TBMEPB雙模式可轉換盾構施工工法

1、TBM/EPB雙模式可轉換盾構施工工法中鐵二局股份有限公司城通分公司1.前言隨著盾構施工技術的不斷發(fā)展，盾構機的種類也越來越豐富，盾構機上采用的新技術、新工藝越來越多，其所能適應的地質(zhì)條件也越來越復雜。但是在長距離高強度巖層兼上軟、下硬復合地層中穿越重要建（構）筑物的施工環(huán)境下，若采用EPB&TBM雙模式盾構掘進施工，即能滿足在高強度硬巖中掘進效率，又能保證在上軟、下硬復合地層中穿越建（構）筑物的安全。中鐵二局股份有限公司城通公司結合南京地鐵機場線TA01-1標1#風井祿口機場站區(qū)間盾構隧道施工實踐，開發(fā)出了“EPB&TBM雙模式可轉換盾構施工工法”，實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟地在復合地

2、層中穿越建（構）筑物。本工法采用全國首創(chuàng)的隧道施工EPB、TBM雙模式可切換設計，兼具土壓平衡盾構機和全斷面硬巖掘進機的優(yōu)點，以適應在軟土層、軟巖層和全斷面巖石層復合區(qū)間的順利掘進，可廣泛應用于地鐵隧道施工領域。2.工法特點1.盾構機可以根據(jù)不同的掘進地段進行模式轉換圖2-1 EPB模式盾構機結構剖面圖 圖2-2TBM模式盾構機結構剖面圖2.本工法盾構機為適應硬巖地段掘進，在機械性能配置較常規(guī)復合盾構機（參照盾構機為國內(nèi)使用廣泛的海瑞克）高。主要在刀具配置、刀盤轉速和扭矩、盾構機推力等方面進行加強配置。以確保在高強度硬巖段的掘進效率。下圖為兩種刀盤設計平面圖對比及主要加強參數(shù)對比表圖2-3常規(guī)

3、復合盾構盾構機刀盤平面圖 圖2-4雙模式盾構機刀盤平面圖盾構機類別雙模盾構常規(guī)盾構刀具配置總滾刀數(shù)（把）4136周邊滾刀數(shù)（把）137面板滾刀數(shù)（把）2829總刮刀數(shù)（把）4444周邊刮刀（把）2836面板刮刀（把）168超挖刀（把）11刀盤轉速(轉/min)3.52.5刀盤扭矩（kn*m）78505600盾構機推力（t）40003700表2-1盾構機設備配置比較參數(shù)表3. 在富水、對地面沉降要求高的地層中掘進，不適應敞開式掘進的TBM模式，應換用封閉式掘進的EPB模式，本工法提供了掘進摸式轉換的具體方法。4盾構機在中盾設有四個腳撐，在換刀過程中，可利用腳撐向外伸出撐住巖壁，利用鉸接將前盾及刀

4、盤回拉一定距離，可大幅度降低換刀工作強度、時間、風險。3.適用范圍1.在盾構掘進區(qū)間，若硬巖強度在30MPA140MPA的地層中段長有120m以上適用TBM模式掘進。120m以下硬巖段及對施工地面沉降要求高的軟土地層適用EPB模式掘進。2.為確保雙模盾構在模式轉換工況下的施工安全性。.當盾構機從EPB模式轉換到TBM模式時，盾構機須進入硬巖段長度為2025m(盾構長度9.95m+安全距離1015m)時停機進行轉換。2025m圖3-1 EPB模式轉換到TBM模式轉換位置示意圖、當盾構機從TBM模式轉換到EPB模式時，盾構機須距離硬巖段長度為2025m(安全距離)時停機進行轉換。圖3-2 TBM模

5、式轉換到EPB模式轉換位置示意圖4.工藝原理1.通過對盾構機刀盤、土倉隔板、拼裝機平臺等部位進行可切換設計，實現(xiàn)了刀盤可安裝軟土刀具、硬巖刀具和刮刀板，土倉隔板可安裝中心回轉裝置、集土槽，拼裝機平臺可安裝皮帶機、螺旋機出土裝置，使得盾構機在碰到不同地段的地層時可進行模式轉換，確保了盾構在不同地層掘進對安全性和經(jīng)濟性的要求。5.施工工藝流程及操作要點5.1模式轉換工藝流程圖5.1-1模式轉換流程圖5.2模式轉換操作步驟1.后方皮帶機拆除后方皮帶機為后方工作平臺后方至后續(xù)設備車架之間的傾斜段的皮帶機結構，拆除其的目的是清出機內(nèi)皮帶機的拆除通道和螺旋輸送機的安裝通道。后方皮帶機結構如下圖后方皮帶機臺

6、圖5.2-1后方皮帶機結構剖面圖此段皮帶機結構長度約16米，重量約4.8t，拆除時整體拆除。拆除前應先在本段皮帶機結構兩端各用2組2t的環(huán)鏈葫蘆掛住，葫蘆固定端掛在管片上。在確保所有葫蘆固定牢固、拉緊后才可進行拆除作業(yè)。操作步驟如下：、先割斷傳送帶，并將割斷的傳送帶卷送至1號車架頂端；、拆除皮帶機從動端（皮帶機進土端）支撐橫梁；、從動端2只葫蘆同時下放，將從動端放至電瓶車上；、拆除傾斜段與車架頂端的水平段皮帶機的連接銷軸；、連接端2只葫蘆同時下放，將皮帶機整體放至電瓶車上；、拆除的皮帶機由電瓶車送出井口，并由行車吊出。拆除作業(yè)進行時，皮帶機正下放不得有人逗留，葫蘆操作人員不得站在皮帶機上作業(yè)，

7、必須在隧道內(nèi)電瓶車兩側安全區(qū)域內(nèi)手動操作葫蘆。2.后方工作平臺清理清理后方工作平臺的目的是為保證后續(xù)模式轉換相關部件的運輸及拆除通道的暢通和保證作業(yè)人員的安全。后方工作平臺結構如下圖：后方工作平臺圖5.2-2后方工作平臺結構圖操作步驟如下：、拼裝平臺移除；、拼裝機電纜卷盤移除；、機內(nèi)平臺移除；、后方平臺上所有管路拆除：后方工作平臺的管路干擾機內(nèi)皮帶機的拆除通道和螺旋輸送機的安裝通道，因此需先拆除，拆除前必須在所有接口處做好標示，方便模式轉換后期的管路恢復。、平臺懸臂梁連接橫梁移除；、機內(nèi)電氣柜移除。清理后體積較大的部件或結構件必須由電瓶車運至井口再吊出，以保證隧道內(nèi)運輸通道的暢通。3.機內(nèi)皮帶

8、機移除機內(nèi)皮帶機總長約12米，重量約3.6t，拆除時整體拆除。機內(nèi)皮帶機布置見下圖機內(nèi)皮帶機圖5.2-3機內(nèi)皮帶機拆除前必須在皮帶機兩端各用2只2t環(huán)鏈葫蘆吊裝固定，在確定各吊點牢固后才可進行拆除作業(yè)。拆除步驟如下：、拆除后端（出土端）的花籃螺絲；、拆除前端皮帶機底部支撐法蘭的連接螺栓；、后端由2只葫蘆同時作業(yè)放下至電瓶車上；、電瓶車緩慢移動，前端（進土端）2只葫蘆配合緩慢下放，將皮帶機整體從機內(nèi)抽出并下放至隧道內(nèi)；、利用管片運輸雙梁上的電動葫蘆將皮帶機整體吊運至電瓶車上并送出井口。機內(nèi)皮帶機拆除時必須注意葫蘆動作平穩(wěn)緩慢，避免皮帶機劇烈晃動造成人員傷害及破壞驅(qū)動電機水冷外殼。4.導土滑槽移除

9、導土滑槽與土倉隔板為螺栓連接，在土倉內(nèi)為懸臂結構，拆除連接螺栓前必須先在土倉內(nèi)做好固定措施，建議采用環(huán)鏈葫蘆吊裝固定。機內(nèi)安裝臨時作業(yè)平臺，并在平臺與隧道底部之間安裝斜坡平臺，方便作業(yè)人員進出通道以及導土滑槽和刮板（后續(xù)從土倉內(nèi)拆除）的移出通道。拆除導土滑槽需涉及到土倉內(nèi)作業(yè)，應保證艙內(nèi)的通風，并在倉內(nèi)設置可靠的臨時作業(yè)平臺。倉內(nèi)人員不可長時間作業(yè)，應每2小時換人一次。導土滑槽布置見下圖導土滑槽圖5.2-4導土滑槽結構圖5.土倉內(nèi)刮板移除刮板與刀盤為螺栓連接，拆除螺栓前必須固定好被拆除的刮板，防止刮板掉落傷人。人員進倉前必須保證倉內(nèi)通風正常，應急照明燈亮度足夠。設置的臨時作業(yè)平臺必須牢固可靠，

10、緊急安全出口必須保持暢通。倉內(nèi)人員不可長時間作業(yè)，應每2小時換人一次。拆除后的刮板由環(huán)鏈葫蘆從隔板中心的出口運出，運出過程中必須保證葫蘆動作平穩(wěn)緩慢，防止晃動傷人及破壞驅(qū)動電機水冷外殼。土倉內(nèi)刮板布置見下圖圖5.2-5土倉內(nèi)刮板結構圖6.攪拌棒焊接、刀具更換攪拌棒共5根，刀盤背面3根，土倉壁上2根，見下圖。圖5.2-6刀盤背面攪拌棒 圖5.2-7土倉壁上攪拌棒、刀盤背面的攪拌棒在安裝前需先按安裝圖紙切割安裝孔，攪拌棒根部插入安裝孔后再焊接固定。土倉壁上的攪拌棒安裝前需按圖紙找出定位點，然后再焊接固定。焊接時需由熟練焊接工人按圖紙要求施焊，以保證焊縫牢固可靠。、攪拌棒在土倉內(nèi)由葫蘆吊運定位時，作

11、業(yè)人員必須確認吊點焊接牢固可靠，吊帶纏繞穩(wěn)定可靠后才可起吊。、攪拌棒焊接完成后，需將刀盤外周刮刀更換為適合土壓平衡模式下掘進的刀具，其它刀具可視磨損狀況酌情更換。倉內(nèi)作業(yè)人員不可長時間工作，應每2小時更換人員一次。7.安裝中心回轉接頭中心回轉接頭安裝步驟如下：、拆除土倉內(nèi)管路分配盤螺栓孔壓條螺栓孔壓條的主要作用是在TBM模式下保護分配盤安裝螺栓孔不被土塞，因此在安裝分配盤前需將其拆下。、安裝倉內(nèi)管路分配盤管路分配盤整體結構為圓形盤體，體積較大，安裝前需沿分割面將其拆成兩塊，再分別吊運至土倉內(nèi)安裝。安裝時需保證盤體外周的管路接口與刀盤扭腿內(nèi)預埋的管路接口正確對應。管路分配布置見下圖圖5.2-8管

12、路分配盤、安裝分配盤內(nèi)各類軟管；、安裝機內(nèi)螺旋機進口隔板；、安裝機內(nèi)中心回轉節(jié)；中心回轉節(jié)下圖蔽塞解除攪拌棒中心回轉裝節(jié)圖5.2-9中心回轉裝置8.艙內(nèi)安裝蔽塞解除攪拌棒管路分配盤及機內(nèi)皮帶機進口隔板安裝后，土倉中心的人員出口已完全封閉，作業(yè)人員需從人行閘進入土倉。必須保證土倉內(nèi)的通風和人員進出梯子或通道安全可靠。9.安裝螺旋輸送機螺旋輸送機總重約23t，采用整體安裝。隧道管片上不可設置承重吊點，必須在后方平臺懸臂梁上設置吊裝螺旋輸送機的承重門架。管片上可設置螺旋機平移輔助吊點或穩(wěn)定輔助吊點。螺旋機吊裝方案如下：、拼裝機平移油缸縮到底，提升油缸完全伸出，保證提升臂降至最低點；、安裝吊裝門架（見

13、圖5.2-10）；圖5.2-10安裝吊裝門架、螺旋機由電瓶車整體運輸，前端盡可能多的送至機內(nèi)（見圖5.2-11）；圖5.2-11電瓶車運送螺旋輸送機、螺旋機起吊，電瓶車移出（見圖5.2 -12）。由起吊門架上的4只10t的環(huán)鏈葫蘆將螺旋機吊起，螺旋機上的起吊吊耳需按吊耳標準VDLB198-88以10t起吊能力制作，吊耳與螺旋機的焊接必須牢固可靠，確認所有葫蘆可靠后方可起吊。圖5.2-12 起吊螺旋輸送機、安裝輔助吊點及輔助葫蘆，調(diào)整螺旋輸送機高度、角度及水平位置（見圖5.2 -13）；圖5.2-13調(diào)整螺旋輸送機高度、角度及水平位置、螺旋機位置調(diào)整完成，定位準確后，前端螺桿滑入筒體，安裝連接螺

14、栓（見圖5.2 -14）；圖5.2-14螺旋輸送機定位完成、完成螺旋機安裝后，安裝出土斗，后方拼裝平臺及機內(nèi)平臺恢復（見圖5.2 -15）。圖5.2-15 安裝出土斗，后方拼裝平臺及機內(nèi)平臺恢復螺旋輸送機起吊安裝過程中，螺旋機正下放不得有人員逗留，作業(yè)人員必須站在平臺上操作環(huán)鏈葫蘆，應保證動作平穩(wěn)，防止螺旋機晃動傷人及破壞機內(nèi)設備。10.平臺恢復螺旋機安裝完成后，安裝后方工作平臺上的適合土壓平衡模式下的拼裝平臺，恢復先前拆除的機內(nèi)平臺，安裝后方平臺懸臂梁之間的連接橫梁。11.后方皮帶機復位先前拆除的后方皮帶機重新由電瓶車運至隧道內(nèi)，由2只2t環(huán)鏈葫蘆將其與車架頂部水平段皮帶機的連接端提升到位后

15、安裝連接銷軸。連接完成后由2只2t環(huán)鏈葫蘆將從動端提升至螺旋機土斗下方，到位后安裝從動端的支撐橫梁。起吊前必須確認葫蘆吊點安全可靠后才可起吊，連接銷軸和支撐橫梁確認安裝完成后才可撤去起吊葫蘆。起吊過程中葫蘆操作人員必須站在隧道內(nèi)電瓶車兩側的安全控件內(nèi)作業(yè)，皮帶機上和皮帶機正下方不得有人員逗留。后方皮帶機主結構安裝完成后將之前割斷的傳送帶重新粘接復位，皮帶機驅(qū)動通電調(diào)試。12.管路電路恢復、已經(jīng)拆除的管路按事先做好的標示重新連接；、中心回轉接頭上的所有管路配管連接；、土倉壁上的所有加泥加水及泡沫管路連接；、螺旋輸送機所有液壓管路連接；、螺旋輸送機加泥加泡管路連接；、已拆除的機內(nèi)電氣柜恢復。13.

16、調(diào)試、螺旋輸送機動作及液壓系統(tǒng)調(diào)試；、中心回轉接頭所有管路調(diào)試；、土倉壁上所有加泥加水及泡沫管路調(diào)試。5.2勞動力組織表5.2-1 勞動力組織情況表序號類別人數(shù)負責內(nèi)容1機械工程師4負責機械設備安裝2土木工程師2負責觀察掌子面情況3電氣工程師4負責電氣設備安裝4機修工6機械、電氣設備安裝5拼裝班長2輔助機械、電氣設備安裝6輔助工6機械、電氣設備安裝7電機車司機2隧道內(nèi)外做好水平運輸8門吊司機2井口垂直運輸9井上司索2井上協(xié)助門吊做好垂直運輸10井下司索2井下協(xié)助門吊做好垂直運輸6.材料與設備本工法主要材料及設備見下表6.1 機械設備及材料表表6.1-1機械設備計劃表序號設備名稱單位數(shù)量備 注1

17、2t手拉葫蘆臺821t手拉葫蘆臺6312mm鋼絲繩根現(xiàn)場定412mm鋼絲繩根現(xiàn)場定516mm鋼絲繩根現(xiàn)場定6直流弧焊機臺2配接20m龍頭線；10m搭地線7氧氣瓶現(xiàn)場定配經(jīng)標定的調(diào)節(jié)閥8乙炔瓶現(xiàn)場定配經(jīng)標定的調(diào)節(jié)閥9焊接龍頭把2400A用10炭弧氣刨龍頭把1400A用11割炬把2配8、20m長氧氣；乙炔軟管12空壓機臺1可能的話，使用盾構用空壓機13風動扳手臺15600Nm用，配50；套筒14風動扳手臺11800Nm用，配41；36；30套筒15手動工具套2扳手類、螺絲批、鉗類、套裝工具等16電工膠帶若干17塑料袋個若干18電焊條kg現(xiàn)場定4、519腳手板塊現(xiàn)場定長1500×寬300&

18、#215;高40）20捆扎鋼絲10kg2021液壓軟管及接頭用栓、蓋個現(xiàn)場定實數(shù)22捆扎塑料護套鋼絲卷1線徑1.0mm223腳手架角鋼6m365×6524腳手架扶手鋼管6m611/2英寸25砂輪切割機臺17.質(zhì)量控制7.1設備撤除質(zhì)量保證措施1.對連接部分進行標識，防止再次裝配時出現(xiàn)誤差。2.對電器部分線號、控制屏、電柜、電阻器等進行標記，以免誤裝。3.吊裝必須按規(guī)范。4.控制線路、電柜及電器元件注意防水、防潮保護。5.拆卸皮帶機、螺旋機、符合要求，以免吊裝變形。6.在拆卸中捆扎牢固，以免在吊卸中損壞設備部件。7.2設備安裝質(zhì)量保證措施1.機械構件和電器線路、元件必須按照設計圖紙和撤

19、除時標記安裝，以免誤裝。2.螺栓連接構件必須按要求實行多次復緊。3.控制線路、電柜及電器元件安裝前必須檢查防水、防潮情況，以免元件的損壞。4.皮帶機、螺旋機安裝必須符合要求，要檢查是否變形和損壞。5.所有機械螺栓聯(lián)接部位是否螺栓全部帶上，必須全部檢查到位。7.3設備調(diào)試質(zhì)量保證措施1.是否符合設計圖樣和有關技術文件的規(guī)定。2.電氣線路安裝是否正確，操作件動作是否正常。3.金屬結構件的鉚、焊接質(zhì)量是否良好，結構件是否有足夠的強度和剛度。4.各安全裝置是否按要求可靠工作，動作靈敏和準確。5.各機構中的機械傳動件是否工作平穩(wěn)和聲音正常。6.電氣設備在工作中的溫升情況。7.各軸承處的溫升是否正常。8.

20、潤滑的油路是否暢通。8.安全措施1.施工現(xiàn)場設置責任牌和警示牌，加強各級責任性和安全意識。施工人員要提高安全意識，堅持“安全第一，預防為主”的方針。2.加強安全生產(chǎn)責任制，貫徹“誰為主，誰負責”的原則，做到人人注意安全生產(chǎn)，保證生產(chǎn)節(jié)點的安全。3.各特種作業(yè)人員要持有效操作證上崗。4.在施工區(qū)域必須正確戴好安全帽。二米以上登高作業(yè)，必須佩戴安全帶正確使用。多人操作時，注意相互配合，統(tǒng)一指揮，做到“三不傷害”。吊運工作：嚴格遵守“十不吊”。、被吊物重量超過機械性能允許范圍；、信號不明；、吊物下方有人；、吊物上站人；、吊索具不符合規(guī)定；、斜拉、斜牽、斜吊；、散物捆扎不牢；、零散小物件無容器；、吊物

21、重量不明；、現(xiàn)場環(huán)境不不符合規(guī)定。5.吊裝前對需要吊索全面檢查并涂色標。吊裝時注意觀察施工環(huán)境，注意避讓。不在“下風”操作。6.地下明火作業(yè)前需項目部安全主管審批二級動火證，地面動火需項目安環(huán)部審批三級動火證方能施作。施作前要清理場地，清除易燃易爆物品，設置消防器材。明火作業(yè)時應設有專人監(jiān)管，特別注意嚴防木質(zhì)腳手板被切割火花碳化。明火作業(yè)后，專人檢查施工工地，消除隱患。7.電氣作業(yè)要根據(jù)相關規(guī)定，采用五線制，第二級增設防觸電開關，嚴禁無證操作。電工操作時，實行雙人監(jiān)護制。臨時拖接高壓電纜，必須通知安全員，采取保護措施。8.狹小部位要雙人監(jiān)護和交替操作。照明要用低壓或手電筒。9.施工場地要做到工

22、完料清、文明整潔。9.環(huán)保措施9.1環(huán)境保護目標在施工過程是全面運行ISO4001環(huán)境保護體系標準，系統(tǒng)地采用和實施一系列環(huán)境保護管理手段，預防和消除施工造成環(huán)境污染，做到控制排污、控制揚塵、降低噪音、減少大氣污染，保護植被、保護水源、保護文物，創(chuàng)環(huán)境保護達標工地。9.2成立環(huán)境保護小組項目部將按照ISO14001環(huán)境管理體系標準要求建立以項目經(jīng)理任組長的環(huán)境保護領導小組，總工、安全總監(jiān)及副經(jīng)理為副組長，相關部門負責人為組員的環(huán)保領導小組。施工作業(yè)隊對應成立環(huán)境保護、水土保持實施小組，配備必要的環(huán)保設施和環(huán)保專業(yè)人員。9.3環(huán)保工作制度1、積極全面開展工作，加強施工現(xiàn)場環(huán)保工作的組織領導，成立

23、以項目經(jīng)理為首的，由技術、生產(chǎn)、材料、機械等部門組成的環(huán)保工作領導小組，設立兼職環(huán)保員一人。環(huán)境保護體系啟動、運行。2、對上崗的施工人員實行環(huán)保達標上崗前培訓制度，做到凡是上崗人員均通過環(huán)保培訓。3、現(xiàn)場建立環(huán)保義務監(jiān)督崗制度，保證及時反饋信息，對環(huán)保做得不周之處及時提出整正改方案，積極改進并完善環(huán)保措施。4、制定防止大氣污染，防止水污染和防止施工噪聲污染的具體制度。5、不定期組織工地的業(yè)務人員學習國家及地方政府部門有關環(huán)保的法令、法規(guī)、條例，使每個人都了解文明工地的要求和內(nèi)容。6、施工現(xiàn)場要經(jīng)常采取多種形式的環(huán)保宣傳教育活動，施工隊進場集體進行環(huán)保教育，不斷提高職工的環(huán)保意識和法制觀念，未通

24、過環(huán)?？己苏撸坏蒙蠉?。7、場建立環(huán)保義務監(jiān)督崗制度，保證及時反饋信息，對環(huán)保做得不周之處及時提出整正改方案，積極改進并完善環(huán)保措施。8、實行獎罰、曝光制度。10.效益分析本工法因雙模式盾構機代替了傳統(tǒng)土壓平衡盾構機，從而避免了在復雜地層特別是局部有較長距離硬巖段傳統(tǒng)盾構機推進功率低、盾構機損耗大、刀具損壞嚴重，施工成本高等缺點。但是在一個盾構區(qū)間里面如果硬巖段過短而采用此工法，則體現(xiàn)不出本工法的效益，所以需要綜合計算硬巖掘進長度最短距離。本工法施工同常規(guī)盾構掘進工序、配套設套相同，基于此考慮，主要從工期角度和成本角度分析綜合經(jīng)濟效益，確定本工程模式轉換中EPB轉換到TBM的硬巖下限長度。（1）從工期角度分析以微風化巖層為例：如果使用TBM模式掘進（需要先從EPB轉換到TBM，再從TBM轉換到EPB）：Ø 掘進速度按8環(huán)/天計，即；Ø 模式轉換工期需要30天（兩次）；如果一直使用EPB掘進（不轉換模式）：Ø 掘進速度按2.5環(huán)/天計，即；Ø 無模式轉換工期。通過工期等效計算轉換下限長度：解得（2）從成本角度分析以微風化巖層為例：如果使用TBM模式掘進（需要先從EPB轉換到TBM，再從TBM轉換到EPB）：Ø 轉換工費：60萬（兩次）Ø 泡沫：無Ø 電費：1000元/mØ 設備增加