盾构掉头技术

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1、地下洞室盾构机调头中铁一局轨道交通三号线客大盾构区间项目部地下洞室盾构机调头技术QC小组二00四年四月地下洞室盾构机调头一、概述中铁一局轨道交通三号线客大盾构区间是我局第一次采用盾构法施工的 隧道工程，本工程竣工填补了我局在盾构法施工中的空白，盾构机在地下洞室 调头，在国尚属首次。我项目部在2004年元月至2月顺利地完成了地下洞室的 盾构机调头，填补了此项空白。客大盾构区间盾构隧道采用一台盾构机掘进施工，从大塘站右线下井始发 向北掘进，到达客村折返段后在暗挖隧道调头移至左线。又向南继续掘进施工 左线。完成左线掘进后在大塘站解体吊出。如盾构隧道掘进过程示意图所示。1508.958m(1538.9

2、58m)台车调头1客村折返段施工竖井中间风井及矿山法隧道894.958mom3始发614m大塘站898.592m始发 30m到达 609.383m下井安装始发1507.975m(1537.975m)说明：1、括号内的数字含矿山法隧道段长度；2、盾构隧道全长：3016.933m；含矿山法隧道区间全长3076.933m。3、施工竖井为平面尺寸24X6m，深有30m,中间有三道中隔墙，中隔墙深20m。图1盾构隧道掘进过程示意图本工程选用的S235海瑞克盾构机主机长8.32m，调头时主机附带螺旋输送 机总长达12m，理论直径6.28m，总重约300t ；后配台车理论直径5.1m （局部 超限），轮心距

3、7.7m，1、2、3、4号台车全长9.5m，桥架长13.5m，5号台车 全长14m，后配台车最重为2号台车，重约40t。主机调头在暗挖隧道完成，隧道调头断面设宽10.5m横通道供盾构机调头 从右线到达左线，左线盾构始发长度15.908m，详见图3；后配台车在6 （长） X24 （宽）m的施工竖井下调头，施工竖井口部有三道等分中隔壁，左右线卡口部位最大距离只有7.6m,台车调头后通过最大净空只有5.2m马蹄形隧道到达始 发位置与主机连接始发。盾构调头施工条件苛刻。0 5地铁三号线客大区间大塘Vi图2盾构主机图88506400 fiBOQ5图3盾构主机调头位置扩大洞室结构平面图二. 小组简介1.

4、小组活动简介因为在国首次进行地下洞室盾构机调头，本项目自投标阶段直到实施阶段， 一直非常重视这次调头施工。在项目部成立初期，就紧密围绕地下洞室调头这 一课题，成立了 QC小组。积极开展调头技术准备与创新、调头施工攻关活动， 解决调头施工中存在的重点、难点问题，攻克技术难点，不断的优化调头方案， 为协调调头施工条件和调头施工场地提供方案，提高调头施工实施的效率和质 量。2. 小组活动列表三. 选题理由理由一：由于三号线在客村站以南设有与二号线的联络线及折返线，其隧 道断面变化大，用暗挖法施工。盾构从大塘站始发，贯通右线后到达客大暗挖 区间，盾构机在暗挖隧道无法吊出，盾构机必须在暗挖段特设的扩大洞

5、室进行 调头再继续左线施工，在关门工期确定的情况下，盾构调头施工时间直接关系 到左线始发掘进的早晚，是客大盾构项目的关键工期，直接影响本工程是否能 按期完工或提前完工。理由二：盾构机在地下洞室调头，在国尚属首次，无相关施工先例，且调 头施工条件苛刻。四. 掌握现状、明确难点与突破口现状：1、集团公司首次涉足盾构施工，盾构法施工技术的研究也只是前期技术储 备，未涉足真正的施工。对盾构调头也只限于书面的认识，且项目部技术人员 和施工班组也均初次接触盾构施工，这就需QC小组尽快的切入盾构法施工和盾 构调头工艺，边学边教，带动整个项目部相关人员真正的掌握盾构调头施工方 法。2、投标时由于对边界条件不清

6、楚，对盾构调头实际需要空间和场地也不明 确，仅根据招标文件提供的条件，做了盾构机调头的投标方案（方案一）；3、进场后了解到，暗挖区间隧道正在施工，并可在盾构到达前完工，能够 提供一定的条件。于是，本小组详细研究暗挖区间隧道结构，又提出了在两线 之间打一个斜洞连接，做为左线掘进运输通道的初步方案（方案二）。4、后来在相邻暗挖区间标段施工特设盾构调头扩大洞室前，出于地面沉降 控制、地面建筑物保护及暗挖施工风险等原因，最终扩大洞室横通道从投标时 设计的12m缩短为最终10.5m，因此，本小组又提出了新的实施方案（方案三）。5、随着对调头施工方案的深化，盾构机调头施工方案直接关系到左线隧道 施工的运输

7、方案，左线隧道施工运输方案直接影响本工程是否能按期完工或提 前完工。难点：1、QC小组成员、现场技术人员及施工班组均初次接触盾构施工，对盾构调 头只限于书面认识，无任何相关经验。2、盾构机在客村折返段暗挖隧道调头，调头施工条件苛刻。1）调头结构断面从投标时设计的12m缩短为最终10.5m，大大增加了长12m 直径6.28m重300t的盾构主机在特设的扩大洞室调头的难度。2）后配台车需往返穿越267m矿山法隧道，在6X24m的施工竖井下调头， 且施工竖井有三道等分中隔壁，施工竖井左右线卡口部位最大距离只有7.6m。 为吊车起吊台车增加了难度3）左线马蹄形小断面矿山法隧道最大净空只有5.2m，而后

8、配台车理论直径 就为5.1m，且有局部超限。这使台车调头后从左线矿山法隧道到达始发位置变 的异常困难。突破口：根据以上施工难点，小组经过认真分析、研究，决定将以下两方面作为解 决问题的突破口：1、派QC小组成员去等地实地考察学习，了解目前常规盾构调头技术，项 目部经常部组织相关人员对盾构机调头方案进行讨论，并就调头方案多次请业 主、监理及相关专家进行论证。2、进一步加深对盾构机本体及后配套的认识，详细了解掌握盾构机细部构 造和尺寸，针对实际调头条件作出相应的盾构机拆装方案。3、对调头位置结构进行实测，准确掌握调头位置实际尺寸。QC小组结合调 头位置结构尺寸、盾构机尺寸、重量，就调头关键位置、卡

9、口部位和关键步骤用计算机详细模拟调头步骤，保证方案的可靠性和易操作性，发挥技术先导的 作用。五. 确定目标值及可行性认证目标值：目标一：保证盾构机主体及后拖台车在一个月顺利调头并一次顺序组装到 位。目标二：要对调头后左线始发及正常掘进时的出碴运输、通风等施工要素 予以优化，要为后续工程的施工创造条件。目标三：努力降低成本，经济上要合理、可行。目标四：为集团公司、国地下洞室盾构机调头提供借鉴经验。目标分析：1、盾构调头施工时间长短直接关系到左线始发的早晚，是本工程的关键工 期，一个月完成调头施工将减轻左线工期压力，并对后期施工能创造良好的条 件，这也是我们开展本次活动的动力，且参考国外常规调头施

10、工案例，此目标 具有可实施性。2、本项目中标价较低，成本压力大，调头又是合价包干项目，在保证工期 和安全的前提下，努力降低成本，这关系到项目部的切实效益，是此次活动目 标实现的的又一动力。3、调头方案不是单体方案，它和左线施工运输方案息息相关，必须综合考 虑。4、本小组汇聚了项目部的技术骨干，并有各级领导的重视与大力支持，这 是实现目标的坚实基础和可靠保证。因此，我们有能力、有信心完成既定目标。六. 制定对策及方案比选、优化1、投标时的初步方案（方案一）：投标时由于对边界条件不清楚，对盾构调头实际需要空间和场地也不明确，仅根据招标文件提供的条件，做了盾构机调头的方案（见图4）。需将盾构机推 进

11、K型扩大暗挖断面，后拖台车亦在L型断面倒序调头。ED A2 L K暗挖区间盾构区间大塘站图4投标盾构机调头方案示意图2、增设斜通道的方案（方案二）：进场后了解到，暗挖区间隧道正在施工，并可在盾构到达前完工，能够提 供一定的条件。于是，QC小组详细研究暗挖区间隧道结构，提出了在两线之间 打一个斜洞连接，做为左线掘进运输通道的方案（见图5）。此方案申报业主后， 得到原则同意，但要求斜洞应由暗挖区间承包商施工。经多次协商后，一是斜 洞选择的位置，二是斜洞的价格难以谈下来，方案搁置。E D A2 L K二立-主机*I丁-暗挖区间盾构区间大塘站图5增设斜通道盾构机调头方案示意图3、利用暗挖竖井底部空间的

12、方案（方案三）：在与暗挖区间承包商接触的过程中，QC小组逐步深入了解了暗挖区间隧道 结构形式，并对现场进行了多次实际察看，提出新的方案（见图6）。即:E D A2 L暗挖区间盾构区间大塘站图6利用暗挖竖井底部空间盾构机调头示意图（1）盾构机主体在扩大的地下洞室L型断面调头；（2）后拖台车利用暗挖区间竖井及右线的大断面隧道，调头并转至左线。（3）在竖井处设道岔转至右线返回大塘站出碴运输。（4）将方案一中k断面的暗挖改为盾构掘进，增加12米盾构隧道。4、方案的初步比选（1）方案一满足盾构机本体和后拖台车调头要求。但运输条件困难，尤其 在始发时的出碴进料将十分困难。必须要保留12米K型扩大暗挖断面隧

13、道。（2）方案二提出，斜通道在E型或F型断面处设置，且要求将A2断面由 5.2m扩大至5.4m，能满足调头要求。但由于此处设斜洞对整个隧道结构稳定有 所影响，只同意D型断面处设置斜通道。这样，只能做为运输通道，虽然能满 足始发与正常掘进时的运输要求，但不能在此实现后拖台车的调头，就必须保 留12米K型扩大暗挖断面隧道。新增斜通道等需支出费用。方案二 共需铺设轨道长度：大塘站线2X60m +盾构区间正 线2X1509m +暗挖区间右线218m +暗挖左线158m = 3514m。 需要2组道岔。12m暗挖区间盾构区间 大塘站方案三共需铺设3844m，比方案二线路长度增加330m。需 要2组道岔。

14、图7方案二、三运输线路比较图（3）方案三能满足盾构机主体和后拖台车分节整体调头的要求，还可将K 断面12米暗挖改为盾构掘进，也能满足运输要求。但较方案二铺设线路长度要 增加330米，今后的运输里程也增加330米，且因竖井以北距离只有38m，列车 不能正常编组，给左线施工运输带来一定困难。见图7。5、小结通过初步比选，方案三比较可行。但运输线路增长给今后的施工带来一些 困难，能否就此做进一步优化成为方案研究的关键。6、方案三的延展一转场上述三个方案，在盾构机调头后，出碴进料均要通过1500米的右线隧道， 风、水、电系统也要经1500米的隧道再转接到左线（参见图7）。且右线始终是 运输通道，进行联

15、络通道等附属和后续工程施工时，相互干扰大。在对调头方 案的研究过程中，对利用客大暗挖区间施工场地的可能性有了进一步的认识。 经反复分析，多次与业主、暗挖承包商联络协调，提出了转场方案。即在盾构 机调头后将原设在大塘站的龙门吊等场设备移至客村暗挖竖井场地，从竖井出 土、进料、通风、供电、给排水，将在大塘站的盾构施工主场地转移至客村。 这样，就从根本上解决了方案三存在的运输组织不尽合理的问题。7、盾构主机旋转平移方法的比选盾构主机调头常规采用在主机托架和基面钢板间放置滚杠或钢珠万向轮实 现旋转平移，这种方法在掉头中托架与基面摩擦力小，但在盾构机主机步入托 架后，要将320t的盾构机及托架同步顶升起

16、一定高度，在托架下放置滚杠或钢 珠万向轮；在调头完成并移动到始发位置后，又需再一次顶升，将滚杠或钢珠 万向轮取出，这种方法一顶升320t盾构机施工较麻烦，并增加了施工安全风险。我QC小组经过计算论证，拟采用托架在基面钢板上直接旋转和平移的方法 替代常规方法，并采取以下三点措施减少托架与基面钢板的摩擦力：（1）基面铺设钢板时加固牢靠，并用角磨机打磨光滑。（2）在托架底部和基面钢板上涂抹润滑油。（3）在顶推旋转过程种，设计布置好实现力偶与力矩最佳顶推点。两种方法比选如下表所示，经过比选，采用托架直接在钢板上平移滑动的 方法，详见图8。盾构主机旋转平移方法比选表项 目摩擦力（理论值）Gu主要设备要求

17、优缺点相应措施原方案(300 + 20) tX0. 04=12.8t4 个（100t）带自 锁装置1、摩擦力较小2、需同步顶升320t 盾构主机，施工较 繁琐，安全风险大3、对千斤顶设备要 求高1、做好盾构机顶升安全 措施2、实现设计加工好钢珠 万向轮或滚杠优化方案静摩擦(300 + 20) tX0.12 = 48t 滑动摩擦(300 + 20) tX0.1 = 32t2个 (80t)1、摩擦力较大2、简单易行，消除 盾构顶升施工风 险，且用时较短3、对设备要求低1、固定好基面钢板并打 磨光滑2、在托架底部和基面钢板上涂润滑油3、布置好千斤顶力矩和 力偶最佳位置图8 盾构调头断面图七. 实施1

18、、盾构机主机调头施工（1）盾构机接收1）先在洞门前按盾构机到达的实际姿态调整好托架位置和高度，再把托架 焊接固定在地面的钢板上，在托架前方和托架两侧用工字钢和限位快固定，固 定好托架，防止盾构机步入托架时托架发生移动，接收托架平面位置和托架固定图详见图8。架限界图8盾构机接收平面位置及托架固定示意图2）盾构机进洞零环脱出盾尾后，进行主体与后配套分离，并在托架上设千 斤顶，一直将盾构机推到刀盘（750mm）全部伸出托架悬空为止。3）盾构机完全步入托架上后，拆除托架所有的固定。开始盾构机调头施工。 盾构机接收横断面图详见图9。丁r-图9盾构机调头位置及拖架接收横断面示意图（2）盾构机主机调头1）将

19、钢板上的泥和土等杂物清理干净，在钢板上涂抹黄油。2）将托架与盾构机固定在一起，先通过倒链并用千斤顶辅助将盾构机向左 前方拉出事先模拟的距离，使人和设备可以到托架的四周进行调头施工。3）再依照既定盾构机调头模拟位置，根据钢板上已经标志出的托架旋转平 移位置及趋势平移旋转盾构机和托架。调头步骤详见图10：39066205005 350第一步390右线托架限界5005 3503003906620 第二步3903906620第四步6620390右线托架限界3906620第五步390右线托架限界左线第七步390 6620390 第八步3906620390第九步图10盾构机调头步骤示意图I盾构机平移在钢板

20、上焊工字钢钢块作为千斤顶反力支座，用4台80t千斤顶在托架最佳 顶推位置附近按实际需要顶推托架，使托架移动和转动，顶推过程中可以在托 架和千斤顶之间加设工字钢垫块增加千斤顶行程；在顶进一定长度后调整千斤 顶反力支座钢块位置，使托架及盾构机按预定轨迹平移。II盾构机旋转托架旋转时在托架旋转中心的角上用一千斤顶作为支点，用另外千斤顶在托 架最佳顶推位置附近顶推托架，形成旋转力偶，使托架以固定转轴为旋转中心 按预定旋转轨迹旋转。4) 盾构机旋转平移到左线后，在始发处调整并固定好托架，对盾构机进 行系统检修保养。2、盾构机后配台车调头施工在盾构主机调头的过程中，即对台车进行分解，在盾构主机调完头后，即

21、 可进行后配台车调头。调头方法大吨位吊车在施工竖井将台车吊起，根据现场条件，不断变化吊点，旋转180后实现台车从右线吊到左线。(1)施工准备1、将台车利用电瓶车在双轨轨道上牵引到竖井口。2、吊车在竖井地面就位。3、铺设好左线轨道。4、设计并检查好吊点。（2）台车在竖井口调头1、台车1按顺序分节沿轨道推到竖井井口，在井口用50t吊车吊起逆时针 旋转90度，再在地面上平移到左右线通道中心处，再用吊车吊起旋转直接落到 左线轨道上。2、利用卷扬机将台车拉倒左线隧道3、台车2、3、4、5依次按步骤1推到左线隧道断面。4、在将电瓶车按步骤1吊到左线轨道上5、利用电瓶车将台车牵引到始发位置，连接，调试，准备

22、始发以下为桥架在竖井位置调头时的施工照片：3、转场左线盾构施工利用客大暗挖区间竖井施工场地。运输在左线完成，右线提早 进行防水、联络通道等附属工程施工，为提早竣工奠定了基础。客村场地狭小，约2300平方米，要布置600立方米的碴坑，管片堆放场地、 龙门吊走行区、运输通道等，很紧。经统筹考虑，利用大断面地下暗挖隧道布置了通风、冷却水、充电等系统，减少了地面压力。满足施工平面布置需要。2.25.0.4柱I：i25X：0X3.5;图11客村地面施工场地布置图（单位：m）暗挖区间盾构区间大塘站L KE D A2方案三+转场综合方案共需铺设轨道1864 m,只需1组道岔。 比方案二减少线路长度1650

23、m。1冷却塔 2电瓶充电区3通风机图12左线施工隧道运输布置示意图龙门吊走行方向沿隧道线路纵向布置，碴车不需旋转即可直接卸土，减少 工作时间。八效果检查1、地铁客大盾构区间心项目部克服了调头施工场地移交晚，相邻标段洞门 密封钢环板安装精度严重超限等不利因素，盾构机在客村折返段快速安全顺利 完成调头，并一次性组装调试成功。其中主机调头用时3天，在卡口位置，螺 旋输送机距调头断面混凝土结构仅10cm；后配套调头用时一周，因2号台车自 重加配重达40t，5号台车长达14m，施工时采用两台50t吊车倒钩成功调头； 其余台车均采用一台50t吊车成功调头。2、盾构机从静止开始向前移动初始推力最大达到100

24、t，在随后的平移和旋 转过程中推力在30t至50t之间，施工中千斤顶推力与事先计算推力基本吻合， 静止推力过大主要由于以下几点：(1) 在放置托架前翻转托架时，没事先在托架底部钢板上涂抹润滑油，托 架翻转后由于自重约20t，润滑油无法涂抹到位，没能有效的降低摩擦力。(2) 基面钢板和托架在盾构机破洞前就已经铺设固定好，破洞一瞬间巨大 的冲击力使泥水夹杂水泥砂浆贯入托架与基面钢板间，并凝结固化，增加了初 始移动的推力。在今后盾构调头施工予以特别注意，采取措施避免并采取相应改进措施。3、基面钢板曾出现移动，加固后顺利完成调头。4、2号台车液压阀侵限，采取拨轨和在侵限处加焊护套的方法成功通过马蹄型小

25、断面隧道。5、调头及转场综合方案实施后：（1）左线最高月进尺创我项目部最高，达330m（220环）/月，并为联络 通道、洞门等附属工程及注浆、清理等后续工程施工，创造了良好的条件，为 确保总工期，提供了保证；（2）通风距离缩短1250米，大提高通风效果；（3）避免了在30%。坡道上的重载列车牵引与制动困难的问题，减少了安全 隐患；每列车载重229吨，机车、车辆自重160吨。可减少运量229吨X 1.722 公里X1000次=39.5万吨公里，减少机车车辆运行3400公里。还可降低运输 及通风、给排水等的运转费用。（4）减少轨道铺设1650米、走道板1650米、冷却水管1000米、通风管 100

26、0米等材料，以上可节约的费用减去转场所发生龙门吊等设备转移，新建碴 坑及其他临时设施需支出的费用后仍还有余。九.效益1、经过对方案的深入研究和优化，按确定的方案，顺利完成了盾构机在地 下洞室的调头。实现了技术创新，填补了国空白，得到了业主和同行的首肯。2、为左线隧道掘进、后续附属工程施工、保证工期和安全都创造了良好的 条件。3、调头及转场综合方案的实施，减少了资金占用，直接降低了成本，还增 加了 12m盾构隧道，产值29万元。有良好的经济效益。4、通过这次QC小组活动增强了小组成员的凝聚力，最大限度地发挥了每 个成员的潜力，成功的攻克了地下洞室盾构调头这一技术难关，提高了成员的 综合素质，对今后的盾构调头施工积累了坚实的经验和技术基础，为下一个QC 活动的开展打下了良好的基础。十.标准化、巩固措施客大盾构区间地下洞室盾构机成功调头为企业创造了可观的经济效益和社 会效益，为盾构施工供了宝贵的经验，为了及时巩固和推广这一成果，我们小 组将这次QC小组活动中的施工方案及时总结，并准备以论文形式发表，供业同 行借鉴，同时我们将编制了盾构调头施工作业指导书。以指导今后盾构机调 头施工。十一.遗留问题及今后打算主机调头时在钢板滑道上焊接支座比较麻烦，我们将对此进一步改进。在 今后的调头施工中尽可能做好事先布置。