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第四章 施工方案及施工方法 第一节 盾构施工方案 1 盾构选型 1 1 选型依据和选型原则 盾构的性能及其与地质条件 工程条件的适应性是盾构隧道施工成败 的关键 所以采用盾构法施工就必须选择最佳的盾构施工参数和最适宜的 盾构 盾构选型主要依据武汉市轨道交通二号线一期工程越江隧道工程招标 文件和招标文件说明 借鉴我公司在类似工程施工中的丰富经验 同时参 考相关的盾构技术规范及国内外已有盾构工程实例 盾构选型及设计按照 可靠性第一 技术先进性第二 经济性第三的原则进行 保证盾构施工的 安全性 可靠性 适用性 先进性 经济性相统一 1 1 1 工程基本条件 1 盾构穿越第四系全新统新近沉积的松散粉细砂 中粗砂层 第 四系全新统冲积的稍密 密实粉细砂 中粗砂层和卵砾石层 由于地质资 料的不完整性 盾构隧道还有可能穿越白垩 下第三系砾岩和志留系泥质 粉砂岩 泥岩等沉积岩层 地层富含地下水 由于其水头压力较高 盾构 施工时易引起突发性涌水和流砂 而导致大范围的突然塌陷 同时 高水 头压对盾构和隧道的密封及抗渗能力提出了更高要求 因此 要求盾构能 适应于本工程所处饱和粉细砂质粉土地层条件 同时也能开挖岩层的需要 在饱和砂性土中推进时 将地层损失率控制到极小程度 以保证盾构安全 过江 沿线邻近建筑物及公用设施不受损坏 2 考虑到地质资料的不确定因素 盾构施工可能会遇到泥质粉砂 岩 泥岩互层 且上软下硬 施工困难 要求盾构具有开挖此岩层的能力 3 能适应本工程高水压环境 最大水压达 0 6MPa 4 穿越两岸密集居民区时 能确保高层建筑和密集地下管线的安 全 地表沉降应根据沿线建筑物 管线允许变形情况及其与盾构的相对位 置 分析研究确定 在一般情况下 宜控制在 10 30mm 5 施工占地少 能适应市区道路狭窄 建筑物多 拆迁难度大的 现场实际条件 6 盾构一次掘进距离应大于 3 2km 7 施工设备价格及经济性 要求施工每延米综合价格经济合理 1 1 2 盾构工程特点 根据本工程的地质资料统计 隧道洞身上部及通过的地层中水平渗透 系数在 8 0 10 10m s 至 8 0 10 3m s 范围内变化 垂直渗透系数在 3 0 10 9m s 至 9 0 10 3m s 范围内变化 1 2 盾构类型的确定 不同类型的盾构适用的地质类型也是不同的 盾构的选型必须做到针 对不同的工程特点及地质特点进行针对性方案设计 才能使盾构更好的适 应工程 盾构的主要类型有敞开式盾构 泥水平衡盾构 土压平衡盾构等 根据武汉轨道交通二号线越江隧道工程地质 水文情况及工程特点 可选 择的盾构类型只有土压平衡盾构和泥水平衡盾构 土压平衡盾构和泥水平衡盾构在稳定开挖面 地质条件 抵抗水压 控制地表沉降 碴土处理 施工场地 工程成本等方面都有较大差异 有 其独特的适应性 对二种盾构进行综合对比分析比较见表 4 1 1 表 4 1 1 泥水平衡盾构和土压平衡盾构对比表 土压平衡盾构泥水平衡盾构 比较项目 简要说明评价简要说明评价 稳定开挖面 保持切削土舱压力支持开 挖面土体稳定 良 有压泥水使开挖面 地层保持稳定 优 地质条件 适应性 在砂性土等透水性地层中 要有特殊的措施 良适应性较强优 抵抗水压 靠土舱压力及泥土的不透 水性能抵抗水压 良 靠输入的泥浆在开 挖面形成的不透水 泥膜和泥水压力抵 抗水压 优 高水土压力 下的施工风 险 出口易出现喷涌 采取辅 助措施影响效率 较高 靠密闭空间和输送 管循环施工 不易 发生涌水涌砂情况 优 控制地表沉 降 保持土舱压力 控制推进 速度 维持切削量与出土 量相等 良 控制泥浆质量 压 力及推进速度 保 持进 排泥量的动 态平衡 优 碴土处理 直接外运简单 进行泥水分离处理复杂 施工场地 占用施工场地较小良 要有较大的泥水处 理场地 差 设备费用稍低稍高 工程成本 减少了泥水处理设备 只 需配置添加剂注入设备即 可 设备及运行费用低 低 增加了泥水制作 输送及泥水分离设 备 设备及运转费 用高 高 1 2 1 盾构类型与地层类别关系 土压平衡盾构最适应于细颗粒地层 切削的碴土易获得塑性流动性和 不透水性 土压力作用于工作面 而泥水平衡盾构最适应于较粗颗粒地层 在砂土地层易形成泥膜 以防止地下水喷出 泥水压力作用于工作面 本 工程盾构需穿越较长的砂性地层 因此从地质条件方面分析应采用泥水平 衡盾构最佳 盾构类型与地层的适应性见表 4 1 2 表 4 1 2 盾构类型与地层的适应性 项 目土压平衡盾构泥水平衡盾构 粉质粘土层 中密粉土层 中密粉细砂 密实粉细砂 中密中粗砂 密实中粗砂 可塑粉质粘土层 卵石层 泥质粉砂岩夹砂岩 页岩 能适应粘土 砂土 砂砾 岩石等各种地质 需要向开 挖仓中注添加剂 改善碴土 的性能 使其成为具有良好 塑流性 低的摩擦系数及止 水性的碴土 对于泥质粉砂岩夹砂岩 页 岩开挖破碎可能会有大颗粒 碴土 需要考虑螺旋输送机 通过粒径能力 能适应粉质粘土 粉细 砂 中粗砂 卵石层 岩层等各种地质 需向 开挖仓中注入泥浆 适 合开挖面难以稳定 滞 水砂层 砂砾层 含水 量高的地层及隧道上方 有水体的场合 对于泥质粉砂岩夹砂岩 页岩开挖破碎可能会有 大颗粒碴土 排泥管路 需要考虑破碎设施 措施需采用特殊措施适应性好 结论较差最好 1 2 2 盾构类型与水压 渗透性关系 地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素 当地层的透水系 数小于 10 7m s 时 可以选用土压平衡盾构 当地层的渗水系数在 10 7m s 和 10 4m s 之间时 既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构 当 地层的透水系数大于 10 4m s 时 宜选用泥水平衡盾构 本工程在隧道洞 身上部及通过的地层中水平渗透系数为 8 0 10 10m s 至 8 0 10 3m s 范 围变化 垂直渗透系数为 3 0 10 9m s 至 9 0 10 3m s 范围变化 地层的 最大透水系数远大于 10 4m s 在长江底下穿过且水压高 超过土压平衡盾 构允许的最大范围 应采用泥水平衡盾构 1 2 3 盾构类型与水压 渗透性的适应性 盾构类型与水压 渗透性的适应性详见表 4 1 3 表 4 1 3 盾构类型与水压 渗透性的适应性 项 目土压平衡盾构泥水平衡盾构 渗透性强 水平渗透系数为 8 0 10 10 8 0 10 3m s 垂直渗透系数为 3 0 10 9 9 0 10 3 m s 由于 K 1 10 4m s 开挖仓 中添加剂被稀释 水 砂 砂砾相互混合后 土碴不易 形成具有良好塑性及止水性 碴土 易发生喷涌 施工困 难 在掘进时需要对各种 掘进参数进行管理 特别是泥浆质量 压 力及流量管理 高水压 0 6MPa 开挖面稳定及止水 性 水 土砂的喷 涌 高压水头的承压水 在两岸 高压水头的潜水 在长江 由于采用螺旋输送机排土 在富含水 透水性大的粉细 砂及中粗砂层中 需要向开 挖面及土仓中添加泡沫或泥 浆材料 才能使开挖土形成 具有良好塑流性及止水性的 土体 对于土仓压力大于 3bar 的地层 螺旋输送机难 以形成有效的土塞效应 从 而有可能在螺旋输送机排土 闸门处发生水 土砂喷涌现 象 引起土仓中土压力下降 导致开挖面坍塌 通过对泥浆压力 质 量及流量的正确管理 完全能保持开挖面的 稳定 对于透水性大 的砂性土 泥浆能渗 入到土层内一定深度 并在很短时间内 在 土层表面形成泥膜 有助于改善地层的自 承能力 并使泥浆压 力在全开挖面上发挥 有效的支护作用 结论止水性差止水性好 1 2 4 盾构类型特点对比 盾构类型特点对比详见表 4 1 4 盾构类型特点对比表 表 4 1 4 盾构类型特点对比表 项 目土压平衡盾构泥水平衡盾构 盾构推力 土层对盾壳的阻力大 盾 构推进力比泥水平衡盾构 大 由于泥浆的作用 土层对 盾壳的阻力小 盾构推进 力比土压盾构小 刀盘及刀具寿命 刀盘扭矩 刀盘与开挖面的摩擦力大 土仓中土碴与添加材料搅 拌阻力也大 故其刀具 刀盘的寿命比泥水平衡盾 构要短 刀盘驱动扭矩比 泥水平衡盾构大 切削面及土仓中充满泥水 对刀具 刀盘起到一定的 润滑作用 摩擦阻力与土 压盾构相比要小 泥浆搅 拌阻力小 因而相对土压 盾构而言 其刀具 刀盘 的寿命要长 刀盘驱动扭 矩小 推进效率 开挖土的输送随着掘进距 离的增加 其施工效率也 降低 辅助工作多 掘削下来的碴土转换成泥 水通过管道输送 并且施 工性能良好 辅助工作少 故效率比土压盾构高 隧道内环境 需矿车运送碴土 碴土有 可能散落 相对而言 环 由于采用封闭管道输送废 土 没有出碴矿车 无碴 境较差 土散落 环境良好 施工场地 碴土呈泥状 无需进行任 何处理即可运送 所以占 地面积较小 由于在施工地面需配置必 要的泥水处理设备 所以 占地面积较大 经济性整套设备购置费用低 整套设备购置费用高 大 概高 25 30 1 2 5 采用泥水平衡型盾构最佳 根据类似工程使用盾构的经验和通过上述各项分析 采用泥水平衡盾 构最适应本工程地质情况和水文情况 可以确保本工程施工安全可靠 1 2 6 泥水平衡盾构基本功能 泥水平衡盾构具有高效的开挖系统 泥水压力平衡功能 泥水输送及 管路延伸功能 控制及故障显示功能 方向控制及导向系统 数据采集处 理和分析功能 管片安装功能 同步注浆功能 泥水分离系统等基本功能 1 3 工程特点对泥水平衡盾构的要求 针对前述的工程条件及工程地质特点泥水平衡盾构还应满足以下要求 1 3 1 对砂土地层的适应性要求 盾构在砂土地段的施工时应考虑以下功能 1 具备平衡掌子面水土压力的能力 2 足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力 3 合理的刀盘及刀具设计 恰当的刀盘开口率 合理的开口位置 4 盾构本体在压力状态下的防水密封性能 5 防止流砂 6 人舱设计 7 管片壁后同步注浆系统 8 在砂性地层中掘进应考虑盾构刀盘 刀具 泥浆泵 排泥管道 的耐磨性能 1 3 2 适应高水压的要求 隧道洞身横穿长江底部 盾构穿越地层主要为富含地下水的砂土层 其地下水特征在两岸表现为较高承压水头的特征 在长江则表现为高水头 压的潜水特性 由于其水头压力较高 盾构施工时易引起突发性涌水和流 砂 而导致大范围的突然塌陷 隧道顶部最高水压力为 0 6Mpa 对泥水平 衡盾构的主轴承密封及盾尾密封 都有很高的要求 因此要求盾构具有以 下施工能力 1 要求主轴承密封性能较高 能在高水压下安全推进 2 能有效止水 防止发生高压涌水 1 3 3 地表沉降控制要求 盾构需要穿越不同厚度的地层 在不同位置水压力也不同 盾构应有 良好的泥水压力调整功能 满足地表沉降控制在 10 30mm 范围 保证 能够顺利安全穿越长江大堤 各种建筑物及管线 1 3 4 方向控制要求 盾构法施工要求盾构具有良好的方向控制能力和导向系统具有很高的 精度 以保证线路方向误差控制在规定的范围内 盾构方向的控制包括两 个方面 一是盾构本身能够进行纠偏 转向 二是采用先进的激光导向技 术保证盾构掘进方向的正确 1 3 5 掘进速度满足合同工期要求 盾构的掘进速度应能满足合同工期的需求 并略有提高 1 3 6 满足小半径掘进要求 本工程平面线路最小曲线半径为 350m 为了更好的控制施工质量 满 足此小半径掘进的要求 特在盾构中体与盾尾之间采用铰接式连接 并在 两者之间设计唇形密封和紧急密封各一道 防止地下水进入盾构内 另由 于本工程在江底段施工时候 承压水达到 0 6MPa 所以在江底段施工时 利用液压锁将中体和盾尾固定 充分压紧唇型密封 更好的防止江底压力 水的进入 1 3 7 安全及环境保护 盾构施工时应能保证人员及设备的安全 盾构法施工的环境保护包括两个方面 首先是盾构施工时对周围自然 环境的保护 盾构施工时使用的辅助材料如油脂 泡沫 泥浆添加剂等不 能对环境造成污染 噪声 震动符合国家环保要求 1 3 8 设备可靠性 先进性与经济性的统一 盾构的可靠性是工程施工的重要保障 盾构的关键部件必须在施工过 程中万无一失 做到百分之百的可靠 其可靠性表现在以下方面 1 对地质的适应性 整体设计的可靠性 2 设备本身的性能 质量 使用寿命等的可靠性 但盾构设计同 时也应该考虑到对先进技术的应用及经济因素 1 4 盾构的提供方式 针对本工程地质 水文情况 我单位与盾构制造生产商进行了盾构选 型及方案的技术探讨 根据各家盾构设计制造和以往盾构使用经验 完成 了盾构初步设计方案 根据对各家盾构分析 比较及本工程的特点 拟采 用欧美盾构 其比较适合本地层 工程中标后我公司将与盾构制造商签订 合同 购买二台适应于本工程地质条件的全新的泥水平衡盾构及泥浆输送 设备 泥水分离设备 1 5 盾构主要部件功能描述 1 5 1 盾构掘进系统 1 刀盘和刀具 刀盘是安装在盾构前面的旋转部分 在支撑掌子面土压的同时进行开 挖 刀盘包括焊接结构件和刀架 刀盘表面焊接有耐磨层 圆周区域焊接 有三道耐磨条 通过刀盘旋转 挖出的碴土从刀盘的 8 个开口导入土仓 刀盘的后部开口向内倾斜 有利于导入碴土 刀盘背面的支撑臂可以使注 入的泥浆和挖出的碴土在刀盘后面进行充分的搅拌 盾构刀盘结构见图 4 1 1 刀盘安装在主轴承的内齿圈上 通过 8 八个液压马达驱动 刀盘设计 为双向旋转 转速调节采用无级变速 为了适应不同地质的开挖要求 在刀盘上可以安装滚刀 切刀 刮刀 具体方案见图 4 1 2 和 4 1 3 2 盾壳 盾壳包括三个主要组件 前体 切口环 中体 支撑环 和盾尾 图 4 1 1 盾构刀盘 图 4 1 2 切刀方案 图 4 1 3 滚刀方案 前体 前体又称切口环 它里面装有支撑主驱动和砾石破碎装置的钢结构 压力隔板将前体的土仓和主舱分离开来 形成气压舱 自动调压系统通过 调整前体气压舱的压力 从而确保掌子面压力平衡 稳定 隔板上面的门 可以让人进入土仓进行保养和检查工作 此外 隔板预留输电线的接线盒 接头 在前体的隔板上安装有土压力传感器用以监测气压舱内的压力 以便 在掘进过程中对其进行及时的反馈和调节 中体和盾尾 中体又称支撑环 前体和中体是用螺栓上紧并焊接在一起的 盾尾和 中体用铰接油缸连接 这样可以有效防止盾构在过曲线段时管片的破损 盾尾和中体之间含有一道唇行密封和一道紧急密封 在过江段施工时 为 防止地下水涌入隧道内 可通过液压锁将盾尾和中体固定 必要时采用钢 板焊接连接 具体形式见图 4 1 4 图 4 1 4 盾尾铰接密封示意图 在中体内布置了推进缸支座和管片安装机架 管片安装机支架通过相 应的法兰面和管片安装机梁连接起来 推进缸布置在中体 推进缸支撑形 式 活塞端栓接在钢结构上 活塞杆端装有耐磨支撑 盾尾密封刷由三道钢丝密封刷和一道钢板束及三个油脂注入腔构成 四道密封中间的空腔注入盾尾密封脂 同时为了确保过江段施工时候的 安全 在第三道钢丝刷与钢板束之间增加了一道紧急密封 必要的时候起 用 3 主驱动 主驱动机构包括主轴承 8 个液压马达 8 个减速器和安装在后配套 拖车上的变频控制柜 刀盘通过螺栓和主轴承的齿圈联接在一起 主驱动 系统通过液压马达驱动主轴承的齿圈来带动刀盘旋转 主驱动可以在前体 后部拆换 其结构如图 4 1 5 所示 图 4 1 5 主驱动示意图 主轴承有内外两套密封系统 结构类似 密封材料均由耐磨聚合物制 成 密封系统是通过带有永久性润滑油脂润滑和渗漏控制四重唇形密封系 统进行来实现的 如图 4 1 6 所示 图 4 1 6 主轴承密封示意图 4 推进系统 推进机构提供盾构向前推进的动力 推进机构包括推进油缸和相应的 推进液压泵站 推进油缸在圆周上的区域分为四组 通过调整每组油缸的 不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向 油缸的后端顶在管片上以提供盾 构前进的反力 推进系统油缸为分组控制 每组油缸中有一支油缸安装有位移传感器 通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态 5 人员仓 人员舱是在泥水仓保压期间 人员出入泥水仓进行维修和检查的转换 通道 出入泥水仓的工具和材料也由此通过 其主要目的也是为了在人员 和材料进入土仓时能够保持泥水仓中的泥水压力 人员舱包括主舱和准备舱 它们由压力门隔开 主舱和中间舱之间有 法兰连接 而中间舱直接焊接在压力隔板上 通过隔板上的门就可以进入 气垫仓 再通过气垫仓进入泥水仓 准备舱和主舱横向连接 这样从准备 舱出来必须要经过主舱 准备舱的作用是在压缩空气工作时和出现紧急情 况时的出入 进入人员舱的工作人员必须经过身体检查 并取得劳动部门的相关资 质 人仓按 CEN 标准设计 压缩空气调节装置安装在中体上 两路供气 6 砾石处理装置 针对本隧道所处的地层 有可能会存在较大的石碴和卵石 如果石碴 的粒径较大不但会使泥水系统的管路磨损加剧 还有可能会堵塞输送管路 所以必须对较大的石碴进行处理 在泥水系统出水管前部安装液压驱动的腭式破碎机 对较大的砾石 进行破碎 液压腭式破碎机由重型油缸驱动破碎腭 破碎机的破碎齿可更 换 并且可实现自动润滑 出料口安装有 120mm 间隔的隔栅 以确保不会有大直径石块进入管 道 在出料口旁边安装两只泥水冲洗管冲洗破碎区域避免堵塞 7 管片安装机构 管片安装机安装在盾尾 由一对举重油缸 大回转机构 抓取机构和 平移机构等组成 管片安装机的控制方式有遥控和线控两种方式 均可对 每个动作进行单独灵活的操作控制 管片安装机通过这些机构的协同动作 把管片安装到准确的位置 管片安装机由单独的液压系统供应动力 并具 有紧急状况的自锁能力 确保施工中的安全 在管片安装机上预留有超前钻机的安装位置 必要时候可用于超前地 质加固 8 拖车 盾构的拖车总共有 5 节 用以安放液压泵站 注浆泵 砂浆罐及电气 设备等 拖车行走在钢轨上 拖车之间用拉杆相连 泥水输送系统从拖车的上方通过 在 5 号拖车管路移至左侧位置 绝 大部分的液压管 水管 及油脂管从拖车内通过到达盾构主机 在拖车的两侧铺设有人员通过的通道 拖车和主机之间通过一个连接 桥连接 拖车在主机的拖动下前进 9 动力设备 盾构的动力主要由液压系统提供 其组成包括主驱动系统 推进装置 注浆系统 管片安装机及辅助液压系统 主驱动 推进装置和管片安装机共用一个泵站安装在拖车内 盾构的 液压系统元器件全部采用国际知名品牌的产品 泵和马达绝大部分采用力 士乐的产品 阀主要采用力士乐 哈威等国际知名公司的产品 合理的设 计系统及可靠的元器件质量 充分保证了液压系统的可靠性 10 注脂及润滑 注脂及润滑系统包括三大部分 主轴承密封系统 盾尾密封系统和主 轴承润滑系统 主轴承密封系统 盾尾密封系统以压缩空气为动力源 靠 油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位 主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量 次 分 并可以 从外面检查密封系统是否正常 盾尾密封可以通过 PLC 系统按照压力模式 或行程模式进行自动控制和手动控制 对盾尾密封的注脂次数及注脂压力 均可以在控制面板上进行监控 当油脂泵站的油脂用完后油脂控制系统可以向操作室发出指示信号 并锁定操作系统 直到重新换上油脂 这样可以充分保证油脂系统的正常 工作 主轴承润滑采用强制润滑 润滑油通过循环过滤后 对主轴承和齿轮 进行强制润滑 PLC 系统对润滑情况进行监控 11 注浆设备 盾构采用同步注浆系统 既可注单液浆也可注双液浆 这样可以使 管片后面的间隙及时得到充填 有效的保证隧道的施工质量及防止地面下 沉 盾构配有液压驱动的注浆泵 它将砂浆从储浆罐中泵入相应的注浆点 通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙 注浆压力可以通过调节注浆泵工作压力 并能在可调范围内实现连续调整 并通过注浆同步监测系统监测其压力变化 所有注浆点的注入量和注浆压 力信息可以在主控室看到 通过数据采集和显示程序 计算机随时储存和 检索砂浆注入的操作数据 在盾壳前部圆周上有 8 个 DN100 超前钻注浆孔 需要时可在管片安装 机头部位安装超前钻机 对盾构前方地层进行钻孔和注浆作业 12 泥水系统 泥水系统是泥水平衡盾构的关键组成部分 由泥水处理 泥水循环及 综合管理三个系统组成 是泥水加压盾构施工中确保工作面稳定及排碴的 手段 泥水处理系统设于地面 主要由泥浆制造和泥水分离系统组成 泥 水输送系统由送排泥泵 送排泥管等组成 泥水系统的功能是将符合要求 的泥浆送往开挖面 通过对开挖面加压使其达到稳定 并用流体输送碴土 13 泥水循环系统 泥水循环系统由送排泥泵 送排泥管 延伸管线 辅助设备等组成 送泥泵将调制成有一定浓度和粘度的泥水通过送泥管输送到泥水仓和掌子 面 而排泥泵则将携带碴土的泥水由排泥口排出 通过排泥管输送到地面 的泥水处理设备进行分离 根据盾构的切削断面 送泥浓度 掘进速度 排泥浓度计算送泥流量 和排泥流量 再根据流体能输送的砾石的大小 根据排出土砂的沉降限界 速度以上的流速 来决定排泥管径 在本系统中 推算输送量约为 1000m3 h 在盾构拖车部分的泥水输送 管选用 DN250mm 规格的输送管 拖车以外的隧道部分进浆管选用 350mm 规格的输送管 出浆选用 300mm 的输送管 送排泥泵和送排泥管都具有 较强的抗磨损能力 送泥泵位于地面上 位置固定 P2 1 排泥泵站位于盾构后配套拖车上 随盾构推进而前进 P2 2 排泥泵站可根据实际需要选择安装位置 它的位 置固定在隧道内部 一般与 P2 1 排泥泵的距离不得超过 1Km 送排泥泵型 号及规格见表 4 1 5 送排泥泵型号规格表 表 4 1 5 送排泥泵型号规格表 名 称型 号数量功率备 注 送泥泵 Warman250PG 离心 式 2400KW 风冷式 最大粒径 3mm 排泥泵Warman10 8 离心式 3450 KW 风冷式 最大粒径 180mm 泥水的流动 在掘进时 停止后 掘进前后都不一样 图 4 1 7 为送 排泥基本程序图 图 4 1 7 送排泥基本程序图 本系统的泥水处理设备安装在洞外 通过泥水管线将泥浆输送到分离 设备里进行分离 碴土废弃处理 分离后的泥浆将循环使用以保护环境和 节约成本 14 综合管理系统 综合管理系统安装在主控室内的计算机中 通过主控计算机分析由 PLC 采集来的各种掘进数据 再根据综合管理软件的原始设定自动调整盾 构泥水系统的工作状态 在特定情况下也可改为手动控制 综合管理系统主要对以下几个部分进行控制和监控 加压和循环系统 送排泥输送设备 中央管理 为了保持开挖面泥水压力的准确性 系统所控制的阀类全部采用自动 控制 由转换程序装置进行自动管理 即使在停机状态也可根据开挖面泥 水压力仪反馈的数据自动控制阀和泵的运转联合装置 以稳定掌子面的水 土压力 泥水分离处理系统的管理 根据盾构掘进状态中所采集的数据自动地对泥水处理系统进行监视和 调整 可根据处理设备的运转状况和能力 改变运转速度 稀释或浓缩泥 浆 以适应开挖面的状态 并且在最适当的状况下进行掘进管理 掘削排土量的检查 掘削出来的土是通过管路被排出的 由仪器测定送泥水和排泥水的密 度差 由计算机自动求出实际上的排碴量 通过测量可了解到开挖面的稳 定 塌方 超挖以及土质变化等情况 泥水性能管理 调整泥水中各成分的比例 使其具有如下特性 比重适当能平衡掌子 面的压力 粘度适当 塑变值和凝胶强度低 能形成薄而牢固 或渗透壁 的泥膜 逸水量少 具有抑制土体塌方和泥水劣化的优越性能 1 5 3 SLS T 激光导向系统 盾构安装了一套 VMT 公司的 SLS T APD 导向系统 本系统能够对盾构 在掘进中的各种姿态 以及盾构的线路和位置关系进行精确的测量和显示 操作人员可以及时的根据导向系统提供的信息 快速 实时地对盾构的掘 进方向及姿态进行调整 保证盾构掘进方向的正确 SLS T APD 导向系统和隧道掘进软件全天侯提供盾构的三维坐标和定 向的连续的动态信息 隧道掘进软件是 SLS T APD 的核心 通过其附带的 通信装置接收数据 由隧道掘进软件计算盾构的方位和坐标 并以图表和 数字表格显示出来 使盾构的位置一目了然 1 5 4 PDV 数据采集系统 PDV 数据采集系统可采集 处理 储存 显示 评估与盾构有关的数 据 所有测量数据都通过被时钟脉冲控制的测量传感器连续的采集和显示 所有必须记录的测量值都以图形的形式显示在 PDV 的监测器上 屏幕上的 每个内容均按功能分组如下 1 掘进 2 泥水管线 3 油脂 注 浆 4 温度 5 其它 6 错误信息 操作员可在这些屏幕页之间切换并从中获取需要的数据 通过 PDV 数据采集系统收集到的信息 可以实现对盾构状态的实时信 息化管理 通过互联网 电话拔号网以及 PDV 的计算机可以将当前的盾构 掘进状态数据传送至业主 监理 设计及施工等相关部门 为整个工程的 信息化管理提供重要信息来源 1 6 工期保证 第一台盾构在中标后 11 个月进场组装 第二台盾构在中标后 12 个月 进场组装 盾构组装调试时间均为 45 天 2 盾构隧道洞门施工 本工程共设盾构隧道洞门 4 座 左右线盾构始发 到达端头各 1 座 洞门结构采用强度为 C40 抗渗等级为 S10 模筑钢筋混凝土 根据施工总体进度安排 洞门工程在盾构隧道掘进完成后施工 采用 人工拆除盾构始发 到达防水装置 安设洞门防水设施 人工配合机械绑 扎 焊接洞门钢筋并与洞门预埋环焊接 人工立设洞门钢模 泵送商品砼 灌注洞门砼 2 1 洞门预埋环的制作与安装 2 1 1 洞门预埋环的制作 洞门预埋环是为满足盾构进出洞临时封堵洞门端头要求的环状钢板 环状钢板的内径进出洞时为 6800mm 和外径进出洞时 7100mm 为了环板能 够牢固的嵌入端墙结构内 须将洞口预埋钢环中的不少于 12 根 均布 的 16 钢筋与车站主钢筋搭接焊接 两端焊接高度 6mm 长度 30mm 环 板加工成型后 待相关工程施工时及时预埋其中 2 1 2 洞门预埋环的安装 盾构始发 到达井端墙绑扎钢筋至洞门位置时 将已分块制作好的环 状钢板精确定位后焊接在端墙钢筋上 然后立设端墙和洞门模板 浇筑砼 在施作过程中应保证 板位置的纵向偏差不得大于 5mm 环板必须牢固地嵌入砼且单面紧靠 模板 灌注砼时不得松动而影响使用 盾构出洞 进洞前 在洞门预埋好的环板上依次安装螺栓 帘布橡胶 板 环状板及折页式压板 最后拧紧螺母 洞门施工时将洞门钢筋与内墙预埋钢筋焊接起来 搭接长度不小于 5d 然后立模浇注洞门混凝土 2 2 洞门衬砌及防水施工 洞门衬砌施工前先要拆除洞口环管片 按设计铺设防水层 安装遇水 膨胀橡胶止水带 绑扎钢筋 确保洞门钢筋与端墙结构连接牢固 立模后 浇筑砼 洞门施工完成后 根据洞门防水效果情况决定是否向洞门管片背 衬补压浆以提高洞门防水性能 洞门施工工艺流程见图 4 1 8 3 盾构进出洞方案 盾构工程的出洞 始发 与进洞 到达 施工 在盾构隧道施工中处 于非常重要的位置 为了在拆除盾构工作井的盾构端头临时墙时保持地层 的稳定 防止在盾构出洞完全进入地层之前与防止盾构进洞完全脱出地层 之后其周围流出地下水和泥砂造成端头失稳 需要考虑地层条件 水文条 件 隧道埋深及周边环境等因素对盾构进出洞端头进行相应处理 3 1 端头地层及稳定性 本工程盾构始发和到达端头的地层情况见表 4 1 19 3 2 端头地层加固方案 根据我公司在各类地层中的盾构端头加固的施工经验及国内外类似工 程的相关实例和本工程的各端头地质条件 地表环境等实际情况 确定对 本工程的盾构进出洞端头地层进行加固 盾构左右线始发端头采用旋喷桩 图 4 1 8 洞门施工工艺流程图 拆除洞门环管片 粘贴止水条 绑扎钢筋 立模 浇注砼 拆模 养护 检查洞门防水效果 结束 洞门环管片背衬注浆 不合格 合格 进行地层加固 3 2 1 旋喷桩施工方法 旋喷桩施工喷浆采用三重管法 单喷嘴喷浆 根据本工程旋喷桩的工 程量计划配备 4 套旋喷设备进行施工 喷浆导孔直径 100mm 3 2 2 旋喷桩施工方法及技术措施 首先进行现场试验性施工 确定合理的喷射参数及施工工艺 a 钻导孔 钻孔时采用膨润土配制泥浆护壁 泥浆的主要性能指标控制为 比重 1 2 1 3 粘度 25 30s 含砂率小于 5 根据桩位布置图及放线控制桩 准确定出孔位 并做好明显标识 孔 位中心误差不得大于 2cm 钻机就位时用水平尺 垂球测量水平和垂直度 保证立杆与孔位中心对中垂直 且成孔偏斜率不大于 1 钻导孔时详细填 写 钻孔记录表 为下步旋喷注浆参数的修正提供必要的依据 导孔施 工质量标准 孔位偏差 50mm 垂直度 1 导孔钻孔完成后经检查验收合格后高喷台车就位 进行喷浆作业 b 浆液配制 浆液采用 R32 5 普通硅酸盐水泥和自来水配制 水灰比 1 1 采用立 式搅拌罐搅拌 c 旋喷注浆 台车就位安装调试完成后 将旋喷管插至孔底 先启动灰浆泵送浆 待孔口返浆后按方案设计的技术参数进行旋喷 提升 在旋喷过程中 随时注意各设备的工作情况 以及水 气 浆的压力 与流量 作好详实的施工记录 严格控制压力和喷浆量 确保加固效果 旋喷提升过程中如中途发生故障 立即停止施工 等检查排除故障后 再继续施工 冒出浆液由泥浆泵抽至沉淀池沉淀处理 d 回灌 当喷射结束后 随即在喷射孔内进行静压填充灌浆 直到浆面不再下 沉为止 3 2 4 加固效果检查及补救措施 1 强度检查 端头加固完成后 进行钻孔取芯试验以检查加固效果 钻孔取芯试件 无侧限抗压强度应达到 cu 1MPa 内聚力 C 0 5MPa 2 渗水量检查 在盾构始发或到达前 在加固区钻水平孔和垂直孔检查渗水量 以检 查加固土体的止水效果 水平孔分布于盾构隧道上 下 左 右部和中心 处各一个 深 8m 其渗水量总计不大于 10L min 垂直孔在加固区前端布 2 个孔和施工中钻孔误差较大的部位布设 1 个 其渗水量不大于 2L min 且水位不高于隧道中心标高 检查孔使用后 采用低强度水泥砂浆封孔 3 补救措施 如果加固效果不满足要求 根据检查结果和地层条件采取压密注浆进 一步进行加固 必要时采取管井降水辅助措施 3 3 盾构进出洞方案 盾构进出洞见本章第一节第 5 3 盾构始发 出洞 和 5 6 盾构到达 进洞 4 盾构掘进 4 1 盾构始发设施安装 由于积玉桥车站处盾构隧道洞门圈范围为钢筋砼 盾构始发前需要对 洞门砼凿除后 安装始发装置 进行盾构组装始发 4 1 1 盾构始发基座安装 盾构基座安装位置按照测量放样的基线 吊入井下就位焊接 基座上 的轨道按实测洞门中心居中放置 基座标高和坡度由技术人员测量后使盾 构中心与隧道中心重合 基座结构 基座由两根 45 工字钢通过 20mm 钢板焊接在一起 组成箱 型结构钢梁 在钢梁上设置 75kg m 的钢轨作为盾构导向轨道 基座就位 后通过横向和斜向进行加固 两边使用横梁与始发洞口的预埋件进行焊接 加固 具体形式见图 4 1 9 图 4 1 9 盾构始发基座示意图 4 1 2 接长导向轨道的安装 在始发基座安装后 由于始发基座的基准导轨前端与前方土体之间约 有 1 5m 的距离 即始发端墙厚度和为方便洞门临时密封装置安装而留的 空隙 为保证盾构安全及准确始发 在洞圈内与始发基座导向轨道相应 位置安装二根接长导向轨道 安装倾角位置与基准导向轨道一致 并采用 膨胀螺栓牢固地固定导轨 4 1 3 洞门临时密封装置 盾构在始发过程中 为防止泥水从洞门圈与盾构壳体形成环形的建筑 空隙大量窜入盾构工作井内 影响盾构开挖面泥水压力 开挖面土体的稳 定及盾构内施工 必须在盾构始发前在洞门处设置性能良好的密封装置 临时密封装置由密封由帘布橡胶 扇形压板 折叶板 垫片和螺栓等组成 始发洞门密封原理见图 4 1 10 所示 盾构进入预留洞门前在刀盘外围和帘布橡胶板外侧涂润滑油脂以免盾 构机盘刮破帘布橡胶板影响密封效果 75kg m 钢轨 盾构机 洞门圈 16mm 轨道固定钢板 45 工字钢 75kg m 钢轨 20mm 钢板 盾构 预埋钢环板 帘布橡胶密封板 折叶压板 固定螺栓固定螺栓 预埋钢环板 预埋钢环板 固定螺栓 管片 折叶压板 折叶压板 管片 注浆浆液 进洞前状态 盾构进洞时状态 管片拼装后的状态 4 1 4 反力设施安装 盾构主机与后配套连接之前 进行反力架的安装 盾构始发时反力架提供反推力 在安装反力架时 反力架端面应与始 发基座水平轴垂直 以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行 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 高强素砼垫实 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 4 2 盾构组装与调试 4 2 1 组装与调试程序 盾构组装顺序示意图见图 4 1 11 4 1 16 图 4 1 10 洞门密封原理 管片管片 导向系统图 T 2 SLS 11 6 图 图图 4 1 1 洞门临时密封装置洞门临时密封装置 拖车 拖车 图 4 1 25 组装设备桥 前体 拖车 拖车 图 4 1 26 组装前体与中体 4 2 2 盾构调试 1 空载调试 盾构组装和连接完毕后 即可进行空载调试 空载调试的目的主要是 检查设备是否能正常运转 调试内容为 液压系统 润滑系统 冷却系统 配电系统 注浆系统 进 排泥浆系统以及各种仪表的校正 电气部分运行调试 检查送电 检查电机 分系统参数设置与试运行 整机试运行 整机再次调试 始发台 盾构支撑架 盾构支撑架吊装 图 4 1 11 组装始发台 托架 拖车 拖车 图 4 1 12 组装后配套拖车 前体中体 盾尾 拖车 拖车 图 4 1 14 组装管片安装机 盾 尾 前体中体 拖车 拖车 图 4 1 13 组装刀盘 盾尾 前体中体 拖车 拖车 中体 前体 盾尾 吊装反力架 拖车 拖车 图 4 1 15 设备连接 安装反力架图 4 1 16 完成组装 准备始发 液压部分运行调试 推进系统 管片安装机 管片吊机和拖拉小车 泥浆系统 注浆系统 2 负载调试 空载调试证明盾构具有工作能力后即可进行负载调试 负载调试的主 要目的是检查各种管线及密封的负载能力 对空载调试不能完成的工作进 一步完善 以使盾构的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的 工作状态 通常试掘进时间即为对设备负载调试时间 负载调试时将采取 严格的技术和管理措施保证工程安全 工程质量和线型精度 4 3 盾构出洞 始发 4 3 1 盾构出洞总体方案 盾构出洞掘进后 通过在负环管片和盾构隧道的管片内设置高架的后 配套拖车轨枕 450 工字钢 以 0 2 坡度调整逐渐将后配套行走到预 定部位 在盾构完成试验段 200m 掘进后 拆除始发井内的负环管片 反 力架等 在盾构始发时 管片 管线 砂浆等材料由预留输送口用 32T 门 式吊机吊入隧道内 由电瓶车牵引编组列车将管片 管线 砂浆运抵工作 面 泥浆管道及电缆线路均从预留口接入隧道内盾构工作面 在拆除负环 管片后 盾构隧道进排泥管线均移至盾构工作井 轨线管片等材料从盾构 工作井吊入 砂浆从预留口放入编组列车的砂浆车内 盾构在切入土体时 为确保利用上部千斤顶 整体向前推进 负环管 片设置为全环闭口环 错缝拼装 拼装负环管片前先安装反力架和负环钢 环 盾构始发方案示意见图 4 1 17 为防止盾构始发时侧翻失稳 在盾构左右两侧设置防翻支撑 支撑底 部与始发基座相连 上部支撑在盾构壳体上 为防止负环管片失圆 造成盾构始发时管片与洞门圈间隙不均 在防 翻支撑上设置纵向工字钢 在工字钢上设置钢楔块支撑管片 防止负环管 片失圆 拖车 拖车 中体 前体 盾尾 负环管片 负环钢环 反力架 连接桥 图 4 1 17 盾构始发方案示意图 4 3 2 盾构始发流程图 盾构始发流程见图 4 1 18 4 3 3 盾构始发步骤 1 洞门凿除 共有 4 座洞门需要在始发或到达前将洞门端头围护结构进行凿除 为 了避免洞门凿除对始发井产生扰动 围护结构钢筋砼的凿除分两步进行 第一步 以手持风镐从上至下分五个层次凿除洞门范围内的连续墙外 部混凝土和钢筋 保留最内层钢筋 做到在始发或到达之前对端头地层的 保护 第二步 待盾构始发时抵拢掌子面和到达时盾构抵拢围护结构时 割 除围护结构内层钢筋 再开始掘进 2 洞门防水装置安装 洞门防水装置由帘布橡胶板 圆环板 固定板 压板 垫板和螺栓等 组成 在洞门凿除工作完成后 将前述构件按顺序安装在车站施工时预埋 的洞门圈钢环上 为防止盾构推到达门圈时刀盘损坏帘布橡胶板 在帘布 橡胶板外侧涂抹一定量的油脂 随盾构向前推进需根据情况对洞门密封压 板进行调整 以保证密封效果 3 负环管片安装 当盾构组装调试等工作完成后 组织相关人员对盾构设备 反力提供 系统 始发台等进行全面复查与验收 验收合格后 开始将盾构向前推进 并安装负环管片 4 3 4 主要施工参数控制 1 切口泥水压 由于盾构始发端头进行了加固 切口水压设定不宜过高 初步设定值 为 1 0kg cm2 待实际施工时作适当调整 图 4 1 18 始发流程框图 始发端头地层加固 盾构组装 空载调试 安装反力架 洞口洞门密封 安装负环管片 盾构负载调试 盾尾通过洞口密封后进行注浆回填 盾构掘进与管片安装 安装始发基座 2 推进速度 为确保盾构能正常切削碳素纤维砼和土体加固区 防止排泥管路吸口 堵塞 控制推进轴线 保护刀盘 始发时实际推进速度不宜过快 使盾构 缓慢稳步前进 推进速度在碳素纤维砼段掘进速度控制在 1 3mm min 在 主机全部进入加固区前掘进速度控制在 3 5mm min 在盾构脱离加固区后 可逐步提高掘进速度到 40mm min 始发掘进时 要随时观察刀盘扭矩变化 情况 及时调整推进速度 3 轴线控制 始发施工中 由于同步注浆不能及时进行 盾构正面泥水极易后窜 引起盾构 上浮 为此 盾构始发后应及时采取同步注浆 以防止隧道 上浮 为了达到有效防止隧道 上浮 的要求 在始发段第一次进行 同步注浆后 为确保洞门处的注浆效果 在同步注浆浆液凝固后 及时进 行洞门补压浆 补压浆的部位布置在盾构隧道上半部 同时 推进轴线应 略低于设计轴线 推进轴线垂直方向确定为 20 mm 4 泥水平衡建立 泥水平衡盾构施工前 配制一定比重 粘度 足够量的泥水供盾构循 环使用 在盾构始发前 在泥浆槽里要制备施工所需的浆液 第一次造浆 量为 600m3 盾构在始发洞口时建立泥水平衡 要求洞门有较好止水条件 即防止 建立泥水平衡时大量泥水涌入于井内 保证泥水仓的水压平衡与稳定 要 求洞门临时密封装置的密封效果 洞门临时密封装置由于受到不均等的洞 口建筑空隙的影响 能承受泥水压力较低 在不影响泥水系统正常输送平 衡条件下 将泥水仓压力控制在不超过盾构中部高度的水压 随着推进距 离增长 洞门段进行同步注浆和补充注浆后 逐步增加泥水压力 达到正 常的泥水平衡控制 5 盾构始发其它注意事项 在进行始发基座 反力架和负环钢环定位时 要严格控制始发基座 反力架和负环的安装精度 确保盾构始发姿态与设定线路重合 第一环负环砼管片定位时 管片的后端面应与线路中线垂直 负环 管片轴线与隧道中线重合 为减小负环管片的失圆影响 负环管片采用错 缝拼装方式 且外部设支撑钢楔撑紧 始发前应在基座轨道上涂抹油脂 减少盾构推进阻力 在盾构刀盘 外圈 外圈刀具和帘布橡胶板上涂抹油脂 避免推进时刀具损坏洞门帘布 橡胶板 在始发阶段 由于车站围护结构和加固后的地层强度较高 盾壳与 地层间基本无摩擦力 盾构始发容易发生刀盘摆动和盾构扭转 始发掘进 时采用低推力 低转速 低速度向前推进 减小盾构扭转和摆动幅度 加 强盾构姿态检测 必要时刀盘反转纠偏 同时在盾构上焊接防扭桩防止盾 构始发时扭转 在盾构推进过程中对即将进入洞口的防扭支座割除打磨 以免损坏帘布密封 盾构在始发台上向前推进时 通过控制推进油缸行程和选择合适的 管片拼装位置使盾构基本沿始发台向前推进 以保证盾构按预定位置进入 加固区 在始发阶段由于设备处于磨合阶段 要注意推力 扭矩的控制 同 时也要注意各部位油脂的有效使用 掘进总推力应控制在反力架承受能力 以下 同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的 反扭矩 始发掘进过程中还必须对始发基座 反力架 负环管片和洞门密封 和地表等进行全程监视 如有异常及时进行处理 确保始发顺利 4 4 盾构 200 米试掘进 本工程左右线隧道各采用一台泥水平衡盾构掘进 泥水压力的设定是 泥水平衡盾构施工的关键 维持和调整压力值又是盾构推进操作中的重要 环节 其中包括推力 推进速度和出土量三者的相互关系 以及对盾构施 工轴线和地层变形量的控制也很重要 因此 盾构试掘进过程中 要根据 不同地质条件 覆土厚度 地面情况设定泥水压力 选定泥水性能指标 并根据地表隆陷监测结果及时调整泥水压力和性能 在试掘进段的掘进速度要保持相对平稳 并逐步增大到速度 40mm min 按操作规程控制好掘进纠偏量 减少对土体的扰动 在空旷地 带选择多组不同的泥水压力和泥水性能指标试掘进 并加强地表隆陷观测 得出泥水压力设定与地表隆陷的关系 同步注浆量和注浆压力要根据推进 速度 出碴量适当调整 并通过加强盾构通过后地表隆陷监测确定同步注 浆和盾构通过后地表隆陷的关系 试掘进段加强盾构隧道的轴线控制 掌 握盾构纠偏的主要施工参数 4 5 盾构正常掘进 盾构掘进作业流程见图 4 1 19 掘进操作控制流程见图 4 1 20 图 4 1 19 掘进作业工序流程图 下一循环 开始 设定管理基准 开挖掘进同步注浆 是否达到掘进 循环进尺 管片拼装 开挖 6 m 延伸管线 含轨道 是 是 运输列车 出洞 运输列车 准备材料 运输列车 运料进洞 4 5 1 施工控制标准 4 5 1 1 隧道防水控制标准 图 4 1 20 掘进控制流程图 开始 初始化 开中路阀 开旁路阀 开P2 1 P2 2泵 开P2 1 P2 2泵 PN泵使用 开启PN阀 PE泵使用 PE泵高低速选择 开启PE阀 电机运转完成 流量压力设定 掘进机注浆机 准备完成 开盾构内阀 设备报警 启动刀盘 刀盘运转 旁路 掘进 V1V2开V3闭 流量压力设定 泵停止 V3V5阀关闭 停止 掘进开始 注浆开始 切口水压高 掘进中断 延时 开启溢流泵阀 切口水压恢复 切口水压HH 切口水压HH报警 旁路状态 管路阻塞 逆洗状态 流量正常 旁路状态 旁路状态 反复旁路 逆 洗管路畅通 停止管内清洗 再推进 排泥流量低 掘进中断 延时 调整槽下限 排泥流量LL报警 掘进 掘进完成 泥水舱压力正常 旁路状态 配管正常 再掘进 配管正常 泵停止 V3V5阀关闭 停止 设备报警 旁路状态 延时 V3V5阀关闭 泵停止 旁路状态 延时 泵停止 V3V5阀关闭 A A 关闭 溢流阀 排泥流量正常 N N Y Y N Y N N Y N Y N N Y N Y N N Y Y N Y N Y 盾构隧道防水施工是直接影响隧道设计 100 年的使用年限的重要因素 之一 因此 隧道防水施工极为关键 我公司将借鉴国外同类施工案例和 历年来从事的城市地铁 市政 水利等盾构工程的施工经验 按有关规范 的要求 严格控制防水材料的选用及施工工艺 以满足设计与运营的要求 盾构隧道防水等级为二级标准 隧道内表面潮湿面积 6 1000 总面积 任一湿面积 0 2m2 任意 100m