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1、 土压平衡盾构施工工艺 刘鹏军中国铁建重工集团2016年10月 1 总则 1 1适用范围适用于采用土压平衡式盾构机修建隧道结构的施工 1 2编制参考标准及规范1 2 1地下铁道工程施工及验收规范 GB50299 1999 1 2 2地下铁道设计规范 GB50157 92 1 2 3铁路隧道设计规范 TB10003 2001 1 2 4盾构掘进隧道工程施工验收规范 1 2 5公路隧道施工技术规范 JTJ042 94 1 2 6公路工程质量检验评定标准 JTGF80 1 2004 2 术语 ZTE系列复合式土压平衡盾构机是中国铁建重工集团通过吸收 消化国外先进技术 根据中国铁建长期盾构施工经验 自
2、行研发具有自主知识产权的大型隧道施工设备 是国务院16项重大技术装备之一 适用于粘土 砂土 砂砾 岩石等地层 土压平衡盾构机由刀盘旋转刀具切削土体 切削后的泥土进入密封土舱 通过螺旋输送机出渣调节土舱压力 土舱内的土压主要是由螺旋输送器的出土量来控制的 出土量多则平衡土压下降 反之则上升 同时还要密切配合刀盘的切削速度和油缸推进速度 使土舱内始终充满泥土而不致挤得过密或过松 达到稳定开挖面的效果 有效控制地表沉降 由螺旋输送机和皮带输送机进行出碴 管片机进行管片衬砌支护 实现隧道全断面一次成形 土压平衡盾构机是一种集机 电 液压 控制 传感 信息技术于一体的隧道施工成套设备 也可称为隧道加工中
3、心 使得隧道施工变成了工厂化 智能化特点 具有掘进快速高效 安全环保可靠 施工质量高等特点 被广泛应用于水利 电力 交通 市政管道等隧道工程 2 1土压平衡盾构 铁建重工土压平衡盾构 土压平衡盾构工作原理 各种刀盘 2 2端头加固 为确保盾构始发和到达时施工安全 确保地层稳定 防止端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况 根据各始发和到达端头工程地质 水文地质 地面建筑物及管线状况和端头结构等综合分析 确定对洞门端头地层加固形式 端头土体横向加固最小尺寸表 端头加固 防止地层不能自稳 加固一 是保证始发时围护结构凿除后掌子面土体能够保持自稳 加固二 是在盾尾进入洞口防水装置前防止洞口地层涌砂涌水 加
4、固目的 盾构始发 端头加固长度 端头加固 加固范围 加固范围以包裹盾构主机并预留一定的封堵渗漏通道的区域为原则 结合上海 南京 苏州等软土地层的加固实例 加固范围确定为隧道纵向 方向为9米 横向为隧道轮廓线外3m 盾构始发 凿除洞门 在检查端头土体加固满足要求后 同时在盾构组装后对洞门进行破除 第一步 先凿除围护结构保护层 并将外层的钢筋全部割除取出 并凿除至剩余内排钢筋 第二步 待盾构机始发时抵拢掌子面和到达时盾构机抵拢围护结构时 割除围护结构内层钢筋 再开始掘进 盾构始发 始发设施安装 始发基座安装 始发基座 始发基座 发射架 起导向和支撑盾构的作用 在洞门凿除完成之后 依据隧道设计轴线定
5、出盾构始发姿态空间位置 然后反推出始发基座的空间位置 并固定牢固 盾构始发 2 3始发架及帘布安装 2 4反力架 盾构刚开始掘进时 其推力要靠工作井井壁来承担 因此 在盾构与井壁之间需要设传力设施 此设施称为反力架 反力设施安装 反力架是为盾构机前进提供反推力 在安装反力架时 反力架端面应与始发基座水平轴垂直 对反力架固定前应按设计对其进行精确的定位 反力架与工作井结构连接部位的间隙用型钢垫实 以保证反力架脚板有足够的受力面 负环砼管片紧靠在反力架上 以保证混凝土负环管片受力均匀 始发设施安装 盾构始发 反力架 负环管片 负环管片 后部型钢支撑 2 4添加剂 采用土压平衡盾构掘进时 为改善土体
6、的流动性防止其粘附在盾构机上而注入的一些外加剂 添加剂的功能是 辅助切削面的稳定 提高泥土的塑流性和止水性 减少切削刀具的磨耗 防止土舱内的泥土压密粘附 减少输送机的扭矩和泵的负荷 土舱内的碴土必须具有 良好的塑性和流动性 良好的粘稠度 低的内摩擦力 低的透水性 一般情况下刀盘切削下来的碴土不一定具有这些特性 造成刀盘扭矩大 碴土流动困难 在土压力作用下易压实固结 容易产生泥饼或泥团 根据地层情况 向开挖土舱内注入泡沫 粘土或添加剂 进行强制搅拌 使碴土具有可塑性和不透水性 螺旋机排土顺畅 土舱内的压力容易控制和稳定 土压平衡盾构施工场地布置主要有 盾构机 出碴列车 门吊 管片供应 砂浆搅拌站
7、 始发井 弃碴坑 风水电供应系统等系统组成 3施工准备 3 1技术准备3 1 1根据隧道外径 埋深 地质 地下管线 构筑物 地面环境 开挖面稳定及地表隆陷值等的控制要求 经过经济 技术比较后选用盾构设备 3 1 2认真熟悉工程设计文件 图纸 对工程地质 水文地质 地下管线 暗渠 古河道以及邻近建筑等调查清楚 并将上述内容汇总表示在工程纵剖面总体图上 然后提出针对性的技术措施 以确保工程进展顺利和邻近范围内原建筑物的安全 3 1 3进行工程环境的调查和实地踏勘 为制订施组提供足够的依据 进行核实的主要项目有 1 土地使用情况 根据报告和附图 实地踏勘调查各种建筑物的使用功能 结构形式 基础类型及
8、其与隧道的相对位置等 2 道路种类和路面交通情况 3 工程用地情况 主要对施工场地及材料堆放场地 弃土场地 运土路线等做必要的调查 4 施工用电和给排水设施条件 5 有关环境保护的法律和法规 6 地下障碍物及管线 3 1 4根据工程特点 施工设备的技术性能及操作要领 对盾构司机及各类设备操作人员进行上岗前的技术培训并持证上岗 3 1 5建立完整的测量和监控量测系统 以便施工时控制隧道位置 对地层沉降及结构的变形进行监测 并及时反馈信息 3 1 6根据工程特点 工程目的 隧道结构 环境条件及其保护等级 施工设备的性能 工程所处地质条件编制施工组织设计 经审批后作为指导施工的依据 3 2材料准备3
9、 2 1盾构掘进时的添加材料 粉末粘土 膨润土 发泡剂 高吸水性树脂 增粘剂等 3 2 2注浆材料 砂浆 水泥浆 速凝剂 3 2 3衬砌材料 钢筋混凝土管片 3 3主要设备及机具 3 3 1隧道掘进机械 土压平衡盾构机及其配套设备 备用刀具 3 3 2材料与管片运输机械 门式吊车 机车 管片车 砂浆车 碴车 3 3 3供电系统 供排水系统 砂浆搅拌设备 通风设备 充电设备 3 3 4碴土外运设备3 3 5测量仪器 全站型经纬仪 精密水准仪 铟钢尺 倾斜仪 压力计 3 4作业条件 3 4 1弃碴场地 管片堆放场地 注浆材料堆放场地等工作施工场地已布置妥当 3 4 2盾构始发井工程已经施工完毕 3
10、 4 3盾构机在始发井内安装调试完毕 运转正常 3 4 4操作人员经培训合格 具备上岗资格 3 4 5各项监测系统已设置妥当 3 4 6施工组织计划经监理部门审核批准 3 4 7衬砌管片已开始批量生产 3 5劳动力组织 盾构施工总流程 盾构安装始发 盾构始发模式 条件要求 车站站台层结构施工完成的长度能够容纳车架摆放的空间 一般须84米 整机的长度 另外离端头84米左右处预留出土口 地面提供管片堆放和出土吊机行走的场地 整机始发 指盾构机主机和车架均放在车站底板上组装并连接 始发掘进时车架和主机一起整体向前移动的方式 始发阶段管片 材料 渣土均从出土口吊运 整机始发和分体始发两种模式 盾构始发
11、模式 分体始发掘进阶段管片 材料 渣土均从盾构井吊运 施工效率低 费用高 在没有整机始发的条件时采用 分体始发模式 将全部 或部分 后配套车架放在地面 主机吊放到井下 主机与台车之间通过延长管线提供主机掘进 待掘进约70米距离后 拆除延长管线 负环管片 将后配套车架和连接桥吊放到洞内与主机连接 并进行整机调试后 恢复正常掘进状态 分体始发 延长管线始发 盾构掘进分为四个阶段 1 负环掘进 由于盾构需要调试 参数需要调整 掘进始发加固区 因此盾构负环掘进速度非常慢 2 始发段掘进 始发段掘进时 掘进参数需要调整 后配套管路需要转接 出碴效率低 掘进速度慢 3 正常段掘进 盾构进入正常段掘进后 设
12、备进入正常状况 运输系统也处于正常状态 盾构进入快速掘进阶段 掘进速度高 4 到达段掘进 盾构进入到达段掘进 需要调整姿态 掘进速度开始放慢 掘进 a 设备处于始发 磨合阶段 掘进注意刀盘转速 扭距 推力等参数的控制及油脂使用 掘进总推力 反力架承受力刀盘扭矩 盾体与始发架的摩擦力 防扭块的阻力 主机的重力等 36 b 防止盾构侧滚 低头 盾体易侧滚 可采用刀盘低转速 低扭矩 正反转来调整 盾构刚始发掘进时 控制掘进速度 刀盘切削土体可加添加剂降低刀盘扭矩力 防止盾构低头 同时加强盾尾支撑观测 尽量完善负环钢支撑 c 注意控制土舱压力 d 根据控制土舱压力的大小 来调节螺旋输送机的出土量 出土
13、速度及推进速度 进而来保证土仓内土压力与开挖面土压力的相对平衡 e 前期掘进 前100m 是掘进摸索阶段 此段摸索与掘进有关的参数及设备的属性 同时要加强维修保养及部分实操培训 负环管片 始发架及反力架的拆除 为了后期站台工作的延续及完成电瓶车的编组等因素 故对负环管片 始发架及反力架进行拆除 a 在拆除负环前 先将反力架斜撑割除 后移 b 拆除负环 先将紧挨反力架的第一环拆除 c 拆除两环负环环间管片的连接螺栓 用龙门吊将其吊出 按上述方法依次拆除全部负环 d 吊出拆除的反力架及始发托架 e 完成轨道铺设 4 施工工艺和控制要求 4 1技术要求4 1 1盾构在厂内制造完工后 必须进行整机调试
14、 检查核实盾构设备的润滑系统 液压系统和电气系统的状况 调试机械运转状态和控制系统的性能 确保盾构出厂就具备良好的性能 防止设备的先天不足给工程带来不必要的困难 4 1 2盾构掘进施工对上部所需的覆土层的厚度 应满足下列要求 1 在控制地面变形要求高的地区 各种盾构的最小覆土厚度一般均不宜小于隧道直径的1倍 2 当实际覆土厚度不能满足上述规定时 应选用下列措施 水底隧道覆土厚度不足时 应选用合适工艺来增加覆土厚度或加固措施 在陆地上施工点厚度不足时 可在设计允许情况下调整隧道埋设深度 也可选用合适粘性增加覆土厚度或采用井点降低地下水位 使盾构使用的气压值能与覆土厚度相适应 或用注浆方法减少土的
15、透气性 4 1 3平行双线应有足够的线间距 隧道与隧道 隧道与其它建 构 筑物之间所夹土体 岩体 加固处理的最小厚度为水平方向1 0m 竖直方向1 5m 4 1 4两条隧道平行或立体交叉施工时 应根据地质条件 土压平衡盾构的特点 隧道埋深和间距 以及对地表变形的控制要求等因素 合理确定两条盾构推进前后错开的距离 4 1 5土压平衡式盾构掘进时 工作面压力应通过试掘进50 100m后确定 在掘进中应及时调整并保持稳定 4 1 6掘进中开挖出的碴土应填满土仓 并保持盾构掘进速度和出土量的平衡 4 1 7盾构掘进中遇有下列情况之一时 应停止掘进 分析原因并采取措施 1 盾构前方发生坍塌或遇有障碍 2
16、 盾构自转角过大 3 盾构位置偏离设计轴线过大 4 盾构推力较预计的值有较大出入时 5 管片发生裂缝或注浆发生故障时 6 盾构掘进扭矩发生较大波动时 7 壳体卡住隧道衬砌环 8 盾构上飘或磕头 推进方向难以掌握 4 2材料质量要求4 2 1工程所使用的各种原材料 半成品或成品都必须符合国家现行有关标准和设计要求 特别是防水材料在使用前必须按规定抽查检测 4 2 2盾构掘削时使用的添加材应满足表16 3 2 1的功能要求 4 3职业健康安全要求4 3 1盾构工作竖井地面设防雨棚 井口周围应设防淹墙和安全栏杆 4 3 2更换刀具的人员必须经过培训 刀具的吊装和定位必须使用吊装工具 在更换滚刀时要使用抓紧钳和吊装工具 所有用于吊装刀具的吊具和工具都必须经过严格检查 以确保人员和设备的安全 4 3 3隧道施工时应进行机械通风 保证每人每分钟需供应新鲜空气3m3 最小风速不小于0 15m s 隧道内气温不得高于28 隧道内噪声不得大于90dB 4 3 4带压作业人员必须身体健康 并经过带压作业的专业培训 制定并执行带压工作程序 4 4环境要求 4 4 1针对盾构施工在特定的地质条件和作业条件下可
