盾构过中间风井施工方案机福区间.docx
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盾构过中间风井施工方案机福区间
一、工程概况
机场北站～福永站区间风井，位于规划地块内，周边无建（构）筑物，风井西侧约55m处有福永河，河宽约36m。
风井往机场北站及福永站方向均与盾构区间连接（矿山法初支盾构空推），风井施工期间作为矿山法施工竖井，预留矿山法出土孔。
区间风井主体长32米，宽26米，地下三层结构。
风井中心里程为ZDK36+196.958；起点里程ZDK36+180.953；终点里程ZDK36+212.960。
风井设三个风亭（一个新风亭、两个活塞风亭）和一个紧急疏散口，均设在规划地块内，预留合建条件。
本方案主要讨论如何顺利使盾构机在较短时间内快速、高效通过中间风井实现再次始发掘进。
图一中间风井与盾构隧道平面位置关系图
图二盾构隧道与风井相对位置剖面图
2、洞门加固方案
盾构机在到达中风井前，为了维持隧道与风井接口处地层的稳定，避免盾构机到达时因地下水流失而导致地面塌方或塌陷，必须根据实际情况对盾构到达中风井段进行地基处理。
方案一:
1）加固方法
中间风井盾构洞门加固段采用Φ108大管棚辅助施工。
2）长管棚加固施工工艺
⑴管棚布置如管棚布置图所示。
管棚孔口位置在盾构拱部120°范围内，纵向16-22m（根据岩石深度）进行管棚注浆，开挖轮廓线外放300mm位置布置，管棚环向中心间距300mm。
（可根据地质情况适当调整，以保证盾构机顺利到达为准），外插角约1°。
⑵注浆管棚采用Φ108mm，壁厚6mm的无缝钢管，分节安装,两节之间用丝扣连接，注浆钢管上钻注浆孔，孔径Φ10mm，孔间距200mm，呈梅花型布置。
钢管尾部（孔口段）2.0m不钻花孔作为止浆段。
（图三中间风井管棚布置图）
图三中间风井管棚布置图
⑶浆液采用水泥砂浆，初拟参数：
水泥浆水灰比0.8:
1～1:
1，注浆压力：
采用0.2～0.4MPa，施工中应据实际地质情况，并通过试验确定有关施工参数。
⑷从管棚导向管按设计钻孔,钻孔时将钢管随钻头一起钻入地层内,当达到设计深度后停机。
钻头用长约150mm的Φ121钢管,并在钢管一端管口焊接合金制成.钻头与钢管、钢管和钢管间用丝扣连接。
⑸向管棚内注浆.注浆顺序先下后上，全孔可采用后退式分段注浆方式。
⑹管棚导向管应严格定位，管棚钻进过程中应采用水平测斜仪经常量测管棚的偏斜度，发现偏斜值超出设计要求时，应及时纠偏。
⑺施工误差：
钻孔水平容许偏距沿相邻钢管方向不应大于100mm，垂直偏距沿隧道内侧方向不应大于200mm（对管棚前端，而非管棚孔口）。
⑻施工中应加强现场监测，及时反馈信息，并及时修正设计。
补充方案二:
采用地面袖阀管注浆加固,加固的目的主要是提高洞顶以上软弱地层（硬塑状砂质粘性土、可塑状砂质粘性土）的强度和防水效果，根据地质情况以及以往对类似地层的加固经验，选取Φ52袖阀管注浆对地层进行加固，间距0.6m*0.6m，梅花形布置，加固纵向长度为9m,横向为隧道轮廓线外1m,竖直方向为隧顶往上3m。
技术要求：
1）浆液采用水泥浆水灰比1:
1，使用42.5R普通硅酸盐水泥，袖阀管施工完毕，应对加固体进行检验，必须满足28d龄期无侧限抗压强度q28>0.8MPa，渗透系数小于1×10-6cm/s。
若达不到要求，应及时弥补注浆；
2）注浆加固深度范围内，若遇中风化、微风化地层则该地层范围不必加固；
图四中间风井端头补充加固
三、过中风井方案比选
现代地铁的设计中，在线路较长的区间中间一般均设计有通风竖井，即中间风井。
竖井与盾构法隧道相连。
因此区间隧道采用盾构法施工时，存在盾构机必须经过竖井的问题，一般来说盾构过中间风井通常有三种方法：
方案
具体内容
优点
缺点
方案一
盾构机二次始发过站
拼装负环较少,
节约成本,风险较小
反力架加固要求较高,整环负环管片拆除较麻烦;
方案二
拼装整环管片通过
快捷,时间较短
需要负环管片较多成本较高,拆除难度较大
方案三
拼装半环+整环管片通过
需要时间较短,拆除较方便
准备工作要求较高,施工时难度较大
在目前工期十分紧迫的情况下,同时考虑到安全方面的因素（风井跨度较大,纵向30m）,而且经项目部多次讨论并借鉴其它项目成功实例，决定采用盾构机二次始发过站的方式通过。
四、施工方案
1、方案简介
提前施工弧形砼导台、钢导轨。
盾构机通过中间风井，采用整体平移+二次始发。
盾构机到达中间风井后,利用两台油顶将盾构机整体向前平移,距离大里程洞门1m时停止,安装并加固反力架,拼装负环进行二次始发,负环管片只贴软木衬垫，不需要贴止水条。
在盾构机台车完全顺利进入隧道后，根据施工总体安排，拆除中间风井内的临时管片，恢复中间风井结构施工。
2、施工工作内容及工艺流程
施工前准备
盾构进洞前，中间风井洞门复测
盾构进洞
加焊防滚楔块
盾构平移（顶推）
钢支撑加工
反力架加固
管环加固
负环管片拼装（全环）
盾构出洞
盾构机过中间风井是指从盾构机顺利贯通进入中间风井（也叫进洞）到盾构经过导台进行第二次始发脱出中间风井（也叫出洞）的整个施工过程。
其工作内容主要包括：
施工前准备（砼导台、导轨设计施工等）、进出洞洞门位置复核测量、盾构平移推进及管片拼装、管环的加固等。
盾构过中间风井施工工艺流程如下图所示。
图五盾构过中间风井施工工艺流程图
五、施工准备
为确保盾构机顺利通过中间风井，盾构机到达前应做好以下准备工作：
1、加固两端洞门及预埋密封环板。
2、C30砼导台施工及导轨预埋。
导台里程为ZDK36+180.953～ZDK36+212.96。
导台截面形状与盾构机外壳类似，半径为盾体的半径加钢轨轨头厚度，钢导轨顶面所处弧面半径同盾体半径，钢导轨预埋于导台内，导台采用C30混凝土回填，弧形导台与盾构隧道及中间风井相对关系图见图六。
图六弧形导台与盾构隧道及中间风井相对关系图
导台及导轨施工要点如下：
⑴导台及导轨严格按图设计标高及坡度进行控制；
⑵钢导轨定位要准确，导轨顶面要平顺；
⑶砼导台施工时一要保证模板的弧度，二要保证浇注混凝土时模板的稳定性
如果在拆模时发现导台不够平整，则必须对它进行修整以到达设计要求。
⑷为防止盾构机进出洞时出现“磕头”现象，盾构机进洞时导台及导轨标高比理论值降低50mm，而在出洞前导台及导轨标高则必理论值提高50mm。
六、盾构通过施工
1、盾构进洞
⑴在盾构机到达洞门之前，必须提前做好以下准备工作：
a、安装洞门密封装置（洞门密封圈及B板在盾构机刀盘露头后安装，避免盾构机破洞时的混凝土块砸坏密封板）；
b、在中间风井洞门口准备好砂袋、水泵、水管、方木、风炮等应急物质和工具；特别是作好破除围护桩的准备，保证盾构机及时进入中间风井；
c、准备好双液注浆泵及水玻璃、水泥各一批；
d、盾构机到达前，在钢轨上预先涂抹油脂，减少盾体与钢轨的摩擦力。
⑵在盾构机到达前50米对中间风井附近所有测量控制点进行一次整体、系统的控制测量复测和联测，对所有控制点的坐标进行精密、准确地平差计算，并对激光经纬仪复检和盾构机机头位置人工测量。
盾构贯通前30米和10米对TCA托架三维坐标进行人工复测。
破洞前30米盾构机姿态保持：
机头水平偏差0～10mm，机头竖直偏差0～+10mm，俯仰角、偏转角允许范围±2mm/m；
⑶在盾构机机头进入距中风井洞门15米范围后，首先减小推力、降低推进速度和刀盘转速并控制出土量。
无论在何种情况下，推进油缸压力不得大于100bar，且盾构机推进速度小于20mm/min。
在抵达洞门的最后三环，须进一步减小推力、降低推进速度，掘进速度控制在5～10mm/min；
⑷中风井洞门下方堆放一定量的砂包作为缓冲层，以便保护密封装置。
⑸盾构进入洞门后，洞门密封圈必须用钢丝绳拉紧。
2、盾构管片拼装
中间风井段管片排列方式如下：
盾构顺利顶推至达二次始发位置后,拼装整环负环,直线前进,直到盾构完全进入洞门。
3、中间风井管片支撑
为了提供盾构步进和二次始发的反力，保证二次始发的第“零”环管片定位准确，有效控制二次始发时管片的错台量，必须做好管片支撑措施。
管片支撑分为底部支撑、两侧支撑、顶部支撑三部分（见下面中间风井管片支撑图），图中型钢全部采用[18a。
⑴底部支撑：
当管片脱出盾尾后，导台钢轨与管片之间存在150mm间隙，每环垫2块木楔，防止管片下沉。
⑵两侧支撑：
在风井段设置斜向支撑，管片脱出盾尾后，及时利用钢管和木楔子固定管片与A1、A3块管片，防止管片向两侧偏移。
⑶顶部支撑（或底部钢丝绳）：
为了防止管片上浮，对整环管片用钢丝绳进行捆绑并固定于导台预埋件上，千斤顶反力由反力架提供。
图七中间风井管片支撑图
4、盾构在中风井内推进
⑴刀盘在推进过程不宜旋转，推进时仅使用下部千斤顶（C组），推进速度控制在10～20mm/min以内。
⑵为防止盾构机在中风井段推进过程中旋转，在盾体两侧加焊防滚楔块；
⑶过站段每环管片在脱离盾尾超过一半后，及时下垫楔形方木塞紧，管片与导台间的空隙用细砂填充；
⑷盾构姿态由于导台在浇注时已确定，则盾构姿态应与导台一致。
5、在中间风井内进行机械维护、检修
当盾构机机头到达中间风井位置时，组织机械、电气专业人员对盾体部件进行维护和检修。
内容主要包括：
刀具、盾尾密封刷检查更换。
6、过中风井后再次始发段的推进
盾构机从中风井再次始发所用反力由反力架提供，始发推进阶段总推力按500吨进行设计，因此在始发推进过程中必须注意：
⑴中风井和出洞后6环千斤顶总推力应控制在500吨以内，速度控制在20mm/min以内。
⑵推进过程中，千斤顶推力的调节应平稳，防止推力突变；
⑶为防止盾构机推进过程中盾体滚动，在盾体上焊接防滚楔块；
⑷每环管片脱出盾尾超过管环宽度一半时，在管环底部及时塞楔形方木并灌砂回填管环与导台间的空隙；
⑸在管环的3、9、12点位置设置方木撑以防管环整体松动；
⑹做好注浆工作，防止进入洞门后的最初几环管片下沉，必要时注双液浆；
⑺加强出洞期间地面沉降的监测；
⑻出洞前所拼装的管片均采用单面楔形管片。
七、常见问题的预防和处理
1、进洞时，盾构机“撞头”,导台破碎
盾构推进根据洞门复测时的姿态，实时调整掘进姿态贯通，当导台标高与洞门标高一致，而刀盘比盾体大，这样容易出现盾构机“撞头”、导台破碎现象。
为了避免类似情况出现，本方案采取以下三条控制：
⑴控制盾构机进洞前的姿态，机头竖直偏差控制在0～+10mm；
⑵浇注砼导台及预埋钢导轨时，降低进洞位置处导台及导轨标高，中间风井该处施工控制标高比设计标高低50mm，附图二、三中导台及导轨施工控制标高已对此加以考虑；
⑶在进洞时导台上方离洞门5米范围内铺满砂袋，防止贯通时洞门混凝土掉下来砸伤导台。
2、到中风井出洞时，盾构机“磕头”
始发推进过程，在盾构刀盘到达掌子面前，容易出现盾构机“磕头”现象。
对此本方案采取如下措施：
⑴在浇注导台时，出洞位置砼导台及导轨的高程高于设计标高30mm；
⑵在洞门内底部按导台的弧面浇注斜坡形素砼导台。
3、推进时管片出现左右摇摆、下沉现象
推进时由于管片在各个面上的受力不一样，在左右油缸的推力差较大而管环在上下、左右没有反力支撑时则出现管片左右摇摆、下沉现象。
这主要是在拼装管片时管片螺栓没有上紧、每一环在脱离盾尾后未采取措施所致。
为了避免出现这种情况，中风井过站段拟采取以下措施：
⑴当管片有一半脱出盾尾时，就及时在下方塞紧楔形方木；
⑵对脱出盾尾的管片螺栓进行二次紧固；
⑶在管片左右侧及顶部加木方或槽钢支撑，稳定管片，防止管片推进过程中摆动错位；
⑷在管片底与导台之间的空隙回填细砂，进一步稳定管片。
八、测量监控
1、地面沉降监测
⑴盾构机离进洞洞口前100-150米时，在左、右线地面隧道中线方向上一般每隔15米建立一个监测断面，在中间风井井口地面适当增加监测断面。
⑵测量频率：
盾构机前100米初值每天测量1次，盾构机头里程前后20米每日两次，盾构机出洞过程中加密监测，并及时反馈信息。
2、隧道主控导线、水准测量
贯通前100m及50m时，对隧道主控导线、水准进行2次复核测量，保证测量托架和盾构机姿态的精度。
3、测量托架和盾构机姿态人工测量
在出洞前，对测量托架仪器站和后视棱镜平面坐标和高程进行2次精密人工复核测量，对盾构机姿态进行3次人工精密测量。
4、洞门圈复核测量
对中间风井洞门圈中心三维坐标进行和内径进行精密复核测量，确定洞门中心水平、垂直偏移值，对盾构机出洞滑行导轨中心和高程精密测量。
5、盾构机出洞前姿态参数控制
根据洞门圈水平、垂直偏移量调整盾构机刀盘中心姿态，保证顺利贯通。
6、在隧道贯通后，进行隧道贯通测量，对盾构机姿态多次人工复核
7、在重新始发前，对始发导轨中心和高程进行精密定位
在中间风井段，盾构机与线路中心的定位关系如下图所示。
考虑到始发时盾构机机头容易下行的特点，始发定位时，盾构机的始发中心宜比隧道设计中心高出30mm。
图八盾构始发定位
九、机械人员投入
过风井之前，成立盾构过风井施工领导小组，由项目经理任组长，项目副经理、项目总工、副总工负责部门协调，在此期间的盾构机推进、管片拼装施工作业每天分两班进行，拟投入本工程每个作业班组劳动力组织和施工机具设备如下所示
劳动力投入表
序号
工种名称
人数（人）
1
电焊工
5
2
班长
1
3
测量班
2
4
电工
3
5
管理人员
20
6
充电工
2
7
管片安装
6
8
始发井地面司索工
4
9
井口协调
6
10
杂工
6
11
累计各班人数
55
主要施工设备表
序号
设备名称
单位
数量
规格型号
主要工作性能指标
1
电动空压机
台
2
2
潜水泵
台
6
QS25×30-4
4KW
3
汽车吊
台
1
50t
4
电焊机
台
4
BX300
24.5KVA
5
气割设备
套
2
6
全站仪
台
1
莱卡TC402
7
精密水准仪
台
1
苏光DSZ2
8
洞门低压照明
台
10
9
液压千斤顶
台
2
30t
十、安全文明施工措施
1、对参与本项工作的施工管理技术人员和工人进行专项安全交底，管理人员和工人对盾构机过中间风井需要注意的事项必须清楚明确；
2、测量人员等临时出入施工现场的作业人员应正确使用劳动防护用品，遵守现场的安全文明施工管理规定，预防物体打击和高处坠落事故；
3、盾构机穿透中间风井南端堵头墙时现场必须注意隔离足够的范围；
4、隧道内动火作业必须做到“八不四要一清理”；
5、高处作业时必须有人员监护，高处作业人员必须系好安全带，使用的梯子必须牢固并将上端头固定以防止滑动。
反力架检算书
1、机场北站~福永站区间，盾构始发需使用反力架作为盾构始发反力装置。
2、反力架整体结构图
3、反力架主要由横梁L1、L2、立柱H1、H2、八字梁、钢环板组成，为提高整体稳定性，将反力架分为1/4块进行高强10.9级螺栓连接，节点为焊接而成一整体。
模拟传力路径钢环板-横梁-立柱-支撑-预埋板。
4、根据机场北站盾构始发阶段土体性能指标，及各施工单位经验，拟定始发最大推力2000t。
5、受力检算：
（1）钢环板检算：
钢环板截面特性：
Ix41886*104mm4
Wx2792.4*103mm3
截面面积=300*30*2+290*30*2=35400mm2
模拟受力2000t/3.14*6=106t=1040KN/m
钢环强度满足要求
（2）杆件检算：
假设将应力平均分配至各结构杆件
即2000t/3.14*6=106t=1040KN/m
横梁L1，弯矩、剪力计算
已知横梁跨距5100，横梁受力范围2580
根据弯矩图已知M=1002.45
L1截面
A腹板=1000*30=30000mm2
A翼板=350*30=10500mm2
As=2*（30000+10500）=81000mm2
截面特性：
Ix701776*104mm4，Wx14035510mm3
Sx8406*103mm3
L1强度计算：
L2强度计算：
立柱检算：
立柱截面
A腹板=1000*30=30000mm2
A翼板=600*30=18000mm2
As=2*（30000+18000）=81000mm2
受力分析：
将L1、L2荷载传递至立柱H1、H2计算
立柱H2与H1受力情况相同，不再计算。
查钢结构设计规范可知：
=205Mpa；
=120Mpa。
故检算构件能满足正截面强度要求
（3）后支撑系统计算：
支撑系统如下
共计支撑6根直径600mm，t16mm钢管。
3根斜撑焊接于底板预埋钢板，3根支撑于侧墙。
支撑受力计算：
左侧3根2.15m支撑
右侧斜撑取最长7.26m45°斜撑计算
截面特性：
弹性模量E=206*105，最小惯性矩=110695.145cm4，截面积=257.736cm
2.15m直撑受力计算
7.26m斜撑受力计算
由于水平夹角为45度则其水平承载力F为1066/cos45°=1507KN
（4）计算结果
从验算结构可以得出应按轴向抗压强度验算支撑承受最大推力
12159*3+1507*3=40998KN
始发最大推力我们设置为20000KN，后支撑满足最大推力要求。
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