盾构施工安全管理课件.ppt
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1、,盾构安全施工管理培训,中铁隧道股份有限公司,勇于跨越 追求卓越,二一八年十一月,目录,盾构概述,盾构施工技术,盾构施工常见事故案例,延时符,盾构概述,第一章 盾构概述,延时符,土压盾构掘进模式,泥水盾构掘进模式,土压与泥水盾构区别,1.1基本概念,盾构,英文为Shield Machine,字面意思理解就是,盾:盾牌、保护;构:构筑、建造等。 盾构是一种集机、电、液、光、气、传感、信息技术于一体,具有金属外壳,壳内装有整机及辅助设备,在其掩护下进开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能,涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术的一种隧道施工成套设备。,盾
2、构机已广泛在我国轨道交通、公路、市政等行业领域,目前世界最大的盾构17.6m在香港和美国施工;国内最大的直径15.8m盾构在武汉三阳路隧道、深圳春风路隧道已开始施工;,1.2土压平衡盾构掘进模式,土压平衡式盾构的工作原理为:刀盘旋转切削开挖面泥土,破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓,泥土落入到土仓底部后,通过螺旋输送机运到皮带输送机上,然后输送到停在轨道上的渣车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进,盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用,承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。,土压平衡式盾构一般有三种掘进模式,即敞开式、局部气
3、压模式、土压平衡模式,每一种掘进模式具有不同的特点和使用条件。,a)敞开模式 b)局部气压模式 c)土压平衡模式,1.3泥水盾构掘进模式,泥水平衡盾构的“掘进模式”可分为泥水平衡模式(也称直接控制模式)和气压复合模式(也称间接控制模式或D模式)两种。,直接控制型的是以日系为代表,设备结构简单、操作简单,但是泥水仓压力控制精度不太高。,间接控制型的以德系为代表,泥水仓压力控制精度在0.01bar左右,1.4土压平衡与泥水盾构区别,土压盾构特点:(1)土压力波动(相对泥水中)敏感度较差即压力波动传递较慢而不均匀;(2)压力控制精度相对较低,对地面沉降控制精度较低;(3)盾构掘进扭矩大,适用于中小直
4、径的盾构机。 (4)螺旋机出土,碴车运输,输送间断不连续;(5)碴车的来回输送增加了运输工作量,施工速度减慢;(6)碴车运输占用隧道内空间大,不便于隧道内的结构和路面的同步施工。,泥水盾构特点:(1)泥水压力波动较敏感 即压力波动传递快;(2)压力控制精度高,对地面沉降控制精度高;(3)盾构掘进扭矩小,适用大直径的盾构机;(4)泥水管道连续输送,输送速度快而均匀;(5)管道输送,不用来回运输,施工进度加快;(6)占用隧道空间小,更便于隧道内的结构和的路面同步施工。,主要有两点:(1)掌子面稳定介质;泥水平衡盾构:泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆来稳定开挖面。土压平衡盾构:是把土料(必要时添加泡
5、沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质。(2)出碴方式;泥水平衡盾构:盾构推进时,旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水,用流体输送方式送到地面泥水分离系统,将碴土、水分离后重新送回泥水仓,循环泥浆出碴方式。土压平衡盾构:刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室,刀盘旋转开挖使泥土料增加,再由螺旋输料器旋转将土料运出,泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。,1.5盾构机选型,地质与盾构选型风险,盾构选型主要考虑的因素,盾构机的选型应依据地质条件;开挖面稳定性能;隧道埋深、地下水位;隧道设计断面、路线、线性、坡度;环境条件、沿线场地;管片衬砌类型;工期
6、造价等。所以如果盾构机选型失误,对地质条件不适应,是盾构施工最大的风险。,1.5盾构机选型,盾构施工根据不同的地质条件选择不同的盾构机形式,选择依据为:,地层渗透系数,地层颗粒级配,隧道开挖面工作压力隧道开挖面的工作压力大于0.3MPa时,宜采用泥水盾构。采用土压平衡盾构时,螺旋输送机难以形成有效的土塞效应,在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象,如必须使用土压平衡盾构,可增大螺机角度、长度或采用二级螺旋输送机。,1.6盾构破岩机理,硬岩的破岩机理盾构的切削装置由刀具(滚刀)、刀盘、刀盘驱动装置以及推进装置构成,这些组成因素对提高切削效率十分重要,滚刀破岩时,当其对岩石的挤压力超过岩石本身强
7、度后,刀刃使岩石破碎,形成切削沟槽,刀刃继续挤压,岩石便产生龟裂,向周边扩散,切削沟槽两侧的岩石破碎剥离,通过刮刀、切刀刮除,快捷进入土仓。,03,第二章 盾构施工技术,盾构施工技术,2.1盾构始发,2.1.1始发台、反力架安装2.1.1.1始发台安装根据管片拼装里程、盾构机组装位置要求、始发井结构、反力架支撑长度及盾构隧道线路设计轴线定出盾构始发姿态空间位置,调整始发台位置,使盾构按照设计的线路从预埋的洞门钢环中心始发通过。一般在拟合线路始发的基础上整体抬高1020mm;直径大于7.0m的盾构可根据经验调整抬高值。,始发台定位的小窍门:始发井底板受人工抹面标高控制或有预埋钢筋干扰又无法割除,
8、导致始发台放不平,此种情况需就高原则进行始发台定高程;为防止盾构机在步进过程中始发台向左右或前后位移,直接用“L”型钢板小牛腿固定在相应位置,可节省钢材。,2.1.1.2反力架安装反力架安装偏差控制在10mm之内,始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角2,盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2,水平趋势偏差2。(对加固强度进行受力分析、检算)。,2.1.2盾构机组装、调试2.1.2.1盾构机组装盾构机吊装、组装必须要有经过审批和专家评审的专项方案。在软基地面存放盾构设备大件以及吊机就位前必须进行地面承载检算,如承载力不足时,必须进行承载专项设计。后配套组装下井程序:拖车起吊安装轮对拖车下井拖车后移。
9、,各节拖车的下井顺序为:5号拖车4号拖车3号拖车2号拖车1号拖螺旋输送机设备桥。(盾构机生产厂家不同,拖车数量可能有差异)主机大件的下井顺序:前盾 中盾 刀盘 管片安装机 盾尾 螺旋输送机连接。,2.1.2.2盾构机调试盾构机调试:(1)空载调试(正常运转):各个系统独立运转、系各统联合空载调试;(2)负载调试(密封、满足工作状态)。注意:(1)盾构机组装时大吨位吊车站立位置的荷载演算、吊具等选择; (2)盾构机空载调试时注意高压力管线和用电的调试;,2.1.2.3盾构组装与调试风险,盾构机进场的运输,盾构吊装调试现场作业,主要风险有超宽超高运输风险,超大超重吊装风险,超大型设备协调配合调试风
10、险。,1、吊装场地地面硬化及吊装设备承重处地面承载力情况,当承载力不满足要求时,应采取铺垫钢板、施工承载桩等措施来解决;2、吊装前对盾构设备吊环进行探伤,确保吊环满足要求,台车应采取吊装保护措施。3、吊装前对吊装设备吊索进行安全检查,对吊装设备操作等人员的操作证书进行核查。4、吊件起升过程中,操作必须平稳,速度均匀,避免吊索受冲击力。5、根据盾构各个部件的重量、尺寸、场地条件和吊装设备性能,制定完善的吊装方案。6、吊装过程中应派专人看守,尤其重点巡视吊装设备承重处地面情况。,2.1.3洞门破除(1)洞门破除前先进行探孔;探孔安装球阀防漏,如地下水压力较大探孔前需安装孔口管;,(2)破除顺序:分
11、区、分块、分层,自上而下、自外而内(预留最后一排钢筋不割除等后期盾构机调试好后再割除);,注意:(1)注意破除时的顺序; (2)确保盾构隧道范围内的钢筋和无法从螺机中出来的混凝土等物体清理干净;,2.1.4始发延长导轨为防止盾构在进洞前不致于因刀盘悬空而产生盾构“叩头”现象,导致盾构无法进洞或破坏洞门密封装置,需要在始发洞口安设延长导轨。安设的导轨必须保证接口平整与原有导轨坡度一致,不阻碍盾构前进。,2.1.5洞门密封洞门密封是盾构施工的重要环节,一般洞门密封为折页压板和弧形压板,后期进行了很多的改良,延长洞门、甚至套筒等;其目的是确保盾构始发时洞门不渗漏,能够快速的建立起土仓压力,顺利掘进。
12、,2.1.6负环安装(1)第一环无支撑;需要在盾尾内安装支撑;(地铁盾构的支撑方式、大盾构的支撑方式)(2)设备刚调试好,无拼装经验;需要进行试验性操作;,(3)管片不能及时固定,安装好的管片成椭圆;可在反力架上设置固定点;(4)盾尾油脂涂抹不好或者管片推偏,影响盾尾刷;要加支撑和监控;(5)邻接块无受力、支撑点,需要提前安装支撑受力点。,2.1.7盾构下穿建筑物风险,盾构掘进穿越建构筑物是盾构施工中风险较大的环节之一,极易发生安全质量事故。,下穿前100m,设定为试验段;采用超土压掘进模式,保证刀盘通过时地面有23mm的隆起,并保持土压稳定性;掘进参数:以“超土压、控出渣、饱注浆、勤监测、动
13、态调整”的思路,制定掘进参数,保证连续推进。严格控制出渣量,防止超挖;加大同步注浆压力及注浆量,控制既有线沉降;现场成立自动化监测室,根据监测数据实时调整掘进参数,做到信息化施工;沉降无法控制时可在盾体同步注入可泥效,控制既有建造物沉降;及时进行管片壁后二次补强注浆;盾构机上储备足量的膨润土,以备意外停机,向土仓内注入。 下穿期间执行项目经理、土木总工等领导现场带班,24小时地面巡视。,2.1.7盾构下穿建筑物风险,下穿建筑物前对其进行详细调查,必要时进行安全鉴定,施工期间进行监控量测。,下穿既有隧道前对影响区域进行注浆加固,2.2盾构到达盾构到达主要注意以下几个方面(与始发接近):(1)结构
14、与地层的稳定(与始发类似);端头加固;(2)管片接缝防水措施(没有推力);管片拉紧;(3)管片间隙防涌与防水(阻断后部渗水通道);二次注浆;(4)定位、接收台(三维);盾构机到达时空间位置定位;(5)到达掘进参数(推力、扭矩等);慢;(6)接收(帘布、折页板、钢丝绳、接收台);,2.2盾构到达盾构机拆机(1)正常到达拆机为始发装机反序施工;(2)洞内拆机(由于受到场地条件的限制等原因):后配套拖车倒着拖到始发井吊出,主驱动等在洞内割除后运输到始发井吊出;,盾构施工技术,盾构始发与到达风险,盾构始发是盾构施工中风险较大的环节之一,极易发生安全质量事故。始发和到达阶段的安全控制措施:(1)对端头加
15、固效果进行检验;(2)合理选择围护结构的破除顺序,确保破除过程中端头处土体的稳定;(3)始发和到达前对盾构机始发姿态进行人工复测,确保盾构机始发和接收姿态满足施工要求。(4)洞门破除后应立即推进盾构;(5)始发阶段土压建立前应严格控制出土量,正确使用加固土体松散系数;(6)总推力和扭矩控制在反力架及始发基座所能承受的范围内。(7)盾构到达进入加固区后逐步减小土压直至0,同时降低总推力,降低推进速度,严格控制出土量;(8)盾构到达出洞前一环,逐步出空土仓内所有渣土,防止盾构机出洞时发生喷涌;(9)对进洞口段至少1015环管片进行纵向拉紧。(10)刀盘出洞后,及时拉紧帘幕橡胶板钢丝绳,使帘幕橡胶板
16、包紧盾构机前体,确保洞门密封,防止涌水涌沙,同时保证同步注浆不流失。(11)有涌水涌砂风险时,可采用土中接收方式接收。,盾构施工技术,2.3特殊地段盾构施工风险,穿越上软下硬地层刀具和刀轴的磨损情况,盾构施工技术,2.3特殊地段盾构施工风险,穿越砂层的渣样和渣土改良材料(高分子聚合物,用水稀释后,盾构施工技术,2.3特殊地段盾构施工风险,穿越卵石层及刀具磨损情况,盾构配置的双颚板式碎石机,盾构施工技术,2.3特殊地段盾构施工风险,采用双级螺旋机降低喷涌风险,盾构穿越河流,盾构施工技术,2.3特殊地段盾构施工风险,穿越高黏土地层形成的泥饼和刀具糊死的情况,2.4盾构过站、调头、转场,2.4.1盾
17、构机过站由于盾构施工需要,盾构机需要通过车站完成下个区间盾构掘进,一般分为:(1)盾构主机与后配套分离,主机通过接受架平移过站;,目前新的采用步进机构进行步进过站,最快步进速度达到200m/天。,(2)直接在完成的车站底板上施工弧形轨枕、铺装底部一块管片通过车站;,(3)由于其他原因,先隧后站,即在隧道施工完成后才开始车站开挖。,2.4.2盾构机调头由于部分盾构施工受外界条件的限制,完成一个区间的一条隧道后,需要在站内调头,完成本区间的另外如下图:,2.4.3盾构转场由于部分盾构施工收到外界条件的限制,需要进行盾构机转场,整机转场如下图;也可以拆装后再进行转场二次始发。,2.5刀具管理2.5.
18、1刀具分类盾构施工使用的刀具主要有如下:,2.5.2刀具磨损、损坏(1)盾构施工刀具使用正常的磨损,合适的时机进行更换;,(2)部分刀具由于特殊地层,或者刀具更换不及时造成刀具的非正常磨损和破坏。,(3)由于刀具跟换不及时,或者地层的严重问题或者其他原因导致盾构机刀盘也被破坏。,2.5.3刀具更换盾构施工选择合适的时机进行刀具的更换对盾构施工非常重要,更换的时机和方式需要着重考虑;(1)地层比较好或者有计划的定点开仓常压更换;(2)如果常压开仓条件不成熟,但是又必须更换刀具,可以进行带压更换;,(3)目前已经开发出了和实际使用的背装的常压换刀刀盘,可以在掌子面高水压的条件下常压更换刀具。,2.
19、6 盾构法开仓及压气作业,开仓作业:盾构停止掘进后,工程人员进入开挖仓施工作业的过程。包括常压作业和气压作业。,气压作业 :在高于大气压条件下进行的开仓作业。,2.6 盾构法开仓及压气作业,基本要求: 1、开仓作业前,应对选定的开仓位置进行地质环境风险辨识,编制开仓作业专项方案; 2、开仓作业时,应对开挖仓内持续通风,仓内气体条件应符合要求; 3、作业人员应体检合格,并经专门的培训且考核合格后,方可上岗作业; 4、开仓作业时,应做好地面沉降、工作面的稳定性、地下水量及盾构姿态的监测和反馈; 5、人员在开挖仓内时,严禁进行危及仓内作业人员安全的操作; 6、开仓作业时,仓内应设置临时的上下通道,并
20、保证进出开挖仓的通道的畅通; 7、撤离开挖仓前,应确认工具全部带出。,2.6 盾构法开仓及压气作业,设备配置: (人仓),2.6 盾构法开仓及压气作业,设备配置: (动力、通讯、辅助系统),2.6 盾构法开仓及压气作业,设备配置: (动力、通讯、辅助系统),2.6 盾构法开仓及压气作业,准备工作:,1、进场前应检查确认盾构下列设备运转正常,2.6 盾构法开仓及压气作业,准备工作:,2.6 盾构法开仓及压气作业,压气作业:,2.6 盾构法开仓及压气作业,压气作业:,2.6 盾构法开仓及压气作业,应急管理:,2.6 盾构法开仓及压气作业,辅助工法:,2.6 盾构法开仓及压气作业,盾构开仓施工风险,
21、开仓地质段的选择。常压开仓地段应选择在地层硬度高自稳性强,天然含水量小。设备与材料的准备,是实现快速换刀的基本保证,从而保证土体开挖面在外暴露的时间。同时对可能在使用过程中损坏的设备要有有备用的。保证盾构机各项性能完好,从而保证换刀工作的顺利进行。成立换刀工作小组、应急救援小组、地表监测小组及后勤保障小组。组织换刀工作小组的成员进行相应的岗前培训,对正常换刀过程中各自的工作内容进行详细的交待。各部门负责人现在值班,按开仓流程程序进行签认,确保开仓上一道工序完成签认后方能进行下一道工序。做好开仓过程的通风换风工作,测定仓内空气检测,并做好记录。,常压开仓气体检测及掌子面检查,2.6 盾构法开仓及
22、压气作业,盾构开仓施工风险,通过气压抵抗地下水土压力,阻止水向土舱内流动,确保掌子面地层的稳定;通过泥膜渗透来提高不良地层的气密性,防止开挖面坍塌。进舱人员必须进行体检和培训,要求进舱人员具备能适应高气压环境的体格条件。做好开仓过程的通风换风工作,定时测定仓内空气检测,并做好记录。做好医疗保障和应急措施。救护人员备好急救药品、救护车,准备医疗舱。各部门负责人现在值班,按开仓流程程序进行签认,确保开仓上一道工序完成签认后方能进行下一道工序。,带压开仓操仓及应用、通讯设备,2.7 盾构下穿既有线,城市地下工程的快速发展必然会出现越来越多的盾构隧道下穿既有线施工工程案例。由于既有铁路线正常运营对轨道
23、平顺性的极高标准要求,隧道下穿施工过程中必须严格控制地表铁路线的沉降和位移。累计沉降一般要求在10mm,特殊情况要求零沉降。,盾构下穿汉口汉西联络线,2.7 盾构下穿既有线,设备选型:盾构机应着重考虑对所穿越地层的适应性分析,具有可靠的压力平衡能力、刀盘布局,并具备以下性能:,2.7 盾构下穿既有线,保护方案:鉴于既有线特别是铁路设施的重要性,设计考虑的措施一般非常全面,常规采取以下措施:,设置隔离桩或者土体加固;,盾构管片配筋加强、增设预留注浆孔进行洞内注浆。,接触网立柱及其它线缆保护;,掘进施工控制;,行车限速;,监控量测;,做好轨面调整准备;,应急措施(D梁或纵横工字梁架空、路基预留注浆
24、管、道渣回填等措施)。,总体施工保护方案,2.7 盾构下穿既有线,前期准备;,施工参数控制;,工后沉降控制;,应急保障;,盾构穿越的施工控制措施,2.7 盾构下穿既有线,前期准备:,盾构穿越的施工控制措施,详细调查,设备保养,沟通平台,监测准备,桩位布设,密切沟通,盾构穿越前要与铁路部门密切联系, 根据铁路部门要求针对性设定各线路铁路轨道的报警值、监测频率等,保证各项设备的完好性,既有线下不停机,盾构穿越施工之前业主、产权单位、监理及监测等相关单位应建立畅通沟通网。,1)监测点布设2)确定铁路轨道的变形沉降警戒值,对铁路线现状情况进行的调查,地面放出隧道边线,便于确认相对位置关系,2.7 盾构
25、下穿既有线,施工参数控制:,盾构穿越的施工控制措施,密切沟通,严控盾构土仓压力,严控盾构推进速度,在盾构穿越铁路过程中要严格控制切口平衡土压力,必须控制地层压力与土仓压力的差值在一定范围内,将土仓压力波动控制在最小幅度,根据监测数据适时调整,以控制地表沉降。,掘进速度土压平衡盾构掘进施工中一个重要的管理值,决定了单位时间进入土仓的渣土量、单位时间管片脱出盾尾的长度和开挖面到结构完成面的过度时间。掘进速度加快,可有效提高施工效率,减少土层收敛时间,从而控制地面沉降;而掘进速度过快,又容易造成出土和注浆不及时,造成土仓压力波动和注浆不充分,反而会导致沉降增加。,严控刀盘转速与贯入度,严控地层损失量
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