电厂取水隧道盾构掘进工程施工方案

电厂取水隧道盾构掘进工程施工方案
电厂取水隧道盾构掘进工程施工方案
江苏常熟电力有限公司
取水隧道盾构掘进施工工程
施
工
方
案
福建四海建设有限公司上海分公司
2009-06-30
第一章人员及主要机械设备计划1、人员计划
1.1 盾构管理人员配备表
1.2 盾构施工劳动力计划表
2、主要机械设备计划
第二章盾构施工方案
1、施工部署
1.1 施工现场布置
在盾构施工时，现场布置管片堆场、材料仓库、沉淀池、拌浆棚及拌浆材料堆场及10m3储水箱供拌制浆液用，沿沉井布置10t门吊2部作为井上、下及地面起重设备。

拌浆棚采用瓦楞板封闭构筑。

1.2 取水平台
本工程盾构掘进均需大量用水。

因此，这部分施工用水考虑采用堤外长江水源，由于大堤外的滩地比较平缓，为保证施工时在低水位能取水，考虑搭设栈桥做为取水平台，取水平台从长江引水至堤塘内，通过3台农用泵流量250m3/h（一台备用）直接在塘内取水，由φ159法兰钢管送至大堤内现场临时水泵房内，接入临时水泵房内的高压水泵内作为施工用水。

长江取水平台标高可保证在低水位时仍有足够的水量。

1.3 临时水泵房
由于盾构施工水力机械用水要求为高压水，因此取水输送至施工现场后需采用高压泵增压，因此在施工现场设置一个临时水泵房，临时水泵房平面尺寸为7m ×15m，施工时根据需要可作调整，临时水泵房内安装3台多节离心水泵（一台备用），用于盾构施工隧道内的水力机械供水。

1.4 排泥场地布置
盾构掘进过程中需要排出大量土体，根据环境保护要求，必须对泥浆进行沉淀处理，将符合要求的水循环利用，多余的水排入长江。

拟在长江大堤外设泥浆沉淀池（业主协调安排），泥浆池上部采用围堰而成。

泥浆需经过三级沉淀，上层清水排出。

1.5施工用电
因为本工程工期紧张，两条盾构必须同时推进，为满足施工需求，现场布置800KVA的箱变两台，另考虑盾构时应急电源，现场还布置一台200 KW柴油发电机作为隧道内应急照明通风电源备用。

其中一条盾构主要设备有：盾构机120KW，低压水泵22KW×1，高压泵180KW ×1,空压机75KW×1、砂石泵75KW×1、管内通风44KW×1、充电机30KW×1、转驳泵15KW×1、行车20KW×1、管内接力泵22KW×1、管内照明30KW×1以上共计总容量约633KW，需用系数取0.8）
如两条盾构同时施工低压用电总功率为633KW×2×0.8=1013KW。

现场其它设备：电焊机、小水泵、泥浆系统、照明等共计100KW。

盾构阶段低压总用电负荷1013KW＋100KW＋150＝1263KW（此时办公生活区和土建施工用电约150KW）。

管内每隔200米设置100A动力配电箱一只，每10米安装40W防水日光灯一盏，并采用二级漏电保护供电。

另外由于电信号操作和安全照明等需24V或36V 低压电，在台车配电系统中配置低压供电系统。

而隧道距离约为943米，考虑可以采用高压供电，在洞内设高压配电柜。

2、盾构机选型
2.1 盾构机选型
根据目前掌握的地质资料，本工程隧道主要在③2粉砂夹粉土穿越，④淤泥质粉质粘土，⑤粉质粘土夹粉砂中掘进。

土质较复杂，该土层在开挖过程中可能产生流砂、失稳现象，且将穿越长江大堤，该段对地面沉降要求较高。

为确保工程的安全、可靠、顺利，根据本工程的特点及经济适用的原则，结合以往类似的成功经验，我们决定本工程采用2台改进型的网格复合平衡式盾构机，本工程采用改进型网格复合平衡式盾构机进行施工。

网格式盾构前端设置格
栅，外径4930mm，采用水力出土方式，水力出土方式掘进时开挖面土体通过格栅的挤压进入泥仓内，经过高压水流破碎后由水利机械经管道以泥水形式排出。

开挖面的稳定由①气压平衡开挖面土水压力②通过控制胸板对开挖面的压力以及根据土层情况调整进泥闸门大小从而形成格栅内不同的土塞压力，以保持盾构前端对开挖面的压力与土层水土压力的动态平衡。

网格式盾构前端压力与土层的水土压力动态平衡是通过控制盾构总推力、掘进速度、进泥量，气压量的动态平衡实现的。

该盾构机较适宜在细砂性土中施工，有制造成本低、操作简便，容易维修等特点。

2.2 盾构主要技术参数
2.2.1 盾构外形尺寸
外径：Φ4930mm
内径：Ф4200mm
拼装间隙 25×2=50mm
盾构长度 6800mm
盾构机总重量： 110T（不包括台车设备）
灵敏度L/D 1.38
2.2.2 推进系统
长行程千斤顶 986.7KN×2150mm×7
短行程千斤顶 986.7KN×1250mm×19
总推力 25654.2KN
单位面积推力 1335.6KN/m2
最大推进速度 4.2cm/min
2.2.3 拼装机
提升能力 34.5KN
提升行程 800mm
平移行程 1050m
钳口行程 100mm
回转范围±200°
回转速度 1.5rpm
扭矩 71.95KN.M
2.3 盾构开挖及出泥方式
盾构推进过程中，土从网格挤入隔舱内，由布置在密封隔舱上的12把铰接旋转水枪把从网格挤进来的泥土冲刷成泥水（禁止水枪超挖冲刷开挖面），再由水利机械经渣浆泵接力把泥浆水送上地面，排至堤外，高压进水及泥水输送管道均为6″无缝钢管（Φ159×4.5mm）。

为对付硬土层特增加了长臂水枪，能360度旋转，前后伸缩至隔栅外档，提高冲泥效果。

盾构胸板上共设置了8扇闸门，均可启闭，大大增大了胸板开口率的可调解范围和水枪冲泥的范围。

通过盾构头部的气压表，便于监测隔栅外气压值变化，合理控制平衡工作面的气压值。

用加气压平衡工作面、改变顶进速度及改变网格胸板开口率来控制地面和沉降正面阻力；为控制推进过程中隧道轴线的上浮，在隔舱内下部增加二个可开闭的小闸门，用以释放盾构下部压力，更好地控制隧道轴线。

保证盾构穿过大堤时能有效地控制地面沉降，保护大堤，为防止泥浆水在盾构隔舱内产生沉淀，在隔舱底部配有搅拌装置以及旋流器，从而保证泥管的吸口通畅不阻塞。

隔舱上部配一定数量的固定水枪以冲刷、稀释进土，为提高泥水系统的工作效率，排泥量与水流量比一般为1:6～1:8。

由于本工程纵坡坡度达到3.15％，故管道中部考虑设置泥浆接力泵。

2.4 盾构主要部件的结构
2.4.1 盾壳和横梁
盾构壳体和横梁由大大小小的钢板焊接而成，钢板厚度有12mm、20mm、30mm、40mm等，除了外壳板40mm为Q235A外，其余钢板材料均为16Mn，因此，焊接要求很高，要很好控制焊接变形，才能达到设计要求，也就是盾尾部内径误差在+5～+15范围内。

2.4.2 网格和胸板
在盾壳的前端设有网格和胸板装置，网格大梁焊接在盾壳上，网格大梁最大开孔为300mm×400mm，在网格大梁背面，安装有可任意折装的大小胸板及活动闸
门，以便控制正面进土量。

2.4.3 密封隔舱
在网格胸板的后部，设有一道密封隔舱板，使盾构切口部形成一个泥水舱，在隔舱板上装有12把高压铰接旋转水枪，以及照明灯和观察窗，隔舱板具有气密性，可承受局部气压。

2.4.4 盾构千斤顶
沿盾构圆周均布置了26台盾构千斤顶，工作压力为30Mpa，每台千斤顶推力为986.7kN，盾构总推力为25654.2kN，这是盾构往前推进的动力，为适应最后一块封顶块全纵向插入式管片的需要，千斤顶有两种行程，上部7台长行程千斤顶，其行程为2150mm，下部19台为短行程千斤顶，其行程为1250mm。

2.4.5 管片拼装机
管片拼装机采用周边支承式，是用来完成拼装管片的机具，具有回转、提升、平移、夹紧等动作。

回转由2台带制动器的液压马达直接传动针轮、针销，驱动拼装机回转，回转范围±200°。

提升由2台行程为1050mm的千斤顶，最大提升能力为34.5kN；
平移由1台双节千斤顶完成，行程为1050mm。

另外还有2台100mm行程的千斤顶。

用于夹紧管片，使管片不至于晃动。

2.4.6 盾尾密封
在盾尾部850mm范围内，设有三道WB-2型钢丝刷密封装置，第三道钢丝刷可以更换，三道密封之间由盾尾油脂泵充填满盾尾油脂，以使达到堵泥浆的目的，在盾构推进过程中，盾尾油脂泵可以不断地补充盾尾油脂而保证盾尾密封的可靠性。

2.4.7 液压系统
液压系统由轴向柱塞泵供油，驱动26台盾构千斤顶、8台活动闸门千斤顶、5台拼装千斤顶、2台拼装机回转油马达、1台搅拌机油马达和盾尾油脂泵，动作控制全部采用电磁阀控制，按钮集中安装在盾构操纵控制台上，拼装机千斤顶和盾构千斤顶拼装模式采用两地控制，在盾构操纵台上可控制外，在拼装机旁边也可控制，以方便管片拼装机拼装管片。

高压水由地面泵站通过Φ159×4.5mm高压水管进入盾构，然后经阀门控制进入12把高压铰接式旋转水枪，为提高冲刷效果，在操作平台上可装增压泵。

通过水枪把从网格中进入泥水舱的泥土冲刷成泥浆后，由安装在车架上的射流泵、渣浆泵通过Φ159×4.5mm排水管将泥浆排往地面，在射流泵前装有格栅过滤箱，以防较大石块等异物阻塞射流泵、渣浆泵；渣浆泵采用电磁离合器调速，使泥水系统工作处在最佳工作点，以提高工作效率。

2.4.9 供电系统
（1）根据施工需要，盾构供电采用低压供电至盾构机头部和管内其他设备。

（2）为保证井下盾构工作人员安全，电气设备有良好的绝缘、电器设备外壳进行安全接地、盾构内部配电柜、操纵箱的门采用翻边结构，以防水进入柜、箱内，照明电源及操作电源采用36伏安全用电，电磁阀控制电源采用24伏直流。

2.5 本盾构与以往盾构的几点改进
本次盾构机设计中加以完善和改进，如在装行程检测仪，盾构姿态仪，可获得盾构推进速度、推进行程、盾构姿态；根据其他工程经验在盾构机下部开设放土阀，适时释放盾构下部土压力，可防止隧道轴线上浮，头部增加备用旋转水枪可在下面土压力太大时予以减阻等，使之达到或接近土压平衡盾构机效果，从而保证地面沉降控制，大堤安全和推进轴线控制；另外在格栅外设置注浆系统，为遇到硬土层时提高进土效率而增加，通过可伸缩的逆止阀和注浆孔进行注入水和泡沫剂添加材料等；泥仓两侧设置了纠偏系统，由可启闭的闸门和注浆系统组成。

2.5.1电气控制系统：
盾构机采用电气集中控制系统，具有远程操作功能和拼装无线遥控功能，主操作台人机界面采用触摸屏，可以操作控制整个盾构系统的各种动作，也可监视整个系统的运行状况。

同时还现场控制台，即：推进操作盘及拼装操作盒，拼装操作盒通常是遥控器，另有一个有线操作盒备用。

2.5.2推进系统
可对系统的26个油缸有选择的执行伸缩功能，26个油缸分为6组，每组油缸推进时有2钟推进压力可供选择，既高压和低压。

适当选择每组油缸的推进压力可更加灵活地操控盾构机
以往的网格式盾构俗称土盾构，操纵盾构液压系统大都是手动阀，本次设计液压系统采用土压平衡盾构的液压系统，全部采用电液控制，操纵按钮集中于盾构操纵台上，推进压力也通过油压传感器进接反映在盾构操纵台上，在26台盾构千斤顶上装有2台行程仪，使盾构操作人员在操纵台上能直接了解盾构的推进压力，顶进行程，以及顶进速度。

2.6 盾构设备保养制度和维修制度
2.6.1 盾构设备保养制度
（1）所有操作人员必须持证上岗。

（2）所有操作人员必须严格按各岗位的操作规程正确操作。

（3）设备保养人员每天按“维修保养操作日点检卡”中的内容对设备进行保养，并填写“维修保养操作日点检卡”。

（4）设备保养人员在完成第3条的前提下，于每周二按“维修保养操作周点检卡”中的内容对设备进行全面保养，并填写“维修保养操作周点检卡”。

（5）设备保养人员在完成第4条的前提下，于每月的第一个周二按“维修保养操作月点检卡”中的内容对设备进行维修保养，并填写“维修保养操作月点检卡”。

（6）设备保养人员还须对点检卡中未列出的机、电设备进行定期保养。

（7）点检卡的各项数据必须如实写，按期交给项目组。

所有设备保养及施工人员都有责任做好盾构设备的保洁工作。

2.6.2 盾构设备维修制度
（1）设备维修人员必须持有培训合格证。

（2）施工人员在施工过程中若发现设备运转情况异常或设备故障，应及时通知维修人员尽快修理，并填写“设备故障报修单”，不得使设备带伤运行。

（3）设备维修人员接报后应尽快对设备进行修理。

更新或购买零部件，须经项目部认可。

（4）在盾构机上装配修复的零部件，须经项目部认可并出示修复件的测试合格证。

（5）设备维修人员在修复工作完成后应及时填写“盾构机械故障情况记录
表”。

3、盾构隧道掘进施工
3.1 盾构隧道施工工艺流程
（附图：盾构施工准备工作流程图、盾构施工工艺流程图）
16
3.2 盾构施工准备工作
3.2.1 地面施工设施准备
盾构在推进施工前进行施工用电、用水、通风、排水、排泥等设备的安装工作。

循泵房进水间安装2部10t行车供井上下运输。

施工必要材料、设备、机具备齐以满足需要，管片、连接件、密封材料等准备有足够的余量，并对正常掘进用材料提出计划，保持后续供应，井上、井下测量控制网建立，并经复核认可，同时对沉降观测点进行布置，部分沉井观测点在前期布置结束。

3.2.2 穿墙洞挡土密封装置安装及洞口加固
盾构出洞口用钢制穿墙管预埋在井墙中，洞口采用作25a#槽钢双拼为挡土钢封门，钢封门在沉井下沉前安装于沉井外侧，随沉井一起下沉。

为防止穿墙洞地下水通过钢板桩拼缝向井内渗流，造成洞外土体流失从而影响洞外土体的稳定性，采用如下方法对钢封门进行止水并对洞口加固。

沉井下沉前钢封门25#槽钢之间进行止水处理，为防止在沉井下沉过程中钢封门滑移，用加强筋板将钢板桩与预埋穿墙管连接。

并在钢板桩之间涂泡沫堵漏剂避免漏水。

沉井下沉至设计标高后，可对钢封门外土体进行加固处理或深井降水措施，确保土体在盾构出洞施工时不会出现坍方现象。

洞口土体加固还可以防止盾构机出洞口后突然“磕头”造成盾构初始姿态改变，引起隧道掘进困难。

参考（盾构出洞口地基加固示意图、盾构出洞口钢封门详图）
3.2.3 发射架加工、安装、就位
发射架在工厂加工完成后运送至施工现场，利用吊车吊入井内，按照预先测放好的设计轴线调整发射架的轴线，并用水准仪校正好发射架的顶面标高后，采用电焊方式固定于预先埋设于工作井底板上的预埋件上，为防止盾构机在出洞后初期阶段纠偏产生的水平推力引起发射架偏移而影响隧道施工质量，发射架就位固定后，应对其加设斜撑加固。

3.2.4 洞门临时密封止水装置安装
盾构在出洞过程中，由于工作井穿墙洞与盾构外沿之间存在较大空隙，为防止盾构出洞时地下水、土体、浆液大量从洞口外面通过此建筑间隙大量涌入井内，影响开挖面土体的稳定及盾构内的施工，给环境造成破坏且引起施工安全问题，因此必须设置安全、可靠、性能良好的密封止水装置，确保盾构切口初始泥水平衡的正确建立和施工安全。

盾构出洞前应在穿墙洞周边安装由帘布橡胶板、圆环压板、翻板以及连接销等组成的出洞密封止水装置，作为洞口防水的预防性措施。

盾构出洞时，盾构机往前推进，将帘布橡胶板及翻板往穿墙洞内翻卷，利用帘布橡胶板的弹性使帘布橡胶板与盾构机外壳以及后续的＋1环管片外壁密贴，从而起到防水、防砂作用。

参考（穿墙洞口临时止水压圈、翻板加工图；止水帘布装置示意图）
3.2.5 盾构机吊装就位、调试验收
盾构机在制造厂制造、安装、调试完成后运至施工现场，利用500t力勃海尔起重机起吊后吊入工作井内，搁置于发射架上。

盾构吊入井下后，在盾构基座上正确就位，由专业技术人员调试验收。

盾构与车架采取二次就位方案，即车架先布置地面上或进水间后隔仓内，盾构机与车架之间的液压管路、动力、照明、控制电缆先采用可伸缩柔性连接的方案，当盾构推进足够距离隧道对后井壁轴向力消除后，拆除后盾支撑系统放下车架与盾构进行联接，进入正常掘进。

初始推进距离可在反力支撑上装应力传感器或用其它方法来决定。

3.2.6 盾构后座系统安装
后座系统包括钢管支撑、临时管片（负环管片）、天窗式反力架组成。

由于后座系统制约着盾构机出洞姿态，因此，安装时应在测放出的轴线基础上进行安装，确保后座系统轴线与设计轴线一致。

因工作井采用沉井法施工，在下沉过程中沉井不可避免地会发生偏差，因此安装时应调整钢管支撑，使临时管片（负环）端面与设计轴线垂直，同时应保证＋1环管片安装后其后端部伸出工作井内井壁400mm。

引水隧道工作井空间10m，临时管片拼装9环，其中封闭环4环，上部开口
环5环，临时管片与后墙之间为钢管反力架，开口环上部端部与反力架之间空缺
处用φ609钢管支撑传递。

盾构推进35m时进行台车转换，为保证台车吊放进入隧道内的空间，转换前应先将顶部钢支撑拆除，并将－3、－4、环管片上半部分管片拆除，待台车全部下井并安装于隧道内后，在－2环临时管片于后座墙之间安装钢支撑。

引水隧道盾构初期后座布置图（台车转换前）
引水隧道盾构初期后座布置图（台车转换后）
3.3 盾构出洞
盾构出洞是盾构利用在端头井内临时设置的钢构件和临时管片作后背，向前推进。

从穿墙洞口向洞外的土体中贯入，沿着设计轴线方向，向前推进的一系列作业。

盾构出洞是整个隧道施工中技术难度大，工序较复杂，又有一定风险的施工阶段。

当盾构机进入洞圈后马上进行洞圈橡胶帘布的整理工作，固定铰链挡板。

出洞时盾尾钢刷中必需充满盾尾油脂。

在盾构机切口进入帘布橡胶板85cm左右时，即可进行穿墙洞口临时止水钢板桩的拔桩施工，拔桩时按照先中间后两侧的顺序进行。

钢板桩拔除采用60KW～90KW振动锤进行，25cm钢板与钢板桩焊接牢固，拔桩时采用定型夹距将钢板夹住，夹具上端连接振动锤，用50t履带式自行起重机吊紧振动锤，开启振动锤马达，利用振动锤的振动破坏桩侧摩阻力，收紧吊车索具，将钢板桩缓缓拔出。

钢板桩拔除后盾构机迅速上靠，通过格栅对土体的挤压，使土体进入冲泥舱内，使用水枪冲刷破碎土体后，利用水力机械形成的真空压力将泥浆排出。

盾构机推至钢封门100mm处停止推进，在盾构机外及帘布橡胶圈状态。

拔除钢封门时，边拔除边填充浆液，补充拔桩后形成的空隙，浆体的凝固强度略大于土体强度，便于盾构推进，洞口上部准备回填土，钢板桩拔除后立即回填并及时注浆加固。

如此，直至全部拔除钢封门推进盾构机使之嵌入土体并准备试验段掘进。

当盾尾脱出工作井壁后，调整洞圈止水装置中的圆环板，并与洞门特殊环管片焊接成一体，若洞口漏水现象严重则由预设压浆管向洞圈周围内压注化学浆液，以防止土体从间隙中流失而造成地面的坍陷。

盾构在加固区推进，要保持盾构姿态，防止盾构姿态急骤改变，以均匀、慢速推进为主，防止压应力过大。

3.4 盾构初期掘进
盾构出洞口至大堤坡脚约100m为盾构初期掘进阶段。

盾构掘进初期阶段可视为盾构掘进的试验阶段，应在这一阶段的掘进施工中掌握施工区域的地质条件对掘进参数的影响，并掌握盾构施工的各种参数，用以指导盾构掘进的施工。

3.4.1 掘进参数掌握
盾构初期掘进时，为了更好地掌握盾构的各类参数，此段施工时应注意对推进参数的掌握，分析地面沉降与施工参数之间的关系，并对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能，确定盾构推进的施工参数设定范围。

此阶段施工重点要求做好以下的几项工作：（1）掘进前：在隧道轴线上设置观测点，特别在出洞30m范围内加密沉降观察点，每1m设一观察点，每10m设一观察断面，断面宽度为15m直至大堤，在大堤上也设置观测点。

掌握大堤沉降规律，在盾构推进时加大测量频率，每日测两次，用测量数据指导盾构掘进。

掘进前还应做好各种压浆配比以备掘进中使用，并对盾构仪器、仪表、设备进行反复调试、试车，确保初推进的成功。

（2）掘进中：在掘进中对盾构机进土量、前方土压力、推进速度、液压泵泵力、盾构姿态等有关数据进行观察、收集并对观测点进行同步观测、指导掘进施工、及时调整数据，保证地面沉降量控制在允许范围内。

掘进中还必须同步注浆、控制沉降量。

并备凝固速度快，堵漏迅速的双液浆以备紧急堵漏之用。

（3）掘进后：对盾构机掘进后的管片根据沉降量须进行二次补浆（局部如隆起则须放浆使之回复）。

在试掘进中，掌握掘进速度、土压力、出泥量、盾构姿态等有关数据，在进入大堤段前放慢速度，保持吸泥舱水气平衡并重新观测试验段沉降情况、衬砌变形、渗漏情况，在定量及定性指导下进一步施工。

上述阶段，特别注意信息化施工，尽量多的搜集数据，以地面沉降量、进土量、正面土压力等数据来决定掘进速度，并将收集参数进行讨论分析，重新调整，为进入大堤段掘进作好技术准备。

3.4.2 台车转换
盾构掘进至35m长度时，暂停掘进，在隧道内安装台车轨道，拆除工作井内临时管片上半部分钢支撑，并拆除满环临时管片后二环管片的上半部分，将台车逐节吊下工作井安放在台车轨道上，牵引到隧道前端，逐节连接到盾构掘进机上，使台车与盾构机成为联动装置。

在台车转换的同时进行有关设备的转换。

台车转换完成后，在临时管片（负环）后端部与工作井后座墙之间安装钢支撑后继续掘进。

3.4.3 临时泥水输送系统
盾构掘进初期，由于台车无法下井，导致盾构机自身配备的卧式水力机械无法安装，因此在井内安装一套临时卧式水力机械作为临时出泥装置。

盾构掘进至35m进行台车转换后，拆除临时卧式水力机械，转而采用盾构机自身配备卧式水力机械出泥。

3.4.4 后座系统拆除
盾构掘进至135m长度时（已穿过大堤），隧道外摩阻力已可保证盾构正常掘进所需顶力要求，此时暂停掘进，将盾构工作井内的反力架和临时管片全部拆除吊出，拆除后在工作井内重新铺设电瓶车轨道，使之与隧道内原有轨道连接后再掘进。

工作井内拆除按照以下流程进行：暂停掘进→临时水力机械拆除吊出→临时管片段电瓶车轨道拆除→临时管片拆除吊出→反力架拆除吊出→井内轨枕铺设→井内轨道铺设→卧式水力机械安装→恢复掘进。

隧道工作井及隧道内平面布置图。