CN113494295B - 长大盾构隧道地中对接施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长大盾构隧道地中对接施工方法，两台盾构机地中对接，大幅减少了一台盾构机的独头掘进距离，降低了长距离独头掘进施工通风、出渣、物料运输组织等施工难度；减少了因独头掘进距离过长而导致的盾构密封和耐磨等方面的施工风险，通过优选对接位置及盾构设备主机和刀盘的分块设计，实现了长大盾构隧道对接及设备地中拆解，最终完成交界面处隧道连接，解决了长大盾构隧道建设中的关键技术问题，提高了长大盾构隧道工法选择的灵活性，且施工效率高、土建投资少。

Description

长大盾构隧道地中对接施工方法

技术领域

本发明涉及隧道盾构施工技术领域，具体涉及一种长大盾构隧道地中对接施工方法。

背景技术

随着隧道工程装备和施工技术的不断革新和突破，盾构领域已然朝着超长距离、超大直径、超高水压、超大埋深方向发展，适用的地质条件愈加广阔，建设环境愈发复杂。

对于长/超长距离盾构法隧道的施工，由于过江河湖海或其它客观条件限制不允许设置中间工作井，只能采取单台盾构机一次性掘进施工的情况下，即使采用当今国际上最先进的盾构设备也是一项极大的挑战，而且增加了施工过程中盾构机密封设备和通风防灾等安全风险，同时也不可避免地影响了施工工期。

盾构地中对接是水下长大盾构隧道施工中的一项重要技术，对于降低工期成本、增加经济效益和社会效益具有重要意义。国外的一些重大工程如英法海底隧道、日本的东京湾海底隧道、丹麦的斯德贝尔特海底隧道等工程中对该项技术有所应用。我国盾构对接施工技术研究起步较晚，有待在多方面进行突破，例如，如何妥善解决长大盾构隧道地中对接施工安全及盾构设备拆解施工困难等关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长大盾构隧道地中对接施工方法，以解决长大盾构隧道地中对接施工安全及盾构设备拆解施工困难的技术问题。

基于长期的工程实践经验及相关的技术研究，发明人充分识别了盾构隧道地中对接施工的关键风险点及技术措施在于：一是对接面的地层稳定性，从而确保施工安全；二是对接精度的控制；三是对接区域衬砌的安全性，对接施工拆机时会导致管片应力松弛，需要对衬砌结构进行加固，以保障水下地中对接过程中隧道结构的安全。特别是在高水压条件下，盾构对接过程中的对接精度要求、掘进面稳定性、结构安全性等都给水下盾构对接带来了较大挑战。

基于此，本发明采用如下技术方案：

长大盾构隧道地中对接施工方法，包括如下步骤：

S1，盾构对接区域预选择：结合水文地质条件、施工进度计划及盾构设备状况等因素综合确定，选择地层均一稳定，渗透性满足施工要求的地段；

S2，联系测量：在相对施工的两台盾构机分别距离300m、100m、50m时，对洞内、外控制点进行复测、校核、平差等对接前的联系测量工作；

S3，姿态调整：根据S2联系测量结果，修正盾构掘进姿态，确保最小对接误差；

S4，对接准备：在相对施工的两台盾构机相距30m时，先行盾构机停机，在盾壳背后及尾盾后方50m环箍部位注浆止水，同步焊接管片拉进钢板防止管片松弛造成渗漏；

S5，精准近接：后行盾构机按先行盾构机的刀盘中心轴线方向掘进，当两台盾构刀盘相距20m、10m时，分别利用仓壁预留孔进行钻孔探测，实测两台盾构机的位置，以实测结果为依据进行修正掘进,降低刀盘转速和贯入度（刀盘转速不大于1r/min，贯入度不大于5mm/r），直到两台盾构刀刃面相距20cm左右；

S6，清仓循环：通过泥浆循环系统对泥水仓进行循环清仓，排除仓内残留渣土；

S7，变径对接：后行侧盾构刀盘径向收缩，轴向后退1.0m至前盾壳体内，先行盾构刀盘后退3.0cm贴紧切口环 ，后行盾构继续推进，使切口环抵拢先行盾构刀盘面板；

S8，降低液位：液位降至半仓并稳定仓内压力，保证洞周地层稳定；

S9，冻位止水：通过刀盘及盾壳内附着式冻结管，采用盐水或液氮对对接口部位地层进行环状冻结止水；

S10，接口封堵：待冻结效果达到要求后，常压开仓，沿对接口环向焊接封堵钢板，使壳体、刀盘大圆环、封堵钢板和冻结体形成整体受力体系，支撑外部土体压力；

S11，拆机外运：从盾构拖车尾部向主机方向，依次拆解外运至始发井吊出；

S12，衬砌现筑：盾构拆机完成后，采用模板台车，对对接段进行结构回筑。

优选的，所述步骤S11中盾构设备拆解步骤如下：

（1）拆机准备：采用纵向拉紧装置，对临近对接位置的若干盾构管片纵向拉紧固定；盾体外侧压注水泥浆，固定盾体；临近对接位置的若干盾构管片进行背后填充注浆，封堵地下水；对需要设置吊耳处的盾体的厚度进行超声波检测，复核承载力是否满足拆机吊装要求；

（2）台车拆解：从尾部台车开始，向主机方向按顺序逐步拆解台车，运输至盾构始发端吊出；

（3）管片安装机拆解：平板车行驶至拼装机下部，通过倒链与千斤顶配合将管片安装机固定在平板车上，运输至盾构始发端吊出；

（4）推进油缸拆解：拆除油缸撑靴及尾部固定螺栓，将推进油缸逐根拆除，运输至盾构始发端吊出；

（5）米子梁拆解：利用临时吊耳及辅助倒链将米字梁拆除、吊运并固定在平板车上，运输至盾构始发端吊出；

（6）人仓拆解：在盾体上设置吊耳，通过倒链将人仓吊运至平板车运输至始发端吊出；

（7）中盾拆解：刨除中盾分块间连接焊缝，先拆除顶部分块，然后自上而下、左右对称依次拆除其余分块，吊运至平板车运输至始发端吊出；

（8）主驱动拆解：拆除连接螺栓及附件，纵向水平抽出主驱动装置，在盾壳上安装导链吊起主驱动然后装至运输车辆，运输至始发端吊出；

（9）前盾拆解：刨除前盾分块间连接焊缝，先拆除顶部分块，然后自上而下、左右对称依次拆除其余分块，吊运至平板车运输至始发端吊出；

（10）刀盘拆解：切割刀盘背部的主动搅动棒，利用倒链辅助，遵循自上而下、对称分割原则，切割刀盘边块，最后拆除刀盘中心块，运输至始发端吊出。

优选的，所述先行盾构机采用收缩刀盘，且其刀盘和前盾2～4m范围内设有一定数量的附着式冻结管。

优选的，所述后行盾构机采用变径刀盘，在前盾壳体2～4m范围设有一定数量的附着式冻结管。

优选的，先行盾构机和后行盾构机预留2排超前钻孔，在盾壳沿圆周方向均匀布设，外插角13°，孔径110mm，间距1～1.2m；且盾构主机及刀盘为分块式组合结构，方便洞内拆卸。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

本发明有效识别出了盾构隧道地中对接施工的关键风险点，并有效的采取关键技术措施（如提升并确保对接面地层稳定性、精确控制对接精度、提升对接区域衬砌的安全性），进而实现长大盾构隧道地中对接及盾构设备地中接收、拆解，最终完成工法交界面处隧道连接，解决了对接工法地中隧道建设中的关键技术问题，提高了长大盾构隧道建设工法选择的灵活性，且施工工效高、土建投资少，能够确保工期进度。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例：无锡S2线城际铁路地下线地中对接施工

项目概况：S2线线路全长约71.6km，规划地下线长度约57.6km，高架线长度约14km。其中马山站—葛埭桥站全长16.39km，两始发工作井隧道总长度为10.329km，下穿梅梁湖水域长约8.1km。盾构穿越地层主要为黏质粉土、砂质粉土、粉砂和砂质泥岩。

盾构专项设计制造：

根据本工程特点及水文地质情况，专项设计和定制两台大直径泥水盾构。

（1）葛埭桥侧（先行）盾构采用硬岩收缩刀盘，刀盘和前盾3m范围内设置8根φ40mm附着式冻结管。

（2）马山侧（后行）盾构采用软土变径刀盘，在前盾壳体3m范围设置5根φ40mm附着式冻结管。

（3）两台盾构均预留2排超前钻孔，在盾壳沿圆周方向均匀布设，外插角13°，孔径110mm，间距1～1.2m。

（4）盾构主机及刀盘分块设计，方便洞内拆卸。

（5）根据内部净空尺寸、口型件承载力，控制盾构部件单件的最大尺寸及重量，确保洞内拆卸和运输便利。

地中对接方案实施：

S1，盾构对接区域预选择：

（1）对接区域地质水文评价：对地层进行勘探调研，选择弱风化地层岩石单轴抗压强度较高，为渗透系数较小的地段；对于破碎地层对接区域应进行周边地层注浆加固；在其余地段选择对接时应提前探测前方地层情况，并开仓检测，根据不同地质情况选择不同的施工方案。

（2）对接区域地层稳定性分析：采取地质钻孔，对地层构成，分布，产状，完整度等特征进行充分的分析，评价其是否适合长时间停机；结合水文地质条件、施工进度计划及盾构设备状况等因素综合确定，选择地层均一稳定，渗透性小的地段。

S2，联系测量：对接测量方案：水下隧道盾构对接测量方案平面控制可采用GPS跨江联测，洞内导线采用单洞双导线，以满足施工所需精度；贯通测量误差评估：隧道对接既要满足高程贯通误差精度，又要保证横向贯通误差精度，根据相关规程，对高程和平面误差进行估算，务必满足误差和精度控制要求；在两台盾构机分别距离300m、100m、50m时，对洞内、外控制点进行复测、校核、平差等对接前的联系测量工作。

S3，姿态调整：根据S2联系测量结果，修正盾构掘进姿态，确保最小对接误差。

S4，对接准备：先行到达的盾构在到达的前30环提前开舱进行地质检查，选择一段较好地层进行对接作业；在地层满足对接条件时，停机保压进行地层加固作业；利用多次平差GPS联测，保证贯通限差满足设计要求；在两台盾构机相距30m时，葛埭桥侧（先行）盾构机停机，盾壳背后及尾盾后方50m环箍部位注浆止水，同步焊接管片拉进钢板防止管片松弛造成渗漏。

S5，精准近接：在2台盾构刀盘皆进入对接段，相距30环时双方开舱检查地层，由双方施工单位、监理、设计及建设单位地质专家进舱进行确认，根据地层稳定性及涌水量综合评判，共同选择地层较好一方作为对接施工位置；对接位置确定后，地层较好的盾构停机保压进行注浆作业，舱内压力设定为保证大于自然静水压力，以保证舱内液位不上涨。另一台盾构进行掘进施工，掘进至刀盘相距3m时调整参数，逐步降低刀盘转速和贯入度（刀盘转速不大于1r/min，贯入度不大于5mm/r），尽量保证掌子面不掉大块，以免堵塞泥浆环流，相距20cm时停止掘进。

S6，清仓循环：利用盾构机泥浆循环系统连续循环清仓，排除仓内残留渣土。

S7，变径对接：马山侧（后行）盾构机刀盘径向收缩，轴向后退1m至前盾壳体内，葛埭桥侧（先行）盾构刀盘后退3.0cm贴紧切口环 ，马山侧（后行）盾构继续推进，使切口环抵拢葛埭桥侧（先行）刀盘面板。

S8，降低液位：液位降至半仓并稳定仓内压力，保证洞周地层稳定。

S9，冻结止水：通过刀盘及盾壳内附着式冻结管，采用盐水或液氮对对接口部位地层进行环状冻结止水。

S10，接口封堵：待冻结效果达到要求后，常压开仓，沿对接口环向焊接封堵钢板，使壳体、刀盘大圆环、封堵钢板和冻结体形成整体受力体系，支撑外部土体压力。

S11，拆机外运：盾构后配套设备采用局部拆解运输，利用平板汽车运输出洞，盾构主机及刀盘采用分部件或分块拆除运输出洞；拆机顺序依次为：拆机准备；管片安装机拆解；推进油缸拆解；米字梁拆解；人仓拆解；中盾拆解；主轴承拆解；前盾拆解；刀盘拆解；依次拆解外运至始发井吊出。

S12，衬砌现筑：盾构拆除后，先一次性施工1/3洞周的弧形隧底填充，高度与隧底管片内弧面齐平，长24m；强度满足设计要求后，再采用12m的模板衬砌台车分2次衬砌完成。衬砌钢筋焊接于管片侧面预埋钢板处，现浇混凝土和管片间止水采用300mm厚的止水钢板，衬砌分段施作，每段12m。施工流程：隧底填充—钢筋绑扎-止水钢板安装—台车步进到位-模板、堵头安装-混凝土灌注-混凝土等强脱模-下一个循环。

盾构洞内拆机是关键，也是施工风险相对来说最大的环节，需要提前进行技术研究和筹备工作。首先，在盾构设计制造时要考虑盾构洞内拆机的基本理念和具体参数要求，保证洞内拆机可行性。另外，在拆机前制定详细的方案，主要包括拆机的总体思路和拆解顺序安排、辅助工装加工、吊点设置、吊具加工购置、分块大小编排、下落翻身设计、运输组织等。

盾构后配套设备采用局部拆解运输，利用平板汽车运输出洞，盾构主机及刀盘采用分部件或分块拆除运输出洞。盾构主机部件、设备的吊装主要采用在盾壳焊接及在管片螺栓上安装吊耳、吊梁，设置手拉葫芦吊装，在下部设置支撑、作业平台等工装措施，个别部件利用液压千斤顶辅助拆卸、翻身和吊装，从而完成各个部分的拆装和运输。

上述步骤中S11盾构设备拆解作业步骤如下：

（1）拆机准备：采用纵向拉紧装置，对临近对接位置若干盾构管片纵向拉紧固定；盾体外侧压注水泥浆，固定盾体；临近对接位置若干盾构管片进行背后填充注浆，封堵地下水；对需要设置吊耳处的盾体的厚度进行超声波检测，复核承载力是否满足拆机吊装要求。

（2）台车拆解：从尾部台车开始，向主机方向按顺序逐步拆解台车，运输至盾构始发端吊出。

（3）管片安装机拆解：平板车行驶至拼装机下部，通过倒链与千斤顶配合将管片安装机固定在平板车上，运输至盾构始发端吊出。

（4）推进油缸拆解：拆除油缸撑靴及尾部固定螺栓，将推进油缸逐根拆除，运输至盾构始发端吊出。

（5）米子梁拆解：利用临时吊耳及辅助倒链将米字梁拆除、吊运并固定在平板车上，运输至盾构始发端吊出。

（6）人仓拆解：在盾体上设置吊耳，通过倒链将人仓吊运至平板车运输至始发端吊出。

（7）中盾拆解：刨除中盾分块间连接焊缝，先拆除顶部分块，然后自上而下、左右对称依次拆除其余分块，吊运至平板车运输至始发端吊出。

（8）主驱动拆解：拆除连接螺栓及附件，纵向水平抽出主驱动装置，在盾壳上安装导链吊起主驱动然后装至运输车辆，运输至始发端吊出。

（9）前盾拆解：刨除前盾分块间连接焊缝，先拆除顶部分块，然后自上而下、左右对称依次拆除其余分块，吊运至平板车运输至始发端吊出。

（10）刀盘拆解：切割刀盘背部的主动搅动棒，利用倒链辅助，遵循自上而下、对称分割原则，切割刀盘边块，最后拆除刀盘中心块，运输至始发端吊出。

在选择吊装超过20t的重物时，尽量考虑多吊点吊装，减小单个吊耳和单个吊链的负重，确保吊装的安全。盾构拆机时尽量把盾构机内重大部件进行分割、拆解后再运出，降低单次吊装的质量，对于主轴承等无法拆卸的部件，采用多吊点吊装，吊点尽量设置在盾壳上，防止局部荷载过大造成管片衬砌失稳。

地中对接优势：

该工程项目采用两台盾构地中对接，大幅减少了一台盾构的独头掘进距离，降低了长距离独头掘进施工通风、出渣、物料运输组织等施工难度；减少了因独头掘进距离过长而导致的盾构密封和耐磨等方面的施工风险。

该技术方案能够确保工期、节能环保、节约投资，其符合隧道建设行业发展趋势。

另外相对于水域内设置竖井，采用地中对接方案线路的线型可由“W”型优化为“V”型，线路优化后可选取地质条件比较好的地层作为对接地层，既保证了地中对接施工的安全可靠，又利于后期隧道运行节能和提高乘车舒适度。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关方法及步骤进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (5)

1.一种长大盾构隧道地中对接施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，盾构对接区域预选择：结合水文地质条件、施工进度计划及盾构设备状况等因素综合确定，选择地层均一稳定，渗透性满足施工要求的地段；

S2，联系测量：在相对施工的两台盾构机分别距离300m、100m、50m时，对洞内、外控制点进行复测、校核、平差等对接前的联系测量工作；

S3，姿态调整：根据S2联系测量结果，修正盾构掘进姿态，确保最小对接误差；

S4，对接准备：在相对施工的两台盾构机相距30m时，先行盾构机停机，在盾壳背后及尾盾后方50m环箍部位注浆止水，同步焊接管片拉进钢板防止管片松弛造成渗漏；

S5，精准近接：后行盾构机按先行盾构机的刀盘中心轴线方向掘进，当两台盾构刀盘相距20m、10m时，分别利用仓壁预留孔进行钻孔探测，实测两台盾构机的位置，以实测结果为依据进行修正掘进，降低刀盘转速和贯入度，使刀盘转速不大于1r/min，贯入度不大于5mm/r，直到两台盾构刀刃面相距15～25cm；

S6，清仓循环：通过泥浆循环系统对泥水仓进行循环清仓，排除仓内残留渣土；

S7，变径对接：后行侧盾构刀盘径向收缩，轴向后退1.0m至前盾壳体内，先行盾构刀盘后退3.0cm贴紧切口环 ，后行盾构继续推进，使切口环抵拢先行盾构刀盘面板；

S8，降低液位：液位降至半仓并稳定仓内压力，保证洞周地层稳定；

S9，冻位止水：通过刀盘及盾壳内附着式冻结管，采用盐水或液氮对对接口部位地层进行环状冻结止水；

S10，接口封堵：待冻结效果达到要求后，常压开仓，沿对接口环向焊接封堵钢板，使壳体、刀盘大圆环、封堵钢板和冻结体形成整体受力体系，支撑外部土体压力；

S11，拆机外运：从盾构拖车尾部向主机方向，依次拆解外运至始发井吊出；

S12，衬砌现筑：盾构拆机完成后，采用模板台车，对对接段进行结构回筑。

2.根据权利要求1所述的长大盾构隧道地中对接施工方法，其特征在于，在所述步骤S11中，盾构机拆机步骤包括：

（1）拆机准备：采用纵向拉紧装置，对临近对接位置的若干盾构管片纵向拉紧固定；盾体外侧压注水泥浆，固定盾体；临近对接位置的若干盾构管片进行背后填充注浆，封堵地下水；对需要设置吊耳处的盾体的厚度进行超声波检测，复核承载力是否满足拆机吊装要求；

（2）台车拆解：从尾部台车开始，向主机方向按顺序逐步拆解台车，运输至盾构始发端吊出；

（3）管片安装机拆解：平板车行驶至拼装机下部，通过倒链与千斤顶配合将管片安装机固定在平板车上，运输至盾构始发端吊出；

（4）推进油缸拆解：拆除油缸撑靴及尾部固定螺栓，将推进油缸逐根拆除，运输至盾构始发端吊出；

（5）米子梁拆解：利用临时吊耳及辅助倒链将米字梁拆除、吊运并固定在平板车上，运输至盾构始发端吊出；

（6）人仓拆解：在盾体上设置吊耳，通过倒链将人仓吊运至平板车运输至始发端吊出；

（7）中盾拆解：刨除中盾分块间连接焊缝，先拆除顶部分块，然后自上而下、左右对称依次拆除其余分块，吊运至平板车运输至始发端吊出；

（8）主驱动拆解：拆除连接螺栓及附件，纵向水平抽出主驱动装置，在盾壳上安装导链吊起主驱动然后装至运输车辆，运输至始发端吊出；

（9）前盾拆解：刨除前盾分块间连接焊缝，先拆除顶部分块，然后自上而下、左右对称依次拆除其余分块，吊运至平板车运输至始发端吊出；

（10）刀盘拆解：切割刀盘背部的主动搅动棒，利用倒链辅助，遵循自上而下、对称分割原则，切割刀盘边块，最后拆除刀盘中心块，运输至始发端吊出。

3.根据权利要求1所述的长大盾构隧道地中对接施工方法，其特征在于，所述先行盾构机采用收缩刀盘，且其刀盘和前盾2～4m范围内设有一定数量的附着式冻结管。

4.根据权利要求1所述的长大盾构隧道地中对接施工方法，其特征在于，所述后行盾构机采用变径刀盘，在前盾壳体2～4m范围设有一定数量的附着式冻结管。

5.根据权利要求1所述的长大盾构隧道地中对接施工方法，其特征在于，先行盾构机和后行盾构机预留2排超前钻孔，在盾壳沿圆周方向均匀布设，外插角13°，孔径110mm，间距1～1.2m；且盾构主机及刀盘为分块式组合结构，方便洞内拆卸。