小空间内土压平衡盾构的洞内始发方法与流程

本发明属于隧道工程施工技术领域，具体涉及到一种盾构洞内始发方法。

背景技术：

盾构机的始发一般情况下都是在盾构井内始发或者太加上分体始发，始发所需的反力由始发反力架提供，但是上述盾构机始发方法，都需要一定的施工空间才能实现，并且该方法施工成本较高，且对施工地质有一定的限制作用，当遇到施工地质复杂且施工空间较为狭小时，盾构机并不能在盾构井或者台架上分体进行盾构机始发。如在地铁总体施工设计中，单渡线常采用矿山法施工，然后施工盾构部分，这导致盾构法施工中盾构洞内始发成为一个亟待解决的问题。

因此，如能将盾构机在洞内始发并且施工简单，工程成本降低是目前该技术领域人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种设计合理、施工简单、成本较低的小空间内土压平衡盾构的洞内始发方法。

解决上述技术问题采用的技术方案包括以下步骤：

s1、始发基座施工：包括始发托架制作、始发托架安装、始发基座施工；

s2、盾构机隧道内空推：包括洞内轨道铺设、盾构隧道内空推、后配套隧道内空推；

s3、盾构机调试；

s4、反力架安装：用全站仪预先测定环形反力架安装位置；将环形反力架及与其与预埋构件焊接加固；将反力架斜支撑两端与预埋钢板及环形反力架焊接；

s5、洞门密封安装；

s6、涂刷盾构密封油脂；

s7、负环管片拼装；

s8、洞门封堵注浆；

s9、盾构始发掘进控制；

s10、负环拆除；负环管片采用分环分块拆除，利用隧道顶部预埋吊钩用10t葫芦分块拆除，再由电瓶车运至井口，龙门吊吊出。

本发明的步骤s1中的始发托架安装包括：在盾构井侧墙或者立柱上设置始发托架预埋钢板，始发托架预埋钢板上设置始发托架轨道；在预定位置安装预先设计的始发托架；用工字钢连接始发托架与始发托架预埋钢板进行横向加固。

本发明的步骤s1中的始发基座施工包括：在暗挖隧道隧底混凝土第一次回填时施工预制导台；在预定位置设置始发基座预埋钢板，基座预埋钢板下方加设锚固筋，基座预埋钢板采用纵向钢筋进行通长纵向连接，每个预埋件上焊接轨道卡扣；铺设导轨，辅以卡扣加固。

4本发明的步骤s4中反力架采用型钢加工而成，结构尺寸宽×高×厚为800mm×6275mm×600mm；反力架斜支撑采用3根直径500mm、壁厚5mm无缝钢管进行对焊，反力架斜支撑一端与主梁焊接、另一端焊接于预埋钢板上，反力架斜支撑与地面的角度为30°～60°。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

本发明所提供的小空间内土压平衡盾构的洞内始发方法，在施工空间有限的条件下，利用盾构井及暗挖隧道设置始发托架，充分利用暗挖隧道隧底设置盾构始发导台+导轨作为始发基座，设置不需要上部支撑的反力架，保障盾构机洞内完成始发，在有限的空间内，施作各种工序，保证了施工安全的同时，减少对洞内场地的占用，具有：

(1)对周围环境的影响小。

(2)该工法不受地面交通影响、气候条件等产生的影响，同时，在施工过程中，施工引起的环境影响小。

(3)施工优质高效。

(4)在有限的空间内，节省了大量的施工材料，快捷高效地完成盾构洞内始发。

本发明适用于施工空间受限的情况，且技术方案施工简单方便，工程成本较低，可推广应用到施工空间受限的盾构始发领域。

附图说明

图1是本发明工艺流程图。

图2是本发明中负环拆除施工工艺流程图。

图3是本发明始发托架安装立面图。

图4是图1的的局部放大图。

图5是本发明预制导台+导轨立面图。

图6是本发明预制导台导轨平面图。

图7是本发明反力架安装侧面图。

图8是本发明反力架安装平面图。

1、盾构；2、始发托架轨道；3、钢架底板；4、始发托架预埋钢板；5、导轨；6、预制导台；7、隧道衬砌；8、锚固筋；9、始发基座预埋钢板；10、纵向钢筋；11、环形反力架；12、暗挖隧道轮廓；13、八字撑；14、反力架斜支撑；15、预埋构件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

本发明小空间内土压平衡盾构的洞内始发方法,包括以下步骤：

s1、始发基座施工：包括始发托架制作、始发托架安装、始发基座施工；

在图3、4中，始发托架是盾构机在工作井始发时座落的基座，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，盾构机需拆分成几部分分别吊入井内，在始发托架上前后移动进行装配，依据隧道设计轴线，定出始发时盾构机、始发台和反力架确切的空间位置，由于始发托架在盾构始发时承受纵向、横向的推力以及抵抗盾构扭转的扭矩，因此需要对始发台两侧进行必要的加固，在盾构井侧墙或者立柱上安装始发托架预埋钢板3，始发托架预埋钢板3上安装始发托架轨道2；在预定位置安装预先设计的始发托架；用工字钢连接始发托架与始发托架预埋钢板3进行横向加固，管片与始发托架、始发托架轨道2间用楔形木楔紧，始发托架底板与车站底板预埋件焊接牢固，车站底板预埋件在安装始发托架前必须经过测量复核。根据端头井尺寸，实施例始发托架长8.5米、宽4.1米。

车站始发托架的安装时，始发托架的中心轴线与隧道的中心线的水平投影线要求重合，始发托架轨道的中心线高程根据盾构机和始发基座的尺寸定。

始发托架轨道中心线高程的理论计算公式为：

h＝h-h1

h——始发托架处隧道中心线高程,取为563.83m。

h1——隧道中心线至始发托架轨道平面中心线的高差。

根据直角三角形直边计算公式：h1＝(r盾×2-(l轨距/2)×2)/2

r盾——盾体外壳半径,本实施例取值3.125m。

l轨距——始发托架两条轨道中心线的水平距离，本实施例取值2.96m。

计算可知，h1为2.78m，h为561.05m。

实践施工中为了防止地表沉降和刀盘下沉的影响，将始发托架比理论标高提高2cm，盾构始发托架直接安放在始发井钢架底板3上，在底板始发基座两边预埋始发托架预埋钢板4用来与始发基座焊接连接。

在图5、6中，始发基座施工时，本实施例暗挖隧道断面呈马蹄形，净空尺寸为7500(宽)mm×7650(高)mm，盾构机刀盘外径6280mm，盾体最大外径6250mm，盾体与暗挖隧道二衬之间净空不到700mm，始发空间极其狭小，盾构在常规情况下始发时所采用的始发基座无法用于暗挖隧道内的盾构始发，根据实际状况，此处采用混凝土预制导台6+导轨5作为盾构始发的基座，以解决该问题。

暗挖隧道设计包含隧底混凝土回填，线路中心回填厚度1250mm，将该回填分为两次进行，第一次回填作为盾构始发基座混凝土预制导台6，给盾构始发提供条件，待盾构全部施工完成后进行第二次回填，回填至最终设计要求即可。

预制导台6混凝土全部采用c40，预制导台6上导轨5采用43kg/m轨。导轨5下方每隔0.3m预埋20mm厚始发基座预埋钢板9，尺寸300mmx100mm，始发基座预埋钢板9下方须加设锚固筋8，锚固筋8采用hrb400钢筋，直径不小于25mm，长度不小于300mm，所有始发基座预埋钢板9采用2根直径20mm钢筋进行通长纵向连接，每个预埋件上焊接一对轨道卡扣，用以固定钢轨。

s2、盾构机隧道内空推；包括洞内轨道铺设、盾构隧道内空推、后配套隧道内空推；

洞内轨道铺设时，本实施例单渡线成型隧道总长58.235m，空推导台处按始发预制导台6同样预埋钢板，在盾体组装完成前，完成对隧道内导台预埋钢板的清理，安装43kg/m钢轨并进行加固。

盾构隧道内空推时，在始发井内满铺2cm钢板，盾体在始发基座上完成组装后，用液压泵站将盾构机主体整体平移1.2m至隧道洞门处，盾体进入隧道内后，用在轨重物推移机平移盾体至隧道内始发位置，每次平移0.8m。

后配套隧道内空推时，盾体到达始发位置以后，根据现场具体情况，铺设电瓶车、台车轨道，用电瓶车依次将后配套台车拖运至隧道内与盾体连接，进行盾构机组装调试工作。

s3、盾构机调试；由于盾构通过矿山法段采用分段通过方式，此次盾构就位后需在组装完成后对盾构进行调试，根据盾构机的调试大纲进行系统性的调试，并严格安装盾构始发条件验收条款的要求进行落实，待通过各方验收合格后方可始发。始发前在导台两侧每隔2m预埋100mm×100mm×20mm的钢板，焊接防扭装置。

空载调试

盾构机拼装和连接完毕后，即可进行空载调试，空载调试主要是检查设备是否正常运转。主要调试内容为：液压系统、润滑系统、冷却系统、配电系统、变速系统、管片拼装机以及各种仪表的校正。

负载调试

通常试掘进时间即为对设备负载调试。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。负载调试待安装好负环管片、洞门凿除和洞门密封环板完成后进行。

s4、反力架安装：首先用全站仪测定竖向倾角和水平位置，然后将环形反力架11整体组装，并由10t葫芦配合校正其水平位置、倾角和高程，经测量无误后焊接牢固。安装环形反力架11时，左右偏差控制在±5mm以内，高程偏差控制在±5mm以内，倾角偏差控制在±0.5‰以内，盾构姿态与设计轴线竖直趋向偏差小于2‰，水平趋向偏差小于±2‰。

在图7、8中，由于暗挖隧道内盾构始发空间极其狭小，我们平时在车站或其它始发井内采用的反力架体积较大无法安装至暗挖隧道内。因此，我们在这里根据暗挖隧道的空间尺寸设计出适合在暗挖隧道环境安装及发挥作用的环形反力架。本实施例中的反力架11采用型钢加工而成，结构尺寸宽×高×厚为800mm×6275mm×600mm，分为两大部分，即2块下八字撑13，2块上八字撑13，共计4块，全部采用高强螺栓连接。反力架斜支撑14采用3根直径500mm、壁厚5mm无缝钢管进行对焊，反力架斜支撑14一端与主梁焊接、另一端焊接于预埋钢板上，反力架斜支撑14与地面的角度为30°～60°。

s5、洞门密封安装；

由于洞口与盾构、洞口与管片之间存在空隙，易造成水、泥浆、开挖面的土等流出，另外，待盾尾通过后当进行第一次壁后注浆时尾易出现浆液流出。因此，须在洞口安装密封系统，该系统由洞门圈预埋钢环板、帘布橡胶板、圆环板、扇形板及相应的连接螺栓和垫圈等组成。

密封系统安装前须对帘布橡胶板上所开螺孔位置、尺寸进行复核，确保其与洞圈上预留螺孔位置一致。拼装顺序为：帘布橡胶板→圆环板→扇形板，自上而下进行。拼装时圆环板的压板螺栓应可靠拧紧，使帘布橡胶板紧贴洞门，防止盾构进洞后同步注浆浆液泄漏。

当盾构刀盘进入洞口时，调整扇形板及橡胶帘布板使之向内弯曲紧贴至盾构外壳上；当盾尾通过后，调整扇形板,使扇形板滑到管片的外周处,并进行固定,防止其翻转。

s6、涂刷盾构密封油脂；在拼装负环之前，盾尾钢丝刷内要填充盾尾密封油脂，盾尾油脂能起止水、防止同步注浆浆液回流的作用，另外盾尾油脂也有防止钢丝刷摩损的作用，所以在拼装第一环管片时一定要填充实盾尾密封油脂，并且在管片组装前，要分开钢丝刷，在钢丝刷中央部的不锈钢网及钢丝刷上要充分填涂。盾尾钢丝刷在第一次充填盾尾密封油脂时，利用特殊工具填满密封油脂，同时注意盾构密封油脂的涂刷必须保质足量。

s7、负环管片拼装；负环管片采用整环错缝拼装，目的是提高管片的成圆度和管片安装时的安全。根据盾构井结构尺寸及盾构机主机长度综合考虑采用7环负环管片，其中0环插入隧道内800mm。负环混凝土管片拼装由管片拼装机在盾尾内按顺序拼装成型，用连接螺栓连接固定。

在安装负环管片之前，为保证负环管片不破坏盾尾尾刷、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(或型钢)，以使管片在盾壳内的位置得到保证。

由于负环管片的拼装精度将直接影响到正式管片的拼装精度，因此，尽可能的将负环管片拼装成真圆形。

第一环负环的位置对整个隧道管片的质量影响很大，因此需要准确定位，拼装负环时，第一块管片的位置可在盾尾画出线条标记，拼装手根据画线给管片定位。

第一环负环管片拼装成圆后，用4～5组油缸完成管片的后移，管片在后移过程中，要严格控制每组推进油缸的行程，使每组推进油缸的行程差小于10mm，保证管片的断面与设计线路垂直。在管片的后移过程中，要注意不要使管片从盾壳内的方木(或型钢)上滑落。

每拼一环管片由千斤顶推出盾尾，在管片脱离盾尾时及时用木楔垫实管片与导轨之间的间隙，并用钢丝绳把负环管片与始发导台捆绑牢固，直至盾构处于出洞前位置。

盾构出洞时，由于基准导轨与前方加固土体之间有一定的间隙(即盾构始发井内衬、围护结构厚度加施工间隙)，为防止盾构前移的过程中出现“磕头”现象，在洞圈内安装两根导向接长轨道，安装倾角位置与基准导轨一致。

盾构进入洞门前在刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以减少摩擦力，防止破坏帘布橡胶板。

s8、洞门封堵注浆；

当盾构机盾尾已完全进入隧道内，需对洞门进行快速的封堵，这时将停止掘进对洞门圈注浆。

1)停机保压：当完成盾构+3环拼装后，盾构机盾尾已完成进洞，此时采取停机保土保压，保证土仓压力不小于0.12mpa。

2)浆液搅拌运输：洞门封堵注浆浆液采用同步注浆砂浆，砂浆在盾构停机保压期间通过地面搅拌站拌合，储存至中板砂浆灌，通过电瓶车浆车运盾构机砂浆搅拌罐。

3)注浆：注浆采用盾构机上同步注浆设备进行，注浆时通过盾尾4个注浆孔同时注入，注浆压力不大于0.1mpa，注浆量为8m3，注浆过程中需随时掌握洞门帘布处是否漏浆，如若漏浆侧采用棉絮封堵保证注浆顺利进行。注浆完成后待同步浆液初凝后盾构机正式开始试掘进100m。

盾构始发掘进时需要注意：

1)始发后盾构机“磕头”

始发推进后，在盾构机抵达掌子面及脱离加固区时容易出现盾构机“磕头”的现象，根据地质条件不同有些可能出现超限的情况。为此，通常采用抬高盾构机的始发姿态(2～3cm)、合理安装始发导轨以及快速通过的方法尽量避免“磕头”或减少“磕头”的影响。

2)密封效果不好

洞门密封的主要目的也是在始发掘进阶段减少土体流失。当洞门加固达到预期效果时，对于洞门环的强度要求相对较低，否则要在盾构推进前彻底检查和确定洞门环的状况。在始发过程中若洞门密封效果不好时可即时调整壁后注浆的配合比，使注浆后尽早封闭，也可采用在洞门密封外侧向洞门密封内部注快凝双液浆的办法解决。

3)支撑系统失稳

支撑系统在某些情况下由于盾构机推进中的瞬时推力或扭矩较大而产生失稳，这样将导致整个始发工作的失败。对于支撑系统的失稳只能从预防角度进行，同时在始发阶段对支撑系统加强监测。

4)盾构机滚动

为了防止滚动，除了在始发托架上焊接防滚动装置外，掘进过程中要严格控制始发扭矩，并特别注意不能在千斤顶推力很小的情况下转动刀盘。在确认洞门围护桩的钢筋已经割除完毕后，可以进行盾构机的试运转。由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。

5)自动测量系统误差

通过频率较高的人工复测对自动测量系统的精度进行多次复核，以便能及时发现测量系统的存在的偏差并进行纠正。

6)地面沉降监测

由于始发施工的特殊性，始发阶段的地面沉降值均较大，因此在始发阶段需尽早建立盾构机的适合工况并严密注意出土量及土压情况，同时加大监测频率，控制地面沉降值。

s9、盾构始发掘进控制；盾构机在完成始发掘进后，将对表1所示的掘进参数进行必要的调整，为后续的正常掘进提供经验数据，主要包括：

表1盾构掘进参数表

1)根据地质条件和始发掘进过程中的监测结果进一步优化掘进参数；

2)正常推进时要根据地质条件确定盾构机平衡压力，通过加强地面沉降监测，通过统计掌握西安地质盾构施工参数对地面环境的影响规律，真正做到地表沉降可控，确保地面建筑物、结构物安全。

3)推进过程中，严格控制好推进里程，将施工测量结果不断的与计算的三维坐标相比较，及时调整。

4)盾构掘进应按指令的参数推进，严格控制出土量和加强同步注浆，以控制地表沉降。

5)盾构掘进中，坡度和平曲线不能突变，要采取缓慢顺延的方式掘进。

6)盾构掘进过程中必须严格监控，工程技术人员根据地质情况、地面状况、监测结果、掘进参数等正确下达掘进指令，并及时跟踪调整。

7)盾构司机应严格按照指令的参数操作，严禁擅自更改操作指令。盾构方向控制要采取缓慢纠偏的方式，严禁过量纠偏(每环纠偏不得超过±5mm)，降低盾构的蛇形，控制好盾构姿态，保证盾尾间隙均匀，管片拼装后不变形，确保隧道外观质量。

s10、负环拆除；如图2所示，

1、拆除前的准备工作

(1)拆除负环管片及反力架之前，应将始发处范围内的运输轨道、水管、高压电缆拆除。

(2)准备好气割设备、电焊设备、空压机、10t葫芦及千斤顶、起吊绳(d＝20mm的6×37钢丝绳)、2.5寸卸扣等工具。

2、负环拆除条件

根据盾构隧道施工经验，当盾构始发掘进达到100m后、同步注浆浆液达到1.5mpa时，即可拆除反力架及负环管片。

计算公式如下：

f＝μπdlp

其中：μ—管片与土体的摩擦系数；取0.3。

d—管片外径；6.0m。

l—已安装的管片长度；取100m。

p—作用于管片背面的平均土压力；取100kpa。

3、负环拆除方法

负环管片采用分环分块拆除，利用隧道顶部预埋吊钩用10t葫芦分块拆除，再由电瓶车运至井口，龙门吊吊出。

(1)先将环形反力架11后面的反力架斜支撑14与底板和侧墙预埋钢板之间的焊缝割除，然后拆除反力架斜支撑14，用千斤顶及10t葫芦分块拆除环形反力架11，用电瓶车运至井口由龙门吊吊出。

(2)按安装环形反力架11的相反顺序拆除环形反力架11。

(3)将加固负环管片的钢丝绳、木楔及管片间的纵向连接螺栓逐环拆除。

3、盾构机停机保压注意事项

(1)拆除负环时盾构机停机位置位于老黄土地层内、而且地下水位线在隧道底下方，地层相对稳定。

(2)保持盾构机土仓内土压以平衡开挖面土压力，土仓内上部土压不得小于0.12mpa。

(3)随时对盾构机土仓压力进行观察和监视，确保土压稳定。

(4)随时对盾构机姿态进行监测，确保盾构机停机时姿态稳定。

(5)对地面监测点进行跟踪监测，注意其沉降情况。

(6)准备好临时水、电供应，一旦盾构机土仓压力失压或姿态变化过大应及时启动盾构机保压及调整姿态。