地铁隧道盾构小半径圆曲线始发施工工法

'地铁隧道盾构小半径圆曲线始发施工工法中铁XX局集团有限公司15 地铁隧道盾构小半径圆曲线始发施工工法中铁XX局集团有限公司1前言XX地铁二号线第16合同段下上区间隧道为盾构法施工。区间隧道为单洞单线圆形断面，线间距为12～14米。区间线路呈“S”型穿越沈丹高速公路走行，曲线半径为R350米和R400米；线路纵向呈“一”型坡，最大纵坡为24‰。区间隧道结构底最大埋深16米（覆土厚度10米），最小埋深9.6米（覆土厚度3.6米）。盾构始发段在曲线半径为R350米的圆曲线上。盾构始发是隧道盾构法施工的关键环节，是盾构法施工的难点之一，始发的成败将对隧道施工质量、进度、安全、工期及经济效益产生决定性的影响。曲线始发对施工技术的要求将更高，尤其是小半径曲线始发更是难中之难。中铁xx局在盾构始发前多次讨论和研究始发方案，多方案比选，计算机模拟，多次召开专家评审会，完善和修订盾构始发方案，顺利地完成了下～上区间盾构小半径曲线始发作业。由于施工方法得当，取得了显著的社会效益和经济效益。在施工过程中，通过我们的设计比选形成了一套施工速度快且安全可靠的地铁隧道盾构小半径曲线始发的施工方法，保证了施工的顺利进行。在该工程完工后经对其施工技术完善总结形成工法。2工法特点2.1设计的始发线型简明、实用；施工过程有效避免分体始发，减少投资，降低成本。2.2掘进参数设置合理，盾构姿态控制简便；有效防止地面变形，避免因曲线施工造成地面的不均匀沉降，保证施工质量。15 2.3减少曲线始发对盾构施工质量和进度的影响，节约盾构施工工期。3适用范围适用于线路曲线半径大于260m缓和曲线或圆曲线的盾构始发施工。4工艺原理4.1合理选择始发线型：盾构始发段包括盾构始发井全部处于小半径曲线段（如R350m），盾构始发时在出始发架前和在加固区内只能沿直线推进，轴线偏差控制较为困难。合理选择始发路径是始发能否成功的一大难点和关键。通常是选择割线始发。4.2始发架和反力架的设置：曲线始发的重点之一是考虑盾构机纠偏调整的滞后性，通过计算尽早采用超挖刀、铰接和区域油缸等措施调整盾构机姿态和掘进线型，其必然导致盾构推进反力的大小和方向都具有较大的不确定性，始发架和反力架必须牢固可靠，能承受侧向力的作用。4.3负环管片拼装：负环按照16点位置拼装，螺栓紧固力36KgM，钢丝绳拉紧牢固。在洞门处对负环管片增加刚性支撑，使管片能承受侧向力的作用。4.4盾构推进时各参数的合理选择：盾构曲线始发不仅处于小半径园曲线段（如R350m），而且处于纵向下坡段（如24‰），盾构姿态的调整和控制至关重要，始发掘进每一环推进时各参数的合理选择是关键。5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程盾构小半径曲线始发施工工艺流程见图5.115 确定盾构始发线型制作始发井、洞门、始发段主体土体加固、洞门防水、地面配套设施施工测量点复核安装始发架盾构机及后配套组装安装反力架盾构分项调试和整机空载调试盾构始发根据模拟结果调整盾构机掘进参数是否调至可控状态否停机重新模拟调整参数是盾构试掘进后正常掘进图5.1盾构小半径曲线始发施工工艺流程15 5.2施工操作要点5.2.1确定盾构始发线型盾构始发时，在常规情况下，由于受始发架结构限制，只能沿直线推进。盾构机在曲线段始发时，选择割线方式确定盾构始发中心线。割线尺寸按照下面要求确定（见图5.2.1）：在+1环位置向内偏离隧道中心线80mm，在始发井后端位置向内偏离隧道中心线20mm，通过计算，盾构始发中心线（割线）在始发井洞口环端面位置尺寸向内偏离隧道中心线约107mm。图5.2.1盾构始发中心线（割线）隧道中心线和线路中心线的偏移量计算：隧道中心线=线路中心线-曲线偏移量。5.2.2制作始发井、洞门和始发段主体结构盾构始发井和洞门按照始发中心线（割线）为中心线制作。在制作始发段（比如明挖段）主体结构时，位于线路中心线外侧的墙体结构应适当外放100mm，为盾构机后配套设备的安装提供方便条件。5.2.3土体加固、洞门防水及地面配套设施施工15 为了确保盾构始发洞门围护桩凿除后洞门土体的安全和盾构始发阶段其姿态的稳定，应结合水文地质状况，采用旋喷与素混凝土桩相结合的联合加固方案。同时，应考虑始发洞门与隧道轴线不垂直，为防止盾构始发时因刀盘受力不均而引起盾构跑偏，应采取洞门加固体与盾构始发路径垂直的措施。盾构始发洞门可采用常规的橡胶帘板密封方式，洞门注浆可采用盾构同步注浆装置注入式，必要时可单独预埋注浆管。为了防止盾构始发时磕头，在始发洞门处安设具有足够强度和刚度的导轨，并安放两个铁枕头，洞门铁枕头比切口环外圆低20mm。在地面上安装各种辅助设施。临时设施包括：垂直运输设备（龙门吊）及轨道，渣土坑，管片存放场地，同步注浆砂浆站，砂子，膨润土，粉煤灰，水泥等各材料存放料库，膨润土池，电瓶充电池等。其中，垂直运输设备的安放要满足提运管片和出碴的需要。管片存放场地至少要满足一个班组的施工需要。砂石料库要满足防潮、防火，必要时还要考虑到冬季施工的保暖需要。5.2.4测量点复核在进行盾构始发施工前，对车站内（或始发段内）导线控制点进行复测。5.2.5安装始发架确定始发架安装尺寸的三项要求：（1）始发架中心线与盾构始发中心线（即割线）重合。（2）始发架高程与隧道设计坡度一致，但比设计高程提高20mm。（3）根据始发井结构和盾构机尺寸确定负环数量（比如对于1.2米管片通常负环数量为9或10环），按照+1环在洞口的位置尺寸（通常位于洞口环内约400mm），计算盾构机的位置，以此确定反力架和始发架的安装尺寸。在确定盾构机位置时要充分考虑到割线始发时，盾构后配套台车对始发段和负环净空的影响，避免净空交叉。15 始发架和反力架牢固地与始发井底板的预埋件焊接，并在侧面设钢支撑，以确保其在盾构始发时不滑移，防止曲线推进时的侧向力作用。为了确保盾构始发成功与安全，反力架必须采用具有足够强度和刚度的组合型钢框架结构，并考虑该反力的不均匀性和最不利因素。5.2.6盾构机及后配套设备组装在吊入盾构机前应对始发架位置尺寸复核，确保位置正确和稳定。按照盾构机吊装专项施工方案进行盾构机和后配套设备的吊运和组装。盾构机在曲线段安装时，由于盾构机摆放在割线上，而双梁（连接桥）等后配套设备摆放在曲线上，其间夹角加大；曲线半径越小，夹角越大；这给双梁（连接桥）和工作台的连接增加困难。在有些工况下，只能悬挂处理。5.2.7盾构分项调试和整机空载调试按照盾构机现场验收标准和各系统标准参数调试，并记录调试结果。5.2.8盾构始发盾构始发前，加固区取样：土体强度检验和地下水位测量。对于埋深较深的洞门处，在始发前要进行地面降水，降水水位要在洞门以下500mm。降水到位之后拆除洞门维护桩，并尽快推进以防前方土体塌陷。盾构始发掘进分三个阶段：第一阶段20环，第二阶段30环米，第三阶段30环。第一阶段为纠偏阶段，掘进长度20环，日进度按照2～4环控制，土压推力按较小值进行设置（比如土压0.07MPa，推力5000KN左右），刀盘扭矩控制在30%以下，转速控制在1档（0.3rmp），推进速度在0.5cm～2cm/min,推力中心设定在曲线外侧下方，并使用超挖刀和铰接装置对盾构机进行纠偏，控制平均每环调整量（比如在37mm至20mm），注浆量设定为不低于3m3/环。15 超挖量和位置确定：超挖量按照曲线半径大小计算，通常选择100mm；超挖位置通常选择刀盘在1、2、3环位置左右同时超挖，在4-10环时只在曲线内侧超挖；在盾构机姿态调整好后停止超挖。铰接装置可以在负1环到正3环之间逐步开启，具体的开启时间和每环开启量按照计算确定，通常每环的开启量0.3度。第二阶段为试掘进阶段，掘进长度30环，可视地表、地层变化情况，将日推进速度增加至6环左右。对密封土仓内刀盘转速、压力、推进速度、千斤顶推力、注浆压力及注浆量等诸项，分别采用三组以上不同的施工参数进行试验掘进。通过对隧道沉降、地表沉降的测量和数据反馈确定一组合理的施工参数。采用已经掌握、适用的各项参数值，通过施工监测，施工参数作出慎密细致的调整，取得最佳的施工参数。推力和土压按照现场实际情况计算得出，此阶段按照计算推力进行掘进。刀盘扭矩控制在50%，转速设定为2档～3档，推进速度在1cm～3cm/min，推力中心设定在曲线外侧下方，微调铰接装置对盾构机进行纠偏，确保盾构机沿圆内线行走。注浆量设定为3m3/环。第三阶段为正式掘进施工的准备阶段，此阶段计划控制日掘进速度为10环左右，按照第二阶段的结果设定土压、推力，刀盘扭矩控制在70%，转速设定为３档，推进速度在4cm/min左右，推力中心设定在曲线外侧下方，视前一阶段纠偏情况调整铰接和区域油缸推力。注浆量设定为3m3/环。通过80环的始发推进阶段，完成对隧道的轴线控制，避免了圆曲线始发对施工的影响，对管片拼装质量有了具体的保证措施，进一步优化了施工参数，并能根据地下隧道上覆土厚度、地质条件变化、地面附加荷载等变化情况，适时调整出盾构掘进参数，为整个区间隧道施工进度、质量管理奠定良好基础。15 5.3劳力组织劳动组织见表5.3表5.3劳动组织序号工种人数备注1值班经理1负责全面组织协调2值班工程师1负责日常施工技术3班长1负责日常施工管理4盾构司机2负责盾构机的推进工作5电工2电路部分的维护和修理6机修2对机械部分的维护和修理7龙门吊司机18砂浆站搅拌31名搅拌工，2名上料工9井上挂钩210井下挂钩211电瓶车司机2管片车1名，渣土车1名12道岔工113管片拼装41名负责拼装，3名负责安装螺栓及复紧14单双梁工2负责管片运输等工作15力工3接轨道、走道板等16仓库117测量3管片测量和导线测量总计33注：施工作业中24小时中分为2个班次，表中为每班必须配置人数，白班由于工作量较大，机修可适当增加2～３人。6材料与设备主要机械设备见表6。15 表6机具设备序号机具名称规格数量用途1盾构机62501台盾构隧道的掘进2千斤顶100t2台组装盾构机3千斤顶200t2台组装盾构机4挖掘机1辆出渣装车5电瓶车电瓶充电式2辆渣土、管片、砂浆及其他物料的运输6砂浆站自动式1座同步注浆的搅拌7龙门吊32/5t1座管片及渣土的倒运8全站仪TR4021台控制轴线方向9水准仪S31台控制水平高程7质量控制7.1执行标准7.1.1严格执行《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）和《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）。7.1.2隧道轴线允许偏差值表7.1.2隧道轴线和高程允许偏差和检验方法项目允许偏差（mm）检验方法检查频率地铁隧道公路隧道水工隧道隧道轴线平面位置5075100用经纬仪测中线1点/环隧道轴线高程5075100用水准仪测高程1点/环7.1.3管片拼装允许偏差值表7.1.3隧道轴线和高程允许偏差和检验方法项目允许偏差（mm）检验方法检查频率地铁隧道公路隧道水工隧道衬砌环直径椭圆度5‰D6‰D8‰D尺量后计算4点/环相邻管片的径向错台568用尺量4点/环相邻环片环面错台679用尺量1点/环15 7.2质量控制措施7.2.1始发前检查地层加固的质量，确保加固土体强度和渗透性符合要求。7.2.2盾构始发前要根据地层情况，设定一个掘进参数，开始掘进后要加强监测，及时分析、反馈监测数据，动态地调整盾构掘进参数。7.2.3在进行始发架、反力架和-9环管片的定位时，要严格控制始发架、反力架和负环管片的安装精度，管片的后端面应与线路中线垂直，负环管片轴线与线路中心线重合。7.2.4始发架导轨必须顺直，严格控制其标高及中心轴线，组装前在基座轨道上涂抹油脂，减少盾构推进阻力。7.2.5始发前在刀盘和密封装置上涂抹油脂，避免刀盘上刀头损坏洞门密封装置。7.2.6始发前在盾壳两侧靠近始发基座处焊接防扭桩，克服刀盘旋转时产生的扭矩，防止盾构机扭矩过大引起侧翻。必须派专人观察盾壳上焊接放扭桩的情况，当防扭桩接近洞门时及时割除。7.2.7在始发阶段要注意推力、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基座提供的反扭矩。7.2.8当盾尾完全进入洞门密封后，调整洞门密封，及时通过同步注浆系统对洞门进行注浆，堵住洞门圈，防止洞门密封处出现漏泥水和所注将液外漏现象。7.2.9严格控制盾构机的操作，调节好盾构推进千斤顶的压力差，防止盾构发生旋转、上扬和叩头。7.2.10推进过程中严格控制渣土排量管理，防止由于超挖造成地表沉降。15 7.2.11加强地表沉降监测，及时分析、反馈监测数据，动态调整盾构掘进参数。7.2.12在推进过程中，注浆压力保持在0.2～0.4MPa，防止管片因注浆压力过大造成管片破碎。8安全控制8.1执行标准8.1.1建筑施工安全检查标准（JGJ59-99）8.1.2建筑机械使用安全技术规程（JGJ33-2001）8.1.3施工现场临时用电安全技术规程（JGJ46-2005）8.1.4建设工程施工现场供用电安全规范（(GB50194-93)8.2安全措施8.2.1所有进入施工现场的人员，必须佩戴安全帽，禁止非施工人员进入施工现场。8.2.2负环管片应与反力架密实贴紧，其环面应与掘进轴线垂直。负环管片拼成上部开口，以形成上空运输与井下水平运输的通道，在负环管片开口段应有足够的开口尺寸和稳固的支撑系统。8.2.3盾构始发前，在导轨上通环向前推进，直至盾构前端离洞门一定距离时停止推进，等待掘进。8.2.4洞口封门拆除后必须尽快将盾构推入洞内，使盾构切口环切入土层，以缩短正面土体暴露时间。在洞口封门拆除前应做好拆除后能及时掘进、拼装的准备工作。8.2.5三级动火作业要审批，要做好措施，证实不留火种后，作业者才准离开。气焊等焊接工人不得把焊嘴对着其它工人或管线。15 8.2.6起重作业工人不得擅离岗位，工作中必须集中精神，注意倾听周围有无异响，注意指挥信号，信号不明或可能引起事故时，应暂停作业，待弄清情况后方可继续作业。8.2.7盾构机操作人员必须熟悉设备的技术性能并持证上岗。8.2.8对设备运转时的动态应进行观察、监控，发现异常情况应立即停止作业，待修复、调试后方可继续运转。8.2.9电动葫芦运输管片时，操作应平稳，不得有过急、过猛等动作。运输和拼装前应检查起重螺栓是否损坏，拼装管片前，管片起重螺栓应拧紧，不得松动。8.2.10管片拼装机回转半径内严禁站人，安装管片的三个节点部位应有专人负责，拼装管片时，拼装司机前面应无障碍物，拼装司机应观察全面，听从专人指挥。在管片安装支口平齐后，及时退出工作面，再有专人统一向拼装机司机发出指令信号，拼装机司机在得到指令后，方可进行下一道工序的施工。由于管片成弧形，加上可能发生的漏浆、渗水、油污等不利因素，构件上较滑，施工前应及时打扫、清理，防止人员滑倒摔伤。9环保措施9.1执行标准9.1.1整个施工过程中，全面运行ISO14001环境保护体系标准，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段。9.1.2《建设项目环境保护管理条例》9.1.3《中华人民共和国水污染防治法实施细则》9.1.4《建设项目竣工环境保护验收管理办法》9.1.5《关于有效控制城市扬尘污染的通知》15 9.2控制措施9.2.1严格遵守国家和地方政府部门颁发的环境管理法律、法规和有关规定，根据客观存在的粉尘、污水、噪声和固体废物等环境因素，实施全过程污染预防控制，尽可能减少或防止不利的环境影响。9.2.2将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.2.3对容易产生噪音的设备采取合理布局，加强设备润滑和维护保养工作，并严格执行相应作业指导书和设备检点规程，同时尽可能避免夜间施工，以减轻噪音对周围生活环境和居民的影响。9.2.4固体废弃物按不同性质和类别分开存放，主要分为危险、不可回收利用固体废弃物、可回收利用固体废弃物、生活和办公垃圾等。9.2.5弃土要运送至指定地点，防止对周围环境进行破坏和污染。9.2.6施工机械产生的废油料及润滑油等，必须集中收集进行处理，生产用油料必须严格保管，防止泄漏，污染土地。10效益分析10.1社会效益本工法加快了地铁盾构掘进的速度，减少了曲线始发对施工的影响，降低了施工成本，节约盾构施工工期。具有便于施工组织，容易保证施工安全和整体质量优等特点，取得较好的社会效益。10.2经济效益XX地铁二号线十六标段的盾构区间，使用该工法进行施工，较其他方法节约成本81.92万元，其中：工期节约20天，机械费节省31.82万元，人工费节省4.515 万元，其他费用5.6万元.施工中，质量、安全、进度、成本等方面均得到有效的控制，节约了工程成本，缩短了工期，取得很好的经济效益。11应用实例XX地铁二号线第十六合同段下上盾构区间。11.1工程概况下－上区间起点设计里程为K20+548.300，终点设计里程为K21+249.909，区间长度约为701.609m。区间从K20+548.300～K21+200处为盾构法施工盾构区间全长651.7m。区间隧道为单洞单线圆形断面，线间距为12～14米。区间线路沿沈丹高速公路走行，线路纵向呈“一”型坡，最大纵坡为24‰。区间隧道结构底最大埋深16米（覆土厚度10米），最小埋深9.6米（覆土厚度3.6米）。于区间里程DK21＋045.00处设置一处联络通道。盾构区间在始发时处于半径为350米的圆曲线上，对于始发线性的控制有一定的难度。通过半径为350米圆曲线后，又需通过半径为400米的曲线段。11.2施工情况及结果评价中铁xx局地铁项目部采用本方法施工，按照模拟计算，在-1环推进时逐步打开铰接等一系列纠偏调整，在第11环时可以将盾构机姿态调整为内线行驶。第一环至第八环管片平均楔形量为36mm。根据千斤顶行程差和盾尾间隙，通过连续拼装左转弯环实现。掘进端头井部分按照2-6、10-14区左右段超挖，超挖量为100mm。在掘进完成后，15 根据业主委托的专业测量单位的检测结果，本工程小半径、大下坡盾构曲线始发非常成功，隧道轴线水平偏差最大72mm、高程偏差最大31mm，管片错台基本在2mm以内、最大5mm，该段隧道未发现有渗漏点和管片顶裂现象，地面最大隆起1mm、最大沉降12mm，仅第1环偏差较大（>50mm），其余均在规范允许内，施工完毕后隧道满足调线调坡及验收要求。该段始发完成后业主和监理对其施工质量均给与了肯定和赞扬，成为了XX地铁施工历史上首个曲线始发成功的盾构区间。15'