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狭小空间土压平衡盾构分体始发施工技术

摘要:本文以长沙市轨道交通 4 号线【阜埠河站~碧沙湖站】盾构区间工程为背景,介绍了分体始发盾构设备改造原则、改造方案及始发方案取得了良好的经济和社会效益,以期为类似施工提供经验和技术参考。
0 引言
  随着我国城市化进程的加快,具有节能、快捷和大运量特征的城市轨道交通建设愈趋受到众多城市的关注,而盾构法施工凭借其施工的安全性、经济性、高效性等诸多优点使其在城市地铁建设中得到越来越广泛的应用。
  盾构法施工主要包括盾构始发、区间掘进、盾构接收3 个阶段,其中盾构始发与接收是盾构施工过程中的关键环节且风险性较高。盾构始发通常在已建好的车站或竖井内始发,根据始发工作井长度与盾构设备长度的关系,盾构始发方式主要分为两种:一种为整体始发,即将盾构机盾体连同后配套拖车一起吊入始发工作井,组装后整体始发掘进;另一种为分体始发,当始发工作井长度较小不能满足整体始发时,将盾构机盾体和一部分主要的后配套拖车吊入始发工作井始发,待盾构隧道掘进足够长度后,再将另一部分拖车吊装下井进行二次组装后按整体始发的模式继续掘进。
1 工程概况
1.1 工程概述
  【阜埠河站~碧沙湖站】区间西起阜埠河站,沿阜埠河路展布,在里程 YCK31+700~YCK32+850 段横穿湘江,东至碧沙湖站。本区间主要位于湘江两侧Ⅰ级冲积阶地及湘江河床地貌单元,场地第四系覆盖层厚度为 2.00~27.80m,下伏基岩为白垩系砾岩、泥盆系砂岩、属较碎~较完整岩体。隧道穿越地层主要为强风化砾岩和中风化砾岩。区间长度为 1768.575m,隧道平均覆土深度约 17m。
1.2 盾构选型
  根据盾构隧道的外径、长度、埋深、地质条件、围岩岩性、土体的颗粒级配、地层硬稠度系数、土层渗透率及弃土容重等特征以及线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件,以及周围环境对地面变形的控制要求,结合掘进和衬砌等诸因素。经分析比选最终确定本区间选用复合式土压平衡盾构机进行施工,盾构机由刀盘、盾体、配套拖车组成,总长约 83m,开挖直径 6.28m。
1.3 始发环境
  本区间盾构从碧沙湖站始发,碧沙湖站位于南湖路以南,湘江中路与书院路之间的商业开发地块;该处原状为老旧低层民居、单层小厂房幼儿园和餐馆,车站东侧有南湖一号综合体,南侧有都江新苑、金域·南外滩及施工中的江山壹号,北侧为保利国际广场和保利心语住宅小区。周边环境复杂、交通流量大且施工范围内房屋拆除量大、难度较大。根据拆迁难易程度和施工进度节点,把碧沙湖站分成了 3 段进行施工,其中【阜埠河站~碧沙湖站】区间盾构在碧沙湖站的车站始发长度为 69m,车站始发长度小于盾构机及后配套总长,需进行盾构分体始发。
2 分体始发设备改造及要求
2.1 设备分体改造原则
  本工程盾构设备改造以保证盾构顺利始发为前提,兼顾成本与效率,遵循以下原则:
  ①最大限度利用原有设备,减少对原有设备不必要的改造;
  ②在满足正常分体始发的前提下,尽量减少井下设备与地面设备之间连接管线长度;
  ③满足始发时渣土及管片等材料与人员进出条件;
  ④满足始发阶段掘进完成后地面设备一次下井长度要求。
2.2 皮带机改造
  皮带主驱动电机原位于 5# 拖车尾部,在分体始发阶段将 3# 拖车改装增设皮带输送机接口,并将皮带机驱动电机与挡泥板、刮渣板整体改装至 3# 拖车尾部,待分体始发结束后再恢复到原位。
2.3 水循环系统改造
  在 3# 拖车尾部左侧增设设备平台,将原位于 4# 拖车上的内循环水泵改装到 3# 拖车尾部左侧增设的平台上,然后将内循环水泵与 3# 拖车内循环水系统管路连接。将外循环水管直接从外循环水泵连接至 3# 拖车尾部左侧的外循环过滤器,经过滤器连接至内、外循环水的热交换器上。
2.4 出渣系统改造
  根据现场实际情况,针对盾构-2 环前的管片及渣土吊运难题进行论证研究,最终确定在管片小车上方用 H型钢焊接一个门字架,门字架上放置可左右移动滑轮,滑轮上连接一个挂钩,挂钩上放置一个手拉葫芦进行临时吊装平移倒运的方案。同时在拖车与车站站台结构间铺设轨道,并在轨道上放置一个管片小车供运输使用。出渣时,将小渣斗挂在门字架上的手拉葫芦上,人工拉动手拉葫芦将小渣斗提升,并利用门字架上的滑轮将小渣斗平移至管片小车上,然后将管片小车推至适当位置后用叉车叉起小渣斗并运送至另一条隧道的车站预留出渣口处,用龙门吊将小渣斗吊至地面出渣。转运管片时,与上述出渣过程相反。
2.5 主电力系统改造
  由于变压器设置于 4# 拖车,配电柜设置于 3# 拖车,4# 拖车变压器出线母排需使用延长电缆与 3# 拖车配电柜接线,在 3# 拖车尾部右侧增加接线箱,原盾构机变压出线母排接线改接至接线箱,增加接线箱至变压器出线母排延长线。
3 盾构分体始发方案
  由于碧沙湖站始发车站结构长度小于盾构及后配套总长度,所以阜碧区间盾构只能采用“一次始发,二次组装”的始发方式进行施工,即盾构后配套从 3# 拖车分体,4#、5#、6# 拖车放置地面,先将盾构主机及 1#~3# 拖车吊放入井就行组装调试后进行始发掘进,待掘进一定长度后再将 4#~6# 拖车吊放入井进行二次组装,二次组装调试完成后按照整体掘进方式进行盾构施工。盾构分体始发主要工艺流程详见图 2。
3.1 分体始发盾构组装方案
  将盾体、设备桥、1#~3# 拖车下井,其余后配套拖车放置于地面上,利用软管进行管线的延长。延长管线从车站结构预留的盾构吊装孔进入车站内部与 3# 拖车进行连接。3#拖车主要为配电柜、循环水泵、泡沫系统。(图 3、图 4)

3.2 盾构二次组装
  盾构掘进至满足盾构整体正常掘进后,开始对负环管片进行拆除,负环管片拆除后在盾构井内重新进行轨道铺设,利用吊车将位于地面的 4#~6# 拖车下井并平移至洞内进行连接调试,调试合格后进行整机掘进。
3.3 始发掘进
  盾构始发时利用盾构机推进千斤顶和管片将千斤顶推力均匀传递到反力架上,盾尾通过洞门后逐步建立保压始发掘进模式继续掘进。分体始发阶段主要掘进参数如下:
  ①掘进土压:1.8±0.1bar;
  ②刀盘转速:1.3~1.4rpm;
  ③掘进速度:25~35mm/min;
  ④总推:800~1100t 力;
  ⑤刀盘扭矩:1500~2200kN·m;
  ⑥出碴量:≤60m3/环;
  ⑦同步注浆量:6~7m3/环;
  ⑧注浆压力:注浆压力控制在 2.5~3.5bar;
  ⑨盾构轴线纠偏控制:≤4mm/环;
  ⑩盾尾油脂:约 50~80kg/环。
  盾构分体始发掘进施工,盾构掘进与管片拼装交替进行,在掘进过程中,渣土通过渣土运输车运输至盾构始发结构预留洞口处然后通过垂直运输设备提升至地面运出;管片通过垂直运输设备吊入始发井通过管片车运输至盾构主机与后配套连接处后,再通过管片吊机吊运至管片拼装机下方,然后进行管片拼装,管片采用错缝拼装,为先下后上、先纵后环、先标准块再邻接块最后封顶块、左右交叉、纵向插入、封顶成环工艺。
  盾构始发主要施工工序流程如图 5。
3.4 电瓶车编组优化
  盾构分体始发阶段盾构掘进效率取决于出渣效率,合理选择出渣方式和电瓶车编组对盾构始发掘进尤为重要。分体始发初期阶段 1# 拖车同步注浆系统位于井下,为了便于出渣暂不配置砂浆车,而是通过砂浆管路直接将砂浆输送至 1# 拖车上的砂浆罐内,随着盾构掘进的进行待出现可供变化编组空间时及时对电瓶编组进行优化。
3.4.1 第一阶段
  -4 环~-2 环只配置一节运输车根据掘进情况交叉运输渣土和管片,运输渣土采用 1 方的渣斗,受车站底板结构上翻梁影响只能通过门型架将渣斗吊离运输车或将管片吊至运输车。
3.4.2 第二阶段
  -2 环~+4 环继续配置一节运输车根据掘进情况交叉运输渣土和管片,此时施工已不在底板结构上翻梁影响范围内,直接通过叉车倒运渣斗和管片。
3.4.3 第三阶段
  +4 环~+20 环配置两节运输车根据掘进情况交叉运输渣土和管片,直接通过叉车倒运渣斗和管片。此时在车站中板设置砂浆存储罐,地面砂浆搅拌站的砂浆通过输浆管先输送存储在中板砂浆储存罐内,然后再通过输浆管道直接输送至盾构机砂浆存储罐内。
3.4.4 第四阶段
  始发掘进 20 环后,出土口位置脱离拖车范围后,电瓶车重新编组,采用电瓶车机头+两节管片车+ 一节砂浆车+三节渣车进行编组。出渣及管片下井通过出土口进行吊运,砂浆从中板砂浆储存罐接输浆管道输送至砂浆车内。
3.4.5 第五阶段
  始发掘进 68 环满足后续拖车下井长度后,将 4#~6#拖车吊放入井进行二次组装,电瓶车重新编组,采用电瓶车机头+两节管片车+ 一节砂浆车+五节渣车进行编组,以满足正常掘进。
4 结束语
  ①分体始发虽然较整体始发具有始发难度大、初期掘进效率低、对设备要求高等缺点,但其凭借占地面积小、节省工程投资等优点,对城市繁忙地段土地资源紧张地段盾构始发施工具有重要意义。
  ②分体始发需结合工程情况、熟悉设备性能,选择最佳的分体始发方案。本工程在分体始发阶段通过将第 5# 拖车上的出渣口临时改到 3# 拖车上,同时为了减少盾构机上水循环系统延迟管线,将位于第 4# 拖车上的水循环系统临时改到 3# 拖车,待分体始发完成后再按要求复原。
  ③本区间为长沙地铁建设中首次采用分体始发的盾构区间,本次分体始发的顺利实施,对类似工况条件下盾构始发施工具有借鉴意义。

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