大断面马蹄形盾构始发的施工方法

摘要

本发明涉及一种大断面马蹄形盾构始发的施工方法，包括步始发前场地准备、盾构机组装、始发导洞施工、盾构机组装完毕后，进行空载调试、密封装置安装、确定明洞加强段、0环管片的位置、安装内、外支撑、盾构由始发场地组装始发后，先以3‰上坡，再以3.112‰下坡至设定位置接收，盾构隧道成倒“V”型、进行管片定位安装步骤。该施工方法通过对大断面黄土隧道盾构施工，解决了大断面隧道盾构始发施工技术难题，且施工安全有保障。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种大断面马蹄形盾构始发的施工方法。

背景技术

对于沙土地层的隧道施工时，由于其本身的土层强度低、稳定性差，因此使用矿山法施工安全风险大。因此盾构法施工应运而生，盾构法施工速度快且安全可靠。所谓盾构法是利用钢材的高强度和易加工特点，将钢板加工成隧洞断面形状，形成在土层中对施工人员和设备的防护体；再在头部设置开挖辅助设施如人工挖掘隔仓、切削刀盘、水力喷头等；在盾体内设置开挖料输出装置，如螺旋输送带、泥水管路、轻轨斗车；在盾尾设置衬砌支护设施，形成开挖、出土、支护、衬砌配套协作的体系，完成隧道施工的完整方法。现有盾构技术的优缺点如下：

从盾构施工的基本原理看，为了支撑掌子面的稳定，采用土压平衡或泥水平衡盾构。土压平衡盾构适合于地下水少、渗透系数小的粘性土地层、砂性地层和砂砾土层，通过精确控制开挖仓的排土量，保持开挖舱的土体压力，与开挖面土体保持平衡，防止坍塌。泥水平衡盾构适合于地下水位高、流沙等富水地层及砂砾石含量较高的地层，通过向开挖舱压注泥浆，一方面平衡工作面土体，另一方面用管道泥浆将开挖料输送出洞。随着盾构技术的发展，将不同盾构形式和开挖面稳定方法进行组合，形成复合盾构法。复合盾构可以根据土层地质和水文条件作调整，其本质上是对开挖面支撑方式以及刀具、出渣运输系统和其他设备调整。复合盾构的组合模式有泥水式、敞开式盾构；土压平衡、敞开式盾构；泥水式、土压平衡盾构；敞开式、泥水式、土压平衡盾构等。

现在，非圆断面盾构主要是在开挖面将多个刀盘组合，通过双轴、多轴和曲轴等方法，控制不同刀盘的运动轨迹，开挖出矩形、椭圆形、马蹄形、双圆型、三圆形等各种需要的断面形状，在地铁车站的特殊地下结构中开发利用，并日益成熟。随着非圆断面隧道采用盾构施工技术含量越来越高，设计、制造、集成复杂，造价很高。因此工程使用仅限于工程量大的重要工程，在一般工程中很少使用。总之，这些盾构机适用于长隧道或大断面，优点是自动化程度高、功能多，缺点是制造周期长、构造复杂，造价高。在现有技术中大断面马蹄形的隧道截面不常见，一般为矿山法开挖施工，存在重大安全风险。安全问题，矿山法施工安全支护环节多，开挖分区多，工序多，造成安全投入大，工期长，安全风险仍然难以消除。

发明内容

本发明的目的是提供大断面马蹄形盾构始发的施工方法，选用本方法施工，通过对大断面黄土隧道盾构施工，解决大断面隧道盾构始发施工技术难题，且施工安全有保障。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

大断面马蹄形盾构始发的施工方法，该施工方法包括如下步骤：

步骤A，始发前场地准备，包括灌注桩施工、冠梁施工、龙门吊基础施工步骤；

步骤B，盾构机组装前，依据隧道设计轴线、洞门位置、盾构机的尺寸及门吊吊装盲区，然后反推出始发基座的空间位置，开始施作，向大里程方向25.4m，确定始发基座终点里程，始发基座全长24m，宽16m，始发基座两侧高3m，安装位置按照测量放样的基线，井下定位施工，基座上的轨道按实测洞门中心居中对称放置，始发基座主要承受盾构机的重力荷载和推进时的摩擦力，在始发基座上设置3根120kg/m钢轨作为盾构机导向轨道，底部导轨居中，上部两根钢轨距中心4.8m。基座施工时，通过与底板植筋进行加固，保证始发基座与底板结构成为整体；

步骤C，始发导洞施工，在套拱向小里程方向，施作13.5m长始发导洞，拱架内径为6.195m即在开挖轮廓线外15.5cm，始发导洞大里程与套拱连接，小里程进洞端焊接预埋钢环，保证盾构在通过拱架区时呈密封状态；

步骤D，盾构机组装完毕后，进行空载调试；

步骤E，密封装置安装，拱架内径为12390mm，即在开挖轮廓线外155mm，距管片外径340mm，在管片脱出盾尾后，按照要求进行洞门的密封，即将管片与套拱之间的缝隙进行封闭；

步骤F，确定明洞加强段、0环管片的位置；

步骤G，安装内、外支撑，负环外撑采用20工字钢焊接固定在门吊基础上，内部也一样采取20工字钢支撑，支撑在固定在拖车上；

步骤H，盾构由始发场地组装始发后，先以3‰上坡，再以3.112‰下坡至设定位置接收，盾构隧道成倒“V”型；

步骤I，进行管片定位安装，管片外径11540mm，内径10540mm，宽度1600mm，厚度500mm，强度等级C50P10，每环由8片组成。

本发明特点还在于：

所述步骤F中，明洞加强段为盾构始发提供反力，其位置的确定依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定，加强段位于套拱往小里程29m；所述导台上管片环数的确定，由明洞洞门处向大里程施作明洞，模板内外模均为12m，扣除搭接长度0.1m，实际施作每模长度为11.9m；

所述0环管片确定包括如下步骤：首先确定0环管片的里程，DK206+365为明洞洞门位置，第一模12m，剩余每模11.9m，按照17模明洞计算，则0环管片的里程：DR＝DK206+365+12+11.9×16＝DK206+567.4；

其次，盾构始发台施作至距套拱5m位置处，长度为：25.4m，盾构长度11.450m；

0环管片距套拱小里程侧距离为：

DK206+597.84-567.4＝30.44m，

则0环管片到套拱管片环数为：

N＝30.44/1.6＝19.025环；

导台台上管片环数可以选择19环；

明洞加强段定位与施工，在盾构主机组装之后进行，主机与后配套连接之前进行。

所述盾构机在始发导轨两侧的盾构机壳体上焊接防扭装置，所述防扭装置采用I20工字钢加工而成，防扭装置每隔2.5米左右在盾构机两侧各焊接一个，随着盾构机的前行，当防扭装置靠近洞门密封时，将防扭装置割除。

所述步骤H中，在盾构机掘进时，向盾构机土仓施加压力，始发预掘进时，刀盘直接切削盾构掘进范围内的土体。根据盾构始发经验，盾构在始发基座上空推时，不建立压力；当刀盘进入原状地层，土仓压力逐步建立；

当盾构机盾尾全部进入原状土后，静止土压为原状的天然土体中，土处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力。始发段顶部埋深按15m考虑，土的铅垂方向的自重应力σz＝γh为最大主应力，而水平应力σx＝为最小主应力，其间存在如下关系：σx＝k。，σz＝k。，γh；

式中:k。为侧向土压力系数，k。按照0.5取值；

计算地面以下深度为15m处的地层自重应力σz，等于该处单位面积上土柱的质量。

σz＝γihi

式中：γi—土的天然容重，1600kg/m³；

hi—土的厚度，15m；

则：σx＝1600×15＝24000N/㎡

σz＝σx/k。＝24000×2＝48000N/㎡

计算土压为：σx+σz＝72000N/㎡＝0.7bar；

故本隧道盾构始发的土压为：在空推阶段为0bar；盾构刀盘接触土压到盾尾全部进入原状土阶段，土压从0bar逐渐加压至0.7bar；待土仓内渣土拌合均匀后，土压升至为0.9bar。

所述步骤H中，盾构机的推力确定，其中，盾构空推时：155t；盾构进入原状土12m：2000t～2200t；盾构始发正常段：2500t～3000t。

与现有技术相比，本发明具备的技术效果为：该方法用明洞加强段为盾构始发提供推进反力的钢混结构；始发基座是支撑盾构机并使盾构机沿其轨道向前推进的钢架或钢筋混凝土结构，包括两侧支撑盾构(或管片)的三角支撑架。洞门防水装置安装于洞门预埋钢环上，在盾构始发时起到止浆、止水、保压作用的辅助施工设备。由于在始发时盾构机刀盘切削掌子面会产生巨大的扭矩，为了防止此时盾构机壳体在始发导轨上发生偏转，在始发导轨两侧的盾构机壳体上焊接防扭装置。

附图说明

图1是始发基座平面结构示意图；

图2是始发基座断面结构示意图；

图3是始发基座配筋图；

图4是始发导洞拼装示意图；

图5是密封装置示意图；

图6是明洞加强段与盾构主机位置示意图；

图7是安装内、外支撑的结构示意图；

图8是内支撑正视图；

图9是内支撑侧视图；

图10是外支撑正视图；

图11是外支撑侧视图。

具体实施方式

结合图1至图11，对本发明作进一步地说明：

大断面马蹄形盾构始发的施工方法，该施工方法包括如下步骤：

步骤A，始发前场地准备，包括灌注桩施工、冠梁施工、龙门吊基础施工步骤；

步骤B，盾构机组装前，依据隧道设计轴线、洞门位置、盾构机的尺寸及门吊吊装盲区，然后反推出始发基座的空间位置，开始施作，向大里程方向25.4m，确定始发基座终点里程，始发基座全长24m，宽16m，始发基座两侧高3m，安装位置按照测量放样的基线，井下定位施工，基座上的轨道按实测洞门中心居中对称放置，始发基座主要承受盾构机的重力荷载和推进时的摩擦力，在始发基座上设置3根120kg/m钢轨作为盾构机导向轨道，底部导轨居中，上部两根钢轨距中心4.8m。基座施工时，通过与底板植筋进行加固，保证始发基座与底板结构成为整体；

步骤C，始发导洞施工，在套拱向小里程方向，施作13.5m长始发导洞，拱架内径为6.195m即在开挖轮廓线外15.5cm，始发导洞大里程与套拱连接，小里程进洞端焊接预埋钢环，保证盾构在通过拱架区时呈密封状态；

步骤D，盾构机组装完毕后，进行空载调试；

步骤E，密封装置安装，拱架内径为12390mm，即在开挖轮廓线外155mm，距管片外径340mm，在管片脱出盾尾后，按照要求进行洞门的密封，即将管片与套拱之间的缝隙进行封闭；用1mm铁皮用于封闭盾构导洞拱架与管片之间缝隙，铁皮分块制作好，精确定位后焊接在导洞拱架上，同时在拱架内安设支撑，防止在喷浆或者同步注浆时，封闭块发生变形，铁皮必须牢固地嵌入喷浆料且单面紧靠拱架，灌注混凝土或砂浆填筑时不得松动而影响使用。保证密封效果良好。

步骤F，确定明洞加强段、0环管片的位置；

步骤G，安装内、外支撑，负环外撑采用20工字钢焊接固定在门吊基础上，内部也一样采取20工字钢支撑，支撑在固定在拖车上；内、外支撑见附图7、8、9、10、11；

步骤H，盾构由始发场地组装始发后，先以3‰上坡，再以3.112‰下坡至设定位置接收，盾构隧道成倒“V”型；

步骤I，进行管片定位安装，管片外径11540mm，内径10540mm，宽度1600mm，厚度500mm，强度等级C50P10，每环由8片组成。

所述步骤F中，明洞加强段为盾构始发提供反力，其位置的确定依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定，加强段位于套拱往小里程29m；所述导台上管片环数的确定，由明洞洞门处向大里程施作明洞，模板内外模均为12m，扣除搭接长度0.1m，实际施作每模长度为11.9m；

所述0环管片确定包括如下步骤：首先确定0环管片的里程，DK206+365为明洞洞门位置，第一模12m，剩余每模11.9m，按照17模明洞计算，则0环管片的里程：DR＝DK206+365+12+119×16＝DK206+567.4；

其次，盾构始发台(包含空推段)施作至距套拱5m位置处，长度为：25.4m，盾构长度11.450m(包括刀盘、盾尾刷)；

0环管片距套拱小里程侧距离为：

DK206+597.84-567.4＝30.44m，

则0环管片到套拱管片环数为：

N＝30.44/1.6＝19.025环；

导台台上管片环数可以选择19环；支撑在固定在拖车上，其作用是辅助盾构掘进，管片的稳定性。

明洞加强段定位与施工，在盾构主机组装之后进行，主机与后配套连接之前进行。

为了防止此时盾构机壳体在始发导轨上发生偏转，所述盾构机在始发导轨两侧的盾构机壳体上焊接防扭装置，所述防扭装置采用I20工字钢加工而成，防扭装置每隔2.5米左右在盾构机两侧各焊接一个，随着盾构机的前行，当防扭装置靠近洞门密封时，将防扭装置割除。通过防扭装置的作用，能够有效的固定盾构机在轴线方向上的位置，保证为盾构始发正常掘进提供保证。防扭装置见后外支撑支架。

所述步骤H中，在盾构机掘进时，向盾构机土仓施加压力，始发预掘进时，刀盘直接切削盾构掘进范围内的土体，根据盾构始发经验，盾构在始发基座上空推时，不建立压力；当刀盘进入原状地层，土仓压力逐步建立；

当盾构机盾尾全部进入原状土后，静止土压为原状的天然土体中，土处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力。始发段顶部埋深按15m考虑，土的铅垂方向的自重应力σz＝γh为最大主应力，而水平应力σx＝为最小主应力，其间存在如下关系：σx＝k。，σz＝k。，γh；

式中:k。为侧向土压力系数，k。按照0.5取值；

计算地面以下深度为15m处的地层自重应力σz，等于该处单位面积上土柱的质量。

σz＝γihi

式中：γi—土的天然容重，1600kg/m³；

hi—土的厚度，15m；

则：σx＝1600×15＝24000N/㎡

σz＝σx/k。＝24000×2＝48000N/㎡

计算土压为：σx+σz＝72000N/㎡＝0.7bar；

按照施工经验，在对盾构始发沉降要求比较严格的地段计算土压力时，通常在理论计算的基础之上再考虑(0.1～0.2bar)的压力作为预备压力。

故本隧道盾构始发的土压为：在空推阶段为0bar；盾构刀盘接触土压到盾尾全部进入原状土阶段，土压从0bar逐渐加压至0.7bar；待土仓内渣土拌合均匀后，土压升至为0.9bar。

所述步骤H中，盾构机的推力确定，其中，盾构空推时：155t；盾构进入原状土12m：2000t～2200t；盾构始发正常段：2500t～3000t。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。