土压平衡盾构始发工艺流程

土压平衡盾构始发工艺流程

一、 工艺概述

盾构始发是隧道盾构法施工的一大关键环节，也是盾构法施工隧道的难点之一，始发的成败将对隧道施工质量、进度、安全、工期及经济效益产生决定性的影响。

二、 作业内容

主要作业内容：包括始发端头地层加固、始发台定位安装、盾构机下井组装并调试、反力架定位安装、洞门围护桩破除、洞门导轨安装、洞门密封装置安装、负环管片安装等。

三、 质量标准及验收方法

1 、附属设施

始发基座主要作用是用于稳妥、准确地放置盾构，并在基座上进行盾构安装与试掘进，所以基座必须有足够的强度、刚度和安装精度，并且考虑盾构安装调试作业方便。

对始发台、反力架进行全面的检查与修理，反力架受力要检算，安装固定必须在定位完成后进行，反力架支柱底部必须以钢板垫实，始发台必须通过加固挡块固定于地面上，近洞门端须支撑于车站二衬墙上；

洞门防水装置安装时必须将连接螺栓栓接牢固，根据实际情况合理对扇形压板的位置进行调整，防止帘布橡胶板外翻影响防水效果；在进行洞门凿除、始发台加固等施工操作时，注意对帘布橡胶板的保护；确保将洞门圈周边的钢筋及混凝土清除干净，避免对盾构掘进造成影响；

2 、始发掘进

洞口拆除后必须尽快将盾构向前推进，使盾构刀盘切入土层，尽量缩短正面土体的暴露时间，在拆除封门的同时，作好盾构掘进和管片拼装的准备工作。

洞门凿除前，应对洞门经改良后的土体进行质量检查，合格后方可进行洞门凿除；应制定洞门围护结构破除方案，采取适当的密封措施，保证始发安全。

第一环负环管片定位时，应先保证管片横断面应与路线中线垂直，待管片完成定位后，将管片与反力架之间的空隙填充密实。

盾构空载调试运转正常后开始盾构始发施工，在开始进行负环管片后移时，应通过控制推进油缸行程的方法控制负环管片后移，所有推进油缸行程应尽量保持一致。

盾构在始发基座上向前推进时，应注意对反力架的保护，根据反力架的强度制定推力限制，并尽量做到不调向，油缸均匀施加推力。

始发掘进过程中应严格控制盾构的姿态和推力，并加强监测，根据检测结果调整掘进参数。

为防止管片发生旋转，始发阶段应注意扭矩控制，一般情况下，始发阶段的盾构扭矩值不得大于正常掘进的 70%，并可在盾壳与始发台接触部位焊接“防扭挡块”，在推进过程中注意及时割除。

在盾构始发阶段，应注意各部位油脂的使用和消耗情况。

四、工艺流程图

图 1   土压平衡盾构始发流程框图

五、工序步骤及质量控制说明

1 、端头加固

进出洞区外土体一般采用 SMW 工法、注浆法、深层搅拌法、高压旋喷法和冰冻法等方法进行加固，加固后土体渗透系数降低、抗剪强度提高，在洞圈内封门拆除后能保持自立，不发生滑移，不发生渗流。

洞圈外土体加固应根据工程实际情况计算加固体厚度、宽度和深度，并确定合适的加固后土体物理力学指标。

经土体加固后，可在不采取其他措施的情况下凿除洞门内围护结构，盾构机直接切入加固体并开始掘进施工，所以该法施工工艺较简单，施工进度较快。但该方法成功的关健在于土体加固的效果，如土体加固后存在强度达不到设计要求、加固不均匀等问题就可能给盾构出洞施工带来灾难性的后果。

2 、盾构机的组装

2.1对组装的总体要求

组装开始前把组装方案向所有参加组装的人员进行技术交底，便于理解和执行。组装前编制有关的基础知识读本并对职工进行培训。

对于机械部件的组装，组装前需要弄清其结构及安装尺寸的关系，螺栓连接紧固的具体要求等基本常识，自始至终保持清洁的习惯。

清洁工作直接关系到液压件工作寿命。组装前必须先检查泵、阀等液压件的封堵是否可靠，如有可疑情况，必须进行现场清洗，管件在组装前如没有充满油液，也必须进行严格清洗。

对于高低压设备和电气元件的安装，严格执行制造厂所提供的有关标准和我国电气安装的有关规定和标准。

组装前必须对所使用设备、工具进行安全检查，杜绝一切安全隐患，保证组装过程的安全顺利进行。该项工作是组装过程中极为重要的内容。

组装前将车站内清理干净，并根据车站内的尺寸，必要时对盾构机上的设备进行内移。

组装前对端头进行硬化，并确认其承载能力满足盾构组装要求。

盾构机的运输委托给专业的大件运输公司运输进场。

盾构机吊装由具有资质的专业队伍负责起吊，吊机组装完成验收合格后才可作业。

组建组装作业班组，承担盾构机组装工作，由生产副经理负责组织、协调盾构机的组装工作。

每班作业前按起重作业安全操作规程及盾构机制造商的组装技术要求进行技术交底，严格按有关规定执行。

2.2组装步骤

组装始发台、托架 → 后配套拖车下井 → 组装设备桥 → 吊装螺旋输送机 → 吊装前体→组装前体与中体 → 组装刀盘 → 安装管片安装机、盾尾→ 组装螺旋输送机；设备连接、安装反力架 → 完成组装、准备调试。

若由于始发井长度尺寸限制，后配套可以采取长管线连接。

2.3盾构机调试

空载调试

盾构机组装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。调试内容为：配电系统、液压系统、推进系统、润滑系统、注脂系统、冷却系统、控制系统、导向系统、注浆系统、碴土改良系统、驱动系统等运行是否正常以及校正各种仪表。

负载调试

空载调试完成并证明盾构机满足初步要求后，即可进行盾构机的负载调试。负载调试的目的是检查各种管线及密封设备的负载能力，对空载调试不能完成的项目进一步完善，以使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常要求的工作状态。

2.4组装注意事项

组装前必须熟知所组装部件的结构、连接方式及技术要求。

组装工作必须本着由后向前、先下后上、先机械后液压、电气的原则。

对每一拖车或部件进行拆包时必须做好标记。

对液压管线的连接必须保证清洁，绝对禁止使用棉纱等易脱落线头的洁品擦拭，而应用绸布进行清洁。

组装过程中严禁踩踏、扳动传感器、仪表、电磁阀等易损部件。

组装场内的氧气、乙炔瓶必须定点存放、专人负责。

组装工具必须由专人负责，专用工具必须严格按照操作规程进行使用。

对盾构机所有部件的起吊，必须保证安全、平稳、可靠，严禁野蛮操作。

必须认真填写交接班记录并作好技术总结。

在机器上需进行焊接时，焊把线与焊点的距离不允许超过 1m，严防烧坏机器上的精密元件。

3、盾构始发和试掘进施工

盾构始发是盾构施工的关键环节，需特别注意和加强控制。

3.1始发前施工准备工作

盾构始发所需材料、工具准备；

准确的始发定位测量。

3.2盾构始发施工

盾构始发主要内容包括：盾构机就位、组装、安装反力架、安装洞门密封帘布橡胶板、拼装负环管片（含钢环、钢支撑）、盾构机试运转，洞门处理、盾构机加压贯入作业面和掘进等。采用安装反力架和拼装负环管片的方案。

3.3始发设施的安装

始发基座安装

盾构机组装前，依据隧道设计轴线与洞口定出盾构始发姿态的空间位置，然后反推出始发基座的空间位置。始发基座的安装注意始发、到达段所处的线路平、纵面条件。由于始发基座在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩，所以在盾构始发前，必须对始发基座两侧与车站预埋件及钢支撑进行连接固定，加固的方式见右图。考虑到盾构机可能叩头的影响，始发基座的安装高程可根据端头地质情况进行适当抬高 10～20mm。盾构始发基座具有足够的刚度和强度，导轨必须顺直。

反力架的安装

在盾构主机与后配套连接之前进行反力架的安装；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。为了保证盾构推进时反力架横向稳定，用型钢对反力架的支撑进行横向固定。反力架左右偏差控制在 ± 10mm 之内，高程偏差控制在±5mm 之内。始发架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‰。

洞门密封

图 1   盾构始发基座加固示意 图 图   2   洞门折叶压板示意 图

其施工分两步进行，第一步在始发端墙施工工程中，做好始发洞门预埋件的埋设工作。在埋设过程中预埋件必须与端墙结构钢筋连接在一起；第二步在盾构正式始发之前，清理完洞口的碴土，完成洞口密封固定板、折叶压板及洞门帘布橡胶板的安装，洞门临时密封以及防水装置见图 2 所示。

盾构始发段管片纵向拉紧装置

盾构始发段车站与区间隧道的连接构造（钢筋混凝土洞圈）未做或未达到设计强度前，为防止管片在失去后盾管片支撑或盾构推力后产生松弛导致管片环缝张开，设置近洞口处隧道纵向拉紧装置，并保持到洞门现浇钢筋混凝土保护圈达到设计强度。拉紧装置在后盾管片拆除前或盾构推力卸去前进行设置安装，设置环数一般为洞口 10 环。

3.4始发掘进注意事项

在进行始发基座、反力架和首环负环管片的定位时，要严格控制始发基座、反力架和负环的安装精度，确保盾构始发的轴线与设计线路重合；

第一环负环管片定位时，管片的后端面与线路中线垂直。负环管片轴线与线路的切线重合，负环管片采用错缝拼装方式；

始发前在基座轨道上涂抹油脂，减少盾构推进阻力，在刀头和帘布橡胶板上涂抹油脂，避免推进时刀头损坏洞门帘布橡胶板；

在始发阶段，由于地层受加固影响相对较硬，而盾构始发基座相对不会变形，要特别注意盾构机姿态控制，尽量避免盾构机低头与偏离。由于盾壳与地层间摩擦力较小，盾构易旋转，宜加强盾构姿态测量，如发现盾构有较大转角，可以采用刀盘正反转的措施进行调整。始发掘进时采取低推力、低速度向前推进，尽量减少对土体的扰动；

盾构在始发基座上向前推进时，通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿始发基座向前推进；

始发初始掘进时，盾构机处于始发基座上，因此需在始发基座及盾构机上焊接相对的防扭转支座，为盾构机初始掘进提供反扭矩。在盾构机推进过程中要对即将进入洞口的防扭支座割除打磨，以免损坏帘布密封；

始发阶段要注意对推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。掘进总推力控制在反力架承受能力以下，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩；

始发掘进过程中还必须对后盾支撑进行全程监视，如有异常及时进行处理加固，确保始发顺利。

3.5始发阶段出渣及材料运输

始发阶段通过车站预留孔洞作为出碴和材料进出口，垂直运输采用 32T 龙门吊进行；水平运输采用电瓶车牵引四节碴车、一节砂浆车和两节平板车的方式进行，平板车上可以放管片、渣斗或其他材料，根据施工需要实现材料及渣土从工作面至预留出土口的水平转运。

实际施工中可能由于始发井长度限制，不能采用常规的列车编组方式，需要根据现场实际进行调整，采取 “短车多趟”的编组方式。

3.6 盾构试掘进

土压平衡模式掘进，平衡压力的设定是土压平衡盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节，其中包括推力、推进速度和出土量三者的相互关系，对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用。因此，盾构推进过程中，要根据不同地质、覆土厚度、地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果及时调整设定土仓压力，推进速度要保持相对平稳，控制好每次的纠偏量，减少对土体的扰动，为管片拼装创造良好的条件。同步注浆量要根据推进速度、出碴量和地表监测数据及时调整，将施工轴线与设计轴线的偏差及地层变形控制在允许的范围内。

试掘进段的目的

用最短的时间对盾构机的操作方法、机械性能进行熟悉。

了解和认识本工程的地质条件，掌握该地质条件下的土压平衡盾构掘进的施工方法。熟悉管片拼装的操作工序，提高拼装质量，加快施工进度。

通过本段施工，加强对地面变形情况的监测分析，反映盾构机始发时以及掘进时对周围环境的影响，掌握盾构推进参数及同步注浆量的调整方法，为全线盾构掘进提供参考依据。

通过在不均匀断面土体推进施工，摸索出在不均匀地层中盾构推进轴线的控制规律。

盾构掘进参数的初步设定与控制

① 土仓压力值 P 的选定

盾构在掘进过程中根据土压力与水压力取得平衡压力的设定值，具体施工时，根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。

② 出碴量的控制

盾构推进出碴量控制在 98%～102%之间，每环出碴量需要根据管片宽度、土质确定。

③ 推进速度

掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为目的，根据施工的实际情况确定并调整掘进速度及推力。正常情况下为 20～40mm/min。

④ 盾构轴线及地面沉降控制

盾构轴线偏离设计轴线不大于 ±50mm，地面隆陷控制在+10mm～-30mm。

六、作业组织

表 1   人员配备表

表 1   人员配备表 （续 ）

七、材料消耗

表 1   材料消耗表

八、生产效率

始发阶段受场地、设备等因素的影响很大，也和现场地质情况有关，生产效率视具体情况而定。

九、安全生产及环境保护

1、安全保证措施

做好施工场地平面布置，合理安排场内临时设施。施工场地采取全封闭模式，设置门卫 24 小时值班，严格限制非施工生产人员进入场地，施工人员挂牌上岗。加强夜间施工的工地照明及道路防滑措施。

根据工地情况，布置安全防护设施和统一的安全标志（牌）、安全色灯。在各显要位置设置大幅安全宣传标语。

按照防火防爆的有关规定设置油库等临时性构筑物，临时设施区要按规定配足消防器材，所有施工人员要熟悉并掌握消防设备的性能和使用方法。

加强防雷电、防火、防洪教育，建立防洪组织，制订措施和管理制度，并落到实处。

施工场地的油库、料库、 变电站、门吊及其他高大建筑，设置防雷设施，定期检查接地电阻，防止雷击。

居民生活和安全的构筑物，制订专门的监控量测方案，实行专人负责，及时反馈监测信息，调整施工方法，确保地表构筑物的安全。

工地设置救护室，配备医务人员。

工程实施前，对投入本工程施工的机电设备和施工设施进行全面的安全检查，未经有关安全部门验收的设备和设施不准使用，不符合安全规定的地方立即整改完善。

加强现场洞内外用电管理、照明、高压电力线路的架设顺直、标准，保证绝缘良好。各种施工机械和电气设备均设置漏电保护器，确保用电安全。

各种吊运机具设备正式使用前必须组织试吊、试运行。吊装作业中严禁超载。起重作业人员要严格执行《起重作业安全操作规程》，确保施工作业人员的安全。

施工用的工程机械和车辆经常检查维修，对驾驶人员进行安全意识教育和交规教育，严禁违章开车，各种车辆严格遵守各地方交通规则，确保行车安全。

2、环境保证措施

指定专人负责施工现场和施工活动的环境保护工作，完成施工环保设计方案和环保工作方案中的各项工作。

将环保工作和责任落实到岗位、落实到人，在日常施工中随时检查，出现问题及时纠正。

根据不同的施工阶段和季节特征及时调整环保工作内容，保证工作质量。

每周对环保工作进行一次例行检查，内容包括：施工概况；污染情况 ——污染种类、强度、环境影响等；污染防治措施的落实情况、可行性和效果分析；存在问题和拟采取的纠正措施；下步环保工作计划；其它需说明的问题，如措施变更、污染事故和纠纷处理等。

指定专人负责计划的执行，施工单位至少每季度进行一次应急计划落实情况的检查工作，一旦发生事故或紧急状态时，要积极处理并及时通知业主。

在事故或紧急状态发生后，组织有关人员及时对事故或紧急状态发生原因进行分析，编写事故或紧急状态分析报告，并根据分析报告制定减少和预防环境影响的措施，报送业主批准后组织实施。同时，施工单位要根据事故或紧急状态发生后，内、外部条件的变化，对有关的应急计划进行评审、修订。