一种小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工工法

摘要

本发明涉及盾构隧道工程技术领域，尤其涉及一种小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工工法。一种小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工工法，包括施工工艺流程及操作要点。本发明工法已经过工程实践，在项目进行过程中，结合现场实际条件，通过一系列的施工工艺优化及发明创造，解决了狭小空间限制；通过详细的地质勘探，结合理论基础，对掘进参数、出土量、注浆量等施工参数进行了优化，强化施工监测，克服了上软下硬地层始发技术难点，最终实现以质量“零缺陷”、安全“零事故”及地表接近“零沉降”的高标准，完成小净空、上软下硬地层盾构分体始发，为后续类似施工提供了极其宝贵的经验。

说明书

技术领域

本发明涉及盾构隧道工程技术领域，尤其涉及一种小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工工法。

背景技术

随着国家基础建设投资力度的加大以及城市交通压力的不断增长，盾构隧道工程建设呈现较大的增长趋势，各个城市大规模开展盾构施工，盾构隧道穿越的地层越来越多变，所处的施工环境越来越复杂，遇到的风险源种类越来越多样化，面对施工技术挑战越来越严峻；

台州市域铁路S1线一期工程土建二工区盾构工作井～台州中心站盾构区间左线在盾构始发施工过程中需要采取小净空、上软下硬地层分体始发的形式，是国内首例采取小净空、上软下硬地层盾构分体始发的工程，面临复杂的施工环境、极高的施工技术难度，重大的施工安全风险、较高的环保节能要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工工法，以解决了现有的问题：盾构分体始发的工程，面临复杂的施工环境、极高的施工技术难度，重大的施工安全风险、较高的环保节能要求。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工工法，包括施工工艺流程及操作要点；

所述施工工艺流程包括：

始发端头地层加固；

安装始发基座；

后配套台车组装下井，移至暗挖隧道内；

盾构机下井、组装；

安装反力架、洞门密封、盾构机连接、空载调试；

拼装负环管片，磨除玻璃纤维筋围护桩；

始发掘进、负荷调试；

盾尾通过洞门密封后进行回填注浆；

盾构掘进第一段距离，设备桥前移至隧道内；

拆除负环，架设钢支撑，形成半环始发，台车下井；

盾构继续掘进第二段距离，改用龙门吊和大土斗出渣；

盾构继续掘进第三段距离，1#、2#、3#台车前移至隧道内；

盾构继续掘进第四段距离，4#、5#、6#台车移至隧道内；

台车全部进入隧道内，进入正常掘进阶段。

优选的，所述操作要点包括分体始发操作要点、半环始发操作要点、上软下硬地层掘进参数控制要点和上软下硬地层盾构分体始发技术措施。

优选的，所述分体始发操作要点包括在盾体进入土体前的掘进段，采用龙门吊+小渣斗的出土方式进行施工；当始发井口空间较大后，采用龙门吊+大渣土斗的出土方式进行施工。

优选的，所述半环始发操作要点包括管片拆除空间、管片吊装和负环管片加固。

优选的，所述上软下硬地层掘进参数控制要点包括地质勘探、掘进参数的拟定与控制、出土量和同步注浆。

优选的，所述上软下硬地层盾构分体始发技术措施包括盾构掘进技术措施、管片拼装技术措施、壁后注浆技术措施和监控量测技术措施。

优选的，所述操作要点还包括质量控制措施，所述质量控制措施包括管片进场质量验收和管片堆放与运输。

优选的，所述操作要点还包括安全管控措施，所述安全管控措施包括人员配置、班前讲话、应急演练和安全检查。

优选的，所述操作要点还包括环保节能措施，所述环保节能措施包括专职人员负责、全面开展创建文明工地活动和现场管。

优选的，所述第一段距离为16m/10环，所述第二段距离为9.6m/6 环，所述第三段距离为32m/20环，所述第四段距离为41.6m/26环。

本发明至少具备以下有益效果：

本工法已经过工程实践，在项目进行过程中，结合现场实际条件，通过一系列的施工工艺优化及发明创造，解决了狭小空间限制；通过详细的地质勘探，结合理论基础，对掘进参数、出土量、注浆量等施工参数进行了优化，强化施工监测，克服了上软下硬地层始发技术难点，最终实现以质量“零缺陷”、安全“零事故”及地表接近“零沉降”的高标准，完成小净空、上软下硬地层盾构分体始发，为后续类似施工提供了极其宝贵的经验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本施工工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种小净空、上软下硬地层盾构分体始发施工工法，包括施工工艺流程及操作要点；

施工工艺流程包括：

始发端头地层加固；

安装始发基座；

后配套台车组装下井，移至暗挖隧道内；

盾构机下井、组装；

安装反力架、洞门密封、盾构机连接、空载调试；

拼装负环管片，磨除玻璃纤维筋围护桩；

始发掘进、负荷调试；

盾尾通过洞门密封后进行回填注浆；

盾构掘进第一段距离16m/10环，设备桥前移至隧道内；

拆除负环，架设钢支撑，形成半环始发，台车下井；

盾构继续掘进第二段距离9.6m/6环，改用龙门吊和大土斗出渣；

盾构继续掘进第三段距离32m/20环，1#、2#、3#台车前移至隧道内；

盾构继续掘进第四段距离41.6m/26环，4#、5#、6#台车移至隧道内；

台车全部进入隧道内，进入正常掘进阶段。

操作要点包括分体始发操作要点、半环始发操作要点、上软下硬地层掘进参数控制要点和上软下硬地层盾构分体始发技术措施。

分体始发操作要点，始发井采用明挖顺做法施工，主体结构为2 层两跨矩形框架结构，盾构吊装孔净空尺寸仅为17.4m，地处羊头山山脚，与暗挖隧道相接。

由于始发竖井兼作盾构施工出土口，渣土吊运空间有限，在盾体进入土体前的掘进段，采用“龙门吊+小渣斗(6m

(1)第一阶段：

始发托架、后配套设备、盾构机及反力架的先后吊装下井与安装。

(2)第二阶段：

盾构机进行设备调试，加长盾体与设备桥间的管路连接(预备至少20m的管路连接)，盾体前移，刀盘抵至掌子面并进行磨桩后，设备桥及台车继续留在暗挖隧道内。

(3)第三阶段：

盾体与设备桥间采用管路连接，掘进10环(16m)，此阶段采用“配合龙门吊+小渣斗”的出渣方式。由于盾构始发井口的空间狭小，在此阶段，反力架与工作井主体结构净空尺寸仅为3.2m，同时螺旋机伸出反力架1.5m，只能采用自制6方小土斗进行出渣，管片采用单块、侧边吊装下井拼装。

(4)第四阶段：

拆除负环管片(-8环～-3环，共6环)，形成半环状态，安装钢支撑。空间条件具备后，将设备桥前推至与盾体相连，然后通过半环开口将预先做好的一节自制型钢台车吊装下井，型钢自制台车为设备桥提供支撑力，同时在自制台车上加装皮带机主动轮及下料口，配合设备桥采用皮带机出土，提高施工效率。

(5)第五阶段：

采用“龙门吊+小渣斗”的出渣方式，再次掘进(6环9.6m)，接着吊装大土斗下井，改用“龙门吊+大渣斗”的出渣方式。继续掘进20环(32m)，为后续1#、2#、3#台车进入隧道内提供空间。在此阶段，需考虑管线延长连接。

(6)第六阶段：

将1#、2#、3#台车推入盾构隧道内，将自制台车调整至与3#台车相连，配合盾构机掘进26环至62环。此阶段，4#、5#台车仍留与羊头山暗挖隧道内，3#台车与4#台车之间加长管路连接。

(7)第七阶段(进入正常掘进阶段)：

将4#、5#台车推入盾构隧道内，6#台车吊装下井并推入隧道内，自制台车调整至6#台车后面，并将7#台车的污水箱改装至6#台车，无需使用7#台车，进入正常掘进阶段。

半环始发操作要点：

(1)管片拆除空间：

为同时保证自制台车吊装下井及后期大土斗出渣的空间需求，计划对6环负环管片进行拆除，分别拆除-8环～-3环，每环管片1.6m，拆除总长度9.6m，横向净空拆除尺寸拟为5.4m。

(2)管片吊装：

管片拆除过程中，为保证拆除效率，6环管片分3次拆除与吊装， 2块一组，中间通过管片螺栓进行紧固连接成整体。每组管片采用2 点吊装，即每块管片上中间设1个吊点。吊点采用φ100mm水钻将管片打孔形成。

(3)负环管片加固：

盾构掘进过程中，为使盾构姿态得到良好控制，现拟对已拆除的负环管片范围内采用φ609mm钢支撑进行加固，左右各一道，长度 9.6m，以管片中线对称布置，中心间距3m，能满足大土斗出渣的空间需求。

上软下硬地层掘进参数控制要点：

盾构工作井～台州中心站区间左线隧道长度474.124m(长链 0.698m)，线间距13.5～16.5m，隧道埋深约8.64～10.8m，线路平面最小曲线半径为3200m，最大纵坡为-22‰。隧道主要穿越黏土地层，始发段前50m穿越上软下硬地层(上部黏土，下部凝灰岩)。

盾构在上软下硬地层分体始发过程中，通过以下措施可克服面临的难题：

(1)地质勘探：做好超前谋划，提前做好始发段地质补勘工作，详细了解地质情况，对盾构掘进施工参数提供强有力的保障；

(2)掘进参数的拟定与控制：通过理论计算、结合以往类似地层的施工经验进行实践数据分析，土压设定在1.1-1.3bar，土压的设定要避免土压过小造成地层沉降变形过大；推力设定在 1700-2100T，推力应根据参数实际情况进行缓慢增加，避免应推力增幅过大造成地层变形；刀盘扭矩设定在2300-3000Km，由于在上软下硬地层，盾构刀盘受力不均匀，易造成较严重的磨损，故刀盘转速不宜过大，宜设定在1.2-1.4rpm；推进速度宜设定在10-30mm/min，避免造成刀盘磨损严重及盾构姿态偏差较大。

(3)出土量：由于盾构分体始发阶段时间较长，同时所处上软下硬地层地质不均匀，极易产生地层沉降，因此盾构过程中需严格做好出土量控制。出土量控制采用重量、方量双控指标，依据理论基础计算出单环理论出渣方量，主要通过实测渣土密度及龙门吊称重系统进行渣土重量实测，宜控制在114～118m

(4)同步注浆：严格按照设计要求采取质量合格的普通酸盐水泥砂浆作为同步注浆材料，通过多梯度试验对同步注浆配合比进行筛选、优化，形成如下配合比：

上软下硬地层盾构分体始发同步注浆配合比

每环同步注浆量须不少于9m

1、参数总结：针对上软下硬地层，盾构分体始发施工掘进参数

参考下表：

上软下硬地层盾构分体始发掘进参数

2、二次注浆：选用水泥、水玻璃双液浆，水灰比0.8：1～1:1 (质量比)，水泥浆：水玻璃＝1：1(体积比)。管片脱出盾尾3环后，立即进行二次注浆，每环二次注浆量0.3～0.7m

3、渣土改良：上软下硬地层始发掘进过程中，渣土改良不佳时，易出现盾构姿态难以控制，蛇形掘进，管片破损，土方超挖等情况，进而导致掘进参数异常，严重影响盾构正常掘进。为确保渣土具有良好的和易性、流动性，针对地层特点，选用优质泡沫进行渣土改良；同时备好聚合物添加剂，如存在地下水较大，可在泡沫原液中加入一定的聚合物进行渣土改良。盾构掘进控制方面，控制螺旋转速与土仓压力匹配，加强渣温管理，动态调整渣土改良剂配比及注入量。

上软下硬地层盾构分体始发技术措施：

(1)盾构掘进技术措施：

根据以往盾构施工经验及相关理论知识，结合本工程的具体情况，采取以下盾构掘进技术措施：

①采用隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测；

②根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。

③严格控制盾构出渣量，避免超挖造成地表沉降。

④本区间主要穿越黏土地层，在掘进过程中，需做好地质预测，合理控制掘进参数，优化渣土改良，防止结泥饼现象出现。

⑤本区间始发段前50m穿越上软下硬地层，应合理控制推进压力及掘进速度，避免出现蛇形掘进，姿态偏差过大。

⑥本区间始发段为22‰的大纵坡掘进，且大部分处于黏土地层，应合理掘进姿态，适当保持上仰，抵消盾构机栽头趋势，避免姿态偏差过大。

⑦通过调整各组推进油缸的压力来实现盾构掘进姿态调整与纠偏。一般情况下，盾构机如果偏离设计轴线20㎜，即进行纠偏。纠偏过程应逐步进行，不能一次到位，每环纠偏量水平方向上不超过2 ㎜，竖直方向上不超过3㎜。

(2)管片拼装技术措施：

①拼装前，先测量盾尾间隙，根据实测的数据，选取合适的管片拼装点位。

②拼装前，清理上一环管片上的泥块及泥浆，保证环面清洁，无渣泥。

③拼装时，保证初衬砌环圆度，推进油缸的伸缩顺序应与管片拼装顺序一致。

④螺栓三次复紧：每环推进结束后，须拧紧连接螺栓。在下环推进时复紧一次。每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复紧一次。

(3)壁后注浆技术措施：

①经过多次配合比试验，选择最合适的同步注浆浆液配合比，确保浆液初凝时间与盾构掘进速度匹配，避免产生管片上浮或偏移。

②盾构掘进过程中，合理控制同步注浆量及注浆压力，保证管片壁后空隙填充饱满。

③根据现场实际情况，选择合适的二次注浆频率。若出现渗漏水，及时采取二次注浆。

(4)监控量测技术措施：

为准确了解盾构始发时地面的变形情况，为盾构施工提供依据，做到信息化施工，在盾构始发段监测采取如下措施：

①加强羊头山暗挖隧道内的净空收敛、拱顶沉降及地表沉降监测，每日形成监测日报，及时发布监测数据信息；

②建(构)筑物沉降监测：盾构施工过程中，加强对端头处龙门吊基础、地下管线、周边建筑的监测；

③增加监测频率：施工前，应对原数据进行多次观测，取其平均值作为原始数据，确保原始数据的准确。在盾构穿越其间在原有的监测基础上增加监测频率，待盾构穿越后沉降趋于稳定后，逐渐减少监测次数；

④测量的数据应及时汇总上报给工程部，以便于及时了解施工现状和相应区域的变化情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构操作手，使盾构推进及时作相应调整，确保盾构隧道的施工安全。

⑤采取信息化施工，施工前，会同业主、监理、总包及第三方监测等单位建立协调联动机制及信息传输渠道，确保信息沟通顺畅，为信息化施工创造条件。

1、监测信息的反馈，监测信息实时反馈，盾构施工监测信息按照规定的监测频率及时反馈。

2、监测分析，根据监控量测数据进行实时分析和阶段(周/月) 分析，对地层的扰动情况、盾构隧道的安全状态等进行科学合理的评价，并提出相应的建议。

3、盾构施工监测为常规监测项目，主要针对地面加固施工及盾构施工影响范围内的地面沉降、盾构隧道结构净空收敛、拱顶沉降监测。

4、信息化施工，根据监测数据及分析结果，动态调整施工参数，采取针对性的技术措施、应急措施，或按照应急预案启动相关应急程序。

质量控制措施：

管片进场质量验收：安排专人，组织监理，对管片进场质量检查，检测管片强度是否满足设计要求，查看管片是否有破损、裂纹，如果存在缺陷，及时退回管片厂。

管片堆放与运输：

(1)管片堆放，要求管片内弧面向上叠放，堆放高度不超过三块，管片间放两条木垫板，垫板上下对齐，使中间隔空。管片宽度方向上下对齐，不准倾斜。堆与堆间必须留安全要求通道，在粘贴水膨性弹性密封垫的区域，采取防雨措施。

(2)管片运输，达到龄期并检验合格的管片有计划地由平板车运到施工现场。管片运输时间用垫木垫实，以免使管片产生有害裂纹，或棱线部分被碰坏。管片到达现场后由龙门吊卸到专门的管片堆放区。管片堆放区应选择适当，以免因其自重造成场所不均匀沉降和垫木变形产生异常的应力而破裂。

(3)管片防水粘贴质量控制，组织技术人员对管片防水粘贴人员进行技术交底及培训工作，加强作业人员的技术水平，提高防水粘贴施工质量。

安排专人，组织监理，对管片防水材料进场及粘贴进行检查，查看止水条是否粘贴牢固、到位，如果没有，及时让管片粘贴工重新粘贴。

(4)管片拼装质量检查：

①质量检查，安排质检员，对管片拼装质量进行检查，查看管片是否存在错台、破损，每日进行统计，及时与机长进行分析讨论并消缺，为后续施工积累经验。

②管片拼装质量实名制，对拼装完成管片实行拼装质量实名制，若出现拼装质量缺陷，能够追溯源头，找到责任人，同时能够提升拼装人员责任心，提高管片拼装质量。

(5)管片渗漏水检查，安排质检员，对成型隧道管片渗漏水进行统计，并下发质量整改通知单，要求工区及时进行整改，质检员进行复检合格后形成闭合资料。

(6)成型隧道管片姿态复核测量，盾构管片脱出盾尾并稳定后，安排测量人员对成型隧道管片姿态进行人工复测，并形成报告，上报至施工信息交流群。

(7)地面监控专人值班，安排专人在地面监控室24小时值班，记录掘进参数、拼装点位、管片类型，每天结合沉降数据对其进行分析总结。

安全管控措施：

人员配置，现场设专职安全员2名，负责对项目安全生产的检查监督，坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的安全生产方针。

班前讲话，每天对工人进行安全教育，强调佩戴安全帽、持证上岗、禁止乘坐电瓶车、高处作业、物体打击、吊装安全等安全问题，强化工人安全意识

应急演练，盾构施工前组织工人进行了洞门涌水应急演练和地表沉降监测应急演练，以预防为主。

全检查：

(1)用电安全检查：查看电箱用电是否接地、是否存在“一闸多机”现象等，如果存在问题立即通知工区整改，消除安全隐患。

(2)龙门吊安全检查：查看龙门吊限位是否正常、龙门吊轨道是否正常等，如果存在问题立即通知工区整改，消除安全隐患。

(3)电瓶车安全检查：查看电瓶车刹车是否正常等，如果存在问题立即通知工区整改。消除安全隐患。

(4)日常安全巡检：现在专职安全员每日需对现场的安全施工作业情况进行巡检，认真排查安全隐患，不留死角。

(5)主要注意事项：

①盾构机的各制动器、离合器动作灵敏可靠、各种仪表完好，显示准确。

②行车、起重机、混凝土泵送设备和盾构机等的操作由专人持证进行，做到定机定人。

③大型设备行车、起重机吊钩超高限位器、力矩限制器、吊钩保险，起重量指示器等齐全、灵敏、有效、灯光、喇叭(警铃)完好有效。各制动器、离合器动作灵敏可靠、各种仪表完好，显示准确。机械连接件紧固牢靠，润滑良好；油路系统的液压油箱油液充足无渗漏。钢丝绳规格、强度符合要求、正确使用、吊钩、吊环无裂纹、变形、破口和补焊、磨损不超标。

④加强对盾构机、电瓶车、钢轨等设备的检查、保养，每周由项目经理带队组织人员进行安全检查，发现问题及时整改。

⑤盾构掘进施工全过程严格受控，工程技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘探、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。

⑥管片拼装作业：拼装工作面悬挂操作规程及醒目的警示牌。严格执行举重臂旋转范围内严禁站人的规定，重点检查。管片驳运人员须严格执行拼装头子拧紧到位的要求，并需检查其丝牙的情况，督促检查，严格把关，加强教育、做好交底工作。

⑦电瓶机车做到定机定人持证上岗。电瓶机车须限速行驶(＜10 公里/小时)，起动前先鸣号，司机应集中思想，注意观察。进入盾构机后续台车限速5公里/小时。变速和刹车须缓慢，防止车上物品移动坠落。

环保节能措施：

专职人员负责，在工程开工前，将详细的文明施工管理措施呈报给监理批准，并指派专职人员负责文明施工的日常管理工作。

现场管理：

①现场施工区域，采用业主统一要求的施工专用围挡进行封闭，围挡高度不小于2m。

②施工过程中产生的泥浆、废弃土、混凝土等，及时进行清理，做到工完场清，避免影响市容市貌。

③施工现场材料堆放整齐，不随意堆码、丢弃，保证施工过程中交通畅通。

④施工过程中，与相关单位、部门加强沟通，共同减小施工影响。

工艺原理：

(1)依据现场实际空间条件，结合盾构机及台车的设计长度、各设备系统的协同配合运转的形式，通过一系列施工工艺优化，进行多次分体，分阶段推进；

(2)采取一系列的发明创造及设备改造，解决盾构分体始发管线延伸及盾构出渣所面临的问题；

(3)采取半环始发的形式，解决盾构渣土及管片垂直运输空间的限制；

(4)针对复杂的周边施工环境，积极加强周边各家单位间的沟通与协调，减小交叉施工影响，保证节点工期；

(5)针对上软下硬层始发掘进，通过详细的地质勘探，结合理论基础，对掘进参数、出土量、注浆量等施工参数进行了优化，强化施工监测。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书极其等同物界定。