土压平衡盾构隧道密闭钢套筒始发施工工法.doc
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土压平衡盾构密闭套筒始发施工工法
中铁二局股份有限公司城通分公司
1前言
盾构施工过程中，盾构始发与到达是最易产生事故的工序，直接影响盾构隧道的顺利贯通。
当盾构始发端头地质条件复杂，端头加固龄期长无法满足施工节点要求或由于盾构始发端头存在较多较大地下管线且管线迁改难度大、时间长、费用高时，如何确保盾构机安全始发成为一个工程难点。
广州市轨道交通六号线二期工程【施工三标】土建施工项目高塘石站～黄陂站区间隧道计划从高塘石站始发2台盾构机向高黄中间风井方向掘进。
因端头11根10KVA电缆未迁改，且迁改周期较长，为满足工期节点要求，尽早完成该区间洞通节点目标，减少管线迁改及端头地基加固的周期影响，依据平衡始发原理，在盾构始发井内安装钢套筒，并在钢套筒内安装盾构机，盾构在钢套筒内实现安全始发掘进，解决了盾构始发的难题。
2工法特点
1、施工占用场地小，在盾构始发井内安装钢套筒，并在钢套筒内安装盾构，盾构机在密闭钢套筒内实现始发。
2、工期短，能够解决始发端头加固龄期长，影响施工工期的问题。
3、无需端头加固，依靠钢套筒这个密闭空间，提供平衡掌子面的水土压力，解决了管线迁改周期长，费用高的难题。
3适用范围
土压平衡盾构在施工场地受限、工期短、端头加固困难且加固期龄太长、管线迁改困难等施工条件下始发。
4工艺原理
密闭钢套筒平衡始发依据平衡始发原理，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，使盾构机破除洞门前即已建立了水土平衡的环境，始发等同于常规掘进，从而避免了盾构机始发过程中因为欠压或渗漏而出现塌方的情况。
从直径和长度进行设计，通过把直径与长度设计成比盾构略长的钢套筒与洞口密闭连接，盾构机安装在钢套筒内，然后在钢套筒内填充回填物，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，盾构在钢套筒内实现安全始发掘进进入前方土体，最终使盾构能够正常掘进施工。
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
盾构密闭套筒始发流程图如5.1所示。
图5-1盾构密闭套筒始发流程图
5.2操作要点
1、洞门检查
钢套筒安装前需对洞门预埋环板进行检查。
为防止盾构始发时刀盘切削到连续墙钢筋或工字钢接头，造成刀盘损坏，对洞门圆周一周凿除连续墙的混凝土保护层，露出玻璃纤维筋，确认洞门范围不存在钢筋。
若发现凿除混凝土保护层后有存在钢筋的现象，则应对侵入洞门范围的钢筋进行割除，确保盾构始发的安全、顺利。
2、安装过渡环
过渡环与预埋环板通过焊接连接，如图5-2，焊缝沿过渡环一圈内侧点焊，并在内侧贴遇水膨胀止水条，在过渡环与预埋环板焊接的外侧涂抹聚氨酯加强防水，并加焊槽钢进行补强。
如出现过渡环与预埋环板有些地方出现较大空隙，需在这些空隙处填充钢板并连接牢固，务必将空隙尽可能地堵住。
图5-2安装过渡环照片
3、安装钢套筒下半圆和反力架
（1）在开始安装钢套筒之前，首先在基坑里确定出井口盾体中心线，也就是钢套筒的安装位置，使从地面上吊下来的钢套筒力求一次性放到位，不用再左右移动。
（2）吊下第一节钢套筒的下半段，使钢套筒的中心与事先确定好的井口盾体中心线重合，如图5-3。
（3）钢套筒与过渡环采用螺栓连接。
（4）反力架的安装与常规盾构始发反力架安装一致，如图5-4。
图5-3安装钢套筒下半圆照片
图5-4安装始发反力架照片
4、安装定位钢轨、洞门导轨，并填料
在钢套筒下方60°圆弧内平均分布安装2根43公斤钢轨，钢轨从钢套筒后端铺设至洞门围护结构2m位置，钢轨采用压板固定，压板焊接在钢套筒筒体上。
根据盾构机标高，在洞门下部安装2根导轨，靠近盾构机端制作成斜坡，如图5-5。
图5-5钢套筒内定位钢轨照片
为确保底部砂层提供充足的防盾构机扭转摩擦反力，在钢套筒底部2根钢轨之间铺砂并压实，每个位置的铺砂高度高出相应钢轨的高度15mm，待盾构机放去上后，进一步压实，如图5-6。
图5-6钢套筒内第一次填料
5、钢套筒内安装盾构机
在钢套筒内安装盾构机主体，并与连接桥和后配套台车连接，如图5-7。
图5-7钢套筒内安装盾构机照片
6、安装钢套筒上半圆
钢套筒上半圆安装好以后，调整压紧螺栓，检验连接安装部位，确保其连接完好性，尤其是钢套筒的上下半圆、节与节部分之间连接，还要检查过渡连接板与洞门环板之间的连接情况，看是否存在脱开的现象，发现有隐患，要及时处理，如图5-8所示。
图5-8安装钢套筒上半圆照片
7、预加反力
上半圆安装完成后，调整环梁预加压力千斤顶，每个千斤顶的预压力为30t，总计反力架的预加压力约为600t。
预压的过程中注意检查反力架各支撑是否松动，钢套筒连接螺栓是否松动，出现异常及时采用处理措施，如图5-9所示。
图5-9预加反力照片
8、安装负环、盾构机刀盘推进至洞门掌子面
钢套筒、反力架安装完毕，盾构机调试完成后，安装负环、盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面但不切削掌子面。
第一环负环在盾尾内拼装成型后，通过千斤顶整体向后顶推至紧贴反力架，管片与反力架之间采用螺栓连接。
9、第二次钢套筒内填料
盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面后，向钢套筒内进行第二次填砂，本次填料在钢套筒与盾构之间的间隙内填充砂。
在填充的过程中适当加水，并通过钢套筒下部的排水孔排出，保证砂的密实，如图5-10。
图5-10钢套筒内第二次填料
10、负环管片壁后注浆
为保证负环管片与钢套筒之前的密封效果，在盾构机刀盘贴近洞门掌子面后，通过靠近反力架两环管片的吊装孔进行壁后注浆，注浆材料采用可硬性浆液，在管片后面形成一道密封防渗环，如图5-11。
图5-11负环管片壁后注浆
11、盾构始发掘进
洞门连续墙为800mm厚的C30玻璃纤维筋连续墙，盾构机在切削连续墙时：
推进速度控制在5～10mm/min，扭矩不大于2000kN·m，千斤顶总推力不大于800t。
通过洞门后，速度可逐步提升至20～25mm/min，千斤顶总推力逐步调整到1000～1500t。
12、盾构始发土舱压力设定
1）、土舱压力的设定
根据高塘石站大里程端头地勘资料可知，盾构穿越的主要地层为<4N-3>粉质粘土层，其土舱压力设定如下：
刀盘中心处水土压力：
P1=K0·γ·h
P1：
土压力（包括地下水）（KN/m2）；
K0：
静止土压力系数；
γ：
土的平均容重（kN/m3）；
h：
隧道埋深（算至隧道中心）（m）。
根据详勘报告，端头隧道中心线以上地层土工参数如表5-1所示：
表5-1盾构端头中心先以上地层土工参数一览表
参数
<1>素填土
<4-2A>淤泥质土
<4N-3>粉质粘土层
覆土厚度（m）
6.1（标高范围42.49～36.39）
2.4（标高范围36.39～33.99）
4.2（标高范围33.99～29.79）
γ：
土的容重（kN/m3）
18
17.8
19.5
K0：
静止土压力系数
0.4
0.57
0.53
注：
地下水位标高为39.14m。
刀盘中心处水土压力：
P1=12.7×0.5×18.7=118.75KPa，取土舱压力为1.1P1=130.63KPa。
2）、土舱压力控制
盾构机和钢套筒安装好后，向钢套筒内回填砂土并加水，回填好后，盾构机在钢套筒内始发，始发时土舱压力控制与常规盾构始发相同，土舱压力逐步提高到130.63KPa。
实际施工时，采用信息法施工、根据地面监测情况进行及时调整。
5.3劳动力组织
表5-2劳动力组织表
序号
施工工序
配置人数
1
龙门吊司机
2人
2
挖掘机司机
2人
3
管片服务工
2人
4
砂浆搅合工
2人
5
盾构机操作手
1人
6
电瓶车司机
2人
7
机械维修工
2人
8
掘进工
6人
9
技术员
2人
10
安全员
1人
11
普工
2人
12
司索工
2人
13
电工
2人
14
其它
2人
15
合计
30
注：
上表为每班人员配置表
6材料与设备
6.1材料说明
本施工工法所用的钢套筒的设计参数为：
盾构机始发时土舱压力约为0.14MPa，钢套筒设计耐压0.5MPa，满足要求。
钢板材料的选择规格为：
Q235B，板厚δ=30mm。
整个钢套筒结构由过渡环、筒体、环梁等部分组成。
6.2机械设备
表6-1机械设备表
序号
设备名称
型号规格
单位
数量
生产能力
1
盾构机及后配套设备
中铁建DZ002
海瑞克240
台
2
φ6250
2
硅整流充电机
KCA
套
8
3
钢套筒
推力1500t
套
2
1500t
4
隧道轴流风机
VDT225M
台
4
2×55KW
5
砂浆搅拌站
JS750
套
1
35m3/h
6
潜水泵
XQY-25
台
6
5KW
7
挖掘机
PC025
台
3
0.25m3
8
机动翻斗车
辆
15
1.0m3
9
注浆泵
SYB-3型
台
2
5Mpa250L/min
10
强制式拌和机
JZC500A
台
2
500L
11
照明变压器
XDB-5
台
6
5KVA380/36V
12
碴土运输车
KC15
台
12
18m3
13
管片运输车
GP15
台
8
20t
14
浆液运输车
SJ70
台
4
7m3
15
材料运输车
KCC20
台
4
20t
16
双梁门式起重机
16t-16m-12（35m）A6
台
1
40t
7质量控制
7.1始发钢套筒变形控制
1、钢套筒安装前需对洞门预埋环板进行检查，必要时须进行植筋加固。
2、在反力架和环梁之间设置预压力螺栓，通过预压千斤顶对钢套筒施加预压力，使钢套筒顶紧洞门环板。
3、钢套筒、反力架制造前进行严格的受力计算；钢套筒靠近反力架端设置加强环梁；盾构始发掘进前进行对安装好的成套装置进行压力测试，压力测试合格后方能进行盾构始发掘进。
4、在进行始发钢套筒、反力架和首环负环管片的定位时，要严格控制钢套筒、反力架和负环的安装精度，确保盾构始发姿态与设计线路基本重合。
5、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钢套筒提供的反扭矩。
6、对钢套筒与洞门环板连接处和反力架进行监测，对钢套筒本体的连接处、筒体进行观测，根据可能出现的不同情况采取针对性措施：
（1）如果出现钢套筒与洞门环板位置出现变形量过大时，要加大钢套筒与反力架之间的预加反力，然后将洞门环板与钢套筒连接端面变形量稍大的地方进行补焊。
（2）如果出现钢套筒本体连接端面法兰处出现变形量较大时，要立即采取加强措施，在变形量较大处补加加强肋板，加强肋板可利用现场钢板制作。
（3）如果反力架斜撑任何位置出现位移量过大时，要分析可能出现的原因，并增加斜撑的数量，同时在另一侧要增加直撑的数量。
通过以上应对措施，能够有效防止钢套筒与洞门预埋环板连续处开裂，钢套筒变形过大、反力架变形过大引起结构破坏现象。
7.2盾构机及设备扭转控制
盾构机在破除洞门连续墙后，洞门外水土压力传递至钢套筒内，盾构机在钢套筒内掘进相当于中间隧道的常规掘进，钢套筒内填充物和盾构机自重足以提供防扭转的反力。
但在洞门连续墙除前，盾构机切削连续墙时产生较大扭矩，此时钢套筒是一个独立的封闭空间，防扭转的扭矩主要来自于盾构机自重与钢套筒下部砂之间的摩擦反力，因些在掘进过程中需严格控制扭矩不超过控制值。
同时由于刀盘切削扭矩发生较大波动，可能造成盾构机盾体和钢套筒整体发生扭转、倾覆。
因而本工法采用以下应对措施对盾构机及设备扭转进行控制：
1、盾构始发前，在盾构机与钢套筒之间填充砂料，使之产生足够的防止盾构机扭转的扭矩。
2、为防止盾构机和钢套筒整体发生扭转、倾覆，在钢套筒基座两侧每间隔2m安装一根工字钢横撑。
3、始发前基座定位时，盾构机轴线与隧道设计轴线基本保持平行，盾构中线可比设计轴线适当抬高。
4、在始发阶段，由于盾构机推力较小、地层较软，要特别注意防止盾构机低头。
5、盾构在始发台上向前推进时，通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿始发台向前推进。
6、始发初始掘进时，盾构机处于钢套筒上，因此需在钢套筒及盾构机上焊接相对的防扭转支座，为盾构机初始掘进提供反扭矩。
7.3盾构机防渗漏控制
钢套筒环向、纵向接缝，钢套筒与洞门环板连接处，钢套筒环梁与管片连接处，负管片接缝处，钢套筒与环梁连接处可能出现泄漏，导致土舱无法维持需要的压力引起掌子面塌陷。
在该施工工法中采用如下应对措施控制盾构机渗漏：
1、为确保钢套筒环向、纵向接缝不渗漏，钢套筒分块连接处均设置两道嵌入式密封圈，并在分块连接处内侧涂抹聚氨酯，确保钢套筒环向、纵向的接缝不渗漏，如图7-1所示。
图7-1钢套筒密封装置
2、钢套筒与洞门环板连接处采用焊接，并在内侧贴止水条，外侧涂抹聚氨酯防渗漏。
3、钢套筒环梁与管片连接处，负管片接缝处采用三元乙丙橡胶密封垫+遇水膨胀止水条防水，压力测试合格后，盾构机方能在钢套筒内进行始发掘进。
4、钢套筒与环梁采用M24×240螺栓连接，连接处均设置两道嵌入式密封圈，并在连接处内外侧涂抹聚氨酯防渗漏，如图7-2。
图7-2钢套筒连接处内外侧涂抹聚氨酯防渗漏
8安全措施
8.1施工安全保障措施
1、建立健全各项安全生产制度及预防措施
2、深化安全教育，强化安全意识。
工作人员上岗前进行技术培训和“三级”安全教育，特殊工种的作业人员持有广州市特殊工种操作证或临时操作证。
3、作好现场管理，搞好文明施工，建成安全标准工地，在施工现场入口的显著位置设立广州市建设行政主管部门规定：
现场施工平面图、总平面管理、安全生产、文明施工、环境保护、质量控制、材料管理；“四口五临边”的防护网、防护栏等安全设施齐全，易燃易爆妥善保管，工程材料合理堆放，各种交通、施工、安全信号标示明晰，正确使用风水管路及供电线路，施工工序有条不紊，现场管理井然有序；
4、全面落实安全生产责任制，做到责权利相统一，层层签订安全生产包保责任状，使安全生产职责落实到每一级管理者、每一施工工点、每一道工序、每一职工。
严格考核，奖罚分明。
5、项目经理部和作业队均成立安全生产领导小组，由各级第一管理者任组长，定期召开安全生产会，分析安全生产形势，总结和部署安全生产工作，组织安全培训教育，开展安全生产检查活动等。
6、加强班组建设，执行“三工、三检”和“每周安全活动”，集思广益，找隐患、查问题，杜绝“三违”，使事故隐患消灭在萌芽状态。
7、认真实施标准化作业，严格遵守施工程序和劳动纪律，杜绝违章指挥与违章操作，保证防护设施的投入，使安全生产建立在管理科学、技术先进、防护可靠的基础上。
8、重点部位和技术难度复杂的工序，不良气候条件下危险性大的作业项目，在结合现场实际情况，编制专门的实施细则和安全措施，进行技术交底，由施工技术负责人和专职安全管理人员监督实施。
8.2施工场地安全及用电安全保证措施
1、我公司在施工生产过程中，完全按照安全监督部门的要求切实做好工程、车辆机械和施工人员的安全工作。
2、施工现场的布置符合防火、防雷击、防洪、防触电等安全规定的要求，施工现场的生产、仓库、材料堆放场、修理间、停车场等按业主批准的总平面布置图进行布置。
3、现场道路平整、坚实、畅通，危险地点悬挂按规定的标牌，夜间有人经过的坑、洞设红灯示警，现场道路符合相关规定，施工现场设置大幅安全宣传标语。
4、施工现场临时用电，严格按《施工现场临时用电安全技术规范》的有关规定执行。
5、临时用电线路的安装、维修、拆除，均由经过培训并取得上岗证的电工完成，非电工不准进行电工作业。
6、施工前，根据设计文件复查地下构造物如地下电缆、给排水管道等的埋设位置及走向，并采取防护措施。
施工中如发现危及到地下构造物、地面建筑物或有危险品、文物时，立即停止施工，待处理完毕后施工。
8.3施工机械安全质量保证措施
1、各种机械操作人员和车辆驾驶员，取得操作合格证。
不准操作与证不相符的机械，不准将机械设备交给无本机操作证的人员操作。
对机械操作人员建立档案，专人管理。
2、指挥施工机械作业人员，站在可让人了望的安全地点并明确规定指挥联络信号。
3、使用钢丝绳的机械，在运行中严禁用手套或其他物件接触钢丝绳。
用钢丝绳拖拉机械或重物时，人员远离钢丝绳。
4、起重作业严格按照《建筑机械使用安全技术规程》和《建筑安装工人安全技术操作规程》规定的要求执行。
5、定期组织机电设备、车辆安全大检查，对检查中查出的安全问题，按照“三不放过”的原则进行调查处理，制定防范措施，防止机械事故的发生。
9环保措施
1、施工场地噪音控制标准按《建筑施工场界噪声限值》要求执行，确保离开施工作业区边界30m处噪音小于70dB，撞击噪音最大不超过90dB。
2、施工现场对土、砂、水泥等材料运输和堆放进行遮盖，同时施工场地及道路进行硬化，适时洒水，减轻扬尘污染。
3、在工程开工前完成工地排水和废水处理设施的建设，并保证工地排水和废水处理设施在整个施工过程中的有效性，做到现场无积水、排水不堵塞、水质达到排放标准。
4、在施工范围内严格按照法规执行城市生态环境控制措施。
合理布置施工场地，生产、办公设施布置在征地红线内，尽量不破坏原有的植被，场地边角部位种花、种草、植树，保护自然环境。
5、施工时制定泥浆和废渣的处理、处置方案，及时清运施工弃土和余泥渣土，建立登记制度，防止中途倾倒事件发生并做到运输途中不撒落。
10效益分析
通过对密闭钢套筒的应用，减少管线迁改费用和工期，减少地面端头加固费用和工期，增加密闭钢套筒始发费用和工期。
减少费110万元，减少工期80天。
11应用实例
11.1施工情况
该工法已取得成功应用的部分工程实例如下表所示。
表11-1工法应用实例
序号
工程名称
工程规模
施工情况
1
广州地铁六号线二期工程【施工三标】高塘石站～中间风井区间左线盾构掘进
左线长度为604.608m；
采用密闭钢套筒始发；
始发掘进段100m；
正常掘进段404.608m
到达掘进段100m
密闭钢套筒始发完成；始发掘进段完成；正处于正常掘进阶段。
2
广州地铁六号线二期工程【施工三标】高塘石站～中间风井区间右线盾构掘进
右线长度为607.563m；
采用密闭钢套筒始发；
始发掘进段100m；
正常掘进段407.563m
到达掘进段100m
全部完成
3
南宁市轨道交通一号线一期工程【陈村站～广西大学站】（一站三区间）土建施工标
6个洞门始发及区间掘进
全部完成
11.2实际结果及评价
高塘石站左线及右线安全，顺利的完成始发。
始发掘进过程安全高效，无异常情况发生。
为项目部减少了资金投入，缩短了盾构掘进工期，为项目部创造了价值。
通过密闭钢套筒始发的应用，发现密闭钢套筒始发有一定缺陷，若盾构管片每环1.2m，通过7环负环后，洞门接头有效长度为700mm，符合要求；若盾构管片每环为1.5m，通过6环负环管片后，洞门接头有效长度为100mm，不符合要求，后续需对管片进行处理后方可进行车站与隧道的接头施工。
可以通过定制一个1m的始发基准环进行解决，若隧道管片为1.2m的管片，不拼装1m的基准环；若隧道管片为1.5m管片，先拼装1m的基准环后再拼装负环。
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