盾构组装及碴土运输方案.docx
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盾构组装及碴土运输方案
市轨道交通二、八号线延长线工程
【施工14标】土建工程
盾构组装及碴土运输案
编制：
复核：
审批：
中铁隧道集团有限公司地铁二、八线延长线工程14标项目经理部
二〇一三年九月七日
一、工程概况
1．1概述
地铁轨道交通八号线同福西站～文化公园站区间隧道工程左线起止里程为：
ZDK13+707.945～ZD14+412.327，左线隧道全长706.039M，右线起止里程为：
YDK13+712.882～YD14+412.327,右线隧道全长699.445M。
区间采用盾构法施工，文化公园站前分别有左线（15m）右线（22m）矿山法隧道，盾构始发时盾构机在矿山法隧道出洞。
文化公园站为市轨道交通六号线与八号线换乘站，位于市文化公园西部，车站结构大部分坐落于市文化公园地下，场地离珠江较近，仅约180M。
八号线部分为四层结构，采用明暗挖结合法施工，提供盾构始发条件。
盾构从文化公园始发，到达同福西站吊出后运输至文化公园站，再次始发掘进另一条隧道，到达同福西站后吊出，完成本区间的施工。
因文化公园站始发条件限制，仅在车站右线留有一个盾构始发井，左线始发时盾构机需从右线的盾构始发井吊装后平移至左线进行始发，站后折返线竖井作为盾构出土，由于折返线竖井施工重滞后，盾构始发时不具备出土条件，因此同福西站～文化公园站区间隧道盾构施工的所有设备、材料、碴土只能通过车站仅有的一个盾构始发井预留吊运，增加了施工难度和成本。
本区间所使用的设备是中国中铁装备制造有限公司生产的6280mm盾构。
设备装机重量约500吨，装机功率约1800KW，总长80M，因盾体和刀盘的体积大、重量重、价值高,施工风险较大，特别是盾构机长度对盾构始发井和出土口有格要求。
1.2盾构始发场地布置图1-1（具体见附图一）
图1-1盾构始发场地布置图
1.3文化公园站地板平面图（具体见附图二）
图1-2文化公园站地板平面图
1.4工程主要设备（部件、材料）规格尺寸及重量
工程主要设备规格数量表
序号
部件名称
单件重量（吨）
尺寸（长宽高）mm
数量
备注
1
刀盘
约59
6280X1545
1
2
前盾
约102
6250X2065
1
3
中盾
约95
6240X2795
1
4
尾盾
约30
6230X3803
1
5
螺旋输送机
约25
11718X1100
1
6
管片安装机
约20
5625X5048X4000
1
7
人仓
约7
1
8
2号拖车
约38
9915X4571X3390
1
9
其他拖车
约25
9915X4571X3390
5
10
电机车
45
8209×1550×2400
2
轨距900mm
11
碴土箱
11
6260×1500×2500
5
轨距900mm
12
砂浆车
8.8
5730×1500×2260
2
轨距900mm
13
管片车
3.2
3400×1500×550
2
轨距900mm
二、编制依据
2.1《文化站结构施工图》
2.2《同福西站～文化公园站区间图》
2.3SH/T3513-2003《大型设备吊装工程施工工艺标准》
2.4GB6067—2010《起重机械安全规程》
2.5LD48—93《起重机械吊具和索具安全规程》
2.6《DEMAGAC1300汽车起重机吊装性能表》
2.7GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤和探伤结果分级法》
2.8YB/T5225-93《粗直径钢丝绳》
三、施工总体思路及难度分析
3.1总体思路
同福西路站～文化公园站区间盾构施工，仅在文化公园站端头井右线区间上上留有11.5M×7.5MD盾构吊装口，除此之外无任洞可以吊装设备和材料。
根据现场情况有三种案可考虑
盾构始发顺序及案对比表
序号
施工顺序
始发形式
洞盾构机长度
需要矿山法开挖长度
原设计矿山法开挖长度
新增里程
其他要求
案一
先掘右进线
分体始发
31
33
16.7
16.3
后掘进左线
分体始发
31
33
23.
9.923
案二
先掘进左线
分体始发
31
33
23.
9.923
后掘进右线
整体始发
16.7
0
16.7
0
需要在文化公园站用吊车出土45环，约3134。
案三
先掘进右线
整体始发
80
82
16.7
65.3
矿山法需要在房屋底下施工，施工风险大。
后掘进左线
整体始发
80
82
23.
58.923
矿山法需要在房屋底下施工，施工风险大。
（1）先分体始发掘进右线，后分体始发掘进左线。
采用分体始发，将盾构主机、设备桥、第一节拖车从右线下井组装，步进和空推到掌子面，二、三、四、五、六号拖车停放在地面，通过延长管线连接地面拖车和井下盾构主机管路。
待掘进到100米（矿山法加盾构隧道）时拆除延长管线，将地面的盾构台车下井，进行第二次盾构组装。
右线隧道贯通后，将盾构机转运至文化公园站，采用分体始发，将盾构主机、设备桥、第一节拖车从右线下井组装，然后平移至左线，步进、空推到掌子面，二、三、四、五、六号拖车停放在地面，通过延长管线连接地面拖车和井下盾构主机管路。
待掘进到100米（矿山法加盾构隧道）时拆除延长管线，将地面的盾构台车下井，平移、步进、空推进行第二次盾构组装
（2）先分体始发掘进左线，后整体始发进掘右线。
左线分体始发式和第一案相同，左线贯通后盾构调转至文化公园站掘进右线隧道，右线隧道盾构整体始发，在同福西站租用吊车出土，盾构最后一节台车离开吊装口位置时，改用文化公园站吊装口出土。
（3）先整体始发掘进右线，后整体始发掘进左线。
左线和右线隧道矿山法施工各开挖82米（包含原设计开挖里程）。
综上分析以上三种案，案三由于矿山法开挖82米，需要在房屋底下施工，施工风险较大，案二需要在同福西站出土3134左右，协调场地不可控，所以优先考虑案一。
3.2难点分析
3.2.1无论采取种案，左线隧道编组列车都必须经过车站行驶到右线吊装口位置，车站采用暗挖和明挖法施工，结构复杂，场地狭窄，立柱密集，并且要经过上翻梁，轨道铺设难度大。
3.2.2由于盾构始发井和围挡距离较近，吊车不能停在始发井端头吊装，并且始发井围活塞风井，安全通道等洞，盾构吊装作业场地有限，吊车进出场及作业具有局限性，施工场地狭窄，容易发生机械伤害的事故，吊车作业前应对现场进行清理，保证吊车进出场道路及作业地点地面平整无障碍。
3.2.3由于本次吊装设备体积大、重量重、价值高、操作难度大、安全责任重等特点，在进行设备吊装就位过程中，为避免产生事故，施工过程中必须格按本案执行，确保吊装过程中人员、设备、机具等的安全，高效、合理的完成吊装作业任务。
3.2.4左线盾构始发时，盾构需要从右线始发井位置平移至左线，盾构吊装、平移、步进工序衔接复杂，有损坏设备风险。
3.2.5为了让编组列车翻过车站上翻梁，车站轨道都铺设在轨枕上，轨枕高度0.96米，端头井轨枕高度达1.42米，轨枕铺设要求高。
四、左线隧道碴土运输法及技术措施
4.1轨道线路平面布置
无论采取种案，左线隧道碴土都必须运输至右线吊出，在左线暗挖隧道铺设道岔，将隧道的一股道分为两股，其中一股轨道直行作为列车临时停放点，另一股轨道穿过车站站台通道连接右线轨道，右线轨道设置道岔，其中一股轨道连接左线轨道，另一股轨道做编组列车转向。
轨道最小转弯半径50米。
右线隧道掘进时在隧道口铺设道岔，将隧道一股轨道分为两股，供编组列车会车。
轨道线路平面布置图见图4-1。
（详见附图三）
图4-1轨道线路平面布置图
4.2轨道线路垂直布置
轨道线路垂直布置案主要有4个影响因素：
第一是盾构隧道底部和暗挖隧道仰拱的高度差；第二是暗挖隧道仰拱和车站地板的高度差，第三是车站上翻梁和车站地板的高度差；第四是盾构隧道底部和轨面的高度差。
为了避免车站轨道进入暗挖隧道为下坡，暗挖隧道进入盾构隧道时为上坡的V型陂。
应以第一块负环管片高度开始放坡，一直到车站上翻梁，形成单面缓坡，坡度为1‰，长度80米。
根据车站和矿山法开挖尺寸，加工放坡轨枕将轨道垫高到设计坡度，放坡轨枕间距为1.2米。
（具体见附图四）
4.3道岔选择
车站部两个道岔都选用Y形双开对称道岔，道岔相衔接的两股道向两侧分岔，转弯半径为50米，轨道为38KG/M轨道。
双开道岔示意图见图4.2。
图4-2双开道岔示意图
4.4放坡轨枕选择
放坡轨枕采用20#工字钢制作，斜撑用10#槽钢，共加工332个。
因为是持续坡度，并且车站、端头井及矿山法开挖段标高不尽相同，所以184个放坡轨枕尺寸不同，在轨枕加工制作时每个轨枕按照图纸编号，用油漆笔明确标识。
现场安装时根据测量放线，每个轨枕和测量放线点一一对应，每条轨道仅且只有一个对应位置。
每条轨道旁用10#槽钢连接成整体，轨枕两侧用10#槽做剪刀撑固定，确保其稳固性。
在50米转弯半径围每条轨道两侧均用10#槽钢连接，增加轨枕的整体性，抵抗转弯时编组列车所增加的横向力。
放坡轨枕示意图见图4-3
图4-3放坡轨枕示意图
4.5焊接工艺要求
所有焊接都要求满焊，无漏焊缺焊现象，焊缝平滑，无气，夹渣等技术缺陷。
4.6运输系统组成
运输系统分为垂直运输和水平运输，水平运输由于右线道岔距离车站端头的距离为43米，整列编组列车为60米左右，因此左线隧道掘进时只能用小编组列车出渣，右线隧道掘进超过100米后可根据施工进度是否选择整列编组出渣。
4.6.1垂直运输系统
垂直运输系统主要由以下几部分组成：
提升门吊、门吊上的翻转倒碴装置、门吊轨线、地面碴坑等组成垂直运输系统，承担倒碴和材料吊运。
4.6.2水平运输系统
根据工程特点和盾构工法施工特点，车站空间不足以行驶大编组列车，本工程水平运输系统拟采用有轨运输系统，每台盾构设备配置采用二列列车编组。
第一列编组：
1台牵引机车、4台碴土车。
第二列编组：
1台牵引机车、1台砂浆车、2台管片车。
列车编组示意图见图4-4。
图4-4列车编组示意图
编组列车顺序如上图所示，管片车在最前，列车进入盾构台车时，刚好使管片运输车位于管片吊机下；其次紧跟砂浆车，进入盾构后配套系统时刚好位于盾构同步注浆罐附近；然后紧跟的是碴土车，牵引机车在最后，进入时隧道推着列车，驶出隧道时拉着列车。
4.6.3隧道轨枕
正线隧道掘进后的隧道采用弧形轨枕。
具体形式如图4-5。
图4-5弧形轨枕
4.7轨道运输系统循环过程
4.7.1碴土及材料运输
编组列车进入隧道时，管片运输车、砂浆运输车为重车，将管片和砂浆和其他材料运进，运碴车为空车。
驶出隧道时管片运输车、砂浆运输车为轻车，运碴车为重车，将碴土水平运出，垂直运输系统则完成碴土吊卸。
4.7.2碴土的吊卸
门吊把碴土车车箱吊至规定的高度后，横移到碴仓卸碴位置，利用设置的门吊翻转机构进行卸碴，每节碴箱被吊离底盘到吊回底盘。
碴箱卸土示意图见图4-6。
图4-6碴箱卸土示意图
4.8运输系统参数
根据盾构区间工程参数，包括施工进度、隧道坡度、区间长度、盾构各参数等，后配套运输案设计如下（以Φ6280mm直径盾构计算）：
4.8.1掘进指标
已知施工最大平均进度指标为250m/月，设计管片宽度为1.5m，取167环；若每月掘进工作日按26天计算，则每天应完成6.4环，取7环。
4.8.2碴土的散系数和容重
根据工程地质分析，选择散系数1.5计算，在刀盘前和土仓可能含有大量的水，根据经验数据不管散系数如，硬岩实际容重多为1.8-2.0T/m3左右，因为当切削的岩土粒度较大时，往土仓加的泥或水填满了岩土的空隙，当切削的岩土粒度较小时，散比较密实，与实的重量差不多，相关容重参数γ=2.0T/m3取值计算。
4.8.3每环碴土量计算
每循环散碴量：
Q=π×R2×μ×B=3.14×3.142×1.5×1.5=70m3
式中：
R---开挖半径，μ--散系数，B---循环长度
4.8.4碴土车参数确定
根据每循环碴土量的计算，考虑垂直运输设备通用性及成本，本工程拟选择18m3容量的碴土箱。
参照前面计算每循环排碴量为70m3，则每列车需配置碴车数量为：
N=70/18=3.9，取4个；考虑皮带机出碴过程中不可能将排出碴土完全密实的装填碴土车，并且每个渣箱不可能刚好装满18土，故此时取5个。
4.8.5管片车参数确定
根据设计图纸，本工程拟采用1.5m管片，每环管片理论重量按下式计算:
W=
π（d12-d22）Lδ。
已知管片外径d1=6m；管片径d2=5.4m；管片宽度L=1.5m；砼容重δ=2.5，则每环管片重量为：
W=
×3.14×（62-5.42）×1.5×2.5=20.15T
本区间管片设计均采用“3+2+1”式组成；即3块标准块（B），2块邻接块（L）和1块封顶块（F）。
根据安全等相关文件的要求，管片堆高不得超过3块，同时根据管片吊运及拼装秩序，管片一般按3块标准块为一堆，邻接块和封顶块为一堆，故管片车载重按最重的3块标准块计算核对，同时每列列车按2台管片车进行配置。
根据管片设计计算最重3块标准块重量按下式计算：
W1=3×W×θ1/θ2
式中：
W—管片总重；
θ1—标准块管片在环中的角度，取67.5°；
θ2—每环角度。
则需最大车载重量为：
W1=3×W×θ1/θ2=3×20.15×67.5°/360°=11.33T，虽然选择12T>W1计算值，但实际施工过程中，管片还需放置油脂、轨枕等物品，故管片车选择15T。
4.8.6砂浆车参数确定
根据盾构施工参数及管片设计参数，每环管片理论注浆量按下式计算:
Q注浆=
π（d12-d22）Lη
d1—盾构开挖直径
d2—管片外径
η—充填系数，取1.5
则每环最大注浆量为：
Q注浆=
×3.14×（6.282-62）×1.5×1.5=6.07m3
考虑扩挖等因素取20%富余量，则砂浆车实际容量为：
Q实际＝6.07×1.2=7.29m3，取Q浆车＝8.0m3≥Q实际
4.9运输能力确定
盾构切削直径：
Φ6280mm，掘进区间最大长度：
706m，施工平均进度指标：
250m/月。
管片宽度：
1.5m，出碴提升高度：
30m，最大坡度：
18‰。
4.9.1垂直运输门吊每车次卸碴循环时间计算
根据门吊相关参数为：
小车平均行走行程7m，大车平均行走行程10m；提升及下降平均速度7m／min，小车行走平均速度12m／min，大车平均行走速度20m／min，盾构始发井深30M。
计算每节碴土车卸碴时间：
序号
工序
时间
序号
工序
时间
1
碴车挂钩
0.5min
5
定位卸碴
0.5min
2
碴土提升
3.5min
6
小车返回
7/12=0.58min
3
大车行驶
0.5min
7
大车返回
0.5min
4
小车行驶
7/12=0.58min
碴箱归位
3.5min
合计
10.16min
第一列列车卸碴总时间：
T1=4×4.5=40.64分钟
第二列渣土列车卸碴时间为10.16分钟，管片和砂浆等材料吊装25分钟，共计35.16分钟。
4．9.2门吊每日理论、实际极限卸碴车次
每日理论极限循环车次为：
24小时×60分钟／10.16分钟＝141车
每日理论环数n1=141/5=28.2环，满足实际需求。
4.9.3门吊选型
根据前面的相关分析和计算，结合18m3碴箱自重，则总体需要提升重量为：
2×18+7=43t，故门吊提升能力最少为43t，考虑安全等因素选择45t门吊。
4.9.4工序时间验算
盾构确定后，根据区间地质情况的不同，掘进速度有快有慢，一般为3-8cm/min，。
按列车平均行驶速度为5km/h，每循环碴量整车运出。
按最远距离1000m（考虑右线的碴土从左线出时左线里程和车站轨道里程）可以计算得出相关工序时间：
1.列车单趟行驶时间：
T2=1000/5000×60=12min
2.假设掘进速度平均为4cm/min，第一列渣车4箱渣土箱可掘进1.3米，需要32.5分钟。
3.第一列列车卸碴时间：
T1=40.64min
3.第二列列车卸渣、砂浆、管片等材料装车大约:
T3=30.48min。
第一列编组列车：
掘进时间为32.5分钟，行驶时间为24分钟，共计56.5分钟，大于第二列编组列车卸渣和砂浆、管片等材料装车时间。
因此不会出现压车现象，跟大编组列车相比最大延长时间为2×12=24min/环。
因此本条隧道每环施工时间为32.5+24+4+30=90.5min,考虑到现场操作工对设备操作都不可能达到熟练水平，因此本工程盾构隧道掘进进度为为115min/环。
每天掘进时间按18小时，每天可掘进12环左右。
4.9.5牵引机车
本区间拟使用45吨电机车，爬坡能力29‰，本工程最大坡度18‰，并且使用小编组列车出渣，电机车牵引能力远远大于实际需求，不再做验算。
五、右线隧道碴土运输法及技术措施
5.1由于预留的吊装口在隧道右线，如果盾构采用分体始发，在隧道口铺设双开式对称道岔，作为编组列车会车轨道，盾构掘进时直接在吊装口出渣即可。
根据实际工期情况，当盾构掘进100米后，将道岔移至隧道，可选择2列整列编组出渣。
六、左线盾构组装案
6.1整体施工顺序
第一步：
端头井地板铺设30mm厚黄沙找平；第二步铺设25mm厚钢板，钢板之间焊接固定；第三步：
安装盾构始发架；第四步：
盾构支撑环下井安装；第五步：
盾构切口环下井安装；第六步:
盾构刀盘下井安装；第七步：
盾构整体前移；第八步：
管片拼装机安装；第九步：
盾构盾尾下井；第十步：
螺旋输送机安装；第十一步：
始发架与盾构机焊接成一体；第十二步：
顶升；第十三步：
安装滚珠；第十四步：
盾构平移；第十五步：
铺设轨道，并步进至始发位置；第十六步：
后配套台车依次下井安装。
6.2盾构机组装所需料具配置
盾构机组装和平移所需料具配置表
序号
名称
型号
单位
数量
备注
1
始发架
套
1
盾构始发
2
钢板
δ25
m2
517
盾构井底板铺设
3
液压泵站
套
1
液压油缸动力源
4
液压油缸
200T
个
4
垂直顶升
5
液压油缸
50T
个
2
水平顶升
6
手拉葫芦
10T
个
5
安全限位
7
手拉葫芦
3T
个
2
盾构组装
8
钢珠组件
套
50
盾构平移
9
钢墩子
750mm
个
4
垂直顶升用，自加工
10
三角钢靴子
个
8
安全限位，自加工
11
卷尺
5m
个
5
油缸行程及盾构机位置测量
12
二氧化碳保护焊机
套
1
乌龟壳刨除、盾尾刷焊接
13
钢丝绳
6×37（b）
根
2
8m长，公称直径为Ø85mm
14
对讲机
个
5
通讯
15
黄沙
17
盾构平移
16
钢板
25mm
平
550
盾构平移
17
钢板
30mm
平
43
盾构平移
18
工字钢
20#
米
40
盾构平移
6.3盾构组装及平移工艺
6.3.1端头井杂物清理干净，凿除明显的凸起的混凝土面，理顺压平预留钢筋，必要时割除。
在端头井均匀铺设厚度为30mm黄沙。
黄沙铺设示意图见图4-6。
图6-1黄沙铺设示意图
6.3.2铺设25mm厚钢板，钢板之间焊接固定。
钢板与钢板之间紧密靠拢，焊缝高度高出钢板平面不超过3mm，钢板铺设需用水平尺校准，保证钢板水平，钢板与钢板之间应避免错台。
钢板铺设示意图见图6-2。
图6-2钢板铺设示意图
6.3.3安装始发架，始发架底部焊接30mm厚钢板，并对应始发架底座槽钢位置铺设10根20#槽钢，长度为5米，间距1米。
始发架安装示意图见图6-3。
图6-3钢板铺设示意图
6.3.4支撑环下井并后移。
支撑环安装示意图见图6-4。
图6-4支撑环安装示意图
6.3.5切口环下井。
切口环安装示意图见图6-5。
图6-5切口环安装示意图
6.3.6刀盘、管片拼装机、螺旋输送机、盾尾安装。
盾构主机示意图见图6-6。
图6-6盾构主机示意图
6.3.7将始发架与盾构机焊接连接固定，同时焊接顶升油缸支腿。
始发架与盾构连接示意图见图6-7。
图6-7始发架与盾构连接示意图
6.3.8用4台200台液压千斤顶将盾构整体顶起，抽掉始发架下所有槽钢。
顶升盾构示意图见图6-8。
图6-8顶升盾构示意图
6.3.9铺设滚珠5排9列。
滚珠铺设及盾构平移路线图见附图五，盾构平移示意图见图6-9.
图6-9盾构平移示意图
6.3.10当盾构机平移至左线后，将盾构机顶升20cm,取出钢柱，纵向穿入6排38KG钢轨，盾构机沿钢轨步进到始发位置。
盾构沿钢轨步进示意图见6-10。
（详见附图六）
图6-10盾构沿钢轨步进示意
6.4顶升油缸支撑点的确定。
图6-11盾构各部件重心距离刀盘面板尺寸
盾构主机各部分重量及重心相对位置统计表
序号
部件
重量（单位：
T）
与刀盘面板间距
（单位：
mm）
备注
重量
代号
间距
代号
1
刀盘
59
G1
433
L1
2
前体
102
G2
1720
L2
3
中体
95
G3
4175
L3
含管片拼装机
4
盾尾
30
G4
7252
L4
5
螺旋输送机
25
G5
7252
L5
6
管片拼装机
20
G6
6625
L5
7
接收架
10.8
G7
4720
L7
8
δ30钢板
9.73
G8
4720
L8
接收架底部铺设
9
总体重量
351.53
G
3698
L
设盾构主机整体重心位置距离刀盘面板距离为L米。
G1×L1+G2×L2+G3×L3+G4×L4+G5×L5+G6×L6+G7×L7+G8×L8=G×L
59×433+102×1720+95×4175+30×7252+25×7275+20×6625+10.8×4720+9.73×4720=351.53×L
L=3488.887
盾构主机重心再距离3488.887处，顶升油缸支撑点距离为3358，对称分布于盾构中心两侧。
图6-12盾构顶升支撑点位置尺寸图
6.5盾构平移摩擦力计算
盾构机始发架为钢质材料，在黄油作用下，其摩擦系数为μ为0.1，盾构主机重约338吨，摩擦力计算如下：
F摩=3380KN×0.1×1.5=507KN
选用2台50吨液压千斤顶作为盾构平移千斤顶。
6.6滚珠选用
盾构机调头用钢珠组件见图6-13。
图6-13钢珠组件示意图
6.7吊机选择
根据设备重量清单、场地布置图以及吊机的起吊能力和工作半径，并考虑到盾构尺寸大、重量重，施工场地狭窄,施工工艺繁多，总重约500t，经分解后最大块重约102t。
根据以上因素，本次吊装采用配备副钩的履带式起重机吊装下井。
履带吊履带占地10m×10m,旋转半径为5米，履带吊到井口距离1.5米，切口环宽度3.3米
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