盾構(gòu)掉頭技術(shù)

1、.地下洞室盾構(gòu)機調(diào)頭中鐵一局廣州軌道交通三號線客大盾構(gòu)區(qū)間項目部地下洞室盾構(gòu)機調(diào)頭技術(shù)QC小組二00四年四月地下洞室盾構(gòu)機調(diào)頭一、概述中鐵一局廣州軌道交通三號線客大盾構(gòu)區(qū)間是我局第一次采用盾構(gòu)法施工的隧道工程，本工程竣工填補了我局在盾構(gòu)法施工中的空白，盾構(gòu)機在地下洞室內(nèi)調(diào)頭，在國內(nèi)尚屬首次。我項目部在2004年元月至2月順利地完成了地下洞室內(nèi)的盾構(gòu)機調(diào)頭，填補了此項空白。客大盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道采用一臺盾構(gòu)機掘進施工，從大塘站右線下井始發(fā)向北掘進，到達客村折返段后在暗挖隧道內(nèi)調(diào)頭移至左線。又向南繼續(xù)掘進施工左線。完成左線掘進后在大塘站解體吊出。如盾構(gòu)隧道掘進過程示意圖所示。 圖1 盾構(gòu)隧道掘進過程

2、示意圖本工程選用的S235海瑞克盾構(gòu)機主機長8.32m，調(diào)頭時主機附帶螺旋輸送機總長達12m，理論直徑6.28m，總重約300t；后配臺車?yán)碚撝睆?.1m（局部超限），輪心距7.7m，1、2、3、4號臺車全長9.5m，橋架長13.5m， 5號臺車全長14m，后配臺車最重為2號臺車，重約40t。主機調(diào)頭在暗挖隧道內(nèi)完成，隧道調(diào)頭斷面設(shè)寬10.5m橫通道供盾構(gòu)機調(diào)頭從右線到達左線，左線盾構(gòu)始發(fā)長度15.908m，詳見圖3；后配臺車在6（長）24（寬）m的施工豎井下調(diào)頭，施工豎井口部有三道等分中隔壁，左右線卡口部位最大距離只有7.6m，臺車調(diào)頭后通過最大凈空只有5.2m馬蹄形隧道到達始發(fā)位置與主機連

3、接始發(fā)。盾構(gòu)調(diào)頭施工條件苛刻。廣州地鐵三號線客大區(qū)間大塘圖2 盾構(gòu)主機圖圖3 盾構(gòu)主機調(diào)頭位置擴大洞室結(jié)構(gòu)平面圖二. 小組簡介1.小組活動簡介因為在國內(nèi)首次進行地下洞室盾構(gòu)機調(diào)頭，本項目自投標(biāo)階段直到實施階段，一直非常重視這次調(diào)頭施工。在項目部成立初期，就緊密圍繞地下洞室調(diào)頭這一課題，成立了QC小組。積極開展調(diào)頭技術(shù)準(zhǔn)備與創(chuàng)新、調(diào)頭施工攻關(guān)活動，解決調(diào)頭施工中存在的重點、難點問題，攻克技術(shù)難點，不斷的優(yōu)化調(diào)頭方案，為協(xié)調(diào)調(diào)頭施工條件和調(diào)頭施工場地提供方案，提高調(diào)頭施工實施的效率和質(zhì)量。2.小組活動列表三. 選題理由理由一：由于三號線在客村站以南設(shè)有與二號線的聯(lián)絡(luò)線及折返線，其隧道斷面變化大，用

4、暗挖法施工。盾構(gòu)從大塘站始發(fā)，貫通右線后到達客大暗挖區(qū)間，盾構(gòu)機在暗挖隧道內(nèi)無法吊出，盾構(gòu)機必須在暗挖段特設(shè)的擴大洞室進行調(diào)頭再繼續(xù)左線施工，在關(guān)門工期確定的情況下，盾構(gòu)調(diào)頭施工時間直接關(guān)系到左線始發(fā)掘進的早晚，是客大盾構(gòu)項目的關(guān)鍵工期，直接影響本工程是否能按期完工或提前完工。理由二：盾構(gòu)機在地下洞室內(nèi)調(diào)頭，在國內(nèi)尚屬首次，無相關(guān)施工先例，且調(diào)頭施工條件苛刻。四. 掌握現(xiàn)狀、明確難點與突破口現(xiàn)狀：1、集團公司首次涉足盾構(gòu)施工，盾構(gòu)法施工技術(shù)的研究也只是前期技術(shù)儲備，未涉足真正的施工。對盾構(gòu)調(diào)頭也只限于書面的認(rèn)識，且項目部技術(shù)人員和施工班組也均初次接觸盾構(gòu)施工，這就需QC小組盡快的切入盾構(gòu)法施工

5、和盾構(gòu)調(diào)頭工藝，邊學(xué)邊教，帶動整個項目部相關(guān)人員真正的掌握盾構(gòu)調(diào)頭施工方法。2、投標(biāo)時由于對邊界條件不清楚，對盾構(gòu)調(diào)頭實際需要空間和場地也不明確，僅根據(jù)招標(biāo)文件提供的條件，做了盾構(gòu)機調(diào)頭的投標(biāo)方案（方案一）；3、進場后了解到，暗挖區(qū)間隧道正在施工，并可在盾構(gòu)到達前完工，能夠提供一定的條件。于是，本小組詳細研究暗挖區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，又提出了在兩線之間打一個斜洞連接，做為左線掘進運輸通道的初步方案（方案二）。4、后來在相鄰暗挖區(qū)間標(biāo)段施工特設(shè)盾構(gòu)調(diào)頭擴大洞室前，出于地面沉降控制、地面建筑物保護及暗挖施工風(fēng)險等原因，最終擴大洞室橫通道從投標(biāo)時設(shè)計的12m縮短為最終10.5m，因此，本小組又提出了新的實施

6、方案（方案三）。5、隨著對調(diào)頭施工方案的深化，盾構(gòu)機調(diào)頭施工方案直接關(guān)系到左線隧道施工的運輸方案，左線隧道施工運輸方案直接影響本工程是否能按期完工或提前完工。難點：1、QC小組成員、現(xiàn)場技術(shù)人員及施工班組均初次接觸盾構(gòu)施工，對盾構(gòu)調(diào)頭只限于書面認(rèn)識，無任何相關(guān)經(jīng)驗。2、盾構(gòu)機在客村折返段暗挖隧道內(nèi)調(diào)頭，調(diào)頭施工條件苛刻。1）調(diào)頭結(jié)構(gòu)斷面從投標(biāo)時設(shè)計的12m縮短為最終10.5m，大大增加了長12m直徑6.28m重300t的盾構(gòu)主機在特設(shè)的擴大洞室調(diào)頭的難度。2）后配臺車需往返穿越267m礦山法隧道，在624m的施工豎井下調(diào)頭，且施工豎井有三道等分中隔壁，施工豎井左右線卡口部位最大距離只有7.6m

7、。為吊車起吊臺車增加了難度3）左線馬蹄形小斷面礦山法隧道最大凈空只有5.2m，而后配臺車?yán)碚撝睆骄蜑?.1m，且有局部超限。這使臺車調(diào)頭后從左線礦山法隧道到達始發(fā)位置變的異常困難。突破口：根據(jù)以上施工難點，小組經(jīng)過認(rèn)真分析、研究，決定將以下兩方面作為解決問題的突破口：1、派QC小組成員去南京等地實地考察學(xué)習(xí)，了解目前常規(guī)盾構(gòu)調(diào)頭技術(shù)，項目部經(jīng)常內(nèi)部組織相關(guān)人員對盾構(gòu)機調(diào)頭方案進行討論，并就調(diào)頭方案多次請業(yè)主、監(jiān)理及相關(guān)專家進行論證。 2、進一步加深對盾構(gòu)機本體及后配套的認(rèn)識，詳細了解掌握盾構(gòu)機細部構(gòu)造和尺寸，針對實際調(diào)頭條件作出相應(yīng)的盾構(gòu)機拆裝方案。3、對調(diào)頭位置結(jié)構(gòu)進行實測，準(zhǔn)確掌握調(diào)頭位置

8、實際尺寸。QC小組結(jié)合調(diào)頭位置結(jié)構(gòu)尺寸、盾構(gòu)機尺寸、重量，就調(diào)頭關(guān)鍵位置、卡口部位和關(guān)鍵步驟用計算機詳細模擬調(diào)頭步驟，保證方案的可靠性和易操作性，發(fā)揮技術(shù)先導(dǎo)的作用。五. 確定目標(biāo)值及可行性認(rèn)證目標(biāo)值：目標(biāo)一：保證盾構(gòu)機主體及后拖臺車在一個月內(nèi)順利調(diào)頭并一次順序組裝到位。目標(biāo)二：要對調(diào)頭后左線始發(fā)及正常掘進時的出碴運輸、通風(fēng)等施工要素予以優(yōu)化，要為后續(xù)工程的施工創(chuàng)造條件。目標(biāo)三：努力降低成本，經(jīng)濟上要合理、可行。目標(biāo)四：為集團公司、國內(nèi)地下洞室盾構(gòu)機調(diào)頭提供借鑒經(jīng)驗。目標(biāo)分析：1、盾構(gòu)調(diào)頭施工時間長短直接關(guān)系到左線始發(fā)的早晚，是本工程的關(guān)鍵工期，一個月內(nèi)完成調(diào)頭施工將減輕左線工期壓力，并對后期

9、施工能創(chuàng)造良好的條件，這也是我們開展本次活動的動力，且參考國內(nèi)外常規(guī)調(diào)頭施工案例，此目標(biāo)具有可實施性。2、本項目中標(biāo)價較低，成本壓力大，調(diào)頭又是合價包干項目，在保證工期和安全的前提下，努力降低成本，這關(guān)系到項目部的切實效益，是此次活動目標(biāo)實現(xiàn)的的又一動力。3、調(diào)頭方案不是單體方案，它和左線施工運輸方案息息相關(guān)，必須綜合考慮。4、本小組匯聚了項目部的技術(shù)骨干，并有各級領(lǐng)導(dǎo)的重視與大力支持，這是實現(xiàn)目標(biāo)的堅實基礎(chǔ)和可靠保證。因此，我們有能力、有信心完成既定目標(biāo)。六. 制定對策及方案比選、優(yōu)化1、投標(biāo)時的初步方案（方案一）：投標(biāo)時由于對邊界條件不清楚，對盾構(gòu)調(diào)頭實際需要空間和場地也不明確，僅根據(jù)招標(biāo)

10、文件提供的條件，做了盾構(gòu)機調(diào)頭的方案（見圖4）。需將盾構(gòu)機推進K型擴大暗挖斷面，后拖臺車亦在L型斷面倒序調(diào)頭。圖4 投標(biāo)盾構(gòu)機調(diào)頭方案示意圖2、增設(shè)斜通道的方案（方案二）：進場后了解到，暗挖區(qū)間隧道正在施工，并可在盾構(gòu)到達前完工，能夠提供一定的條件。于是，QC小組詳細研究暗挖區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，提出了在兩線之間打一個斜洞連接，做為左線掘進運輸通道的方案（見圖5）。此方案申報業(yè)主后，得到原則同意，但要求斜洞應(yīng)由暗挖區(qū)間承包商施工。經(jīng)多次協(xié)商后，一是斜洞選擇的位置，二是斜洞的價格難以談下來，方案擱置。圖5 增設(shè)斜通道盾構(gòu)機調(diào)頭方案示意圖3、利用暗挖豎井底部空間的方案（方案三）：在與暗挖區(qū)間承包商接觸的過

11、程中，QC小組逐步深入了解了暗挖區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)形式，并對現(xiàn)場進行了多次實際察看，提出新的方案（見圖6）。即：圖6 利用暗挖豎井底部空間盾構(gòu)機調(diào)頭示意圖（1） 盾構(gòu)機主體在擴大的地下洞室L型斷面調(diào)頭；（2） 后拖臺車?yán)冒低趨^(qū)間豎井及右線的大斷面隧道，調(diào)頭并轉(zhuǎn)至左線。 （3） 在豎井處設(shè)道岔轉(zhuǎn)至右線返回大塘站出碴運輸。 （4） 將方案一中k斷面的暗挖改為盾構(gòu)掘進，增加12米盾構(gòu)隧道。4、方案的初步比選（1）方案一滿足盾構(gòu)機本體和后拖臺車調(diào)頭要求。但運輸條件困難，尤其在始發(fā)時的出碴進料將十分困難。必須要保留12米K型擴大暗挖斷面隧道。（2）方案二提出，斜通道在E型或F型斷面處設(shè)置，且要求將A2斷面由

12、5.2m擴大至5.4m，能滿足調(diào)頭要求。但由于此處設(shè)斜洞對整個隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有所影響，設(shè)計院只同意D型斷面處設(shè)置斜通道。這樣，只能做為運輸通道，雖然能滿足始發(fā)與正常掘進時的運輸要求，但不能在此實現(xiàn)后拖臺車的調(diào)頭，就必須保留12米K型擴大暗挖斷面隧道。新增斜通道等需支出費用。圖7 方案二、三運輸線路比較圖（3）方案三能滿足盾構(gòu)機主體和后拖臺車分節(jié)整體調(diào)頭的要求，還可將K斷面12米暗挖改為盾構(gòu)掘進，也能滿足運輸要求。但較方案二鋪設(shè)線路長度要增加330米，今后的運輸里程也增加330米，且因豎井以北距離只有38m，列車不能正常編組，給左線施工運輸帶來一定困難。見圖7。5、小結(jié)通過初步比選，方案三比較可行

13、。但運輸線路增長給今后的施工帶來一些困難，能否就此做進一步優(yōu)化成為方案研究的關(guān)鍵。6、方案三的延展轉(zhuǎn)場上述三個方案，在盾構(gòu)機調(diào)頭后，出碴進料均要通過1500米的右線隧道，風(fēng)、水、電系統(tǒng)也要經(jīng)1500米的隧道再轉(zhuǎn)接到左線（參見圖7）。且右線始終是運輸通道，進行聯(lián)絡(luò)通道等附屬和后續(xù)工程施工時，相互干擾大。在對調(diào)頭方案的研究過程中，對利用客大暗挖區(qū)間施工場地的可能性有了進一步的認(rèn)識。經(jīng)反復(fù)分析，多次與業(yè)主、暗挖承包商聯(lián)絡(luò)協(xié)調(diào)，提出了轉(zhuǎn)場方案。即在盾構(gòu)機調(diào)頭后將原設(shè)在大塘站的龍門吊等場內(nèi)設(shè)備移至客村暗挖豎井場地，從豎井出土、進料、通風(fēng)、供電、給排水，將在大塘站的盾構(gòu)施工主場地轉(zhuǎn)移至客村。這樣，就從根本

14、上解決了方案三存在的運輸組織不盡合理的問題。7、盾構(gòu)主機旋轉(zhuǎn)平移方法的比選盾構(gòu)主機調(diào)頭常規(guī)采用在主機托架和基面鋼板間放置滾杠或鋼珠萬向輪實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平移，這種方法在掉頭中托架與基面摩擦力小，但在盾構(gòu)機主機步入托架后，要將320t的盾構(gòu)機及托架同步頂升起一定高度，在托架下放置滾杠或鋼珠萬向輪；在調(diào)頭完成并移動到始發(fā)位置后，又需再一次頂升，將滾杠或鋼珠萬向輪取出，這種方法一頂升320t盾構(gòu)機施工較麻煩，并增加了施工安全風(fēng)險。我QC小組經(jīng)過計算論證，擬采用托架在基面鋼板上直接旋轉(zhuǎn)和平移的方法替代常規(guī)方法，并采取以下三點措施減少托架與基面鋼板的摩擦力：（1）基面鋪設(shè)鋼板時加固牢靠，并用角磨機打磨光滑。（2

15、）在托架底部和基面鋼板上涂抹潤滑油。（3）在頂推旋轉(zhuǎn)過程種，設(shè)計布置好實現(xiàn)力偶與力矩最佳頂推點。兩種方法比選如下表所示，經(jīng)過比選，采用托架直接在鋼板上平移滑動的方法，詳見圖8。盾構(gòu)主機旋轉(zhuǎn)平移方法比選表項目摩擦力（理論值）G主要設(shè)備要求優(yōu)缺點相應(yīng)措施原方案（30020）t0. 0412.8t4個（100t）帶自鎖裝置1、摩擦力較小2、需同步頂升320t盾構(gòu)主機，施工較繁瑣，安全風(fēng)險大3、對千斤頂設(shè)備要求高1、做好盾構(gòu)機頂升安全措施2、實現(xiàn)設(shè)計加工好鋼珠萬向輪或滾杠優(yōu)化方案靜摩擦（30020）t0.1248t滑動摩擦（30020）t0.132t2個（80t）1、摩擦力較大2、簡單易行，消除盾構(gòu)頂

16、升施工風(fēng)險，且用時較短3、對設(shè)備要求低1、固定好基面鋼板并打磨光滑2、在托架底部和基面鋼板上涂潤滑油3、布置好千斤頂力矩和力偶最佳位置圖8 盾構(gòu)調(diào)頭斷面圖七. 實施1、盾構(gòu)機主機調(diào)頭施工（1）盾構(gòu)機接收1）先在洞門前按盾構(gòu)機到達的實際姿態(tài)調(diào)整好托架位置和高度，再把托架焊接固定在地面的鋼板上，在托架前方和托架兩側(cè)用工字鋼和限位快固定，固定好托架，防止盾構(gòu)機步入托架時托架發(fā)生移動，接收托架平面位置和托架固定圖詳見圖8。圖8 盾構(gòu)機接收平面位置及托架固定示意圖2）盾構(gòu)機進洞零環(huán)脫出盾尾后，進行主體與后配套分離，并在托架上設(shè)千斤頂，一直將盾構(gòu)機推到刀盤（750mm）全部伸出托架懸空為止。3）盾構(gòu)機完全

17、步入托架上后，拆除托架所有的固定。開始盾構(gòu)機調(diào)頭施工。盾構(gòu)機接收橫斷面圖詳見圖9。圖9 盾構(gòu)機調(diào)頭位置及拖架接收橫斷面示意圖 （2）盾構(gòu)機主機調(diào)頭1）將鋼板上的泥和土等雜物清理干凈，在鋼板上涂抹黃油。2）將托架與盾構(gòu)機固定在一起，先通過倒鏈并用千斤頂輔助將盾構(gòu)機向左前方拉出事先模擬的距離，使人和設(shè)備可以到托架的四周進行調(diào)頭施工。 3）再依照既定盾構(gòu)機調(diào)頭模擬位置，根據(jù)鋼板上已經(jīng)標(biāo)志出的托架旋轉(zhuǎn)平移位置及趨勢平移旋轉(zhuǎn)盾構(gòu)機和托架。調(diào)頭步驟詳見圖10： 第一步 第二步 第三步 第四步 第五步 第六步 第七步 第八步 第九步圖10 盾構(gòu)機調(diào)頭步驟示意圖盾構(gòu)機平移在鋼板上焊工字鋼鋼塊作為千斤頂反力支座

18、，用4臺80t千斤頂在托架最佳頂推位置附近按實際需要頂推托架，使托架移動和轉(zhuǎn)動，頂推過程中可以在托架和千斤頂之間加設(shè)工字鋼墊塊增加千斤頂行程；在頂進一定長度后調(diào)整千斤頂反力支座鋼塊位置，使托架及盾構(gòu)機按預(yù)定軌跡平移。 盾構(gòu)機旋轉(zhuǎn)托架旋轉(zhuǎn)時在托架旋轉(zhuǎn)中心的角上用一千斤頂作為支點，用另外千斤頂在托架最佳頂推位置附近頂推托架，形成旋轉(zhuǎn)力偶，使托架以固定轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)中心按預(yù)定旋轉(zhuǎn)軌跡旋轉(zhuǎn)。 4）盾構(gòu)機旋轉(zhuǎn)平移到左線后，在始發(fā)處調(diào)整并固定好托架，對盾構(gòu)機進行系統(tǒng)檢修保養(yǎng)。 2、盾構(gòu)機后配臺車調(diào)頭施工在盾構(gòu)主機調(diào)頭的過程中，即對臺車進行分解，在盾構(gòu)主機調(diào)完頭后，即可進行后配臺車調(diào)頭。調(diào)頭方法大噸位吊車在施工

19、豎井將臺車吊起，根據(jù)現(xiàn)場條件，不斷變化吊點，旋轉(zhuǎn)180后實現(xiàn)臺車從右線吊到左線。（1）施工準(zhǔn)備1、將臺車?yán)秒娖寇囋陔p軌軌道上牽引到豎井口。2、吊車在豎井地面就位。3、鋪設(shè)好左線軌道。4、設(shè)計并檢查好吊點。（2）臺車在豎井口調(diào)頭1、臺車1按順序分節(jié)沿軌道推到豎井井口，在井口用50t吊車吊起逆時針旋轉(zhuǎn)90度，再在地面上平移到左右線通道中心處，再用吊車吊起旋轉(zhuǎn)直接落到左線軌道上。2、利用卷揚機將臺車?yán)棺缶€隧道內(nèi)3、臺車2、3、4、5依次按步驟1推到左線隧道斷面內(nèi)。4、在將電瓶車按步驟1吊到左線軌道上5、利用電瓶車將臺車牽引到始發(fā)位置，連接，調(diào)試，準(zhǔn)備始發(fā)以下為橋架在豎井位置調(diào)頭時的施工照片：3、

20、轉(zhuǎn)場左線盾構(gòu)施工利用客大暗挖區(qū)間豎井施工場地。運輸在左線完成，右線提早進行防水、聯(lián)絡(luò)通道等附屬工程施工，為提早竣工奠定了基礎(chǔ)?？痛鍒龅鬲M小，約2300平方米，要布置600立方米的碴坑，管片堆放場地、龍門吊走行區(qū)、運輸通道等，很緊張。經(jīng)統(tǒng)籌考慮，利用大斷面地下暗挖隧道布置了通風(fēng)、冷卻水、充電等系統(tǒng)，減少了地面壓力。滿足施工平面布置需要。圖11 客村地面施工場地布置圖（單位：m）圖12 左線施工隧道內(nèi)運輸布置示意圖龍門吊走行方向沿隧道線路縱向布置，碴車不需旋轉(zhuǎn)即可直接卸土，減少工作時間。八. 效果檢查1、廣州地鐵客大盾構(gòu)區(qū)間心項目部克服了調(diào)頭施工場地移交晚，相鄰標(biāo)段洞門密封鋼環(huán)板安裝精度嚴(yán)重超限等

21、不利因素，盾構(gòu)機在客村折返段快速安全順利完成調(diào)頭，并一次性組裝調(diào)試成功。其中主機調(diào)頭用時3天，在卡口位置，螺旋輸送機距調(diào)頭斷面混凝土結(jié)構(gòu)僅10cm；后配套調(diào)頭用時一周，因2號臺車自重加配重達40t，5號臺車長達14m，施工時采用兩臺50t吊車倒鉤成功調(diào)頭；其余臺車均采用一臺50t吊車成功調(diào)頭。2、盾構(gòu)機從靜止開始向前移動初始推力最大達到100t，在隨后的平移和旋轉(zhuǎn)過程中推力在30t至50t之間，施工中千斤頂推力與事先計算推力基本吻合，靜止推力過大主要由于以下幾點：（1）在放置托架前翻轉(zhuǎn)托架時，沒事先在托架底部鋼板上涂抹潤滑油，托架翻轉(zhuǎn)后由于自重約20t，潤滑油無法涂抹到位，沒能有效的降低摩擦力。（2）基面鋼板和托架在盾構(gòu)機破洞前就已經(jīng)鋪設(shè)固定好，破洞一瞬間巨大的沖擊力使泥水夾雜水泥砂漿貫入托架與基面鋼板間，并凝結(jié)固化，增加了初始移動的推力。在今后盾構(gòu)調(diào)頭施工予以特別注意，采取措施避免并采取相應(yīng)改進措施。3、基面鋼板曾出現(xiàn)移動，加固后順利完成調(diào)頭。4、2號臺車液壓閥侵限，采取撥軌和在侵限處加焊護套的方法成功通過馬蹄型小斷面隧道。5、調(diào)頭及轉(zhuǎn)場綜合方案實施后：（1）左線最高月進尺創(chuàng)我項目部最高，達330m（220環(huán)）/月，并為聯(lián)絡(luò)通道、洞門等附屬工程及注漿、清理等后續(xù)工程施工，創(chuàng)造了良好的條件，為確保總工期，提供了保證；（2）通風(fēng)距離縮短1250米，大