盾构隧道先隧后井施工工法

盾构隧道先隧后井施工工法在盾构法施工风井段时，一般采用“先井后隧”法，即先施工盾构井，在盾构井具备条件后再进行盾构施工。但由于线路基本处于城区，在建设过程中经常会遇到外部环境及征地拆迁管线迁改的影响，各种错综复杂的外部条件经常导致施工无法按照传统的施工方法进行施工，造成盾构施工进度滞后，对工期及施工成本造成了极大影响，造成大量的机械设备及人员窝工，还会因盾构接收、始发洞门加固增加工程成本及工期延长造成时间成本增加，同时接收、始发施工可能会带来洞门涌水涌泥、地面沉降及坍塌的安全风险。目前主要的解决方式主要有加强协调力度、改善外部环境和加快征地拆迁管线迁改速度以及采用暗挖法施工盾构工作井，但也未能很有效解决盾构井因为征地拆迁对盾构隧道这一关键线路的施工影响。xx地铁五号线土建8标2号风井受征地拆迁进度影响，无法在盾构到达前提供空推通过条件，无法采用传统的“先井后隧”法施工。中铁隧道集团一处有限公司根据盾构施工与竖井开挖的特点，开发了“一种盾构区间的后施工风井结构（ZL201921582684.5）”专利和相关施工工艺，通过在深圳电网北环电缆隧道工程土建Ⅱ标1号竖井、xx地铁五号线土建8标2号风井成功应用，从技术和实践上有效的解决了盾构井因为征地拆迁对盾构施工的影响，确保了盾构施工安全和施工质量，经济效益和社会效益显著，具有较高的推广应用价值和广阔的应用前景。基于关键技术的成功应用，通过对施工工艺的进一步归纳总结，形成本工法。2.1本工法避免了传统“先井后隧”风井施工与盾构施工的相互影响，在交叉施工同时可最大限度开展平行作业，保证关键线路施工，确保了整体施工效率。2.2施工质量好。本工法隧道采用盾构施工，能够精准的控制隧道线形，能够较好地控制隧道成型质量，确保工程质量；避免了风井进行二次结构施工(洞门后浇等)，减少了混凝土施工缝，保证了风井结构的整体质量。2.3经济效益显著。本工法施工机械化程度高，采用材料也比较常规，工艺简单，劳动强度低，人员需求较少，成本较低；相较传统“先井后隧”，施工效率优势明显，时间成本低。减少洞门加固费用和风井底板抬高所减少的费用，降低工程造价。2.4安全性高。本工法隧道施工采用盾构施工，在掘进施工时能够有效控制风井上方的土体沉降，有效保障了风井周边建（构）筑物的安全；同时减少了一个盾构接收与一个盾构始发的过程，减少了盾构接收始发所带来的安全风险。本工法适用于盾构隧道与区间风井相交节点的施工，尤其是盾构风井征地拆迁困难、无法在盾构到达前提供空推通过条件的盾构施工。4.1盾构机到达风井前完成风井围护结构施工，风井基坑分两次开挖，第一次开挖到隧道顶部最小覆土厚度为0.5倍洞径时，风井停止开挖，先行完成风井段盾构穿越施工，在穿越风井且隧道已拼装完成的管片与周围地层之间的摩阻力大于盾构千斤顶推力时，停止掘进施工，进行风井第二次开挖。4.2盾构到达停机位置后，恢复风井开挖及结构施工，风井基坑开挖出时，将开挖出来的盾构管片拆除吊出，风井基坑开挖到位后进行风井主体结构施工，待风井负三层（最底层）中板结构脚手架模板拆除后，恢复盾构施工。5.1施工工艺流程风井围护结构施工盾构掘进风井基坑上部开挖穿越风井前10环参数调整盾构掘进过风井盾构停机、后配套后移风井基坑下部开挖、管片拆除风井基坑下部开挖、管片拆除风井结构施工、盾构恢复掘进图5.1盾构隧道先隧后井施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1风井围护结构施工1钻进成孔钻机就位准确，泥浆准备合格后开始钻进，钻进时每次进尺控制在60CM左右，过程中要注意监控垂直度，保证桩的垂直度偏差在设计允许范围内。2钢筋笼加工及安装钢筋笼加工尺寸严格按照设计图纸及规范要求进行加工制作，保证洞门范围内玻璃纤维筋置换的尺寸与钢筋的连接加固符合要求。钢筋笼安装时采用人工辅助对准孔位，必须始终保持钢筋笼轴线与桩轴线吻合，并保证桩顶标高符合要求。5.2.2风井基坑上部开挖施工1施工降水及冠梁施工风井基坑开挖施工前，先施做降水井，将水位降至开挖面以下0.5m，施做降水井同时施工冠梁，待冠梁及降水达到设计要求经验收合格后，开始基坑开挖作业。盾构隧道临界覆土厚度盾构隧道临界覆土厚度2基坑开挖基坑分两次开挖，第一次开挖：从地面到盾构掘进状态临界覆土厚度，第二次开挖：盾构掘进状态临界覆土厚度至基坑底。盾构掘进状态的临界覆土厚度可按式5.2.2计算，且不低于0.5倍洞径。（式5.2.2）式中：b为覆土厚度；D盾为盾构外径；γ为土体天然重度；γ´为土体浮重度；γS为土体饱和重度；γW为水的重度；KP为为被动土压力系数；c为土体黏聚力；PC为盾构土舱压力；h为地下水位。第一次开挖至盾构掘进状态临界覆土厚度、盾构掘进通过风井前停止开挖，吊出风井基坑开挖施工设备，待盾构穿越风井，掘进到已拼装完成的管片与周围地层之间的摩阻力大于盾构千斤顶推力时，盾构停止施工，继续进行风井第二次开挖施工。基坑开挖遵循“水平分区,竖向分层,从上到下”的原则施工，开挖分两次，采用机械开挖，每层开挖深度50cm左右。风井基坑分次开挖见图5.2.2-1。图5.2.2-1风井基坑开挖示意图5.2.3盾构掘进过风井施工1穿越围护结构前掘进参数调整由于风井内覆土较浅，为确保风井围护结构的安全，在盾构法穿越竖井前停止基坑开挖，并将挖掘机吊出，在盾构机刀盘即将达到围护桩前10环减小推力、降低转速，减小扭矩，慢速推进。同时在风井已开挖部分围护桩上设置监测点，监测项目及监测频率见表5.2.3-1，监测平面布置见图5.2.3-1，监测剖面布置见图5.2.3-2。表5.2.3-1监测项目及监测频率表监测频率位置或监测对监测频率位置或监测对象盾构穿越风井工况基坑开挖工况盾构穿越风井工况基坑开挖工况速率控制值2mm/d2mm/d2mm/d2mm/d0.5m/d1.5mm/d累计控制值20mm/20mm风井底板浇筑后地表沉降桩顶竖向位移桩顶水平位移桩体水平位移地下水位建（构）筑物沉降地表沉降桩顶竖向位移桩顶水平位移桩体水平位移地下水位建（构）筑物沉降建（构）筑物倾斜支撑轴力地下管线竖向位移坑深范围内数据基本稳定H≤5m：15m＜H≤20m：1次/1天H＞20m：穿越前后穿越前后25土体环、穿越期间：2环、穿越期间：2次/1天基坑周边需保护的建筑物0.002L护的建筑物0.002L护的建筑物支撑端部1.5mm/1.5mm/d20mm护的管线图5.2.3-1施工监测平面布置图图5.2.3-2施工监测剖面布置图2盾构破桩掘进盾构隧道穿越风井范围内围护桩钢筋采用玻璃纤维筋代替，可直接掘进通过。在盾构机刀盘即将达到围护桩时减小推力、降低转速，并随时关注扭矩变化及刀盘振动，当扭矩波动过大时继续减小推力，慢速推进，破桩时盾构破桩掘进时做好监测，确保盾构破桩掘进时围护桩变形控制在允许值范围内。刀盘通过围护桩里程后恢复正常推进参数进行掘进。盾构破桩掘进参数见表5.2.3-3。表5.2.3-2盾构破桩掘进参数表推力（t）转速（r/min）扭矩（KNM）推进速度（mm/min）切口压力（bar）备注3盾构穿越风井掘进左线先通过风井，右线后通过风井，左右线错开时间为6天，错开距离50m，风井内盾构掘进为超浅埋施工，为减小掘进对上部岩层的扰动，防止上部地层变形过大，导致盾构轴线超限。在风井内采用小推力、低转速的参数进行掘进，同时在风井内岩石表层设置监测点进行监测，根据监测数据动态调整施工参数。盾构穿越风井掘进参数见表5.2.3-3。表5.2.3-3盾构穿越风井掘进参数表推力（t）转速（r/min）扭矩（KNM）推进速度（mm/min）切口压力（bar）备注4管片拼装风井内管片采用负环管片，为方便后期的管片拆除，采用15点通缝拼装，洞口进、出洞环采用特殊进出洞管片。后期风井在管片上部开挖施工对隧道内管片扰动大，影响防水效果，在进洞口、出洞口10环范围做好管片螺栓复紧和管片拉紧工作，最大限度减小后期风井开挖及管片拆除对隧道内管片的扰动。风井内管片拼装平面布置见图5.2.3-3，风井内管片拼装剖面见图5.2.3-图5.2.3-3风井内管片拼装平面图图5.2.3-4风井内管片拼装剖面图4管片壁后注浆为保证管片风井内管片的稳定，减少施工时对隧道内成型管片的扰动，风井内管片都需同步注浆，每环注浆量与正常掘进同步注浆量相同，对围护桩及风井外侧5环管片采用二次注浆。同步注浆配合比见表5.2.3-4，二次注浆配合比见表5.2.3-5。表5.2.3-4同步注浆配合比材料名称水泥粉煤灰膨润土沙水每m³数量/kg480表5.2.3-5二次注浆配合比配合比例水泥浆（水灰比0.88）水玻璃溶液（1:1稀释体积比）A:B体积比材料名称水泥水水玻璃水每m³施工用料/kg417单液浆配比：42.5水泥，水灰比为0.88；双液浆配比：A液（水泥浆）：42.5水泥，水泥浆浆水灰比0.88；B液（水玻璃40波美度水玻璃，水玻璃稀释：水玻璃:水=1:1；5.2.4盾构停机、后配套后移盾构机掘进至已拼装完成的管片与周围地层之间的摩阻力大于盾构千斤顶推力时，立即停机，掘进到停机位置的长度L可按式5.2.4计算。L>F/（2πrf式5.2.4）式中：L为掘进到停机位置的长度；F为盾构千斤顶推力；π为圆周率；r为管片外半径；f为注浆后的管片与地层摩擦阻力系数。停机后对风井至盾体之间管片背后进行二次注浆，同时将处于风井内的后配套拖车拆除，将拆除的拖车用电瓶车后移拖至后方已成型隧道内，在风井两侧洞门位置管片内采用型钢焊接骨架，外贴木模板制作封堵门将洞口封闭，避免竖井开挖过程中石块掉入隧道对后配套或管片造成损伤，停机状态见图5.2.4。图5.2.4停机状态示意图5.2.5风井基坑下部二次开挖、管片拆除1风井基坑开挖开挖前在隧道内部布设监测点，做好风井基坑开挖时管片的竖向位移监测，防止因风井基坑施工岩层应力释放对隧道内管片的扰动。为减少对管片的破坏，降低开挖风险，保护开挖时成型隧道结构不被破坏，风井基坑二次开挖采用机械分阶段分层分块开挖，每层开挖深度50cm。第一阶段开挖到管片顶面，第二阶段开挖以到管片腰部位置停止开挖，拆除负环管片，然后进行第三阶段开挖到基坑底部，风井基坑二次开挖见下页图5.2.5-1。盾构隧道临界覆土厚度盾构隧道临界覆土厚度第一阶段开挖第二阶段开挖第三阶段开挖2管片拆除为了方便现场拆除，拆除前需用挖掘机破碎锤对首环第一块拆除管片进行破碎，破碎前需拆除管片纵向以及环向螺栓，破碎完成后使用汽车吊依次拆除吊出两边剩余管片。管片从上到下依次，拆除分两步拆除，先拆除上半部管片，再拆除下半部管片，上半部管片拆除无需架设支撑，拆除顺序为封顶块→B2块→B1块，下半部管片拆除顺序为A1→A3块→A2块。管片拆除步骤示意图见图5.2.5-2和5.2.5-3。图5.2.5-2上半部管片拆除步骤示意图图5.2.5-3下半部管片拆除步骤示意图5.2.6风井结构施工、盾构恢复掘进风井基坑开挖到基底设计标高后，开始进行负三层结构施工，负三层侧墙与洞门结构一体浇筑，洞门处预留注浆孔，以便后期对洞内与管片之间进行填充注浆。完成负三层顶板拆模后，则风井施工与盾构施工相互之间无干扰，可铺设风井内轨道，恢复盾构掘进。负三层结构施工见图5.2.6。图5.2.6负三层结构施工示意图5.3劳动力组织表5.3-1劳动力组织表序号工种人数备注1值班工程师4盾构每班2人2掘进队长4盾构每班2人3掘进班长4盾构每班2人4掘进班盾构每班16人5维保队4盾构每班2人6盾构司机4盾构每班2人7搅拌站6盾构每班3人8综合队包含贴管片、门吊司机等9土石方开挖9风井开挖及支护渣土运输6风井开挖及支护序号工种人数备注支护工5风井开挖及支护2风井开挖及支护3风井开挖及支护司索工4风井开挖及支护吊车司机2风井开挖及支护技术员1风井开挖及支护现场队长1风井开挖及支护专职安全员1风井开挖及支护电焊工员2风井结构施工司索工4风井结构施工架子工风井结构施工吊车司机2风井结构施工2风井结构施工木工风井结构施工普工风井结构施工技术员2风井结构施工现场队长1风井结构施工专职安全员1风井结构施工合计6.1材料本工法涉及的材料主要为盾构施工所用常规材料。6.2机械设备主要机械设备见表6.2-1。表6.2-1主要机械设备表序号设备型号数量备注1盾构机2掘进2电瓶机车JAK-45T4水平运输3渣车4管片车8运送管片5砂浆车5运送砂浆6搅拌机JS750C1拌制砂浆序号设备型号数量备注7门式起重机MG45/16-241盾构施工垂直提升8门式起重机MG16-241盾构施工垂直提升9通风机2*37KW2洞内通风二次注浆机ZKSY1501二次注浆装载机ZL50C1风井场内运输QUY751钢支撑施工及渣土倒运QUY1301管片拆除短臂破碎挖机1岩石开挖短臂破碎挖机1岩石开挖挖掘机PC2002土石方开挖汽车吊1支架、模板及钢筋吊运木工圆盘锯MB5042模板加工钢筋焊接钢筋弯曲机GW-402钢筋弯曲直螺纹剥肋滚丝机HGS-402直螺纹加工插入式振动棒ZN35、ZN505混凝土振捣混凝土泵车46m2混凝土浇筑7.1穿越风井前对测量导线及盾构机姿态进行全面复核，确保穿越位置准确。7.2做好围护结构施工测量复核，确保桩位、桩径、桩垂直度、钢筋笼位置符合设计要求。7.3盾构穿越风井前，根据盾构始发段和正常掘进段施工参数，研究分析确定盾构穿越风井段的掘进参数，并向全体施工人员交底。7.4在掘进过程中当班司机及时关注掘进参数变化；当班值班工程师需要在中盾位置关注刀盘切削围岩的响声及振动情况，若发现异常，及时调整掘进参数，确保隧道轴线控制在允许范围内。7.5拼装完成后对螺栓进行紧固，脱出盾尾后进行二次复紧，脱出盾尾1环后再进行三次复紧，盾构通过风井后对洞门范围10环管片采用槽钢拉紧，减少管片拆除对隧道内管片的扰动。7.6二次注浆过程中随时观察注浆压力及管片情况，防止注浆过多引起管片错台。7.7基坑二次开挖时，挖掘机不得触碰锤击进出洞环管片，确保进出洞环管片结构不被破坏。7.8管片拆除应垂直吊运，禁止斜拉硬拽，以防隧道内成型管片的松动，造成管片渗漏水。8.1风井基坑开挖时合理安排施工工序及作业区域设置，避免设备交叉作业，设备留足安全距离，安排专人指挥。8.2盾构穿越风井时要派专人对围护桩及风井基底进行观测，发现任何异常情况立即通知盾构司机停止掘进并将现场情况上报给相关负责人，及时采取措施。8.3在管片以上3m以内基坑岩体开挖过程中坑内开挖机械数量不得超过2台，尽量避免停放在隧道正上方，破碎岩石尽量远离管片，不得锤击管片，减小锤击压力，减少对隧道内管片的扰8.4现场施工作业人员注意安全，施工过程中做好自防、互防与协防。8.5管片小车到达指定位置后应在前后轮分别加设阻车器，防止溜车。8.6管片安装过程中注意对管片安装机等设备的保护，规范操作。8.7吊装时井下人员不得站在吊物下或从下面行走通过，起重司机严格听从司索工指挥。8.8区间坡度较大，电瓶车启动前操作人员需对刹车和电量进行认真的检查和调整，大坡度段按规定进行速度控制。8.9二次注浆过程中禁止现场人员在注浆孔附近逗留，防止球阀破裂伤人。8.10二次注浆安装注浆管路时要拧紧，防止注浆过程中注浆管甩出伤人。8.11二次注浆现场操作人员必须佩戴安全帽，防护眼镜，口罩，手套等劳保用品，方可进行注浆施工。8.12二次注浆机临时用电由专业电工接线，严禁无证人员操作。9.1施工场地及道路进行硬化，及时洒水，减轻扬尘污染，现场设置雾炮机，作业时持续喷洒9.2在有粉尘的作业环境中作业时，除洒水外，作业人员还必须配备劳保防护用品。对运输渣土及易飞扬物料须用帆布覆盖严密，并装载适中，不得超限运输。9.3合理安排施工作业时间，尽量降低夜间车辆出入频率，夜间施工不得安排噪音大的机械。9.4设立专职人员负责检查、清除出场车辆上的污泥，清扫受污染合理布置场地。各类临时施工设施、施工便道、加工场和堆放场均做好工地内外的环境保洁工作。9.5报废材料运出现场并进行掩埋处理。对施工中废弃的零配件，边角料、水泥袋、包装箱等及时清理，以保护自然环境与景观不受破坏。9.6将工地生活区的生活垃圾、工程废料及废油分类存放，及时集运至当地环保部门指定的地点。施工产生的废弃土、砂、石料等，在施工期间和施工结束以后应及时清理，统一收集，妥善处理，以减少对环境的污染。9.7作业完工后，及时清理施工场地，周转材料及时返库，做到工完料清、场地清洁。工程完工后，作业队伍文明撤离。10.1技术效益10.1.1通过对盾构施工原理和基坑开挖施工工艺流程的研究，通过合理的施工组织，安排施工工序，在功效上相较传统“先井后隧”，减少了盾构井施工进度对盾构施工的制约，整体有了极大提升。10.1.2相较于“先井后隧”，“盾构隧道先隧后井施工工法”使用灵活度更高，施工效率10.1.3随着我国经济的飞速发展，城市地下交通和综合管廊的建设规模越来越大，城市内盾构井的周边环境也越来越复杂，本工法能减少盾构机的停机等待时间，既能保证开挖整体施工效率，又能减少对资源的浪费。10.2经济效益通过应用本工法，减少了盾构停机窝工36天；由于风井内不再设置专门的始发接收工序及其加固措施，风井底板标高重新设计，抬高了1.1m，加上盾构过风井施工减少的开挖量，风井总开挖时间与“先井后隧”法相比较，工期未滞后。与“先井后隧”法相比较，本工法共节约成本499.1万，其中机械费节约228.2万元、人工费节约100.4万元、底板抬高工程量减少费用50.5万元、洞门加固减少费用60万元、管理费节约60万元。计算如表10.2所示。10.2“先井后隧”与本工法费用节约计算表序号项目盾构施工计算节约1工期2直接费用机械费盾构机单台折算日租金25210元25210×36×2=1815120元元3门吊单台日租金1326元1326×36×2=95472元4机车编组单列日租金2356元2356×36×4=339264元5搅拌站日租金321元321×36×=11556元6装载机和叉车日租金571元571×36=20556元7人工费盾构施工人工费36天×93人×300元/天/人=1004400元8风井底板抬高工程量减少费用土方50.2元/m³/m³=67754元9侧墙侧墙混凝土1153元/m³96m³×1153=110688元回填混凝土C20混凝土508.6元/m³641m³×508.6=326013元洞门加固减少费用洞门加固每个洞门150000万元/个4个×150000万元/个=500000元管理费用36天÷30天/月×50万元/月=60万元合计元本工法的运用，在周边环境复杂，风井无法提供空推条件的情况下，保证了盾构的施工效率，确保了工程关键线路节点。工法对周边道路、重要建构筑物影响小，安全可靠。本工法在xx地铁五号线08标成功实施，为后期盾构按关键节点要求接收提供了有力保障，得到了业主、地方单位的一直好11.1xx地铁地铁五号线08标2号风井后盐站-后关村站区间2号风井位于国道与沈大高速交口西侧，西侧为xx市结核病医院（旧距离结核病医院18.6m，东侧为202国道，风井长25.4～27.6m，宽度22m，基坑开挖深度为25.8m，为双柱三跨三层矩形混凝土框架结构，围护结构为φ800@1400钻孔灌注桩，设置4道支撑，第一道