構機、始發機座、反力架和與豎井的空間關係，修改基線旋轉角，找出滿足上述要求的始發軸線。

2.盾構機直線進洞後採用比設計半徑小的圓曲線（R=300米）來擬合設計線路，管片選型按照300米轉彎半徑進行，待盾構機回到設計線路上來且有向設計線路另一端反向增大的趨勢時回歸到設計半徑，隨設計線路正常推進。設計曲線、模擬曲線及施工曲線三者之間關係見圖1。

圖1 設計曲線、模擬曲線及施工曲線關係圖

（二）參數設定

在初始掘進段內，對盾構的推進速度、土倉壓力、注漿壓力作了相應的調整，指標為：

1.上土壓力控制在0.05~0.1兆帕之間；

2.推力控制在1800噸以內；

3.扭矩控制在4200千牛·米以內；

4.盾構機在機座上時不開鉸接直線推進，打開超挖刀行程10厘米進行全段面超挖；進入曲線段時，用300米的轉彎半徑的圓曲線來擬合設計線路，要求將鉸接開到0.86~0.92度，超挖刀只需在曲線內側超挖即可，左右分區油壓差在10兆帕上下。

5.注漿上部壓力在0.25~0.3兆帕，注漿量3立方米左右；

6.管片選型按照300米轉彎半徑轉彎環與直線環的比例是1:1。

三、施工複測與結果評價

通過盾構機自動導向系統所顯示的推進軸線與設計線路誤差值在軌道交通公司所試行的《盾構隧道工程質量驗收標準》允許範圍內，而且城勘院對成型隧道複測的結果也表示滿意，實踐證明該小半徑曲線段盾構始發方案是合理的，可以作為2005年後類似工程的參照和借鑑。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《小半徑曲線段盾構始發施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。