盾构施工方案.docx
《盾构施工方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《盾构施工方案.docx（67页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
盾构施工方案
第十章盾构掘进施工（含端头井加固）及联络通道（含泵房施工）
10.1盾构机的选型
10.1.1盾构机选型依据
根据天津地铁6号线土建施工第15合同段施工招标文件的要求和盾构区间的设计说明的描述，结合盾构施工经验，来进行本合同段的盾构机选型。
1、本合同段工程概况和工程水文地质情况
详见第一章施工总体部署1.6.2工程地质及水文地质。
2、管片设计要求详见表10-1。
表10-1管片设计要素
类型
钢筋混凝土管片
外径
6200mm
内径
5500mm
厚度
350mm
宽度
1500mm
管片形式
3块标准块A+2块邻接块B+1块封顶块K
组装方法
错缝拼装
10.1.2盾构机选型确定
盾构选型合理与否是盾构施工成败的关键，而地质条件是影响盾构选型的最重要因素。
天津地铁6号线土建第15合同段红旗路站～宜宾道站、宜宾道站～鞍山西道站盾构区间穿越地层主要为粒径在粉土和粉粘土，地下水类型主要为潜水，局部地段存在上层滞水。
根据上述工程地质、水文地质条件及多年来的盾构施工实践经验，我公司认为本工程所选的盾构机应为加泥式土压平衡盾构机，并必须满足表10-2要求。
表10-2对盾构机的具体要求
部位
技术规格及要求
总体技术要求
（1）最小曲线半径：
350m。
（2）最大线路坡度25‰。
（3）允许的地面最大隆陷值为+10mm，-25mm，允许成型隧道轴线偏差为±50mm。
（4）盾构机整机的使用寿命大于6000m，主轴承、主轴承密封及液压系统关键部位累计工作时间大于5000小时。
（5）盾构机允许通过的卵石的最大粒径为500mm。
（6）盾构机设有铰接装置且铰接部分密封可靠，采用被动式铰接装置。
（7）盾构机设有有害气体检测报警系统。
分部技术要求
刀盘
（1）采用适合于本合同段盾构区间地质条件下的面板型轮辐式刀盘，确定合理的刀具型式、数量、布置和刀盘的开口率。
（2）确保刀具在盾构机本述合同段中连续掘进900m不更换，为预防在掘进过程中出现必须更换刀具的特殊情况，在刀盘设计上应考虑在土仓内增设便于更换刀具的措施。
（3）刀盘驱动方式（液压驱动或电驱动）由投标方自定，刀盘转速在0～2转/分的范围内可以调节。
排土机构
（1）螺旋输送机出土量可根据密封舱内的土压力自动调节（并设手动装置）。
（2）螺旋输送机可方便地对外护筒、螺旋叶片进行维修，同时螺旋输送机螺旋叶片和外护筒的内表面有耐磨层，螺旋伸入土仓的长度可调节。
（3）螺旋输送机出土口设有断电紧急关闭装置，且密封可靠。
盾尾密封
（1）设有加注密封油脂的自动控制装置。
（2）盾尾密封在加注密封油脂后，盾尾密封要能承受0.3～0.4MPa压力的泥水而不漏。
注入系统
（1）刀盘、土仓仓壁及螺旋输送机设有添加剂（稠泥浆、加泡沫剂等）注入管路和注入口。
（2）加稠泥浆和加泡沫系统能自动调节用量，两套系统相互独立，并能自动控制流量；亦可提供能满足需要的其它可替代性方案（如半自动方式）
（3）添加剂管路及注入口可方便地进行清洗并有防止堵塞设施。
注浆系统
（1）注浆方式为盾尾同步注浆。
（2）同步注浆系统要求实现分路注浆，能满足及时均匀填充盾尾间隙的要求，注浆系统采用四点注浆或能满足及时均匀填充盾尾间隙之注浆方式，并能自动控制。
导向系统
（1）具有及时测定盾构机位置（x，y，z）及姿态（方位／俯仰／旋转）的装置，其检测结果在操作室显示并与设计的数据进行比较，操作人员可根据显示的结果方便地控制盾构机掘进。
（2）导向系统能按环自动存储必要的数据。
根据盾构机选型的依据，结合我公司和许多盾构机厂商的共同研究，采纳以往在天津地铁盾构施工经验，本合同段将采用加泥式土压平衡盾构机。
10.1.3盾构机特点
本工程采用盾构机由以下装置构成：
盾构机本体、盾构千斤顶、管片拼装机、刀盘、仿形刀盘、铰接装置、螺旋输送机、管片调节器、动力装置、电源装置、管道和布线、牵引车架、注浆系统、泡沫系统、回填系统、PLC控制系统和数据选择系统、盾构机导向系统、皮带传送装置。
盾构机主要特点详见表10-3。
表10-3盾构机主要特点
系统
设计参数
作用及效果
主轴承
寿命17，850小时
盾构机可掘进约10km
刀盘主密封
寿命在6公里·5000Hr以上
盾构机可掘进约10km
刀盘装置
挖掘装置
刀盘由主辐条3根，辅助辐条3根共6根辐条构成，上面配置有1个中央刀头、98个切削刀头、12个特殊切削刀头、40个保护切削刀头，并在刀头上装有超声波式磨损检测装置。
刀盘开口率39%。
按照区间工程条件进行设计。
切削刀头在刀盘辐条侧面用销子加以固定，便于在土仓中进行更换。
超声波式磨损检测刀头装备于No2、5、6刀盘辐条上，计测磨损量。
超挖装置
2台仿形刀装备。
最大超挖可达到从外壳外径起100mm处。
还可进行左右旋转挖掘。
驱动装置
挖掘的最大扭矩为6498kN·m，刀盘驱动电动机可通过变频器控制，转数可在0.3～1.94rpm的范围内任意设定。
满足曲线施工。
推进装置
推进千斤顶
22台千斤顶，总推力37840kN，操作方式为计测调谐和全数调谐。
最大掘进速度8.0cm/min。
铰接千斤顶
16台铰接千斤顶，最大铰接角度为水平±1.5，垂直±0.5。
满足曲线施工。
螺旋输送机
螺旋输送机可正逆两个方向旋转，安装有储能器。
具备自动伸缩功能，排土门可根据排土的状况调整其打开程度。
具有前后两道闸门，储能器起到在突然停电时及时关闭闸门作用。
盾尾密封
盾尾设置三道盾尾密封刷。
配有管路自动向盾尾密封注入专用密封油脂，保证盾尾的密封效果，提高防水性能。
正圆器
配备正圆器。
提高管片组装作业的作业性以及提高线形精度。
同步注浆系统
安装有1部同步注浆装置，可从机内4处进行自动注浆（或手动注浆）
及时有效对衬砌背部和地层间空隙进行充填，防止地表沉降。
泡沫、膨润土注入系统
刀盘、密封隔板及螺旋输送机均设有泡沫、膨润土注入管路。
改变开挖土体的流塑性。
人孔锁、材料锁、压气装置
隔壁的面板上安装人孔锁（2个）、材料锁和压气装置，可以对挖掘面进行压气加压，最高使用压力为0.3MPa。
在挖掘面上进行维修作业。
导向系统
具有及时测定盾构机位置及姿态（方位／俯仰／旋转）的装置，能按环自动存储必要的数据。
检测结果在操作室显示并与设计的数据进行比较，操作人员可根据显示的结果方便地控制盾构机掘进。
数据传输系统
配备数据采集处理和远程传输系统
实现办公掘进工况信息管理，有害气体监测报警系统。
10.1.4盾构机主要尺寸、技术性能和参数
本合同段选用的盾构机主要尺寸、技术性能和参数见表10-4。
表10-4主要尺寸、技术性参数表
项目
名称
技术参数
备注
尺寸重量
设备总长（约）
67m
盾壳长度
8215mm
总重（约）
350t
盾构机本体
外径
6340mm
铰接式
护罩长度
750mm
圈梁长度
3840mm
盾尾长度
3625mm
最小水平转弯半径
250m
最大工作压力
30MPa
土压传感器
隔壁部分（外周）Φ80×3（N1～N3）
隔壁部分（内周）Φ30×2（S1、S2）
本体外板部分Φ80×1（01）
6个
盾尾
外径
6340mm
长度
3625mm
盾尾密封
三排钢丝刷加注油脂
注脂管
6（2×3）
注浆口
4
DN40
推进油缸
总推力
37840kN
行程
2150mm
工作压力
30MPa
收缩运转压力
20MPa
千斤顶最大伸出速度
80mm/min
千斤顶最大回缩速度
296mm/min
铰接油缸
完全推进
32000kN
行程
170mm
角度
水平±1.5°，垂直±0.5°
刀盘
开口率
39%
开挖直径
6360mm
刀具
中央刀头、切削刀头、特殊切削刀头、保护切削刀头、超挖刀
旋转方向
顺时针方向和逆时针方向
重量
22t
刀盘驱动
驱动形式
电力驱动（整流器驱动）
电动马达数量
10
转速
0.2～1.94rpm
扭矩
5415kN·m
最大扭矩
6498kN·m
人行闸
型式
双室
可独立调节
长度
2600mm
直径
1600mm
工作压力
0.3Mpa
管片安装机
型式
环形齿轮式
电驱动
液压驱动
速度
0.76/1.53min-1
高低转速
推压力
220kN
提升力
150kN
管片宽度
1200mm
垂直行程
700mm
滑动行程
1000mm
内部自由空间
约3050mm
操作压力
33kN
重量
14t
正圆器
型式
竖直伸展型
液压驱动
推举力
400kN
推举冲程
400mm
滑动冲程
1450mm
螺旋输送机
型式
中心轴式
液压驱动
外径
800mm
转速
1.4～13.3rpm
可调
最大扭矩
91.8kN·m
输土能力
约224m3/h（当η=100%）
螺旋输送机门
刀门型
液压驱动
螺旋输送机滑块
轴滑型
液压驱动
螺旋输送机间壁
刀门型
液压驱动
重量
15.5t
皮带输送机
动力
30kW
电驱动
带宽
750mm
带长
约43mm
带速
100m/min
预设曲线半径
200m
空转轮角度
30deg
输送能力
260m3/h
注入口
刀盘
Ф40
4个
间壁
Ф50
6个
螺旋输送机
Ф50
2个
盾构机侧壁
Ф50
10+2个
油压气缸
推进
1720kN×2150s×30MPa×22No
拼装机扩张
110kN×700s×14MPa×2No
拼装机滑动
70kN×1000s×14MPa×1No
拼装机支承A
43kN×100s×8.5MPa×2No
拼装机支承B
43kN×150s×14MPa×2No
仿行刀盘
200kN×120s×21MPa×2No
螺旋输送机门
105kN×690s×21MPa×2No
螺旋输送机滑块
323kN×550s×21MPa×2No
间壁门
165kN×420s×21MPa×2No
回填注浆
39kN×120s×21MPa×4No
铰接
2000kN×170s×35MPa×16No
正圆器
200kN×400s×21MPa×2No
正圆器滑块
43kN×1450s×14MPa×2No
牵引梁
460kN×550s×35MPa×1No
油压泵
推进
101L/min×30MPa×1500rpm×1No
拼装机气缸
21.2L/min×14MPa×1500rpm×1No
拼装机旋转
82L/min×21MPa×1500rpm×1No
仿行刀盘
25.4L/min×21MPa×1500rpm×1No
脂润滑
0.031L/min×18MPa×1500rpm×2No
油润滑
6L/min×0.3MPa×1500rpm×1No
螺旋传送装置
256L/min×16MPa×1500rpm×2No
螺旋输送机门
46.1L/min×21MPa×1500rpm×1No
螺旋输送机滑块
同门
间壁门
同门
回填注浆
同仿行
铰接
25.4L/min×35MPa×1500rpm×1No
正圆器
同铰接
牵引梁
同铰接
回填注浆泵
93L/min×21MPa×1500rpm×1No
推进
55kW×4p×380V×50Hz×1No
刀盘
55kW×4p×380V×50Hz×10No
整流器
拼装机气缸
7.5kW×4p×380V×50Hz×1No
拼装机旋转
37kW×4p×380V×50Hz×1No
仿行刀盘
11kW×4p×380V×50Hz×1No
脂润滑
0.09kW×4p×380V×50Hz×2No
油润滑
0.75kW×4p×380V×50Hz×1No
螺运机传送装置
75kW×4p×380V×50Hz×2No
螺旋输送机门
18.5kW×4p×380V×50Hz×1No
螺旋输送机滑块
同门
间壁门
同门
回填注浆
同仿行
铰接
18.5kW×4p×380V×50Hz×1No
正圆器
同铰接
回填注浆泵
37kW×4p×380V×50Hz×1No
油压发动机
拼装机
1.613L/rev×5.39kN·m×21MPa×2No
螺运机传送装置
6.012L/rev×14.3kN·m×15MPa×2No
后配套设备
回填注入设备
1
第一节台车
操作室
1
油箱、油冷却器
1
第二节台车
盾尾注脂泵
1
泡沫注入系统
1
第三节台车
变换器
1
加泥装置
1
第四节台车
动力盘
1
加泥装置
1
第五节台车
高压变压器
1
高压VCB盘
1
压气用压缩机
1
第六节台车
水箱
1
电缆卷筒
1
管片输送系统
1
数据采集系统
1
导向系统
1
Robotec
后续台车
6
电源
初级电压
10kV
次级电压
380V/220V
高压转换器
1200kVA
干树脂型
电源电路
380V×50Hz×Ф3
控制电路
100V×50Hz×Ф1
照明电路
220V×50Hz×Ф1
紧急电路
AC24V
频率
55Hz
保护
IP55
10.1.5盾构机各部分功能描述
本盾构机设备总重量约为350t，总长度约为67m，分盾体和后配套设备两大部分，后配套设备分别安装在6节后续台车上。
1、刀盘
刀盘结构详见图10-1刀盘布置图。
图10-1刀盘布置图
刀盘是盾构机最前端的部件，直接与开挖面接触，上面装有1个中央刀头、98个切削刀头、12个外围强化先行刀头、40个强化先行刀头，用来对付各种土体，同时安装有注入各种添加材料的喷头，以降低刀具温度和减少摩擦，还有2把超挖刀，专门用于盾构曲线施工和盾构姿态的修正。
刀盘采用面板型辐条式结构，由主辐条3根、辅助辐条3根共6根辐条构成，刀盘结构设计充分考虑了对区间地层掘进的要求，在刀盘面板周边最易磨损处焊接外周强化先行刀头，在刀头堆焊硬质合金，具有足够的刚度和强度，同时选择39%的开口率，既保证了盘面上有足够的刀具安装位置，又保证了出土的流畅性，切下来的泥土碎石由进碴口进入泥土仓，在泥土仓内由装在刀盘后和密封隔板上的搅拌棒对其进行强制搅拌，使其塑流性和不透水性达到最佳状态，经伸在泥土仓底部的螺旋输送机输送出去。
刀盘的外径设计为6340mm，比盾体外径大140mm，便于盾构在推进时减少盾壳与围岩的摩擦。
在刀盘上安装有三把超声波式磨损检测刀头，可在掘进过程中掌握刀头的磨损，便于刀具的监测与更换。
2、刀盘驱动系统
刀盘驱动系统详见图10-2。
刀盘驱动系统主要包括电动马达、小齿轮、带齿轮的轴承、刀鼓、液压管路、减速机、主轴承及其密封润滑装置等，主要为刀盘开挖掘进提供所需要的转动扭矩。
图10-2刀盘驱动系统
通过带减速机的电动变频马达→小齿轮→齿轮轴承→刀鼓→刀盘传递刀盘的旋转力，推力、径向荷载均通过轴承支撑，轴承周围通过油浴进行润滑，并进一步通过油循环（自动供油）降低磨损阻力
，以防止烧结。
旋转体上均装有密封填料，用以防止地下水和沙土的渗入。
为保证密封件之间的润滑以及密封件的支持压力，经常供给润滑脂。
3、盾体
盾体呈圆柱形截面，由土仓、横梁和盾尾三部分组成，又可分为前体和后体两大部分，以铰接部分为准，前方称为前体，后方成为后体。
盾体具有足够的刚度和强度，用以支撑盾构机外部的围岩，并保护在盾构机内工作的人员和设备的安全。
（1）前体
前体由土仓和横梁组成。
依靠前体的密封隔板，盾构机和开挖面之间构成一个土仓，用于堆积刀盘切削下来的碴土，以便通过对这些碴土进行加压，使压力作用在开挖面上，维护被开挖土体的稳定。
同时还起到保护在土仓内作业人员的安全作用。
前体的密封隔板上安装有5台土压传感器，还在不同高度位置上设置了泥浆、泡沫及水的注入口。
密封隔板下部安装有螺旋输送机，上部有材料锁定，中央部分有人闸入口和旋转接头。
前体中心为主轴承的安装座孔，中下部为人闸、螺旋输送机的安装提供了安装法兰。
横梁前部收贮有刀盘装置的驱动部分，后部外围按照圆周方向均等排列有用于推进盾构机的盾构千斤顶。
（2）后体
后体的内部焊接有加强环和H架，保证其具有很高的强度和刚度，为主轴承伸缩油缸、人闸、推进系统各部件（泵、马达、推进千斤顶）和管片安装器提供安装基础。
前体和后体通过铰接油缸相连，进行铰接时，首先铰接千斤顶全部伸长至25mm以上，之后开始铰接工作，铰接角度左右方向最大为1.5度，上下方向可弯曲0.5度。
壳体的铰接环部分上设置有铰接密封，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。
（3）盾尾
盾尾主要是为了提供管片安装区，并将盾构内部与外部围岩用盾尾密封刷可靠分隔。
在盾尾的钢板中预埋了4根砂浆管和8根盾尾密封油脂管。
盾尾的尾部，焊制了3排密封尾刷，用于防止同步注浆时因砂浆倒流至盾构前方，造成的注浆压力不能稳定和提高，同时减小砂浆浪费。
4、推进系统
推进系统由沿后体的内周均匀地安装了22个盾构推进千斤顶（后体推压式）、前体和后体之间的16台千斤顶组成。
推进千斤顶与管片分别对应，靠管片的反力实现对盾构的推进，是盾构推进的动力装置，22台千斤顶分上下左右四组进行控制，每组的油压压力均可通过远程操作调整为任意的压力，推进千斤顶伸出速度的调整可通过操作盘上的量钮开关来进行。
进行微调时，可通过并列设置在驾驶席旁边的流量控制阀来进行调整。
千斤顶速度、行程的检测通过No.1、6、11、18的千斤顶来进行，指示计设在操作盘上。
千斤顶的操作有计测调谐和全数调谐两种。
推进千斤顶总推力37840KN，行程全部为2150mm，满足1200mm管片的错缝拼装要求。
5、碴土运输系统
（1）螺旋输送机
螺旋输送机前端装在泥土密封仓底部，通过密封隔板向中心倾斜安装。
在出土口设有液压油缸控制的闸门和弃土导槽；在螺旋输送机的转动下，刀盘切削下来的泥土和岩石碎块连续不断的向外输送，螺旋输送机的转速为可调的，用来控制排土量，保证土仓压力，同时保证开挖面的稳定；在螺旋输送机上装有泡沫及泥浆管路，减少阻力延长寿命。
在螺旋输送机上安装有土压传感器测量压力变化情况，便于控制土仓压力，使排土顺势流畅。
螺旋输送机的进碴门和出土闸门分别由两个液压油缸控制，出土闸门防水也密封，其开口度可根据需要任意调节，且在断电的情况下，可自行关闭，确保安全。
螺旋输送机的螺杆可伸缩，伸缩量550mm。
螺旋输送机可满足275mm碎石的顺利排出。
螺旋输送机的转速可以根据泥土仓压力手动或者自动调节。
螺旋输送机排出的泥土，由皮带输送机运到后配套拖车的尾部装车，通过运碴车、工作井提升设备把土碴运到地面。
（2）皮带输送机
皮带输送机用于将螺旋机送来的碴土转运到后部拖车的尾部装在碴土列车上，皮带输送机设置有钢丝绳牵拉式紧急停止装置，起到保护维修人员安全的作用。
6、管片运输、安装系统
管片运输、安装系统由管片吊机、管片拼装机、整圆器组成。
由管片车运来的管片，通过管片吊机吊到管片拼装机下。
管片拼装机为环形结构，位于盾尾部分，在梁后部由径向辊加以支撑，通过两台油压马达进行旋转。
升降千斤顶对管片进行吊入和安装，滑动千斤顶在轴方向（盾构机的推进方向）进行移动。
支护千斤顶（A）进行管片止动和滚动校正。
支护千斤顶（B）在组装主要管片时，对已经组装的B型管片进行歪斜校正，从而使主要管片易于组装。
油缸举升行程和纵向移动行程分别为700mm和1000mm，完全可以满足1200mm管片错缝拼装。
管片拼装机通过夹紧机构将管片夹起，完成管片的粗定位和微调整定位，再通过螺栓方式完成管片间的连接和环间的连接。
当管片从盾尾脱出后，由于受到管片自重和土压的作用会产生变形，给环间管片的纵向螺栓安装带来困难，整圆器可使管片在脱出盾尾后临时保持真圆；整圆器可以前后移动和径向顶压。
管片拼装机不受推力油缸靠近和加压产生的运动及外力的影响。
整个管片拼装机的工作可采用手控和遥控进行，旋转速度分为常用和高速两种级别，旋转角度左右各220°。
7、人闸装置
该盾构机设有双仓式人闸装置，位于盾构机中央，通过法兰连接在前体的结构上。
人闸长为2600mm，直径1600mm，工作压力1.3MPa。
当盾构机掘进时，由于土仓内和隧道存在压力差，人员若要进入土仓进行作业，则必须利用人闸。
作业人员在人闸内历经缓慢加压过程，直到人闸内气压与土仓内压力相等时，方能打开闸门进入土仓；人员离开高压环境时也必须在人闸内经过减压过程。
为了保证人员安全，将采取如下措施：
所有进入人闸的人员必须通过体检和加减压测试；
采用电动空压机和柴油空压机两种供气气源。
如果供电发生意外中断，不能由电动空压机供气时，监护人员会立刻打开柴油空压机供气；
一旦发现有人不适于继续工作时，将立即安排其到主仓接受减压，同时安排医护人员立即进入人闸副仓进行加压，这样可以在缩短医护人员与伤员之间的压力差，使医护人员能尽快对伤员进行初步救治。
人闸内的装置有照明灯、压力表、气阀、时钟、消音器、椅子、取暖器、电话等。
8、油压、电气、控制系统
（1）油压控制系统
油压控制系统根据施工要求合理配置，主要用于刀盘的驱动和推进系统、螺旋输送机、管片拼装机及铰接装置等，集中供油装置设在后方台车上。
供油装置设有过滤系统，其过滤精度达10u。
（2）电气控制系统
电气控制系统由高压电缆卷筒、高压电缆及快速接头、变压器、配电盘等组成。
配置在便于操作、检查、维护的位置，均具有防水、防滴、防潮、防尘和防振的特点，具有接地保护、安全警报、自动互锁、漏电保护、过电流、短路保护等功能，可实现高压电缆的快速收放，保证供电的安全。
（3）控制系统
盾构控制系统由PLC和1台监控计算机组成主机系统，配有专门的数据获取处理软件，远程监控终端分布在盾构内及后方台车上，每台远程终端配置小型PLC，主机和远程终端的通信采用总线方式。
盾构工作分盾构掘进、管片拼装及停止三个阶段，盾构掘进时，可采用自动控制模式和手动模式，即根据推进速度及土仓压力自动或手动改变螺旋输送机转速以改变排土量来维持土压平衡的控制模式。
盾构配置较多的传感器，主要有土压传感器、油压器、行程仪、刀盘、螺旋输送机测速仪等，还配有压力、温度继电器。
监控计算机，采用触摸式控机，以掘进施工操作、管理、监视为目的，主要功能有数据显示、数据保存、数据处理、数据设定、报警等。
计算机屏幕为直观菜单显示，有多幅画面供盾构司机选择，并有打印功能。
9、后配套系统
（1）砂浆注入和泵送系统
随着盾构的前进，砂浆泵送系统通过一套泵送装置将砂浆经过4个注入口同步注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之
升级会员 