7、土压平衡盾构始发施工工艺工法

土压平衡盾构始发施工工艺工法1 前言1.1 工艺工法概况盾构始发指盾构机从开始推进到盾构机全部进入土体并且零环注浆封闭完成的作业过程。盾构始发一般均在具备整体始发条件下进行，但在不具备整体始发条件的情况下，可以根据现场实际情况，将后配套台车断开，延长相关管路，采用分体始发形式，待盾构掘进一定长度后，再将其余台车吊入井下。盾构始发在直线上始发较多，在曲线上始发时要根据曲线的大小，现场实际情况等通过拟合线形，计算确定始发基座的具体位置、高程等。1.2 工艺原理盾构的始发，是利用设在工作井内的临时拼装管片等承受反力设施把盾构机由始发台上推进，从始发出口贯入围岩、沿规定的路线开始掘进。2 工艺工法特点2.1始发端头土体需进行加固处理，具有一定的自稳能力。洞门破除需分两次进行。2.2 盾构基座（钢基座）、反力架等的设置、制作与安装要具备足够的刚度，保证负载后变形量满足盾构掘进方向要求。同时要确保盾构掘进方向符合隧道设计轴线。2.3 负环管片的数量、形式等必须根据现场实际情况计算而定，拼装时必须确保其真圆度，并防止受力后旋转、位移。2.4 盾尾进入洞口后，将洞口密封与封闭环管片紧贴，以防止泥水与注浆浆液从洞门泄漏，同时要适时对洞门进行注浆封闭。2.5 本工艺工法可靠、安全。3 适用范围本工艺工法适用于各类地层的盾构始发阶段的施工。4 主要引用标准4.1盾构区间工程施工设计图纸、地质详细勘察报告和地质补充勘察报告、施工调查报告等资料。4.2岩土工程勘察规范（GB50021）4.3地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB50307）4.4地下铁道工程施工及验收规范（GB50299）4.5盾构法隧道施工与验收规范（GB50446）等国家现行有关施工及验收规范、质量技术标准。5 施工方法盾构的始发，首先要对洞口端头进行处理达到一定的自稳能力，然后凿除洞门砼，始发基座的设计加工、定位安装（砼始发台的施做），始发用反力架的设计加工、就位，支撑系统、洞门环的安设，盾构组装，其他保证盾构推进用设备、人员、技术准备等，直到始发推进，盾构机全部进入土体并且零环注浆封闭完成。盾构始发分整体始发、分体始发、直线始发、曲线始发几种形式，本工法主要介绍直线始发。6 工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程盾构始发施工工艺流程见图1。图1 盾构始发作业流程6.2 操作要点6.2.1 始发前准备工作1管片准备1）尽早与管片生产厂家签定合同，制定管片生产计划，提早生产，确保管片储备充足。2）在始发前一个月单台机准备不少于400环管片，且在一个月前完成三环拼装等一系列管片试验。2管线、建筑物调查1）在盾构始发前一个月完成沿线管线、建（构）筑物调查，并做好记录。2）在始发前对端头200m范围内进行二次调查。3）自调查开始，每月定期专人沿线巡视。3洞内端头准备1）洞门中心线最晚在洞门围护桩破除一半之前完成。2）洞门钢环板平整度主要以端墙里程来控制，以全站仪X坐标（里程）为准。3）盾构机始发定位时要参照洞门钢环实际位置，适当抬头掘进。4洞门破除前需采取抽芯取样的方法检测土体加固强度是否满足设计加固要求。在始发前要打水平探孔，确保无水流出。5应急准备1）制定盾构始发应急预案，主要为了防止洞门凿除后涌水、涌砂；盾构进入后涌水、涌砂；盾构离开加固区后，同步注浆不及时，造成地面塌陷等。2）应急预案中要明确实施的组织机构、劳动力安排及责任划分，救援物资及设备，具体施工方法等。3）需在盾构始发2天前做好各项应急准备。6设备准备对起吊场地进行检验，选择合适吊装设备。场地内吊车摆放位置，盾构机部件摆放位置，运输车辆行走路线要结合现场实际进行模拟设计。7物资准备始发作业前要准备好钢环板、压板、橡胶帘布、钢丝绳、倒链及应急物资等物资准备。6.2.2 始发洞口围护结构的切除一般在始发前10天左右开始洞口围护结构的切除。1洞门凿除一般选用人工风镐破除。对于地层条件好，时间较紧的情况可选用机械破除。2整个施工一般分两次进行，第一次先将围护结构主体凿除，只保留围护结构的钢筋保护层，在盾构始发前将保护层混凝土凿除。3在凿除完最后一层混凝土之后，要及时检查始发洞口的净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。6.2.3 洞口密封洞口密封是为盾构在始发时防止背衬注浆砂浆外泄所用，按种类分有压板式和折叶式两种，其中折叶式越来越被人们所认可。洞口密封的施工分两步进行施工，第一步是在车站结构的施工工程中，做好始发洞门预埋件的埋设工作，要特别注意的是在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起；第二步在盾构正式始发之前，应先清理完洞口的碴土，再完成洞口密封的安装（见图2）。 折页压板式洞口密封 扇形压板式洞口密封图2 洞口密封形式6.2.4 洞口始发导台的安装在围护结构破除后，盾构始发台端部距离洞口围岩必然会产生一定的空隙，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“叩头”现象，需要在始发洞门内安设洞口始发导台。安设始发导台时应在导台的末端预留足够的空间，以保证盾构在始发时，不致因安设始发导台而影响刀盘旋转。始发导台可设置钢轨导台和混凝土导台两种方法。1采用设置钢轨导台的方法施工速度快、刚度好，但在高程控制不准，尤其是高程控制偏高的情况下会造成盾构机和导台顶死。因此高程控制是关键。2采用混凝土导台的方法需要等强，造成掌子面暴漏时间长，但一般不会产生顶死的情况，就算高程控制偏高，由于混凝土强度低，也不会产生太大问题。3在底部帘布被压倒的范围内要求导台顺平，无硬棱防止帘布被压裂。6.2.5 始发托架、反力架的安装1反力架、负环管片位置的确定依据反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。2负环管片环数的确定假定盾构长度LTBM8.3m，安装井长度LAS12m（因不同的始发井尺寸而不同），洞口围护结构在完成第一次凿除后的里程DF，设计第一环管片起始里程D1S，管片环宽WS1.5m，反力架与负环管片长WR1.5m。DR为反力架端部里程，N为负环管片环数。在安装井内的始发时最少负环管片环数确定N（D1SDF8.3）WS环3反力架、负环管片位置的确定在确定始发最少负环管片环数后，即可直接定出反力架及负环管片的位置。反力架端部里程DRD1SN×WS4始发托架定位与安装（始发砼导台施工）始发托架一般采用钢托架形式，但也可以采用混凝土托架的形式。不管采用哪种形式都应准确定位，见图3。始发托架（或砼导台）是盾构始发的受力结构。始发托架水平轴线的垂直方向与反力架的夹角±2，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2，水平趋势偏差±3。托架平整度检测，采用水准仪在托架单轨各测量5个点，计算两轨之间标高偏差是否相同。保证托架按要求设置。始发时的几种情况1直线段始发直线段始发时托架平行于隧道中心线设置。2 R>800m的曲线始发当曲线大于800时可采用切线始发，此时盾构机脱离始发架后姿态不会超限。3 R<800m的曲线始发曲线小于800m时采用割线始发；其中当曲线小于500m时割线方向以盾构机盾尾离开始发架后盾构机前姿态不超限为原则，当曲线在500m到800m之间时以盾尾脱离始发架后割线偏差最大处不超限为定位原则。5反力架定位与安装在盾构主机与后续台车连接之前，开始进行反力架的安装，见图4。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。反力架为盾构始发时提供初始的推力以及控制盾构初始姿态，反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，上下偏差控制在±10mm之内。图3 始发托架（钢托架） 图4 反力架6.2.6 盾构始发1始发台两侧的加固由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩，在盾构始发之前，必须对始发台两侧进行必要的加固，见图5。图5 始发台加固示意图2负环管片安装1）负环管片设置时要考虑调节洞门管片位置（包括这个区间所有洞门长度），因此对第1次始发、负环中间可根据实际情况设调节洞门长度的环片，该环片可以是人工加工的刚管片等。2）负环管片设置可以为：整环负环、半环负环、整环与半环相结合三种形式。设置形式的选择根据现场实际情况选择，一般选在整环负环始发。整环负环始发可以均匀受力，反力架、盾构机等能够保持平稳，不容易变形。其它形式负环受力不均，容易造成反力架等变形，不利于盾构机整体姿态的控制。3）负环管片安装准备。在安装负环管片之前，为保证负环管片不破坏尾盾刷、保证负环管片在拼装好以后能顺利向后推进，在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的方木（或型钢），以使管片在盾壳内的位置得到保证。4）负环管片后移。第一环负环管片拼装成圆后，用45组油缸完成管片的后移。管片在后移过程中，要严格控制每组推进油缸的行程，保证每组推进油缸的行程差小于10mm。在管片的后移过程中，要注意不要使管片从盾壳内的方木（或型钢）上滑落。5）负环管片与负环钢管片的连接。负环管片的最终位置要以推进油缸的行程进行控制，在负环管片与负环钢管片之间的空隙用早强砂浆或钢板填满。6）负环管片的拼装类型。在安装井内的负环管片的拼装类型通常采取通缝拼装，主要是因为盾构井一般只有一个，在施工过程中要利用此井进行出渣、进管片。所以采用通缝拼装可以保证能及时、快速的拆除负环管片。3盾构始发掘进1）空载推进。前面土较硬，可空仓推进。如土软、水大。则要考虑先回填之后再向前推进。这两点均要和地层结合。盾构机在空载向前推进时，主要控制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推进量。要在盾构机向前推进的同时，检查盾构机是否与始发台、始发洞门发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发生，确保盾构机安全的向前推进。2）始发时盾构姿态的控制。主要通过盾构机的推进油缸行程来控制姿态，特殊情况可开启超挖刀。3）始发时盾构推进参数的控制。在保证盾构正常推进的情况下，掘进参数建议选择总推力小于8001000t，刀盘扭距小于300t·m，掘进速度小于30 mm/min。4）盾构机尾部还没有进洞之前：防堵泡沫管。盾尾的油脂要打饱。5）一般在正4环完成后进行盾尾注浆，封堵洞门。具体位置可通过加固体长度、盾体长度、洞门宽度计算。注浆时压力不要过大可根据计算的注浆量分几次注浆（一般分3次），待下部初凝后，进行中部注浆，中部初凝后，进行上部注浆。注浆过程中要准备好木楔、棉纱等物料，对漏浆的地方进行封堵。6）在水大情况下进洞，尤其是快要突破加固体时，可先沿盾壳注一圈水溶性聚氨酯等。4洞口注浆在盾尾完全进入洞内后，调整洞口密封，进行洞口注浆。浆液不但要求顺利注入，而且要有早期的强度，注浆压力控制在1.5bar以内，浆液配比建议参数如表1，二次注浆配比建议参数见表2。表1 始发洞门注浆浆液配比建议参数序号配合比构成 (kg/m3)水胶比胶砂比稠度(s)泌水率%流动时间1天强度7天强度水泥粉煤灰砂膨润土水C组120340960504890.960.5311.81.34h05min0.240.52A组100360960505241.030.5312.41.54h45min0.210.43B组80380960505361.050.531