盾构始发施工技术

盾构始发施工技术
李懂懂
1施工工艺技术
1.1盾构始发工艺流程
本区间隧道设计为双线单圆隧道，工程投入2台中铁土压平衡式盾构机用于隧道掘进。

2台中铁装备6450土压平衡型盾构机从XXX端头井始发，向XXX掘进，先行始发掘进左线，待左线完成100m后始发掘进右线。

由于盾构始发与始发前各项准备工作紧密相联，为保证盾构顺利始发，须对整个过程进行合理部署，具体包含如下内容：
⑴端头井土体加固；
⑵始发架安装及加固；
⑶反力架安装；
⑷洞门止水帘布安装；
⑸特制小车及卷扬机下井安装；
⑹洞门凿除；
⑺负环安装；
⑻盾构始发洞门注浆洞门封堵。

整个盾构始发流程如下：
1.2端头井土体加固及效果检测
1.2.1端头井土体加固
为保证盾构机安全出洞，隧道出口土体必须具有良好的自立性及密实性，为确保盾构机在经过洞口时土体不坍塌，地下水不涌入，因此必须对洞口土体进行加固。

始发井加固范围详见下图5.2.1-1。

图1.2.1-1始发井加固平面及剖面图
1.2.2旋喷桩加固
⑴工法介绍
本区间端头井加固均采用φ600@450双重管高压旋喷桩施工，经加固的土体应有很好
的均质性、自立性，28天无侧限抗压强度为1-1.2MPa ，渗透系数s cm /10*0.17
-≤。

⑵施工方法
①桩机就位后，现场技术员测量确认孔位，并确定垂直度，符合要求方可开钻。

②旋喷机就位后，旋喷前先检查旋喷机平台水平度和钻孔垂直度，具体操作为用水平尺测量钻杆两个侧向垂直度和钻机平台横、竖向水平度，以水准气泡居中为准，符合要求才允许开钻。

③下钻杆是气管和水管双管同时运行，注意下钻杆过程中是否堵管（冒水正常，不冒水堵管），堵管要全部拔出来清洗干净重新下钻管。

④旋喷时气管和水泥浆双管同时进行，水泥浆液先搅拌1分钟，才可往上提管，喷浆提管速度、旋转速度，注浆流量都要符合施工工艺参数要求。

⑤施工工艺参数
1.2.3端头井土体加固效果检测
⑴加固土体垂直检测
旋喷桩施工完成后进行加固检测，按照地基处理等相关规范的规定内容，检测分垂直检测和水平探孔检测，垂直检测按照总桩数的1%，取芯送检，取芯试验送检试验结果必须满足设计强度及抗渗要求。

⑵水平探孔检测
在洞门凿除钢筋混凝土前，在洞门上，开9个样洞观察。

见图3-1，孔径5cm，孔深3m，探孔后，要求各孔出水量的总和小于0.03m3/d，孔洞无泥砂流出等异常现象发生。

在盾构始发前，对地基加固情况进行了垂直取芯检测。

洞圈下部1.0m范围取出的芯体基本都能成柱状体，具有一定的强度,取芯的芯样按照每孔摆放整齐，项目部取芯后，通知监理工程师和业主项目工程师进行评估，符合要求后才进行洞门凿除的工序。

图1.2.3-1洞门水平探孔布置图
1.3始发形式
本区间盾构始发形式采用全环始发，一共8个负环，每个负环1.5宽，共12m宽度，为保证隧道接口的防水效果，其中-1环伸入结构侧墙450mm，具体详见5.3-1负环布置图：
图1.3-1负环布置图
1.4始发前准备工作
1.4.1洞门钢环复测
主体结构提供盾构始发条件后，测量组根据地面导线和平面控制点引入到结构内，将盾构钢环中心和十字形外侧点的坐标高程实际测量出来，复测完成后并通过业主第三方测量单位复核，以保证盾构机的顺利出洞，洞门钢环复测完成后根据复测结果安装始发架。

1.4.2盾构始发托架安装
盾构机组装前，依据隧道设计轴线、洞门位置及盾构机的尺寸，然后反推出始发基座的空间位置。

始发架基座安装位置按照测量放样的基线，吊入井下定位加固结实，基座上的轨道按实测洞门中心居中放置。

盾构始发基座采用钢结构形式，主要承受盾构机的重力荷载和推进时的摩擦力，结构设计还需考虑盾构推进时的便捷和结构受力。

由于盾构机重达400多吨，所以始发基座必须具有足够的刚度、强度和稳定性。

在盾构机主机组装时，在始发基座的轨道上涂硬质润滑油以减小盾构机在始发基座上向前推进时的阻力。

当盾构在组装时还需要对主机进行前后移动，结构设计还需考虑盾构前后移动施工的便捷和结构受力。

本标段盾构始发基座与反力架同时连接在一起组成整体结构。

在钢梁上设置钢轨作为盾构机导向轨道。

基座就位后通过横向和斜向进行加固，两边使用横梁与始发洞口的预埋件进行焊接加固。

始发托架是盾构机在工作井始发时坐落的基座，它必须能够充分承受盾构机的自重，由于受盾构机自重及端头井井口大小的限制，盾构机要求被分割成几部分（切口环部分、支承环部分、盾尾环部分）分别吊入井内，在发射架上前后移动进行装配。

始发托架对盾构始发初期管片拼装及最终管片的精度有很大的影响，为了确保精度，始发托架上的盾构机须对准洞门中心，且与隧道轴线一致，按设计轴线是始发托架的位置、方向、高度等进行正确测量放样后，再进行加工制造施工，安装时按测量放样的基线吊入井下就位焊接。

本区间施工所用的盾构机为直径6.25m的小松土压平衡盾构，其自重约292t，加上施工时可能的活动荷载设有5t。

所以，加在整个始发托架上的荷载按350t考虑应该是比较充足的。

按照以前本机施工经验：采用250×250H型钢为主要承力构件是适合的，构件受力计算见附件一，其设计见图1.4.2-1。

图1.4.2-1始发托架设计图
始发托架的中心线与隧道轴线重合，高程（将盾构机高程换算后）与隧道中心线保持一致。

1.4.3反力架定位安装
反力架的安装在尾盾安装完成之后进行。

盾构始发反力架为拼装式全钢架结构，以确保足够钢性。

反力架及支撑系统设计：反力架采用组合钢结构件，便于组装和拆卸；反力架结构根据土建结构进行设计；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；反力架支撑系统将盾构推力作用到土建结构上，支撑提供的反力满足要求，且支撑有足够的稳定性，反力架支撑全部采用水平撑支撑在轨排井边墙上。

反力架及支撑系统的安装：由于盾构始发姿态是空间结构，反力架靠盾尾侧平面要基本与盾尾平面平行，即使反力架形成的平面与盾构机的推进轴线垂直。

反力架的横向和竖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，首先用全站仪测定水平偏角和位置，然后将反力架整体组装，并由组装门吊配合校正其水平偏角和倾
角，在定位过程中利用倒链和型钢等工具配合。

最后经测量无误后将其焊接固定。

在安装反力架时，反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，上下偏差控制在±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‰（且盾尾只能向上偏），水平趋势偏差<±2‰。

为保证盾构推进时反力架横向稳定，用型钢对反力架进行横向固定。

反力架结构图见下图，反力架受力计算书见附件2。

图1.4.3-1反力架立面图
图1.4.3-2反力架侧面图
反力架安装时，首先测量反力架位置起始里程断面的中心线，并刻划在始发井侧墙上，以便反力架中心定位，定位关键是反力架紧靠负环管片的定位平面，并与此处的隧道轴线垂直。

在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。

安装时反力架与盾构井结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。

由于反力架和始发架为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发架时，反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，上下偏差控制在±10mm之内。

始发托架水平轴线的垂直方向与反力架的夹角＜±2‰，与设计轴线竖直趋势偏差＜2‰，水平趋势偏差＜±3‰。

1.4.4导轨安装
盾构掘进过程中，出碴及管片、注浆材料等物质的运输，都直接与掘进相循环、相关联，因此快速运输是连续、稳定掘进的前提。

但由于车站场地及隧道净空的限制不能配置过多的运输车辆，因此只有合理组织快速运输，保证材料供应，才能与盾构机掘进速度相适应。

车站底板运输线路设置四轨双线车道，轨距为813mm，25t牵引机车，24kg/m钢轨，6m/根。

盾构机后配套设备行走在外侧两根钢轨上，运输车辆行走在中间钢轨上，轨枕采用180工字钢制作，轨枕间距为1.2m每根。

车站底板轨道以及道岔布置详见图5.4.4-1，道岔布置在隧道内，端头井范围内布置四轨。

眠山站东端头井南侧眠山站东端头井北侧
中铁四局集团有限公司
昆明市轨道交通3号线工程项目经理部
车站底板轨道以及道岔
布置示意图
施组附图图 别图 号比 例示 意日 期2011.4.11
第1张
共1张
复 核
审 定制 图
邓能伟
李旭杰
陆 跃
站内轨道及道岔布置图
1.4.5盾构机组装
盾构机正式组装调试左右线安排20天时间。

㈠、劳动力安排
盾构组装作业班分三个组：二个机钳液压组和一个电气组，组装劳动力安排见下表。

㈡、盾构组装所需设备安排
盾构吊装设备计划有：QUY260型260吨履带吊或350t 汽车吊和100t 汽车吊进行抬吊，50t 液压千斤顶两台，以及相应的其它工具、机具和吊具。

㈢、组装工具材料
组装用工具、材料见下表。

㈣、主机及后配套系统的组装
(1)准备阶段：清理场地，拆除障碍，在工作井内铺设车架及平板车行驶之临时轨道，并准备三台平板车、一台电瓶车在井下备用；
(2)依次将5#、4#、3#、2#、1#车架吊下井（皮带机分别随车架一起下井安装），利用电机车拖到位；
(3)皮带机被动轮吊下井，并置于平板车上利用电机车拉至车架开档间隙放置；
(4)将连接桥架吊下井，一端与1#车架连接，另一端置于平板车临时支架上拉进隧道并支撑焊接悬空搁置，移出平板车；
(5)将螺旋机吊下井并放置在两辆平板车上，并利用电机车平移至井后端；
(6)拆除临时轨道等设施，作好盾构主机下井各项准备工作；
(7)抬吊主机B环（支撑环）翻身下井，距离洞口屋檐垂直向下3.5米位置；
(8)抬吊主机A环（切口环）翻身下井，与B环对接，安装密封圈并拧紧螺栓；
(9)抬吊主机大刀盘翻身下井，与A环对接，拧紧螺栓；
(10)盾尾吊至工作井边；
(11)盾构主体向前尽可能平移到位；
(12)拼装机机架下井，与B环连接；
(13)拼装机下井，与机架连接；
(14)安装盾尾铰接密封圈及铰接压板；
(15)盾尾翻身下井安装；
(16)铰接油缸连接，安装铰接销；
(17)铺设临时平板车轨道至盾尾内2.5m距离，将螺旋机前移，安装在A环螺旋机安装座上；
(18)将桥架及1#车架前移，并与盾构主机连接，同时利用电瓶车将其他车架分别前移并连接；
(19)将皮带机被动轮前移，安装皮带机被动轮；
(20)盾构车架间、主机内管路连接；
(21)盾构车架间、主机内电缆连接；
(22)皮带机皮带安装、热胶；
(23)油箱内加油；
(24)吊攀割除；
(25)高压电试并送高压电；
(26)盾构各系统调试；
系统调试具体流程为：调试盾构机刀盘驱动系统→调试推进千斤顶系统→调试螺旋机→调试超挖刀→确认注浆系统→确认加泥泡沫系统→调试盾尾油脂注入系统是否有效→确认集中润滑系统是否有效。

①空载调试
盾构机组装和连接完毕后，即可进行空载调试，空载调试的目的主要是检查设备是否能正常运转。

主要调试内容为：液压系统，润滑系统，冷却系统，配电系统，注浆系统，以及各种仪表的校正。

电气部分运行调试：检查送电→检查电机→分系统参数设置与试运行→整机试运行→再次调试。

液压部分运行调试：推进和铰接系统→螺旋输送机→管片安装机→管片吊机和喂管片机→泡沫、膨润土系统和刀盘加水→注浆系统→皮带机等。

②负载调试
空载调试证明盾构机具有工作能力后即可进行负载调试。

负载调试的主要目的是检查各种管线及密封的负载能力；对空载调试不能完成的工作进一步完善，以使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。

通常试掘进时间即为对设备负载调试时间。

负载调试时将采取严格的技术和管理措施保证工程安全、工程质量和线型精度。

负载调试完成后，即可组织对盾构机的整机试运转，并报业主监理进行验收，验收合格后等待始发。

1.4.6洞口止水帘布安装
由于洞门与盾构（或衬砌）存在建筑空隙，易造成泥水流失，从而引起地表沉降，须在洞门安装始发防水装置。

始发防水装置包括橡胶帘布板，扇形圆环板以及连接螺栓和垫圈。

始发洞门防水装置详见下图。

左线洞门凿除洞门砼最后200mm 厚钢筋混凝土前，应着手安装橡胶帘布板。

右线洞门砼凿除剩余300mm 厚，拔管完成之后进行橡胶帘布板安装。

安装时，压板螺栓应拧紧，使帘布橡胶板紧贴洞门，防止盾构始发后同步注浆浆液泄漏。

盾构机
A
盾构机衬砌管片盾构机出洞后盾构机出洞中盾构机出洞前
图1.4.6-1始发洞门防水装置图
1.4.7节点验收
⑴工作井已按设计要求完成并通过验收，其标高、轴线、结构强度等各项技术参数符合设计和规范要求并能满足盾构施工各阶段受力要求。

⑵盾构始发施工方案已通过专家评审，评审意见已予落实或整改，监理细则已编制审批；
⑶测量、监测方案已审批，监测控制点已按监测方案布置好，且已测取初始值；
⑷井下控制点已布设且固定；
⑸要求的端头加固措施已经完成，各项指标已经达到设计要求并有检测报告；
⑹洞门探孔已打，未发现异常情况并满足始发要求；
⑺始发架已经设计验算，结构强度满足要求；
⑻对盾构隧道沿线的建（构）筑物、管线等设施现有状况及其承受变形的能力已完成调查，并且制订好切实可行的防御措施；
⑼施工现场技术交底（含各施工工艺和步骤）已按要求完成；
⑽人员、机械、材料按要求到位（盾构以及大型起重设备拼装就位，并通过相关部门验收）。

1.4.8洞门破除
在确认加固良好的情况下，共分两阶段进行洞门凿除，在盾构调试期间，首先凿除地连墙外侧混凝土保护层，再割除外侧钢筋，然后分块破除剩余的混凝土结构，只剩余内侧钢筋，以做到在始发或到达之前对端头地层的保护。

待盾构调试完成，具备出洞条件后，再对剩余的内侧钢筋进行割除。

洞门凿除保持连续施工，尽量缩短作业时间，以减少正面土体的流失量。

整个作业过程中，由专职安全员进行全过程监督，杜绝安全事故隐患，确保施工安全，同时安排专人对洞口上的密封装置做跟踪检查。

在洞门破除后，应及时始发掘进，防止洞门壁后土体暴露时间过长，引起土体不稳定坍塌。

在盾构始发准备阶段，根据开挖后洞门所暴露的围岩条件和时间长短，必要时可对洞门端头采用喷混凝土进行加固。

特别注意要确保处理后的洞门开挖面平整无较大的坑洞并与盾构刀盘平面平行。

若开挖面有超过1.0m3的坑洞应用低标号的砂浆进行回填。

并确保施工后无锚杆、钢筋等侵入隧道开挖轮廓。

盾构调试完成并确保盾构运转正常、盾构就位姿态准确的情况下，开始凿除洞门混凝土。

洞门破除的主要目的是破除盾构机通过范围内始发井端头围护结构的混凝土及割除钢筋，使盾构机顺利进入端头加固体。

洞门凿除顺序，先凿除上部，然后再凿除下部。

在进洞防水装置完成后，破除影响盾构范围内钢筋混凝土，根据围护结构钻孔桩的实际位置，吊出空间及地质情况，建议采用分层分块、从里到外、从上到下的方式进行破除，建议共分成16块，每块面积不大于3㎡，分块如下图所示，按顺序破除混凝土并吊出。

在完成最后一层混凝土破除后，要及时检查洞门破除的净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。

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2
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2
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图1.4.8-1洞门混凝土分块示意图
洞门破除采用风镐并结合人工修凿的方法破除钢筋砼。

破除围护桩前需打水平探孔，探孔深度必须穿过围护桩，深度不小于2m 。

洞门开凿过程中，为保证洞门围护结构的稳定，凿洞要分阶段进行，首先将背土侧的围护桩钢筋保护层砼凿除，割除背土侧钢筋，然后继续凿至离围护桩迎土侧200mm 为止。

最后当盾构机推进至离洞门1米处后，然后再快速将围护桩余下的钢筋砼破除，清理洞门，即可始发。

洞门破除施工工艺流程图见下图4.4.8-2。

图1.4.8-2洞门破除工艺流程图
1.5盾构始发
1.5.1负环安装
本次盾构始发负环安装，全部采用通缝拼装，随盾构的推进逐环拼装。

为预留出碴口，负环管片一律采用封顶块位于正上方的拼装模式，负环管片全部全环拼装。

同时，为保证给盾构机提供足够的反力并确保施工的安全，采用钢支撑支撑于反力系统上。

盾构始发井长度为12.6米，盾构长度9米（包括刀盘）。

第一环管片的起始里程D1S需要通过联络通道的位置来反推出来，管片环宽WS=1.2m。

DR为反力架端部里程，N为负环管片环数。

端头井起始里程DF：SK10+983.830，1#联络通道中心里程：SK11+400.093；1#联络通道中心点与隧道终点的距离为：SK11+400.093- SK10+983.830=416.263m。

1#联络通道到隧道起点管片环数：
416.263/1.2=346.886
秋水路站第一环管片起始里程：
D1S= SK10+983.830+（416.263-346*1.2）= SK10+984.893
负环管片环数：
最少N1=（DF -D1S +9.5）/1.2=7.03
最多N2=【D1S-DF+12.6-1】/1.2=10.55
负环管片环数可以选择8环（含0环）。

则反力架端部里程：
DR= DF-N1*1.2= SK10+974.23
则反力架距离车站端墙距离为SK10+974.23-（SK10+983.830-12.6）=3m。

反力架、始发台的定位与安装在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。

安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。

由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，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，上下偏差控制在±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‰。

负环管片安装具体结构图如下：
说明：
1、本图尺寸均以毫米计。

2、衬砌环由1个封顶块(KT)、2个邻接块(BT)、3个标准块(AT)组成。

衬砌环向分6块，即3块标准块(中心角67.5°)，2块邻接块(中心角68°)，1块封顶块(中心角21.5°)。

3、负环衬砌环间采用通缝拼装、标准衬砌环环宽为
1500mm，封顶块位于正上方。

4、环与环之间设16个纵向连接螺栓，沿圆周均匀布置。

环向相邻两块管片间连接设2个螺栓，每环共设12个环向螺栓。

负环拼装位置图
68°
68°
21.5°
A2T
A1T
A3T
KT
B2T
B1T
R 3000
R 2
70067.5°
67.
5°
67.5°
110
110110
1104°4°840轨面
图1.5.1-1负环管片安装位置图
图1.5.1-2负环管片安装结构图
首先根据工作井的长度及设计洞口永久防水混凝土环梁的宽度确定钢后背的厚度需要拼装的负环管片数量。

盾构机经调试验收确认正常，钢推垫安装完毕及其他准备工作（洞门凿除、管路连接）全部完成后进行初始掘进负环拼装。

负环拼装第一环必须注意断面的圆度和与隧道轴线的垂直度，为整环拼装做准备。

一般情况下，负环管片在盾壳内的正常安装位置进行拼装。

在安装负环管片之前，为
保证负环管片不破坏盾构机尾部的密封刷，保证负环管片在拼装好以后能顺利向后推进，在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的方木，以使管片在盾壳内的位置得到保证。

负环管片拼装示意图
第一环管片拼装完成后，将管片连接螺栓拧紧，操作盾构机的千斤顶向后推出将第一环管片向外部推出，推出距离达到可以拼装下一环时即停止推进，拼装该环管片。

如此循环施做，直到第一环负环管片被推出盾构的壳体，此时应将螺栓复紧，然后用手拉葫芦将管片上部拉紧以防止管片向外侧张开，拉紧时须控制好管环的直径，避免过紧或者过松；另外在管片的外侧即管片与盾构基座之间楔入木楔子以将管片固定牢固。

当盾构机尾部完全进入洞口后，将洞口扇形钢板落下紧贴管片，并上紧螺栓以防止加泥注浆时浆液从洞门泄漏。

拼装时应对管片的拼装质量（圆正度、管片间轴向错茬等）加以严格控制，从而保证正管片质量。

⑴-8环至-7环安装：前面两环管片主要通过出土孔用电瓶车将管片运输到盾构机内，通过管片拼装机进行逐环拼装，此时盾构机主要靠反力架提供反力来使盾构机向前推进，盾构机暂未接触到加固土体，盾构阻力最小。

⑴-6环至-1环安装：后面的管片也是通过出土口用电瓶车将管片运输到盾构机内，通过管片拼装机进行逐环拼装，盾构机主要靠反力架提供反力来使盾构机向前推进，此时盾构机刀盘已经开始接触到加固土体，盾构摩擦反力较大，要控制好推进速度、扭矩力、推力，盾构前进的动力全部由反力架提供。

1.5.2盾构机进入洞门
盾构机开始掘进，盾构始发托架定位时，刀盘距离结构侧墙有1m空隙，盾尾始发托架距离反力架有1.5m。

这些部位之间的空隙均要在盾构始发前完成。

⑴前顺接，指的就是盾构刀盘始发托架距离结构侧墙1m空隙，为保证盾构机平稳顺利进入洞门钢圈内，前顺接是否有足够的承载力对盾构始发的成败有很关键的作用，前顺接施工必须在凿除前洞门前安装到位，以免洞门凿除影响前顺接安装，前顺接安装必须确保顶面与始发架导轨面略高0.5-1cm，而且加固必须牢固，防止掘进过程中出现变形。

⑵洞门钢圈范围内的顺接，指的是盾构机到达钢环，钢环厚度800mm，洞门钢环直径6620mm，盾构机外壳直径6250mm，盾构机外壳到达钢圈有185mm间隙。

⑶后顺接：指的是盾尾与反力架之间固定支撑-8环、-7环，因为盾构始发托架距离反力架有1.5m，-8环、-7环最开始在盾构机外壳，才不会掉下来，但是随着盾构机掘进，负环管片慢慢脱出盾尾，为防止负环下沉，所以在-8环、-7环位置安装后顺接，后顺接加固措施同样要重视，不能有任何的闪失。

⑷负环固定：指的盾构掘进过程中，负环慢慢脱出盾构机，此时负环外部没有荷载来保持平衡，为防止负环在掘进过程中出现上浮，每掘进一个负环，有条件时立即在负环外侧用16mm钢丝绳进行包裹，底部与始发架用3个螺栓固定拧紧。