土壓平衡盾構(gòu)隧道密閉鋼套筒始發(fā)施工工法

土壓平衡盾構(gòu)密閉套筒始發(fā)施工工法中鐵二局股份有限公司城通分公司1前言盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)始發(fā)與到達是最易產(chǎn)生事故的工序，直接影響盾構(gòu)隧道的順利貫通。當盾構(gòu)始發(fā)端頭地質(zhì)條件復(fù)雜，端頭加固齡期長無法滿足施工節(jié)點要求或由于盾構(gòu)始發(fā)端頭存在較多較大地下管線且管線遷改難度大、時間長、費用高時，如何確保盾構(gòu)機安全始發(fā)成為一個工程難點。廣州市軌道交通六號線二期工程【施工三標】土建施工項目高塘石站～黃陂站區(qū)間隧道計劃從高塘石站始發(fā)2臺盾構(gòu)機向高黃中間風井方向掘進。因端頭11根10KVA電纜未遷改，且遷改周期較長，為滿足工期節(jié)點要求，盡早完成該區(qū)間洞通節(jié)點目標，減少管線遷改及端頭地基加固的周期影響，依據(jù)平衡始發(fā)原理，在盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)安裝鋼套筒，并在鋼套筒內(nèi)安裝盾構(gòu)機，盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)實現(xiàn)安全始發(fā)掘進，解決了盾構(gòu)始發(fā)的難題。2工法特點1、施工占用場地小，在盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)安裝鋼套筒，并在鋼套筒內(nèi)安裝盾構(gòu)，盾構(gòu)機在密閉鋼套筒內(nèi)實現(xiàn)始發(fā)。2、工期短，能夠解決始發(fā)端頭加固齡期長，影響施工工期的問題。3、無需端頭加固，依靠鋼套筒這個密閉空間，提供平衡掌子面的水土壓力，解決了管線遷改周期長，費用高的難題。3適用范圍土壓平衡盾構(gòu)在施工場地受限、工期短、端頭加固困難且加固期齡太長、管線遷改困難等施工條件下始發(fā)。4工藝原理密閉鋼套筒平衡始發(fā)依據(jù)平衡始發(fā)原理，通過鋼套筒這個密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力，使盾構(gòu)機破除洞門前即已建立了水土平衡的環(huán)境，始發(fā)等同于常規(guī)掘進，從而避免了盾構(gòu)機始發(fā)過程中因為欠壓或滲漏而出現(xiàn)塌方的情況。從直徑和長度進行設(shè)計，通過把直徑與長度設(shè)計成比盾構(gòu)略長的鋼套筒與洞口密閉連接，盾構(gòu)機安裝在鋼套筒內(nèi)，然后在鋼套筒內(nèi)填充回填物，通過鋼套筒這個密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力，盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)實現(xiàn)安全始發(fā)掘進進入前方土體，最終使盾構(gòu)能夠正常掘進施工。5施工工藝流程及操作要點5.1施工工藝流程盾構(gòu)密閉套筒始發(fā)流程圖如5.1所示。圖5-1盾構(gòu)密閉套筒始發(fā)流程圖5.2操作要點1、洞門檢查鋼套筒安裝前需對洞門預(yù)埋環(huán)板進行檢查。為防止盾構(gòu)始發(fā)時刀盤切削到連續(xù)墻鋼筋或工字鋼接頭，造成刀盤損壞，對洞門圓周一周鑿除連續(xù)墻的混凝土保護層，露出玻璃纖維筋，確認洞門范圍不存在鋼筋。若發(fā)現(xiàn)鑿除混凝土保護層后有存在鋼筋的現(xiàn)象，則應(yīng)對侵入洞門范圍的鋼筋進行割除，確保盾構(gòu)始發(fā)的安全、順利。2、安裝過渡環(huán)過渡環(huán)與預(yù)埋環(huán)板通過焊接連接，如圖5-2，焊縫沿過渡環(huán)一圈內(nèi)側(cè)點焊，并在內(nèi)側(cè)貼遇水膨脹止水條，在過渡環(huán)與預(yù)埋環(huán)板焊接的外側(cè)涂抹聚氨酯加強防水，并加焊槽鋼進行補強。如出現(xiàn)過渡環(huán)與預(yù)埋環(huán)板有些地方出現(xiàn)較大空隙，需在這些空隙處填充鋼板并連接牢固，務(wù)必將空隙盡可能地堵住。圖5-2安裝過渡環(huán)照片3、安裝鋼套筒下半圓和反力架（1）在開始安裝鋼套筒之前，首先在基坑里確定出井口盾體中心線，也就是鋼套筒的安裝位置，使從地面上吊下來的鋼套筒力求一次性放到位，不用再左右移動。（2）吊下第一節(jié)鋼套筒的下半段，使鋼套筒的中心與事先確定好的井口盾體中心線重合，如圖5-3。（3）鋼套筒與過渡環(huán)采用螺栓連接。（4）反力架的安裝與常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)反力架安裝一致，如圖5-4。圖5-3安裝鋼套筒下半圓照片圖5-4安裝始發(fā)反力架照片4、安裝定位鋼軌、洞門導軌，并填料在鋼套筒下方60°圓弧內(nèi)平均分布安裝2根43公斤鋼軌，鋼軌從鋼套筒后端鋪設(shè)至洞門圍護結(jié)構(gòu)2m位置，鋼軌采用壓板固定，壓板焊接在鋼套筒筒體上。根據(jù)盾構(gòu)機標高，在洞門下部安裝2根導軌，靠近盾構(gòu)機端制作成斜坡，如圖5-5。圖5-5鋼套筒內(nèi)定位鋼軌照片為確保底部砂層提供充足的防盾構(gòu)機扭轉(zhuǎn)摩擦反力，在鋼套筒底部2根鋼軌之間鋪砂并壓實，每個位置的鋪砂高度高出相應(yīng)鋼軌的高度15mm，待盾構(gòu)機放去上后，進一步壓實，如圖5-6。圖5-6鋼套筒內(nèi)第一次填料5、鋼套筒內(nèi)安裝盾構(gòu)機在鋼套筒內(nèi)安裝盾構(gòu)機主體，并與連接橋和后配套臺車連接，如圖5-7。圖5-7鋼套筒內(nèi)安裝盾構(gòu)機照片6、安裝鋼套筒上半圓鋼套筒上半圓安裝好以后，調(diào)整壓緊螺栓，檢驗連接安裝部位，確保其連接完好性，尤其是鋼套筒的上下半圓、節(jié)與節(jié)部分之間連接，還要檢查過渡連接板與洞門環(huán)板之間的連接情況，看是否存在脫開的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)有隱患，要及時處理，如圖5-8所示。圖5-8安裝鋼套筒上半圓照片7、預(yù)加反力上半圓安裝完成后，調(diào)整環(huán)梁預(yù)加壓力千斤頂，每個千斤頂?shù)念A(yù)壓力為30t，總計反力架的預(yù)加壓力約為600t。預(yù)壓的過程中注意檢查反力架各支撐是否松動，鋼套筒連接螺栓是否松動，出現(xiàn)異常及時采用處理措施，如圖5-9所示。圖5-9預(yù)加反力照片8、安裝負環(huán)、盾構(gòu)機刀盤推進至洞門掌子面鋼套筒、反力架安裝完畢，盾構(gòu)機調(diào)試完成后，安裝負環(huán)、盾構(gòu)機向前推進至刀盤面板貼近洞門掌子面但不切削掌子面。第一環(huán)負環(huán)在盾尾內(nèi)拼裝成型后，通過千斤頂整體向后頂推至緊貼反力架，管片與反力架之間采用螺栓連接。9、第二次鋼套筒內(nèi)填料盾構(gòu)機向前推進至刀盤面板貼近洞門掌子面后，向鋼套筒內(nèi)進行第二次填砂，本次填料在鋼套筒與盾構(gòu)之間的間隙內(nèi)填充砂。在填充的過程中適當加水，并通過鋼套筒下部的排水孔排出，保證砂的密實，如圖5-10。圖5-10鋼套筒內(nèi)第二次填料10、負環(huán)管片壁后注漿為保證負環(huán)管片與鋼套筒之前的密封效果，在盾構(gòu)機刀盤貼近洞門掌子面后，通過靠近反力架兩環(huán)管片的吊裝孔進行壁后注漿，注漿材料采用可硬性漿液，在管片后面形成一道密封防滲環(huán)，如圖5-11。圖5-11負環(huán)管片壁后注漿11、盾構(gòu)始發(fā)掘進洞門連續(xù)墻為800mm厚的C30玻璃纖維筋連續(xù)墻，盾構(gòu)機在切削連續(xù)墻時：推進速度控制在5～10mm/min，扭矩不大于2000kN·m，千斤頂總推力不大于800t。通過洞門后，速度可逐步提升至20～25mm/min，千斤頂總推力逐步調(diào)整到1000～1500t。12、盾構(gòu)始發(fā)土艙壓力設(shè)定1）、土艙壓力的設(shè)定根據(jù)高塘石站大里程端頭地勘資料可知，盾構(gòu)穿越的主要地層為<4N-3>粉質(zhì)粘土層，其土艙壓力設(shè)定如下：刀盤中心處水土壓力：P1=K0·γ·hP1：土壓力（包括地下水）（KN/m2）；K0：靜止土壓力系數(shù)；γ：土的平均容重(kN/m3)；h：隧道埋深（算至隧道中心）(m)。根據(jù)詳勘報告，端頭隧道中心線以上地層土工參數(shù)如表5-1所示：

表5-1盾構(gòu)端頭中心先以上地層土工參數(shù)一覽表參數(shù)<1>素填土<4-2A>淤泥質(zhì)土<4N-3>粉質(zhì)粘土層覆土厚度（m）6.1(標高范圍42.49～36.39)2.4(標高范圍36.39～33.99)4.2(標高范圍33.99～29.79)γ：土的容重(kN/m3)1817.819.5K0：靜止土壓力系數(shù)0.40.570.53注：地下水位標高為39.14m。刀盤中心處水土壓力：P1=12.7×0.5×18.7=118.75KPa，取土艙壓力為1.1P1=130.63KPa。2）、土艙壓力控制盾構(gòu)機和鋼套筒安裝好后，向鋼套筒內(nèi)回填砂土并加水，回填好后，盾構(gòu)機在鋼套筒內(nèi)始發(fā)，始發(fā)時土艙壓力控制與常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)相同，土艙壓力逐步提高到130.63KPa。實際施工時，采用信息法施工、根據(jù)地面監(jiān)測情況進行及時調(diào)整。5.3勞動力組織表5-2勞動力組織表序號施工工序配置人數(shù)1龍門吊司機2人2挖掘機司機2人3管片服務(wù)工2人4砂漿攪合工2人5盾構(gòu)機操作手1人6電瓶車司機2人7機械維修工2人8掘進工6人9技術(shù)員2人10安全員1人11普工2人12司索工2人13電工2人14其它2人15合計=sum(C2:C15)30注：上表為每班人員配置表6材料與設(shè)備6.1材料說明本施工工法所用的鋼套筒的設(shè)計參數(shù)為：盾構(gòu)機始發(fā)時土艙壓力約為0.14MPa，鋼套筒設(shè)計耐壓0.5MPa，滿足要求。鋼板材料的選擇規(guī)格為：Q235B，板厚δ=30mm。整個鋼套筒結(jié)構(gòu)由過渡環(huán)、筒體、環(huán)梁等部分組成。6.2機械設(shè)備表6-1機械設(shè)備表序號設(shè)備名稱型號規(guī)格單位數(shù)量生產(chǎn)能力1盾構(gòu)機及后配套設(shè)備中鐵建DZ002海瑞克240臺2φ62502硅整流充電機KCA套83鋼套筒推力1500t套21500t4隧道軸流風機VDT225M臺42×55KW5砂漿攪拌站JS750套135m3/h6潛水泵XQY-25臺65KW7挖掘機PC025臺30.25m38機動翻斗車輛151.0m39注漿泵SYB-3型臺25Mpa250L/min10強制式拌和機JZC500A臺2500L11照明變壓器XDB-5臺65KVA380/36V12碴土運輸車KC15臺1218m313管片運輸車GP15臺820t14漿液運輸車SJ70臺47m315材料運輸車KCC20臺420t16雙梁門式起重機16t-16m-12(35m)A6臺140t7質(zhì)量控制7.1始發(fā)鋼套筒變形控制1、鋼套筒安裝前需對洞門預(yù)埋環(huán)板進行檢查，必要時須進行植筋加固。2、在反力架和環(huán)梁之間設(shè)置預(yù)壓力螺栓，通過預(yù)壓千斤頂對鋼套筒施加預(yù)壓力，使鋼套筒頂緊洞門環(huán)板。3、鋼套筒、反力架制造前進行嚴格的受力計算；鋼套筒靠近反力架端設(shè)置加強環(huán)梁；盾構(gòu)始發(fā)掘進前進行對安裝好的成套裝置進行壓力測試，壓力測試合格后方能進行盾構(gòu)始發(fā)掘進。4、在進行始發(fā)鋼套筒、反力架和首環(huán)負環(huán)管片的定位時，要嚴格控制鋼套筒、反力架和負環(huán)的安裝精度，確保盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)與設(shè)計線路基本重合。5、在始發(fā)階段由于設(shè)備處于磨合階段，要注意推力、扭矩的控制，同時也要注意各部位油脂的有效使用。掘進總推力應(yīng)控制在反力架承受能力以下，同時確保在此推力下刀具切入地層所產(chǎn)生的扭矩小于鋼套筒提供的反扭矩。6、對鋼套筒與洞門環(huán)板連接處和反力架進行監(jiān)測，對鋼套筒本體的連接處、筒體進行觀測，根據(jù)可能出現(xiàn)的不同情況采取針對性措施：（1）如果出現(xiàn)鋼套筒與洞門環(huán)板位置出現(xiàn)變形量過大時，要加大鋼套筒與反力架之間的預(yù)加反力，然后將洞門環(huán)板與鋼套筒連接端面變形量稍大的地方進行補焊。（2）如果出現(xiàn)鋼套筒本體連接端面法蘭處出現(xiàn)變形量較大時，要立即采取加強措施，在變形量較大處補加加強肋板，加強肋板可利用現(xiàn)場鋼板制作。（3）如果反力架斜撐任何位置出現(xiàn)位移量過大時，要分析可能出現(xiàn)的原因，并增加斜撐的數(shù)量，同時在另一側(cè)要增加直撐的數(shù)量。通過以上應(yīng)對措施，能夠有效防止鋼套筒與洞門預(yù)埋環(huán)板連續(xù)處開裂，鋼套筒變形過大、反力架變形過大引起結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。7.2盾構(gòu)機及設(shè)備扭轉(zhuǎn)控制盾構(gòu)機在破除洞門連續(xù)墻后，洞門外水土壓力傳遞至鋼套筒內(nèi)，盾構(gòu)機在鋼套筒內(nèi)掘進相當于中間隧道的常規(guī)掘進，鋼套筒內(nèi)填充物和盾構(gòu)機自重足以提供防扭轉(zhuǎn)的反力。但在洞門連續(xù)墻除前，盾構(gòu)機切削連續(xù)墻時產(chǎn)生較大扭矩，此時鋼套筒是一個獨立的封閉空間，防扭轉(zhuǎn)的扭矩主要來自于盾構(gòu)機自重與鋼套筒下部砂之間的摩擦反力，因些在掘進過程中需嚴格控制扭矩不超過控制值。同時由于刀盤切削扭矩發(fā)生較大波動，可能造成盾構(gòu)機盾體和鋼套筒整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)、傾覆。因而本工法采用以下應(yīng)對措施對盾構(gòu)機及設(shè)備扭轉(zhuǎn)進行控制：1、盾構(gòu)始發(fā)前，在盾構(gòu)機與鋼套筒之間填充砂料，使之產(chǎn)生足夠的防止盾構(gòu)機扭轉(zhuǎn)的扭矩。2、為防止盾構(gòu)機和鋼套筒整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)、傾覆，在鋼套筒基座兩側(cè)每間隔2m安裝一根工字鋼橫撐。3、始發(fā)前基座定位時，盾構(gòu)機軸線與隧道設(shè)計軸線基本保持平行，盾構(gòu)中線可比設(shè)計軸線適當抬高。4、在始發(fā)階段，由于盾構(gòu)機推力較小、地層較軟，要特別注意防止盾構(gòu)機低頭。5、盾構(gòu)在始發(fā)臺上向前推進時，通過控制推進油缸行程使盾構(gòu)機基本沿始發(fā)臺向前推進。6、始發(fā)初始掘進時，盾構(gòu)機處于鋼套筒上，因此需在鋼套筒及盾構(gòu)機上焊接相對的防扭轉(zhuǎn)支座，為盾構(gòu)機初始掘進提供反扭矩。7.3盾構(gòu)機防滲漏控制鋼套筒環(huán)向、縱向接縫，鋼套筒與洞門環(huán)板連接處，鋼套筒環(huán)梁與管片連接處，負管片接縫處，鋼套筒與環(huán)梁連接處可能出現(xiàn)泄漏，導致土艙無法維持需要的壓力引起掌子面塌陷。在該施工工法中采用如下應(yīng)對措施控制盾構(gòu)機滲漏：1、為確保鋼套筒環(huán)向、縱向接縫不滲漏，鋼套筒分塊連接處均設(shè)置兩道嵌入式密封圈，并在分塊連接處內(nèi)側(cè)涂抹聚氨酯，確保鋼套筒環(huán)向、縱向的接縫不滲漏，如圖7-1所示。圖7-1鋼套筒密封裝置2、鋼套筒與洞門環(huán)板連接處采用焊接，并在內(nèi)側(cè)貼止水條，外側(cè)涂抹聚氨酯防滲漏。3、鋼套筒環(huán)梁與管片連接處，負管片接縫處采用三元乙丙橡膠密封墊+遇水膨脹止水條防水，壓力測試合格后，盾構(gòu)機方能在鋼套筒內(nèi)進行始發(fā)掘進。4、鋼套筒與環(huán)梁采用M24×240螺栓連接，連接處均設(shè)置兩道嵌入式密封圈，并在連接處內(nèi)外側(cè)涂抹聚氨酯防滲漏，如圖7-2。圖7-2鋼套筒連接處內(nèi)外側(cè)涂抹聚氨酯防滲漏8安全措施8.1施工安全保障措施1、建立健全各項安全生產(chǎn)制度及預(yù)防措施2、深化安全教育，強化安全意識。工作人員上崗前進行技術(shù)培訓和“三級”安全教育，特殊工種的作業(yè)人員持有廣州市特殊工種操作證或臨時操作證。3、作好現(xiàn)場管理，搞好文明施工，建成安全標準工地，在施工現(xiàn)場入口的顯著位置設(shè)立廣州市建設(shè)行政主管部門規(guī)定：現(xiàn)場施工平面圖、總平面管理、安全生產(chǎn)、文明施工、環(huán)境保護、質(zhì)量控制、材料管理；“四口五臨邊”的防護網(wǎng)、防護欄等安全設(shè)施齊全，易燃易爆妥善保管，工程材料合理堆放，各種交通、施工、安全信號標示明晰，正確使用風水管路及供電線路，施工工序有條不紊，現(xiàn)場管理井然有序；4、全面落實安全生產(chǎn)責任制，做到責權(quán)利相統(tǒng)一，層層簽訂安全生產(chǎn)包保責任狀，使安全生產(chǎn)職責落實到每一級管理者、每一施工工點、每一道工序、每一職工。嚴格考核，獎罰分明。5、項目經(jīng)理部和作業(yè)隊均成立安全生產(chǎn)領(lǐng)導小組，由各級第一管理者任組長，定期召開安全生產(chǎn)會，分析安全生產(chǎn)形勢，總結(jié)和部署安全生產(chǎn)工作，組織安全培訓教育，開展安全生產(chǎn)檢查活動等。6、加強班組建設(shè)，執(zhí)行“三工、三檢”和“每周安全活動”，集思廣益，找隱患、查問題，杜絕“三違”，使事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。7、認真實施標準化作業(yè)，嚴格遵守施工程序和勞動紀律，杜絕違章指揮與違章操作，保證防護設(shè)施的投入，使安全生產(chǎn)建立在管理科學、技術(shù)先進、防護可靠的基礎(chǔ)上。8、重點部位和技術(shù)難度復(fù)雜的工序，不良氣候條件下危險性大的作業(yè)項目，在結(jié)合現(xiàn)場實際情況，編制專門的實施細則和安全措施，進行技術(shù)交底，由施工技術(shù)負責人和專職安全管理人員監(jiān)督實施。8.2施工場地安全及用電安全保證措施1、我公司在施工生產(chǎn)過程中，完全按照安全監(jiān)督部門的要求切實做好工程、車輛機械和施工人員的安全工作。2、施工現(xiàn)場的布置符合防火、防雷擊、防洪、防觸電等安全規(guī)定的要求，施工現(xiàn)場的生產(chǎn)、倉庫、材料堆放場、修理間、停車場等按業(yè)主批準的總平面布置圖進行布置。3、現(xiàn)場道路平整、堅實、暢通，危險地點懸掛按規(guī)定的標牌，夜間有人經(jīng)過的坑、洞設(shè)紅燈示警，現(xiàn)場道路符合相關(guān)規(guī)定，施工現(xiàn)場設(shè)置大幅安全宣傳標語。4、施工現(xiàn)場臨時用電，嚴格按《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。5、臨時用電線路的安裝、維修、拆除，均由經(jīng)過培訓并取得上崗證的電工完成，非電工不準進行電工作業(yè)。6、施工前，根據(jù)設(shè)計文件復(fù)查地下構(gòu)造物如地下電纜、給排水管道等的埋設(shè)位置及走向，并采取防護措施。施工中如發(fā)現(xiàn)危及到地下構(gòu)造物、地面建筑物或有危險品、文物時，立即停止施工，待處理完畢后施工。8.3施工機械安全質(zhì)量保證措施1、各種機械操作人員和車輛駕駛員，取得操作合格證。不準操作與證不相符的機械，不準將機械設(shè)備交給無本機操作證的人員操作。對機械操作人員建立檔案，專人管理。2、指揮施工機械作業(yè)人員，站在可讓人了望的安全地點并明確規(guī)定指揮聯(lián)絡(luò)信號。3、使用鋼絲繩的機械，在運行中嚴禁用手套或其他物件接觸鋼絲繩。用鋼絲繩拖拉機械或重物時，人員遠離鋼絲繩。4、起重作業(yè)嚴格按照《建筑機械使用安全技術(shù)規(guī)程》和《建筑安裝工人安全技術(shù)操作規(guī)程》規(guī)定的要求執(zhí)行。5、定期組織機電設(shè)備、車輛安全大檢查，對檢查中查出的安全問題，按照“三不放過”的原則進行調(diào)查處理，制定防范措施，防止機械事故的發(fā)生。9環(huán)保措施1、施工場地噪音控制標準按《建筑施工場界噪聲限值》要求執(zhí)行，確保離開施工作業(yè)區(qū)邊界30m處噪音小于70dB，撞擊噪音最大不超過90dB。2、施工現(xiàn)場對土、砂、水泥等材料運輸和堆放進行遮蓋，同時施工場地及道路進行硬化，適時灑水，減輕揚塵污染。3、在工程開工前完成工地排水和廢水處理設(shè)施的建設(shè)，并保證工地排水和廢水處理設(shè)施在整個施工過程中的有效性，做到現(xiàn)場無積水、排水不堵塞、水質(zhì)達到排放標準。4、在施工范圍內(nèi)嚴格按照法規(guī)執(zhí)行城市生態(tài)環(huán)境控制措施。合理布置施工場地，生產(chǎn)、辦公設(shè)施布置在征地紅線內(nèi)，盡量不破壞原有的植被，場地邊角部位種花、種草、植樹，保護自然環(huán)境。5、施工時制定泥