盾构机始发与到达技术

盾构机始发与到达技术陈波儒(中铁十一局集团有限公司武汉)摘要:盾构机的始发与到达在盾构施工中占有重要的位置。本文对盾构始发、到达技术的步骤及各个环节应做到的I:作和注意克服的问题进行了系统的归纳。对其施工具有普遍的指导意义。关键词:盾构始发;盾构到达;步骤;注意问题;控制重点TheLaunchingandArrivingTechnologyinShieldConstructionChenBo-ru(ChinaRailWay11thBureauGroupCo.,Ltd,Wuhan)Abstract:Thelaunchingandarrivingareessentialinshieldconstruction.Thispaperdrawsasystematicalconclusiontocollectthestepsoflaunchingandarrivingconstructiontechnology,theworkswhichmustbedoneineverysegment,andtheproblemsbeingpaidattentionto.Keywords:Shieldlaunching;Shieldarriving;Steps;Problems;Keypointsincontrolling盾构始发是指盾构在安装竖井内或过站竖井内，自盾构主机开始定位，刀盘向前推进贯入围岩，沿设讣线路向前掘进，直至盾构完全进入区间隧道，洞口反力架与负环管片拆除为止。在盾构始发阶段，要完成盾构设备的安装与调试，始发辅助设备的安装与定位，盾构初始定位与掘进控制，盾构导向系统的安装与调试以及区间隧道洞口的处理。盾构到达是指盾构机到达过站竖井或拆卸井，要完成到达前的定位测量、接收架的安装、管片连接装置的安装和区间隧道洞口的处理等工作。盾构机始发步骤：1、 端头加固2、 安装始发基座3、 安装反力架4、 盾构机进场5、 盾构机组装调试6、 安装负环管片7、 洞门凿除18、 安装洞门密封装置9、 盾构机前移10、 盾构机始发掘进盾构机到达步骤：1、 端头加固2、 安装接收基座3、 盾构机靠上围护结构4、 管片连接5、 洞门凿除6、 安装洞门密封装置7、 盾构机到达掘进一、端头加固1、加固目的1.1控制地表沉降，端头不坍塌。始发、到达前往往需要凿除洞口井壁的混凝土，割断钢筋，以满足盾构顺利进出洞，而洞口的井壁混凝土有时要达到800mm或更厚，凿除时间长，要避免凿除过程发生坍塌，更要避免因开挖面暴露时间过长而坍塌或造成过大地表沉降。1.2控制水土流失。1.2.1盾构始发进入加固体，或盾构到达穿过加固体时，在含水量较高、水平渗透系数大的含砂层、卵石层等地层，盾构进出洞容易造成水土流失，具体表现在涌水和涌沙。1.2.2采用泥水盾构时，泥水压力的作用也会使加固体发生水土流失，导致无法达到泥水平衡状态，如果土体不具备一定强度，很容易坍塌。1.3加强土体的承载力山于盾构吊装或拆卸时，重型吊机往往作用在端头位置，为防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌，或对已成形隧道安全造成不利影响，对地表的软弱地层进行加固。1.4周边建、构筑物安全1.4.1当端头有房屋、管线和道路时，必须采取保护措施，如果具备改移条件的，尽量改移，对于房屋一定要进行鉴定，并进行录像、拍照等获取笫一手资料。2、加固范围主要根据加固方法和地层情况、始发或到达端头决定。2.1采用一般搅拌桩等加固方法的情况下，始发加固厚度t一般不小于6m,到达加固长度一般不小于3m。但在特殊地层始发时，考虑到抗渗等因素，加固宽度须增加，如在粉细砂层中始发增加为10m,到达增加为9m°加固深度一般是洞门上部3m和下部2m范围，砂层中底部深度还应增加，防止出现管涌。3、 设讣强度及安全系数：设计强度根据土质情况和胶凝材料不同、施工方法不同进行分类。一般旋喷桩加固土体强度可以在1MP&以上其至大于10MP&,而搅拌桩加固土体强度大于0.5MP&。安全系数根据改良目的、改良效果的期望值、施工环境等进行综合判断，一般安全系数选取为1.5。4、端头加固的施工方法及其适用性端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，主要取决于地质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。同时考虑安全性、施工方便性、经济性、进度等。21搅拌桩施工工法4.1.1软土地层最常用的端头加固方法之一。通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加固效果差，须与旋喷桩等工法配合使用。4.1.2该方法受国产设备性能限制，一般在14m深度以下加固效果即很差。它的优点是工程造价低。4.1.3易出问题:加固不连续，加固体强度偏低，吊钻头.4.2.旋喷桩施工工法4.2.1对于砂层改良效果好，也适用于淤泥、粉土、粘土层，但砂砾地基和粘着力大的粘土有时不能形成满意的改良桩，施工深度在40m以下时，效果较差。4.2.2在围护结构与加固体的间隙加固以及角部加固经常被采用。4.2.3有三种主要工法选择:单、双、三重管。4.3注浆4.3.1适用于多种地层，尤其是深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆;浆液种类较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等来确定，同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策。4.4SMW(soilmixingwall)水泥类悬浊液在原地层中与土体搅拌混合形成墙体的技术。作挡土墙使用时，一般使用H型钢芯材。桩机为三轴或五轴搅拌桩机。隔孔布置全孔布置隔孔和全孔布置组合4.4.1适用于砂层、淤泥、粘土层，加固宽度小，造价较低，是此类地层最安全可靠的加固方法之一。该方法成桩效果好，止水性好，对周围地层影响小。4.4.2该工法的优点:加固质量高，桩体连续、强度高(粘土中0.5,lNIPa,砂和卵石中0.5,3MPa),适用于各类软土地层，但造价偏高，目前主要采用国外进口的三轴搅拌桩机。对于上软下硬地层不适应。4.4.3南京地铁盾构一标中华门、玄武门站始发，盾构二标新街口站到达等。4.5连续墙、钻孔桩、挖孔桩4.5.1始发井的挡土墙作为双层结构的方法，对于土层相对较硕，但渗水量偏大的地层适3用。需要注意的是：A、 连续墙、钻孔桩上部的充填；B、 夹层的处理。4.5.2如小新区间盾构始发加固、仑大区间盾构始发加固、一号线公元前北，三号线珠客、大汉、沥大、珠江新城站盾构始发4.6冻结法4.6.1适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，该施工法的冻土强度和止水性高，通过测量地下温度，便可确认冻土形成状态;加强施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，冻土墙还能确保长期处于稳定状态。4.6.2对于动水层，质量不宜保证:有地下水流动时（流速约1,5m/日以上），因其会阻碍冻结的进行，故必须确认地下水流的存在及其流向和流速，检查在有地下水流存在的状况下，是否按计划冻结。并根据其结果，采取必须的措施。对于地下水丰富、透水性大的砂和砂砾层，必须注意地下水流的存在，在有些情况下，必须考虑采用化学注浆法44等手段截断地下水或减低流速。一般大于10m./H,冻土扩展受到抑制，冻土形状不规正，大于40m时，冻土扩展困难。4.6.3对于含水量低的地层不适用。4.6.4冻土会产生的冻胀和融沉效应，对地面沉隆控制和周边建筑物影响较大。冻胀和融沉因地基条件、冻结时间、冻结规模、解冻速度、荷载条件等而异，一般在砂和砂砾层上小，在粘土、粉砂、亚粘土层大。当可预测到地基冻胀、解冻沉降对周围结构物有不利影响时，必须根据其容许变位量和冻胀与解冻沉降的防护工程的必要性，研究是否需要采取冻结施工法。控制解冻引起的地基沉降还有一种是使温水循环，强制解冻，用化学注浆丄程填充孔隙的方法。冻融效应持续时间很长，还会影响到管片后期沉隆变形，注浆液的选用要具备抗冻性能，管片配筋应作一定加强，后期管片还需进行二次注浆等处理。4.7降水降低地下水位施工法，在有些土质条件下，往往会产生地基沉降和水井地下水位下降等现象，必须事先周密研究地下水位下降对周围地基等的影响。因此，一般在地层较好，周边环境适应，对建、构筑物影响范围小时采用。且主要应用于始发时，盾构到达时要考虑降水对隧道的影响，须与其他加固措施相结合。在设置降水井的深度时，要注意对预计降水的范围进行封闭。8SEW工法8.1（ShieldEarthretainingWallsystem）.将FFU制成的挡土墙装到竖井盾构机通过的部分，是划时代的密封直接掘进施工法。盾构机可直接切削挡土墙，能够缩小地基改良范围，缩短工期，对于软土地层、不具备加固场地的地层相当有用，但造价相当高。3、端头加固效果检测加固体的检测方法多种多样，如标准贯入试验、静力触探、旋转触探、弹性波检测、电探、化学分析等等，但端头加固的主要检测手段如下：。5.1竖向抽芯检测：口测判断加固体强度可否满足设计要求，是否连续（抽芯率）;试验判断加固体强度、抗渗性能。在砂层中，特别注意加固体连续性是否良好，抽芯率要达到90,以上。抽芯位置一般选取在桩间咬合部位。（桩体垂直度的控制）抽芯数量按规范选取，且每个端头不应少于1根。2水平抽芯检测:沿洞门四周加固体范围内打数个水平探孔，观察渗水情况。探孔数量不少于6个，中间和四周均布。3挖孔桩检测:在粉细砂地层，加固后效果可以采用挖孔桩代替竖向抽芯进行检测。4冻结法测温检测:确定冷却速度、厚度等等参数。6、事故多发因素6.1桩身垂直度不够，桩身偏斜，加固体不连续，桩间不咬合；6.2加固时注浆管或钢筋等异物落入隧道范围内。6.3砂层中施工参数选取不合理，达不到预想的加固效果。可通过试桩和调整施工工艺解决。如三重管旋喷、二重管旋喷和单管旋喷的控制。6.4夹层的处理措施不当。6.5过早破除围护结构，使掌子面暴露时间过长，或拆除墙体方法错误。（若提前暴露，对掌子面须喷射混凝土稳定，如果增加土工格栅喷射更好;对于夹层最好采用二次补充加固的方法设置型钢架喷混凝土支撑。墙体拆除作业。山于是开口作业，围岩坍塌的危险性很大，墙体拆除必须一小块一小块地进行。拆除顺序要正确。）6.6洞门密封措施选用不得当。6.7始发注浆等辅助措施不合理6.8抽芯后未回灌砂浆密实。6.9冻结施工过程的冻结管渗漏。二、始发基座和反力架1始发基座其结构必须能支承盾构自重、装配时的临时移动，并能配置钢轨和其它适当的盾构推进导向件，便于隧道内推进，且方向不失常。1.1始发座基础:必须具备足够的强度和整体性，可设讣为整体钢筋栓结构，预埋钢板与始发座焊接。2.1.2始发基座的设计要求：A考虑始发、接收的通用性能，适应静荷载、动荷载的不同工况，具有足够的刚度和强度。B明确始发台底面与盾壳的最低点距离。C长度应满足盾构机吊装要求，并考虑一定余量便于吊装时移动设备。D根据盾体连接形式是否分段。始发台实例始发台的两侧每隔一定距离加设H型钢作为横向支撑，支撑在车站结构的地梁上，提高始发台的稳定性。始发台定位安装始发台前先进行定位测量，在车站底板设立控制护桩，根据护桩精确定位始发台的高程和左右位置。然后将始发台安设在预定的位置上，并山测量组进行复核，在完成定位之后，将始发台固定。在盾构机主机组装时，在始发台的轨道上涂硕质润滑油以减小盾构机在始发台上向询推进时的阻力。山于始发台与加固体之间存在较长距离间隙，为使盾构机顺利进入加固体，并防止盾构机栽头，一般在前方安装一段导轨。始发台一般须太高3cm左右，以抵消盾构始发后栽头的影响。2.2反力架安装与定位反力架提供盾构机推进时所需的反力，因此反力架须具有足够的刚度和强度。反力架支撑在底板和中板上。反力架的纵向位置保证负一环栓管片拆除后浇注洞门时满足洞门的结构尺寸和连接要求以及支撑的稳定性。反力架的横向位置保证负环管片传递的盾构机推力准确作用在反力架上。安装反力架时，须先用校正两根立柱的垂直度，使其形成的平面与盾构机的推进轴线垂直。在安装反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在?10mm之内，高程偏差控制在?5mm之内，前后偏差控制在？10mm之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角，？2%。，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差,2%。，水平趋势偏差,？3%。。安装反力架注意把反力架与车站结构连接部位的间隙一定要用钢板垫实。以保证反力架脚板有足够的稳定性。曲线始发或到达时的定位:切线或割线；整机始发。三、盾构机组装调试盾构机后配套设备进场后，首先在场地内进行组装，某盾构机组装顺序如下：由后至前分别吊装每节拖车（拆开拖车?取出拖车上辅件?组装场地摆放高于轮对约400mm的枕木?左侧门架起吊放于枕木上？安装左轮对？中梁与拖车连接?拖车右侧门架与中梁连接，同时下部垫枕木？安装右轮对?紧固螺栓并在门架底部焊接撑梁?起吊拖车）？起吊设备桥并放于组装井下的平板车上，后部与简易门架连接?安装拖车辅件并推至站台内？组装后配套系统液压、电气部件？中、前体连接？吊装刀盘?安装盾壳内平台及辅件？6起吊安装管片拼装机?起吊安装盾尾?起吊安装螺旋输送机?设备桥与主机对接。组装过程的控制注意事项：1盾体下井前始发台上一定要涂抹润滑油。2注意后配套起吊时吊点的选择，特别要避开管线位置。3注意盾尾起吊时可能变形为椭圆，建议设置临时支撑系统。3.4前体、中体、盾尾连接前结合面一定要清洗干净。3.5组装原则一般是由后向前，先下后上，先机械后液压、电气。3.6液压管线连接必须保证清洁，不能用棉纱等擦拭。7刀盘上滚刀扭矩的配置四、洞门凿除1洞门凿除是指在盾构机进入始发洞门之前，把洞门围护结构内的钢筋剥除，以便盾构机进洞时，钢筋不会绞住盾构机刀盘或卡住螺旋输送机。2分块和分段凿除。4.3由上而下或由下而上。4先凿除外排钢筋，等到盾构机组装完毕后，再剥离第二层钢筋网并予以割除。在确认盾构机进洞的范圉内没有残余钢筋后，盾构机方可始发。（始发和到达的区别）5风镐的准备6洞门凿除过程要密切注意加固土体渗水悄况。五、安装负环管片负环管片环数的确定5.1假定盾构长度LTBM=8.3m,洞口围护结构在完成第一次凿除后的里程Df,设计笫一环管片起始里程Dis,管片环宽为Ws,反力架与负环钢管片长壮（自行设计加工的尺寸）。Dr为反力架端部里程，'为负环管片环数。5.2在安装井内始发时最少负环管片环数确定5.3N二（Dls-Df+8.3）/Ws环5.4在拼装第一环负环管片前，在盾尾管片拼装区下部180度范围内安设数根木条休条长度一般较管片长度略长，在盾尾刷和推进千斤顶之间，厚度较盾尾间隙稍小即可）。5在盾构机内拼装好整环后利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出盾尾，此时利用门吊将拼装好的整环钢管片吊至盾尾，并将钢管片同推出盾尾的负环管片用螺栓连接。61\］于始发支座轨道与管片外侧有一定的空隙，为了避免负环管片全部推出盾尾后下沉，在始发台导轨上点焊圆钢或打木楔，使圆钢将负环钢管片和负环栓管片托起。六、洞门密封装置安装为了防止盾构始发掘进时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置，临时密封装置山帘布橡胶、压板、垫片和螺栓等组成。常见预埋钢环的圧板有扇形圧板和折形圧板。密封装置安装前应对帘布橡胶的整体性、硬度、老化程度等进行检查，对圆环板的成圆螺栓孔位等进行检查，并提询把帘布橡胶的螺栓孔加工好。盾构机进入预留洞门前在外用刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免盾构机刀盘挂破帘布橡胶板影响密封效果。盾构机刀盘在洞门范围时严禁转动刀盘，防止损坏压板。七、 盾构机前移7.1盾构机在推进油缸的推进下，山反力架及负环管片提供反力，可以实现向前移动。7.2注意每一个循环的各组油缸之间的行程差不要超过10mni=7.3要在盾构在向前推进的同时，检查盾构是否与始发台、始发洞发生干涉或是否有其7他异常事件或事故的发生，确保盾构安全的向询推进。八、 盾构机始发掘进盾构机至刀盘贯入掌子面开始，到后配套拖车进洞，形成正常的掘进，这一段的掘进称为始发掘进。当盾构机的刀盘部分切入帘布橡胶板并抵达掌子面时，可视端头加固的情况，采取开敞式掘进始发或气压平衡掘进始发。如端头的土体加固效果良好，地下水压不大，且地表无建筑物、管线时，可采取开敞式掘进始发;反之则采取土压平衡掘进始发，在软土地层要特别注意土仓压力的建立。采用土压平衡掘进始发时，可事先在土仓内填充部分土胚，由于初始时土仓内未填满，可加气平衡。始发时，要特别注意出土量的控制。在确认洞门连续墙的钢筋已经割除完毕以后，可以进行盾构机的试运转。山于盾构机没有进洞后周围岩土侧压力的磨擦作用，且盾构油缸的推力和掌子面通过刀盘的反力都很小，所以，在试运转时应使刀盘慢速旋转，且要正、反向旋转，防止滚动，使盾构姿态正确。始发后，盾构机刀盘开始切削端头加固区，这时，土压设定值应略小于理论值且推进速度不宜过快，盾构机总推力不大于SOOTo盾构机坡度略大于设计坡度，待盾构机出加固区之后，为防止因正面土压变化而造成盾构机突然“低头”，可将土仓内的土压力的值设定成略高于理论值，并将下部推进油缸的推力稍稍调高一些。在掘进过程中，根据情况在盾构机正面及混合仓内加入泡沫剂、膨润土、泥浆等添加剂以改善磴土性能。在施工过程中，应根据地表的监测信息对土压设定值以及推进速度等施工参数作及时的调整。九、盾构机到达注意事项对其到达，需认真研究下列事项。1到达部附近的防护2是否需要洞口密封圈3盾构到达时墙体的变形防止。4到达墙体的拆除方法5到达部的土砂流入的防止。十、始发、到达测量盾构机采用VMT自动导向系统，会根据线路情况，自动下达管片选择指令。但应注意：1始发掘进前应正确输入控制点坐标、轴线、坡度等有关数据信息，并制定出如果导向系统出错时的人工测量方案和设备、人员。2每环测量盾构机姿态和管片轴线位置，并与VMT数据对比。3注意管片拖出盾尾后的变形规律。4盾构机到达前必须精确测量盾构机姿态，确保贯通误差不超标。十一、注意事项1防止盾构机滚动措施：山于始发时盾构机与地层间摩擦力很小，盾构易旋转，这时可以施作防扭装置来卡住始发台，防止盾构机旋转。同时应加强盾构机姿态的测量，如发现盾构有较大转角，可以采用大刀盘正反转的措施进行调整，同时推进速度要慢。2负环管片变形、破损或破裂:主要山于盾构推进油缸推力过大致使，应立即暂停推进，及时加固破损管片，同时对管片环的临时支撑进行加固。3负环管片的拆除时间:已安装的管片和土体之间具有足够的摩擦力支持盾构推进。4反力架或始发托架变形。11.5始发的出土方式。11.6始发阶段的注浆方式选择:在盾尾完全进入洞体后，调整洞口密封，进行洞口注浆。注浆采用速凝型砂浆，洞口注浆压力不宜过大，0.6,1.5。由于速凝型浆液易堵管，可采用管片注浆孔注双液浆。7始发台与土体之间的连接:在洞口连续墙破除完毕之后，始发台的端部与洞口圉岩还有一定的距离。为保证盾构机在始发时不至于因刀盘悬空而造成盾构机“低头”，可在始发洞口内安设一段型钢作为始发导轨，同时应注意，在导轨末端与洞口围岩之间，应留出刀盘的位置，以保证始发时，盾构机刀盘可以正常旋转。11.8盾构机负环拆除或到达时，由于前方缺少推力，会引起后部管片松弛而漏水，因此应设置管片连接装置。十二、易出现的事故1始发或到达时坍塌1.1加固体效果不好。如南京张府园站两次始发、小松盾构在上海。12.1.