一种马蹄形开敞式盾构机的施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种马蹄形开敞式盾构机的施工方法，该施工方法包括在进口段扩挖安装洞段，安装洞段衬砌净断面7900×9300mm，拟采用钢筋混凝土衬砌，厚度60cm，混凝土强度等级C35，开挖支护采用Ⅰ20钢拱架+20cm厚喷射混凝土；根据设计计算，盾构外壳土中摩擦阻力和切土阻力之和为7320kN，考虑纠偏和围土含水率变化，需求推力取10000kN；在盾尾安装工字钢支撑，用70cm长的I20a工字钢与已有工字钢焊接牢靠，工字钢支撑间距60cm，连接工字钢间距1m，安装完成后开始顶进；隧洞每米开挖量42m3，根据盾构内部空间，每顶进30cm，出土一次。出土设备为0.2m3液压反铲，装自卸三轮车；将三轮车改成双向行走；顶进60cm，及时进行挂网喷混凝土支护。该马蹄形开敞式盾构机的施工方法，在盾尾安装工字钢支撑，安装完成后开始顶进。
【专利说明】一种马蹄形开敞式盾构机的施工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及盾构机施工【技术领域】，具体涉及一种马蹄形开敞式盾构机的施工方 法。
【背景技术】
[0002] 在高含水量的土层中开挖隧道，由于土层强度低，尤其是含水量高于塑限时成洞 稳定性极差，因此盾构法施工应运而生。盾构法是利用钢材的高强度和易加工特点，将钢板 加工成隧洞断面形状，形成在土层中对施工人员和设备的防护体；再在头部设置开挖辅助 设施如人工挖掘隔仓、切削刀盘、水力喷头等；在盾体内设置开挖料输出装置，如螺旋输送 带、泥水管路、轻轨斗车；在盾尾设置衬砌支护设施，形成开挖、出土、支护、衬砌配套协作的 体系，完成隧道施工的完整方法。现有盾构技术的优缺点如下：
[0003] 从盾构施工的基本原理看，为了支撑掌子面的稳定，采用土压平衡或泥水平衡盾 构。土压平衡盾构适合于地下水少、渗透系数小的粘性土地层、砂性地层和砂砾土层，通过 精确控制开挖仓的排土量，保持开挖舱的土体压力，与开挖面土体保持平衡，防止坍塌。泥 水平衡盾构适合于地下水位高、流沙等富水地层及砂砾石含量较高的地层，通过向开挖舱 压注泥浆，一方面平衡工作面土体，另一方面用管道泥浆将开挖料输送出洞。随着盾构技术 的发展，将不同盾构形式和开挖面稳定方法进行组合，形成复合盾构法。复合盾构可以根据 土层地质和水文条件作调整，其本质上是对开挖面支撑方式以及刀具、出渣运输系统和其 他设备调整。复合盾构的组合模式有泥水式、敞开式盾构；土压平衡、敞开式盾构；泥水式、 土压平衡盾构；敞开式、泥水式、土压平衡盾构等。
[0004] 现在，非圆断面盾构主要是在开挖面将多个刀盘组合，通过双轴、多轴和曲轴等方 法，控制不同刀盘的运动轨迹，开挖出矩形、椭圆形、马蹄形、双圆型、三圆形等各种需要的 断面形状，在地铁车站的特殊地下结构中开发利用，并日益成熟。随着非圆断面隧道采用盾 构施工技术含量越来越高，设计、制造、集成复杂，造价很高。因此工程使用仅限于工程量大 的重要工程，在一般工程中很少使用。总之，这些盾构机适用于长隧道或大断面，优点是自 动化程度高、功能多，缺点是制造周期长、构造复杂，造价高。在现有技术中饱和黄土马蹄形 断面不常见，一般为矿山法开挖施工，存在重大安全风险。安全问题，矿山法施工安全支护 环节多，开挖分区多，工序多，造成安全投入大，工期长，安全风险仍然难以消除。因此，有待 于本领域技术人员。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，解决饱和黄土马蹄形断面断面施工中安全问题，矿山法施工 安全支护环节多，开挖分区多，工序多，造成安全投入大，工期长，安全风险的问题。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种马蹄形开敞式盾构机 的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :在进口段扩挖安装洞段，安装洞段衬砌净断面7900X9300mm，采用钢筋混 凝土衬砌，厚度60cm，混凝土强度等级C35,开挖支护采用I 20钢拱架+20cm厚喷射混凝 土；
[0008] 步骤2 :盾构外壳土中摩擦阻力和切土阻力之和为7320kN，考虑纠偏和围土含水 率变化，取设计推力l〇〇〇〇kN;
[0009] 步骤3 :在盾尾安装工字钢支撑，用70cm长的I20a工字钢与已有工字钢焊接牢 固，工字钢支撑间距60cm，连接工字钢间距lm，安装完成后开始顶进；
[0010] 步骤4 :开挖隧洞，隧洞每米开挖量42m3,根据盾构内部空间，每顶进30cm，采用 0.2m3液压反铲车出土；
[0011] 步骤5 :盾构顶进，顶进60cm后，进行挂网喷混凝土支护；钢筋网焊接在工字钢支 撑上，喷混凝土分三层完成，每次喷层厚度6cm左右；
[0012] 步骤6 :用土工布锚钉进行临时加固，用1. 2m宽的土工布成卷固定在盾构内侧下 部，随着顶进作业，土工布展开在工字钢外侧，用lm长的钢筋将土工布钉在土体上；
[0013] 步骤7 :顶进一个衬砌段长度后，撤掉后靠背，绑扎钢筋，浇筑仰拱和边墙混凝土； 等待3天，继续顶进两个混凝土衬砌段长20m，撤掉后靠背，浇筑20m边长墙混凝土；同时进 行前一个顶拱混凝土浇筑；等待3天，继续顶进，同时浇筑第二段顶拱混凝土。
[0014] 其中优选的技术方案是，所述步骤3中先将所有千斤顶开启，启动盾构机后，根据 测量结果，将需要减慢前进速度的一侧千斤顶停下来，纠偏完成后再开启。
[0015] 进一步优选的技术方案是，控制所述纠偏速度，按1 %的角度进行纠偏，待盾构前 沿轴线与设计位置误差l〇cm以内时，反向纠偏，直至与设计轴线重合，改由各千斤顶同步 顶进。
[0016] 进一步优选的技术方案还有，所述纠偏措施，首先采用反铲在盾构前部挖出土体， 当盾构顶进3m后，机头下陷，纠正偏移量；上偏量达到65cm，在第二衬砌段混凝土施工期 间，在盾尾上部再增加2台千斤顶，顶进开始后，停止下部2台、边墙下部2台千斤顶作业， 用边墙10台和顶部2台千斤顶作业，并控制边墙千斤顶行程上大下小，在每个所述行程安 装后靠背时，让后靠背角度略上倾，经过两个衬砌段纠偏，上偏值变为7cm，此后，上部2台 千斤顶不再工作，剩余千斤顶全部工作，经过1个衬砌段，盾构驶入正常轴线；侧偏的纠偏 措施就是偏向哪一侧，则停下另一侧的一部分千斤顶，按照1 %的纠偏率进行纠偏，当偏移 量小于2cm时，应正常顶进。
[0017] 优选的技术方案还有，所述步骤7中正常顶进作业时，顶进与顶拱混凝土交叉作 业，仰拱和边墙在撤掉后靠背时每20m浇筑一次，顶拱混凝土 10m -段连续浇筑，形成工作 循环。
[0018] 优选的技术方案还有，所述千斤顶设计行程800_，使用行程600_，后靠背采用 型钢加工，宽度同千斤顶使用行程，全断面分成4段，即上部横梁、两个边柱和一个底梁。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：该马蹄形开敞式盾构机的施工方法，在 盾尾安装工字钢支撑，用70cm长的I20a工字钢与已有工字钢焊接牢靠，工字钢支撑间距 60cm，连接工字钢间距lm，安装完成后开始顶进。这样既可以保证设备与人员的安全，又可 以保证施工质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明马蹄形开敞式盾构机的施工方法中钢桁架顶进方案图；
[0021] 图2是图1的侧视图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明是一种马蹄形开敞式盾构机的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：
[0023] 步骤1 :在进口段扩挖安装洞段，安装洞段衬砌净断面7900X9300mm，采用钢筋混 凝土衬砌，厚度60cm，混凝土强度等级C35,开挖支护采用I 20钢拱架+20cm厚喷射混凝 土；
[0024] 步骤2 :确定盾构推力，盾构外壳土中摩擦阻力和切土阻力之和为7320kN，考虑纠 偏和围土含水率变化，取设计推力l〇〇〇〇kN ;
[0025] 步骤3 :在盾尾安装工字钢支撑，用70cm长的I20a工字钢与已有工字钢焊接牢 固，工字钢支撑间距60cm，连接工字钢间距lm，安装完成后开始顶进；
[0026] 步骤4 :开挖隧洞，隧洞每米开挖量42m3,根据盾构内部空间，每顶进30cm，采用 0.2m3液压反铲车出土；
[0027] 步骤5 :盾构顶进，顶进60cm后，进行挂网喷混凝土支护；钢筋网焊接在工字钢支 撑上，喷混凝土分三层完成，每次喷层厚度6cm左右；
[0028] 步骤6 :用土工布锚钉进行临时加固，用1. 2m宽的土工布成卷固定在盾构内侧下 部，随着顶进作业，土工布展开在工字钢外侧，用lm长的钢筋将土工布钉在土体上；
[0029] 步骤7 :顶进一个衬砌段长度后，撤掉后靠背，绑扎钢筋，浇筑仰拱和边墙混凝土； 等待3天，继续顶进，两个混凝土衬砌段长20m，撤掉后靠背，浇筑20m边长墙混凝土；同时 进行前一个顶拱混凝土浇筑；等待3天，继续顶进，同时浇筑第二段顶拱混凝土。
[0030] 本发明中优选的实施方案是，所述步骤3中先将所有千斤顶开启，启动盾构机后， 根据测量结果，将需要减慢前进速度的一侧千斤顶停下来，纠偏完成后再开启。
[0031] 本发明中进一步优选的实施方案是，控制所述纠偏速度，按1 %的角度进行纠偏， 待盾构前沿轴线与设计位置误差l〇cm以内时，反向纠偏，直至与设计轴线重合，改由各千 斤顶同步顶进。
[0032] 本发明中进一步优选的实施方案还有，所述纠偏措施，首先采用反铲在盾构前部 挖出土体，当盾构顶进3m后，机头下陷，纠正偏移量；上偏量达到65cm，在第二衬砌段混凝 土施工期间，在盾尾上部再增加2台千斤顶，顶进开始后，停止下部2台、边墙下部2台千斤 顶作业，用边墙10台和顶部2台千斤顶作业，并控制边墙千斤顶行程上大下小，在每个形 成安装后靠背时，让后靠背角度略上倾，经过两个衬砌段纠偏，上偏值变为7cm，此后，上部 2台千斤顶不再工作，剩余千斤顶全部工作，经过1个衬砌段，盾构驶入正常轴线；侧偏的纠 偏措施就是偏向哪一侧，则停下另一侧的一部分千斤顶，按照1%的纠偏率进行纠偏，当偏 移量小于2cm时，应正常顶进。
[0033] 本发明中优选的实施方案还有，所述步骤7中正常顶进作业时，顶进与顶拱混凝 土交叉作业，仰拱和边墙在撤掉后靠背时每20m浇筑一次，顶拱混凝土 10m -段连续浇筑， 形成工作循环。
[0034] 本发明中优选的实施方案还有，所述千斤顶设计行程800mm，使用行程600mm，后 靠背采用型钢加工，宽度同千斤顶使用行程，全断面分成4段，即上部横梁、两个边柱和一 个底梁。
[0035] 实施例1
[0036] 如图1、2所示，马蹄形开敞式盾构机的施工方法包括：在进口段扩挖安装洞段， 安装洞段衬砌净断面7900 X 9300_，拟采用钢筋混凝土衬砌，厚度60cm，混凝土强度等级 C35,开挖支护采用I 20钢拱架+20cm厚喷射混凝土。
[0037] 简易盾构使用指标：
[0038] 根据本发明所述方法，盾构外壳土中摩擦阻力和切土阻力之和为7320kN，考虑纠 偏措施和围土含水率变化，需求推力取l〇〇〇〇kN。
[0039] 为此，沿周边布置液压缸取200/110-800mm、系统压力300bar的液压缸，单只液压 缸推力为942kN，共14个千斤顶，总推力为13188kN。
[0040] 千斤顶设计行程800mm，使用行程600mm，后靠背采用型钢加工，宽度同千斤顶使 用行程，全断面分成4段，即上部横梁、两个边柱和一个底梁。
[0041] 所述纠偏采用开动或关闭某一侧千斤顶来实现，顶进同时使用反铲出土，顶进一 个行程后，在盾尾安装支护工字钢，再顶进一个行程，安装第二榀工字钢支撑，并对出露的 第一榀工字钢支撑进行喷护并进行混凝土衬砌施工。
[0042] 钢桁架顶进与置换技术：
[0043] 本发明以现有洞断面为基础设计，掌子面处布置开敞式盾构机，先在盾壳内组装 工字钢支撑，并与后部已喷护支撑使用工字钢连接，然后安装一组装钢靠背，之后盾构机向 前顶进一榀距离，待盾尾围土出露后即喷射混凝土封闭，随后安排开挖出土及下一循环施 工。结合退水洞的施工经验，以及施工进度的需要，工字钢规格较现有支护提高一个等级， 选用I 20a型工字钢，每榀距离控制为0. 7m，喷0. 25m厚C20混凝土。
[0044] 盾构机顶进时，以已完成的永久混凝土衬砌为最终受力点，在盾尾与混凝土衬砌 间设置可组装的钢桁架传力结构，盾构机顶进1榀后，液压千斤顶回缩，在千斤顶背后安装 1榀钢桁架，进行下一次顶进。当顶进总长度达到l〇m(初次顶进需达11m)，停止隧洞开挖 支护，转而拆除盾构机后钢桁架，安排底板及边墙混凝土衬砌，混凝土浇筑成型3天后可恢 复开挖支护，顶拱混凝土衬砌可与前方开挖支护平行进行。
[0045] 本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而 易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1. 一种马蹄形开敞式盾构机的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括如下步骤： 步骤1 :在进口段扩挖安装洞段，安装洞段衬砌净断面7900X9300mm，采用钢筋混凝土 衬砌，厚度60cm，混凝土强度等级C35,开挖支护采用I 20钢拱架+20cm厚喷射混凝土； 步骤2 :盾构外壳土中摩擦阻力和切土阻力之和为7320kN，考虑纠偏和围土含水率变 化，取设计推力lOOOOkN; 步骤3 :在盾尾安装工字钢支撑，用70cm长的I20a工字钢与已有工字钢焊接牢固，工 字钢支撑间距60cm，连接工字钢间距lm，安装完成后开始顶进； 步骤4 :开挖隧洞，隧洞每米开挖量42m3,根据盾构内部空间，每顶进30cm，采用0. 2m3 液压反铲车出土； 步骤5 :盾构顶进，顶进60cm后，进行挂网喷混凝土支护；钢筋网焊接在工字钢支撑上， 喷混凝土分三层完成，每次喷层厚度6cm左右； 步骤6 :用土工布锚钉进行临时加固，用1. 2m宽的土工布成卷固定在盾构内侧下部，随 着顶进作业，土工布展开在工字钢外侧，用lm长的钢筋将土工布钉在土体上； 步骤7 :顶进一个衬砌段长度后，撤掉后靠背，绑扎钢筋，浇筑仰拱和边墙混凝土；等待 3天，继续顶进两个混凝土衬砌段长20m，撤掉后靠背，浇筑20m边长墙混凝土；同时进行前 一个顶拱混凝土浇筑；等待3天，继续顶进，同时浇筑第二段顶拱混凝土。
2. 如权利要求1所述的马蹄形开敞式盾构机的施工方法，其特征在于，所述步骤3中先 将所有千斤顶开启，启动盾构机后，根据测量结果，将需要减慢前进速度的一侧千斤顶停下 来，纠偏完成后再开启。
3. 如权利要求2所述的马蹄形开敞式盾构机的施工方法，其特征在于，控制所述纠偏 速度，按1 %的角度进行纠偏，待盾构前沿轴线与设计位置误差l〇cm以内时，反向纠偏，直 至与设计轴线重合，改由各千斤顶同步顶进。
4. 如权利要求3所述的马蹄形开敞式盾构机的施工方法，其特征在于，所述纠偏措施， 首先采用反铲在盾构前部挖出土体，当盾构顶进3m后，机头下陷，纠正偏移量；上偏量达到 65cm，在第二衬砌段混凝土施工期间，在盾尾上部再增加2台千斤顶，顶进开始后，停止下 部2台、边墙下部2台千斤顶作业，用边墙10台和顶部2台千斤顶作业，并控制边墙千斤 顶行程上大下小，在每个所述行程安装后靠背时，让后靠背角度略上倾，经过两个衬砌段纠 偏，上偏值变为7cm，此后，上部2台千斤顶不再工作，剩余千斤顶全部工作，经过1个衬砌 段，盾构驶入正常轴线；侧偏的纠偏措施就是偏向哪一侧，则停下另一侧的一部分千斤顶， 按照1 %的纠偏率进行纠偏，当偏移量小于2cm时，应正常顶进。
5. 如权利要求1所述的马蹄形开敞式盾构机的施工方法，其特征在于，所述步骤7中正 常顶进作业时，顶进与顶拱混凝土交叉作业，仰拱和边墙在撤掉后靠背时每20m浇筑一次， 顶拱混凝土 l〇m -段连续烧筑，形成工作循环。
6. 如权利要求1所述的马蹄形开敞式盾构机的施工方法，其特征在于，所述千斤顶设 计行程800mm，使用行程600mm，后靠背采用型钢加工，宽度同千斤顶使用行程，全断面分成 4段，即上部横梁、两个边柱和一个底梁。
【文档编号】E21D11/00GK104088646SQ201410337784
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】赵新民, 颜志强, 衡富安, 徐其阳, 李峰 申请人:中国水利水电第十一工程局有限公司