盾构过中间风井工程施工设计方案(机福区间)

可编辑版/一、工程概况机场北站～福永站区间风井,位于规划地块内,周边无建〔构筑物,风井西侧约55m处有福永河,河宽约36m。风井往机场北站及福永站方向均与盾构区间连接〔矿山法初支盾构空推,风井施工期间作为矿山法施工竖井,预留矿山法出土孔。区间风井主体长32米,宽26米,地下三层结构。风井中心里程为ZDK36+196.958；起点里程ZDK36+180.953；终点里程ZDK36+212.960。风井设三个风亭〔一个新风亭、两个活塞风亭和一个紧急疏散口,均设在规划地块内,预留合建条件。本方案主要讨论如何顺利使盾构机在较短时间内快速、高效通过中间风井实现再次始发掘进。图一中间风井与盾构隧道平面位置关系图图二盾构隧道与风井相对位置剖面图洞门加固方案盾构机在到达中风井前,为了维持隧道与风井接口处地层的稳定,避免盾构机到达时因地下水流失而导致地面塌方或塌陷,必须根据实际情况对盾构到达中风井段进行地基处理。方案一:1加固方法中间风井盾构洞门加固段采用Φ108大管棚辅助施工。2长管棚加固施工工艺⑴管棚布置如管棚布置图所示。管棚孔口位置在盾构拱部120°范围内,纵向16-22m<根据岩石深度>进行管棚注浆,开挖轮廓线外放300mm位置布置,管棚环向中心间距300mm。〔可根据地质情况适当调整,以保证盾构机顺利到达为准,外插角约1°。⑵注浆管棚采用Φ108mm,壁厚6mm的无缝钢管,分节安装,两节之间用丝扣连接,注浆钢管上钻注浆孔,孔径Φ10mm,孔间距200mm,呈梅花型布置。钢管尾部〔孔口段2.0m不钻花孔作为止浆段。<图三中间风井管棚布置图>图三中间风井管棚布置图⑶浆液采用水泥砂浆,初拟参数：水泥浆水灰比0.8:1～1:1,注浆压力：采用0.2～0.4MPa,施工中应据实际地质情况,并通过试验确定有关施工参数。⑷从管棚导向管按设计钻孔,钻孔时将钢管随钻头一起钻入地层内,当达到设计深度后停机。钻头用长约150mm的Φ121钢管,并在钢管一端管口焊接合金制成.钻头与钢管、钢管和钢管间用丝扣连接。⑸向管棚内注浆.注浆顺序先下后上,全孔可采用后退式分段注浆方式。⑹管棚导向管应严格定位,管棚钻进过程中应采用水平测斜仪经常量测管棚的偏斜度,发现偏斜值超出设计要求时,应及时纠偏。⑺施工误差：钻孔水平容许偏距沿相邻钢管方向不应大于100mm,垂直偏距沿隧道内侧方向不应大于200mm〔对管棚前端,而非管棚孔口。⑻施工中应加强现场监测,及时反馈信息,并及时修正设计。补充方案二:采用地面袖阀管注浆加固,加固的目的主要是提高洞顶以上软弱地层〔硬塑状砂质粘性土、可塑状砂质粘性土的强度和防水效果,根据地质情况以及以往对类似地层的加固经验,选取Φ52袖阀管注浆对地层进行加固,间距0.6m*0.6m,梅花形布置,加固纵向长度为9m,横向为隧道轮廓线外1m,竖直方向为隧顶往上3m。技术要求：1浆液采用水泥浆水灰比1:1,使用42.5R普通硅酸盐水泥,袖阀管施工完毕,应对加固体进行检验,必须满足28d龄期无侧限抗压强度q28>0.8MPa,渗透系数小于1×10-6cm/s。若达不到要求,应及时弥补注浆；2注浆加固深度范围内,若遇中风化、微风化地层则该地层范围不必加固；图四中间风井端头补充加固三、过中风井方案比选现代地铁的设计中,在线路较长的区间中间一般均设计有通风竖井,即中间风井。竖井与盾构法隧道相连。因此区间隧道采用盾构法施工时,存在盾构机必须经过竖井的问题,一般来说盾构过中间风井通常有三种方法：方案具体内容优点缺点方案一盾构机二次始发过站拼装负环较少,节约成本,风险较小反力架加固要求较高,整环负环管片拆除较麻烦;方案二拼装整环管片通过快捷,时间较短需要负环管片较多成本较高,拆除难度较大方案三拼装半环+整环管片通过需要时间较短,拆除较方便准备工作要求较高,施工时难度较大在目前工期十分紧迫的情况下,同时考虑到安全方面的因素<风井跨度较大,纵向30m>,而且经项目部多次讨论并借鉴其它项目成功实例,决定采用盾构机二次始发过站的方式通过。四、施工方案1、方案简介提前施工弧形砼导台、钢导轨。盾构机通过中间风井,采用整体平移+二次始发。盾构机到达中间风井后,利用两台油顶将盾构机整体向前平移,距离大里程洞门1m时停止,安装并加固反力架,拼装负环进行二次始发,负环管片只贴软木衬垫,不需要贴止水条。在盾构机台车完全顺利进入隧道后,根据施工总体安排,拆除中间风井内的临时管片,恢复中间风井结构施工。2、施工工作内容及工艺流程施工前准备盾构进洞前,中间风井洞门复测盾构进洞加焊防滚楔块施工前准备盾构进洞前,中间风井洞门复测盾构进洞加焊防滚楔块盾构平移〔顶推钢支撑加工反力架加固管环加固负环管片拼装〔全环盾构出洞图五盾构过中间风井施工工艺流程图五、施工准备为确保盾构机顺利通过中间风井,盾构机到达前应做好以下准备工作：1、加固两端洞门及预埋密封环板。2、C30砼导台施工及导轨预埋。导台里程为ZDK36+180.953～ZDK36+212.96。导台截面形状与盾构机外壳类似,半径为盾体的半径加钢轨轨头厚度,钢导轨顶面所处弧面半径同盾体半径,钢导轨预埋于导台内,导台采用C30混凝土回填,弧形导台与盾构隧道及中间风井相对关系图见图六。图六弧形导台与盾构隧道及中间风井相对关系图导台及导轨施工要点如下：⑴导台及导轨严格按图设计标高及坡度进行控制；⑵钢导轨定位要准确,导轨顶面要平顺；⑶砼导台施工时一要保证模板的弧度,二要保证浇注混凝土时模板的稳定性如果在拆模时发现导台不够平整,则必须对它进行修整以到达设计要求。⑷为防止盾构机进出洞时出现"磕头"现象,盾构机进洞时导台及导轨标高比理论值降低50mm,而在出洞前导台及导轨标高则必理论值提高50mm。六、盾构通过施工1、盾构进洞⑴在盾构机到达洞门之前,必须提前做好以下准备工作：a、安装洞门密封装置〔洞门密封圈及B板在盾构机刀盘露头后安装,避免盾构机破洞时的混凝土块砸坏密封板；b、在中间风井洞门口准备好砂袋、水泵、水管、方木、风炮等应急物质和工具；特别是作好破除围护桩的准备,保证盾构机及时进入中间风井；c、准备好双液注浆泵及水玻璃、水泥各一批；d、盾构机到达前,在钢轨上预先涂抹油脂,减少盾体与钢轨的摩擦力。⑵在盾构机到达前50米对中间风井附近所有测量控制点进行一次整体、系统的控制测量复测和联测,对所有控制点的坐标进行精密、准确地平差计算,并对激光经纬仪复检和盾构机机头位置人工测量。盾构贯通前30米和10米对TCA托架三维坐标进行人工复测。破洞前30米盾构机姿态保持：机头水平偏差0～10mm,机头竖直偏差0～+10mm,俯仰角、偏转角允许范围±2mm/m；⑶在盾构机机头进入距中风井洞门15米范围后,首先减小推力、降低推进速度和刀盘转速并控制出土量。无论在何种情况下,推进油缸压力不得大于100bar,且盾构机推进速度小于20mm/min。在抵达洞门的最后三环,须进一步减小推力、降低推进速度,掘进速度控制在5～10mm/min；⑷中风井洞门下方堆放一定量的砂包作为缓冲层,以便保护密封装置。⑸盾构进入洞门后,洞门密封圈必须用钢丝绳拉紧。2、盾构管片拼装中间风井段管片排列方式如下：盾构顺利顶推至达二次始发位置后,拼装整环负环,直线前进,直到盾构完全进入洞门。3、中间风井管片支撑为了提供盾构步进和二次始发的反力,保证二次始发的第"零"环管片定位准确,有效控制二次始发时管片的错台量,必须做好管片支撑措施。管片支撑分为底部支撑、两侧支撑、顶部支撑三部分〔见下面中间风井管片支撑图,图中型钢全部采用[18a。⑴底部支撑：当管片脱出盾尾后,导台钢轨与管片之间存在150mm间隙,每环垫2块木楔,防止管片下沉。⑵两侧支撑：在风井段设置斜向支撑,管片脱出盾尾后,及时利用钢管和木楔子固定管片与A1、A3块管片,防止管片向两侧偏移。⑶顶部支撑〔或底部钢丝绳：为了防止管片上浮,对整环管片用钢丝绳进行捆绑并固定于导台预埋件上,千斤顶反力由反力架提供。图七中间风井管片支撑图4、盾构在中风井内推进⑴刀盘在推进过程不宜旋转,推进时仅使用下部千斤顶〔C组,推进速度控制在10～20mm/min以内。⑵为防止盾构机在中风井段推进过程中旋转,在盾体两侧加焊防滚楔块；⑶过站段每环管片在脱离盾尾超过一半后,及时下垫楔形方木塞紧,管片与导台间的空隙用细砂填充；⑷盾构姿态由于导台在浇注时已确定,则盾构姿态应与导台一致。5、在中间风井内进行机械维护、检修当盾构机机头到达中间风井位置时,组织机械、电气专业人员对盾体部件进行维护和检修。内容主要包括：刀具、盾尾密封刷检查更换。6、过中风井后再次始发段的推进盾构机从中风井再次始发所用反力由反力架提供,始发推进阶段总推力按500吨进行设计,因此在始发推进过程中必须注意：⑴中风井和出洞后6环千斤顶总推力应控制在500吨以内,速度控制在20mm/min以内。⑵推进过程中,千斤顶推力的调节应平稳,防止推力突变；⑶为防止盾构机推进过程中盾体滚动,在盾体上焊接防滚楔块；⑷每环管片脱出盾尾超过管环宽度一半时,在管环底部及时塞楔形方木并灌砂回填管环与导台间的空隙；⑸在管环的3、9、12点位置设置方木撑以防管环整体松动；⑹做好注浆工作,防止进入洞门后的最初几环管片下沉,必要时注双液浆；⑺加强出洞期间地面沉降的监测；⑻出洞前所拼装的管片均采用单面楔形管片。七、常见问题的预防和处理1、进洞时,盾构机"撞头",导台破碎盾构推进根据洞门复测时的姿态,实时调整掘进姿态贯通,当导台标高与洞门标高一致,而刀盘比盾体大,这样容易出现盾构机"撞头"、导台破碎现象。为了避免类似情况出现,本方案采取以下三条控制：⑴控制盾构机进洞前的姿态,机头竖直偏差控制在0～+10mm；⑵浇注砼导台及预埋钢导轨时,降低进洞位置处导台及导轨标高,中间风井该处施工控制标高比设计标高低50mm,附图二、三中导台及导轨施工控制标高已对此加以考虑；⑶在进洞时导台上方离洞门5米范围内铺满砂袋,防止贯通时洞门混凝土掉下来砸伤导台。2、到中风井出洞时,盾构机"磕头"始发推进过程,在盾构刀盘到达掌子面前,容易出现盾构机"磕头"现象。对此本方案采取如下措施：⑴在浇注导台时,出洞位置砼导台及导轨的高程高于设计标高30mm；⑵在洞门内底部按导台的弧面浇注斜坡形素砼导台。3、推进时管片出现左右摇摆、下沉现象推进时由于管片在各个面上的受力不一样,在左右油缸的推力差较大而管环在上下、左右没有反力支撑时则出现管片左右摇摆、下沉现象。这主要是在拼装管片时管片螺栓没有上紧、每一环在脱离盾尾后未采取措施所致。为了避免出现这种情况,中风井过站段拟采取以下措施：⑴当管片有一半脱出盾尾时,就及时在下方塞紧楔形方木；⑵对脱出盾尾的管片螺栓进行二次紧固；⑶在管片左右侧及顶部加木方或槽钢支撑,稳定管片,防止管片推进过程中摆动错位；⑷在管片底与导台之间的空隙回填细砂,进一步稳定管片。八、测量监控1、地面沉降监测⑴盾构机离进洞洞口前100-150米时,在左、右线地面隧道中线方向上一般每隔15米建立一个监测断面,在中间风井井口地面适当增加监测断面。⑵测量频率：盾构机前100米初值每天测量1次,盾构机头里程前后20米每日两次,盾构机出洞过程中加密监测,并及时反馈信息。2、隧道主控导线、水准测量贯通前100m及50m时,对隧道主控导线、水准进行2次复核测量,保证测量托架和盾构机姿态的精度。3、测量托架和盾构机姿态人工测量在出洞前,对测量托架仪器站和后视棱镜平面坐标和高程进行2次精密人工复核测量,对盾构机姿态进行3次人工精密测量。4、洞门圈复核测量对中间风井洞门圈中心三维坐标进行和内径进行精密复核测量,确定洞门中心水平、垂直偏移值,对盾构机出洞滑行导轨中心和高程精密测量。5、盾构机出洞前姿态参数控制根据洞门圈水平、垂直偏移量调整盾构机刀盘中心姿态,保证顺利贯通。6、在隧道贯通后,进行隧道贯通测量,对盾构机姿态多次人工复核7、在重新始发前,对始发导轨中心和高程进行精密定位在中间风井段,盾构机与线路中心的定位关系如下图所示。考虑到始发时盾构机机头容易下行的特点,始发定位时,盾构机的始发中心宜比隧道设计中心高出30mm。图八盾构始发定位九、机械人员投入过风井之前,成立盾构过风井施工领导小组,由项目经理任组长,项目副经理、项目总工、副总工负责部门协调,在此期间的盾构机推进、管片拼装施工作业每天分两班进行,拟投入本工程每个作业班组劳动力组织和施工机具设备如下所示劳动力投入表序号工种名称人数〔人1电焊工52班长13测量班24电工35管理人员206充电工27管片安装68始发井地面司索工49井口协调610杂工611累计各班人数55主要施工设备表序号设备名称单位数量规格型号主要工作性能指标1电动空压机台22潜水泵台6QS25×30-44KW3汽车吊台150t4电焊机台4BX30024.5KVA5气割设备套26全站仪台1莱卡TC4027精密水准仪台1苏光DSZ28洞门低压照明台109液压千斤顶台230t十、安全文明施工措施1、对参与本项工作的施工管理技术人员和工人进行专项安全交底,管理人员和工人对盾构机过中间风井需要注意的事项必须清楚明确；2、测量人员等临时出入施工现场的作业人员应正确使用劳动防护用品,遵守现场的安全文明施工管理规定,预防物体打击和高处坠落事故；3、盾构机穿透中间风井南端堵头墙时现场必须注意隔离足够的范围；4、隧道内动火作业必须做到"八不四要一清理"；5、高处作业时必须有人员监护,高处作业人员必须系好安全带,使用的梯子必须牢固并将上端头固定以防止滑动。反力架检算书1、机场北站~福永站区间,盾构始发需使用反力架作为盾构始发反力装置。2、反力架整体结构图3、反力架主要由横梁L1、L2、立柱H1、H2、八字梁、钢环板组成,为提高整体稳定性,将反力架分为1/4块进行高强10.9级螺栓连接,节点为焊接而成一整体。模拟传力路径钢环板-横梁-立柱-支撑-预埋板。4、根据机场北站盾构始发阶段土体性能指标,及各施工单位经验,拟定始发最大推力2000t。5、受力检算：〔1钢环板检算：钢环板截面特性：Ix41886*104mm4Wx2792.4*103mm3截面面积=300*30*2+290*30*2=35400mm2模拟受力2000t/3.14*6=106t=1040KN/m钢环强度满足要求〔2杆件检算：假设将应力平均分配至各结构杆件即2000t/3.14*6=106t=1040KN/m横梁L1,弯矩、剪力计算已知横梁跨距5100,横梁受力范围2580根据弯矩图已知