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1、地下洞室盾构机调头中铁一局广州轨道交通三号线客大盾构区间项目部地下洞室盾构机调头技术QC小组二00四年四月地下洞室盾构机调头一、概述中铁一局广州轨道交通三号线客大盾构区间是我局第一次采用盾构法施工的隧道工程，本工程竣工填补了我局在盾构法施工中的空白，盾构机在地下洞室内调头，在国内尚属首次。我项目部在2004年元月至2月顺利地完成了地下洞室内的盾构机调头，填补了此项空白。客大盾构区间盾构隧道采用一台盾构机掘进施工，从大塘站右线下井始发向北掘进，到达客村折返段后在暗挖隧道内调头移至左线。又向南继续掘进施工左线。完成左线掘进后在大塘站解体吊出。如盾构隧道掘进过程示意图所示。 图1 盾构隧道掘进过程示
2、意图本工程选用的S235海瑞克盾构机主机长8.32m，调头时主机附带螺旋输送机总长达12m，理论直径6.28m，总重约300t；后配台车理论直径5.1m（局部超限），轮心距7.7m，1、2、3、4号台车全长9.5m，桥架长13.5m， 5号台车全长14m，后配台车最重为2号台车，重约40t。主机调头在暗挖隧道内完成，隧道调头断面设宽10.5m横通道供盾构机调头从右线到达左线，左线盾构始发长度15.908m，详见图3；后配台车在6（长）24（宽）m的施工竖井下调头，施工竖井口部有三道等分中隔壁，左右线卡口部位最大距离只有7.6m，台车调头后通过最大净空只有5.2m马蹄形隧道到达始发位置与主机连接
3、始发。盾构调头施工条件苛刻。广州地铁三号线客大区间大塘图2 盾构主机图图3 盾构主机调头位置扩大洞室结构平面图二. 小组简介1.小组活动简介因为在国内首次进行地下洞室盾构机调头，本项目自投标阶段直到实施阶段，一直非常重视这次调头施工。在项目部成立初期，就紧密围绕地下洞室调头这一课题，成立了QC小组。积极开展调头技术准备与创新、调头施工攻关活动，解决调头施工中存在的重点、难点问题，攻克技术难点，不断的优化调头方案，为协调调头施工条件和调头施工场地提供方案，提高调头施工实施的效率和质量。2.小组活动列表三. 选题理由理由一：由于三号线在客村站以南设有与二号线的联络线及折返线，其隧道断面变化大，用暗
4、挖法施工。盾构从大塘站始发，贯通右线后到达客大暗挖区间，盾构机在暗挖隧道内无法吊出，盾构机必须在暗挖段特设的扩大洞室进行调头再继续左线施工，在关门工期确定的情况下，盾构调头施工时间直接关系到左线始发掘进的早晚，是客大盾构项目的关键工期，直接影响本工程是否能按期完工或提前完工。理由二：盾构机在地下洞室内调头，在国内尚属首次，无相关施工先例，且调头施工条件苛刻。四. 掌握现状、明确难点与突破口现状：1、集团公司首次涉足盾构施工，盾构法施工技术的研究也只是前期技术储备，未涉足真正的施工。对盾构调头也只限于书面的认识，且项目部技术人员和施工班组也均初次接触盾构施工，这就需QC小组尽快的切入盾构法施工和
5、盾构调头工艺，边学边教，带动整个项目部相关人员真正的掌握盾构调头施工方法。2、投标时由于对边界条件不清楚，对盾构调头实际需要空间和场地也不明确，仅根据招标文件提供的条件，做了盾构机调头的投标方案（方案一）；3、进场后了解到，暗挖区间隧道正在施工，并可在盾构到达前完工，能够提供一定的条件。于是，本小组详细研究暗挖区间隧道结构，又提出了在两线之间打一个斜洞连接，做为左线掘进运输通道的初步方案（方案二）。4、后来在相邻暗挖区间标段施工特设盾构调头扩大洞室前，出于地面沉降控制、地面建筑物保护及暗挖施工风险等原因，最终扩大洞室横通道从投标时设计的12m缩短为最终10.5m，因此，本小组又提出了新的实施方
6、案（方案三）。5、随着对调头施工方案的深化，盾构机调头施工方案直接关系到左线隧道施工的运输方案，左线隧道施工运输方案直接影响本工程是否能按期完工或提前完工。难点：1、QC小组成员、现场技术人员及施工班组均初次接触盾构施工，对盾构调头只限于书面认识，无任何相关经验。2、盾构机在客村折返段暗挖隧道内调头，调头施工条件苛刻。1）调头结构断面从投标时设计的12m缩短为最终10.5m，大大增加了长12m直径6.28m重300t的盾构主机在特设的扩大洞室调头的难度。2）后配台车需往返穿越267m矿山法隧道，在624m的施工竖井下调头，且施工竖井有三道等分中隔壁，施工竖井左右线卡口部位最大距离只有7.6m。
7、为吊车起吊台车增加了难度3）左线马蹄形小断面矿山法隧道最大净空只有5.2m，而后配台车理论直径就为5.1m，且有局部超限。这使台车调头后从左线矿山法隧道到达始发位置变的异常困难。突破口：根据以上施工难点，小组经过认真分析、研究，决定将以下两方面作为解决问题的突破口：1、派QC小组成员去南京等地实地考察学习，了解目前常规盾构调头技术，项目部经常内部组织相关人员对盾构机调头方案进行讨论，并就调头方案多次请业主、监理及相关专家进行论证。 2、进一步加深对盾构机本体及后配套的认识，详细了解掌握盾构机细部构造和尺寸，针对实际调头条件作出相应的盾构机拆装方案。3、对调头位置结构进行实测，准确掌握调头位置实
8、际尺寸。QC小组结合调头位置结构尺寸、盾构机尺寸、重量，就调头关键位置、卡口部位和关键步骤用计算机详细模拟调头步骤，保证方案的可靠性和易操作性，发挥技术先导的作用。五. 确定目标值及可行性认证目标值：目标一：保证盾构机主体及后拖台车在一个月内顺利调头并一次顺序组装到位。目标二：要对调头后左线始发及正常掘进时的出碴运输、通风等施工要素予以优化，要为后续工程的施工创造条件。目标三：努力降低成本，经济上要合理、可行。目标四：为集团公司、国内地下洞室盾构机调头提供借鉴经验。目标分析：1、盾构调头施工时间长短直接关系到左线始发的早晚，是本工程的关键工期，一个月内完成调头施工将减轻左线工期压力，并对后期施
9、工能创造良好的条件，这也是我们开展本次活动的动力，且参考国内外常规调头施工案例，此目标具有可实施性。2、本项目中标价较低，成本压力大，调头又是合价包干项目，在保证工期和安全的前提下，努力降低成本，这关系到项目部的切实效益，是此次活动目标实现的的又一动力。3、调头方案不是单体方案，它和左线施工运输方案息息相关，必须综合考虑。4、本小组汇聚了项目部的技术骨干，并有各级领导的重视与大力支持，这是实现目标的坚实基础和可靠保证。因此，我们有能力、有信心完成既定目标。六. 制定对策及方案比选、优化1、投标时的初步方案（方案一）：投标时由于对边界条件不清楚，对盾构调头实际需要空间和场地也不明确，仅根据招标文
10、件提供的条件，做了盾构机调头的方案（见图4）。需将盾构机推进K型扩大暗挖断面，后拖台车亦在L型断面倒序调头。图4 投标盾构机调头方案示意图2、增设斜通道的方案（方案二）：进场后了解到，暗挖区间隧道正在施工，并可在盾构到达前完工，能够提供一定的条件。于是，QC小组详细研究暗挖区间隧道结构，提出了在两线之间打一个斜洞连接，做为左线掘进运输通道的方案（见图5）。此方案申报业主后，得到原则同意，但要求斜洞应由暗挖区间承包商施工。经多次协商后，一是斜洞选择的位置，二是斜洞的价格难以谈下来，方案搁置。图5 增设斜通道盾构机调头方案示意图3、利用暗挖竖井底部空间的方案（方案三）：在与暗挖区间承包商接触的过程
11、中，QC小组逐步深入了解了暗挖区间隧道结构形式，并对现场进行了多次实际察看，提出新的方案（见图6）。即：图6 利用暗挖竖井底部空间盾构机调头示意图（1） 盾构机主体在扩大的地下洞室L型断面调头；（2） 后拖台车利用暗挖区间竖井及右线的大断面隧道，调头并转至左线。 （3） 在竖井处设道岔转至右线返回大塘站出碴运输。 （4） 将方案一中k断面的暗挖改为盾构掘进，增加12米盾构隧道。4、方案的初步比选（1）方案一满足盾构机本体和后拖台车调头要求。但运输条件困难，尤其在始发时的出碴进料将十分困难。必须要保留12米K型扩大暗挖断面隧道。（2）方案二提出，斜通道在E型或F型断面处设置，且要求将A2断面由5
12、.2m扩大至5.4m，能满足调头要求。但由于此处设斜洞对整个隧道结构稳定有所影响，设计院只同意D型断面处设置斜通道。这样，只能做为运输通道，虽然能满足始发与正常掘进时的运输要求，但不能在此实现后拖台车的调头，就必须保留12米K型扩大暗挖断面隧道。新增斜通道等需支出费用。图7 方案二、三运输线路比较图（3）方案三能满足盾构机主体和后拖台车分节整体调头的要求，还可将K断面12米暗挖改为盾构掘进，也能满足运输要求。但较方案二铺设线路长度要增加330米，今后的运输里程也增加330米，且因竖井以北距离只有38m，列车不能正常编组，给左线施工运输带来一定困难。见图7。5、小结通过初步比选，方案三比较可行。
13、但运输线路增长给今后的施工带来一些困难，能否就此做进一步优化成为方案研究的关键。6、方案三的延展转场上述三个方案，在盾构机调头后，出碴进料均要通过1500米的右线隧道，风、水、电系统也要经1500米的隧道再转接到左线（参见图7）。且右线始终是运输通道，进行联络通道等附属和后续工程施工时，相互干扰大。在对调头方案的研究过程中，对利用客大暗挖区间施工场地的可能性有了进一步的认识。经反复分析，多次与业主、暗挖承包商联络协调，提出了转场方案。即在盾构机调头后将原设在大塘站的龙门吊等场内设备移至客村暗挖竖井场地，从竖井出土、进料、通风、供电、给排水，将在大塘站的盾构施工主场地转移至客村。这样，就从根本上
14、解决了方案三存在的运输组织不尽合理的问题。7、盾构主机旋转平移方法的比选盾构主机调头常规采用在主机托架和基面钢板间放置滚杠或钢珠万向轮实现旋转平移，这种方法在掉头中托架与基面摩擦力小，但在盾构机主机步入托架后，要将320t的盾构机及托架同步顶升起一定高度，在托架下放置滚杠或钢珠万向轮；在调头完成并移动到始发位置后，又需再一次顶升，将滚杠或钢珠万向轮取出，这种方法一顶升320t盾构机施工较麻烦，并增加了施工安全风险。我QC小组经过计算论证，拟采用托架在基面钢板上直接旋转和平移的方法替代常规方法，并采取以下三点措施减少托架与基面钢板的摩擦力：（1）基面铺设钢板时加固牢靠，并用角磨机打磨光滑。（2）
15、在托架底部和基面钢板上涂抹润滑油。（3）在顶推旋转过程种，设计布置好实现力偶与力矩最佳顶推点。两种方法比选如下表所示，经过比选，采用托架直接在钢板上平移滑动的方法，详见图8。盾构主机旋转平移方法比选表项目摩擦力（理论值）G主要设备要求优缺点相应措施原方案（30020）t0. 0412.8t4个（100t）带自锁装置1、摩擦力较小2、需同步顶升320t盾构主机，施工较繁琐，安全风险大3、对千斤顶设备要求高1、做好盾构机顶升安全措施2、实现设计加工好钢珠万向轮或滚杠优化方案静摩擦（30020）t0.1248t滑动摩擦（30020）t0.132t2个（80t）1、摩擦力较大2、简单易行，消除盾构顶升施工风险，且用时较短3、对设备要求低1、固定好基面钢板并打磨光滑2、在托架底部和基面钢板上涂润滑油3、布置好千斤顶力矩和力偶最佳位置图8 盾构调头断面图七. 实施1、盾构机主机调头施工（1）盾构机接收1）先在洞门
