盾构始发是盾构施工的关键环节之一，泥水盾构在始发过程中须让盾构全断面贯入地层，通过泥浆循环平衡开挖面土体进行掘进开挖 ^[1]。随着盾构直径增大，地层环境日趋复杂，始发施工难度也在加大，始发中一般需借助辅助工法进行端头加固 ^[2]。汕头苏埃通道工程采用超大泥水盾构施工，始发井周边隧道掘进范围内有孤石和局部基岩凸起，始发掘进推力大，对始发井结构的承载能力要求高，为保证盾构始发试掘进过程基坑结构的强度和位移满足要求，有必要在施工前进行三维实体模型始发掘进工况模拟，并在施工中进行承载构件的位移监测，为施工提供指导。

　　 汕头苏埃通道工程位于已建海湾大桥和礐石大桥之间，起点位于汕头市北岸龙湖区天山南路与金砂东路交叉口，依次下穿天山南路、中山东路、华侨公园，然后穿越苏埃湾海域，到达南岸围堰后穿越南滨路在南岸汕头市跳水馆西侧约200m处上岸，接规划的虎头山隧道与南滨南路。工程路线总长6 680m，盾构段设计为2条单洞隧道，采用泥水平衡盾构施工，东线盾构先行始发，盾构隧道长3 047.5m(EK3+790—EK6+837.5)，隧道内径为13.3m，外径为14.5m。

　　 盾构隧道始发段地质自上而下依次为:素填土层、淤泥层、中粗砂层、粉质黏土、中粗砂、全风化花岗岩，隧道顶部埋深为8.86～13.75m，隧道顶与隧道开挖范围内为淤泥层和砂层。盾构隧道始发段位于苏埃海湾内，周边无管线，除需穿越围堰大堤外，无其他重要建(构)筑物。通过对围堰范围盾构段端头加固区及始发段进行地质钻孔补堪发现，盾构掘进深度范围内存基岩突起和孤石。

　　 盾构始发施工工艺流程 ^[3]为:(1)始发端头地层加固及降水;(2)始发台施工;(3)后配套拖车组装;(4)盾构机主机组装及空载调试;(5)安装反力架及支撑;(6)安装洞门密封装置;(7)凿除洞门;(8)安装负环管片同时盾构顶至掌子面;(9)掌子面形成泥水压力;(10)完善洞门密封;(11)拼装负环管片开始盾构试掘进;(12)盾构机开始正常的循环掘进。

　　 始发工作井设置在南岸围堰内北端头，工作井尺寸为25m×49.9m×26m(宽×长×深)，工作井围护结构采用1.2m厚地下连续墙，工作井端头加固长度为18m。上部加固至场地标高下1m，下部至隧道底以下5m，左右加固至盾构隧道管片外边缘5.5m范围内。

　　 加固方式采用外围三面C25素混凝土地下连续墙与始发井围护结构组成合围区，合围区内地层用850mm@600mm三轴搅拌桩加固;为防止凿除始发井端头连续墙后地层坍塌，始发井端头墙开洞范围外侧设计为1m厚C25素混凝土连续墙，连续墙后再做3排1 200mm@800mm三重管高压旋喷桩，每排17根。素混凝土连续墙与始发井围护结构连续墙接头处采用三重管高压旋喷桩(1 200mm)止水(见图1)。此外，对端头加固区内的孤石采取压密注浆工艺进一步固结。

　　 反力架为框架式钢结构，面板和腹板均为4cm厚Q345钢板焊接组合而成;为方便运输采用分块式设计，现场通过螺栓连接组装;反力架内部采用圆弧结构，内径13.3m，与负环完全贴合;反力架后部为609mm×16mm的22根水平钢管支撑，左右两侧各布置4根支撑，反力架上方布置2根斜向抗浮支撑，支撑与始发井结构间采用预埋钢板焊接方式连接。反力架支撑系统横剖面如图2所示。

　　 为防止盾构始发掘进时泥土、地下水及循环泥浆从盾壳和洞门的间隙处流失以及盾尾通过洞门时同步注浆浆液的流失 ^[4]，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置，临时密封装置由密封环、帘布橡胶板、折页压板、垫片和螺栓等组成，同时增加2道钢丝刷。2道钢丝刷及2道帘布橡胶板之间预留油脂加注孔。

　　 根据反力架到始发洞门的距离计算，盾构始发需要拼装8环负环管片，其中-1至-7环为钢筋混凝土管片，采用A型管片;-8环为609mm钢管支撑环，单根长约1.8m，共22根。钢筋混凝土负环管片采用通用环错缝拼装，负环拼装完后，在负环管片外侧左、右侧大跨线位置设置双拼175型钢进行整体加固。

　　 始发井地下连续墙采用C30钢筋混凝土，厚度为1 200mm，连续墙钢筋净保护层为80mm，槽段采用工字钢接头。为了保证始发阶段盾构机能够连续掘进，保护洞门密封的完整性，需要凿除钢环范围内全部地下连续墙结构，并将外露的钢筋和工字钢接头全部割除取出。洞门破除由人工采用风镐完成，竖向分6层，横向分左右5段，共分为15块，先破除背土面的外层钢筋和1 000mm厚混凝土，剩余迎土面的钢筋和200mm厚混凝土结构，待盾构始发条件验收完成后，将剩余的钢筋、混凝土、工字钢接头等全部凿除干净。破除完毕后将盾构机前移至刀盘紧贴掌子面，保证掌子面的稳定。

　　 在盾构空推掘进中，将管片推出至与反力架靠紧，然后用钢板将负环管片与反力架之间的缝隙填实并将垫块焊接牢固。负环管片拖出过程中及时进行支撑。当盾构机推进-5环管片时，刀盘进入洞门圈密封帘布，-4环管片掘进长度1.960m，刀盘离掌子面20cm，此时停机、建仓，在洞门密封里注密封油脂后继续推进。-3环管片掘进800mm左右，洞门密封装置将完全与管片外弧面搭接，密封装置检查并加固后，停机进行同步注浆。待浆液封闭成环后，提高泥水仓泥水压力至1.5bar(1bar=100kPa)。-3环管片掘进完成后，后续盾构机掘进进入试掘进正常状态。

　　 始发井内部采用梁板体系结构，共4层，最底层设置废水泵房，在基坑开挖至设计深度后，施作底板、内部纵梁及立柱，用于盾构机始发，最后进行内部其他构件施工。始发井顶板、底板、侧墙采用C50防水混凝土，抗渗等级P10，内部纵梁、立柱、中板采用C50钢筋混凝土。

　　 考虑温度变化、混凝土收缩和基础差异沉降，设置变形缝，缝宽20mm，两侧结构完全断开;在结构形式变化较大的后配套结构与始发井间设1道变形缝，位于距离后配套起始里程1.5m处。

　　 盾构始发时液压推进系统需要克服的总阻力如图3所示，正常掘进中盾构机的总阻力F_total大致包含以下6个部分 ^[5]:(1)盾构壳体侧面与周边地层(包括始发基座)的摩擦阻力F₁;(2)正面阻力F₂(包括掘进力、土压力、泥水压力);(3)盾尾与管片间的摩阻力F₃;(4)当盾构机切口环凸出于刀盘时，应考虑切口环的贯入阻力F₄;(5)在曲线中掘进时，应考虑变向阻力F₅;(6)后配套的牵引力F₆。

　　 通过理论计算得到盾构始发进洞后的总推力近似为90 000kN，推力组成主要是摩阻力F₁和正面阻力F₂两项。由于端头土体进行了加固处理，导致该理论计算结果较实际受力偏大，还需要结合同类工程经验值进行修正。

　　 根据日本和德国盾构施工数据，业界给出了盾构装备荷载设计的经验估计公式:

　　 式中:β为经验系数，一般取值500～1 200kN/m²;D为直径。

　　 参照类似地层工程经验取β值，得到修正后苏埃通道盾构进洞后的最大推力为60 000kN，与理论计算结果中不考虑地层不稳定引起的土压荷载时得到的结果基本吻合。

　　 在此考虑后配套首道变形缝，建立始发井框架及后配套洞门1.5m范围的结构模型，计算东线盾构始发阶段反力架推力引起的后方基坑结构变形情况。考虑到南岸盾构始发端头分布有孤石，计算采用的始发井反力架推力在60 000kN基础上增加为75 000kN。东线始发井内盾构的始发坡度为-1.5%，反力架与盾构机主机垂直安装。由于东线始发掘进时盾构开挖面处洞门已经凿除，因此钝化东线盾构掘进方向的洞门。

　　 结构体均采用三维实体单元，始发井梁、柱的材料采用C50混凝土弹性本构模型，其余墙体及洞壁均采用C30混凝土弹性本构模型，材料参数如表1所示。采用四面体单元进行模型网格划分，模型底部设置固定约束，模型始发洞门侧设置法向约束，模型的后配套洞门侧为自由边界 ^[6]，网格划分及约束如图4所示。

　　 模型除受到自重作用外，始发井东西两侧根据地层物理特性施加梯形侧向土压力。计算针对支撑反力架的后方钢筋混凝土结构体，因此不考虑反力架侧向支撑的作用。东线后配套洞门在反力架垂直支撑对应的22个埋件处施加75 000kN合力，单个埋件面积为0.95m×0.95m，埋件均布压力3 777.39kN/m²，方向为-1.5%，对应角度为-0.86°。考虑最不利工况，通过建立三维实体反力架模型分析，得到2个斜支撑的最大支撑反力为440kN，埋件面积为1m×1m，对应均布压力为440kN/m²，方向为斜向45°。模型埋件荷载如图5所示。

　　 模型建立完成后进行线性静力分析计算，并提取结构位移及应力云图，得到计算结果如下。

　　 图6为始发井结构y方向的结构应力云图，在整体分布图的基础上，截取不同轴线及侧壁的y方向应力分布。

　　 由图6a可以看出，由于计算的是东线先始发的工况，东线侧结构应力明显大于西线;横向梁构件主要承受拉力，墙体主要承受压力。两侧墙体(A,D轴线)除在外侧承受土体的侧向压力外，还受到反力架垂直支撑处埋件压力的大偏心作用，墙体外侧受压，内侧受拉，外侧压应力最大达到2.2MPa。

　　 由图6b可以看出，B,C轴线上横梁承受拉力，B轴线上中间两道横梁承受的拉应力较大，最大达到10MPa，从结构整体来看也是受力最大的部分。相比B轴线，C轴线上横梁拉应力较小，约为2～3MPa。

　　 由图6c可以看出，A轴线上横梁主要承受拉力，拉应力最大达到4MPa。A轴线侧墙的内侧拉应力在梁附近较大，达到1.5MPa，其余部分应力较小，约为0.5MPa。

　　 由图6d可以看出，D轴线上构件受力明显小于A轴线，这是由于西线侧洞门未直接承受始发推力，仅承受东线洞门传导过来的力。横梁受力分布为两侧受压，中间受拉。

　　 由图6e可以看出，相比抗浮支撑而言反力架垂直支撑的埋件处承受显著压力，东线后配套洞门右侧中部的埋件局部压应力达到4MPa，其余埋件约为0.7～1MPa。这是由于洞门右侧的受力构件为柱子，柱子受到垂直方向的荷载后中间的弯矩最大，因此相应的压应力也最大，这与B轴线中间两道横梁承受的拉应力较大相吻合。

　　 计算得到在始发掘进推力下始发井结构的总位移和y方向位移如图7,8所示。

　　 由图7,8可以看出，结构总位移与y方向位移分布整体规律是一致的，位移主要发生在始发井东线侧。总位移的最大值为7.7mm,y方向位移为7.6mm，可见结构主要发生的是y方向的位移。

　　 始发井A轴线侧壁的y方向位移较小，但整体位移有着明显的内凹趋势，这是由于侧壁在埋件处的大偏心荷载作用下外侧受压，内侧受拉，而侧壁在两侧的转角处约束较强，因此出现此种变形。

　　 由y方向位移分布云图可以看出，最大位移在东线后配套洞门上方，达到7.6mm，其次为B轴线侧的洞门侧壁，达到6.6mm,A轴线侧的洞门侧壁较小，为4.9mm。

　　 东线盾构始发掘进施工中，在支撑反力架的后方基坑结构体中间立柱处布置2个测点，进行掘进时立柱的水平坐标位移监测。盾构从基坑内始发至-3环(第1天)时盾构刀盘完全进入洞门后方加固土体，掘进至-1环(第2天)时隧道开挖范围内有孤石及少量岩面侵入，掘进+1环(第12天)时盾构扭矩有突变，掘进暂停。监测得到盾构从掘进至-3环后20的测点水平位移变化如图9所示，该监测时间范围内盾构掘进推力主要在区间20 000～30 000kN内，为计算推力75 000kN的1/4～1/2。

　　 由图9可以看出，盾构刀盘进入加固土体掘进后，立柱水平位移开始增加，进洞掘进14d后立柱的累计水平位移基本稳定在0.9mm。

　　 根据现场实际情况，设定前述数值模拟中的推力合力为25 000kN进行计算分析，得到对应测点处结构的水平位移为1.15mm，与实测结果数值接近，且偏于安全，可见数值模型的建立分析是合理有效的。

　　 苏埃通道工程始发采用多重辅助工法进行始发端头加固，保证了始发洞门附近土体的强度;反力架通过多向支撑设计，结构的稳定性提高;洞门密封采用2道钢丝刷及2道帘布橡胶板中间加注油脂，密封的有效性增强;施工中进行负环管片特殊拼装设计、分块有序进行洞门凿除，合理控制盾构空推步序，保障了始发的顺利进行。同时通过数值模拟合理的预测了基坑在掘进推力作用下的结构变形，现场基坑监测有效的控制和保证了结构的安全性，施工技术和变形预测方法值得推广与应用。