1、小直径竖井法盾构刀盘修复施工工法中铁十二局集团第二工程有限公司安宏斌 李艳辉 白云飞 赵玮栋1前言盾构在砂卵石、密实度较高的砂层及其他不良地层中施工很容易造成刀盘刀具的磨损，使盾构机掘进速度降低，甚至无法掘进，刀具的更换通常有常压开舱、带压开舱、地面加固后常压开舱等方法。刀盘的开挖直径磨损之后进行修复目前除了利用地面开挖常规竖井法施工之外没有其他安全方法，而开挖常规竖井的工期太长、成本太高，在施工中不断研究最终采用开挖一种微型竖井后在井内进行刀盘修复施工工法。实践证明，此工法在确保施工安全的前提下，能够高质、经济、快速的完成对盾构刀盘的修复工作，经济效益和社会效益显著。2工法特点2.1 该工法
2、修复刀盘具有施工安全、简单、快速、经济及环保等优点。2.2 施工所需要的人员、设备及周转材料少，且均为通用的周转材料。2.3 小直径竖井的受力结构好，承载力高，抗震能力强。2.4 小直径竖井施工作业的条件较差，劳动强度大，施工中安全和质量特别重要。2.5刀盘前方有较大空间，便于更换刀具，提高刀具更换效率。 3适用范围本工法适应于盾构上方土体不稳，地面没有充足空间等情况下进行刀盘修复、换刀作业。在地面条件复杂，隧道埋深比较大（埋深超过20m以上）、地质条件比较差的情况下，运用此方法进行刀盘修复时，必须慎重的考虑。4工艺原理以刀盘位置为主要依据，将刀盘完全进入竖井净空范围，同时要确保竖井井壁放在盾
3、构机的前盾盾壳之上，以确保进行刀盘修复时，作业人员的施工安全。小直径竖井先开挖至盾构刀盘中心线上方3.5m处，待盾构机到达指定位置停机后，再开挖至盾构刀盘中心线标高。在刀盘上方2m的竖井井壁外侧打设小导管对地层进行加固处理，确保小直径竖井在各种工况下的结构整体稳定性，保证刀盘检修作业的安全。5施工工艺流程及操作要点5.1 工艺流程施工工艺流程见图5.1。测量放线、定位安设出土提升设备拼装护壁混凝土模板竖井土方开挖小直径竖井验收施工准备浇注井口护筒混凝土设置桩口安全盖板安放护壁钢筋浇注护壁混凝土，养护拆除护壁混凝土模板竖井土方开挖至设计标高合格后开始刀盘修复作业设置安全软梯、安全带，布设通风、照
4、明线路竖井施工辅助工序微型竖井施工过程图5.1 工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 施工准备施工前要制定合理的质量管理措施。在施工平面图上应标明井位、编号、施工顺序、水电线路和临时设施位置；指定施工工序检查程序；制定不良天气施工的技术措施。5.2.2 换刀施工竖井技术参数的确定1、竖井位置的确定在确定竖井位置时，以盾构机刀盘位置为主要依据，将盾构机刀盘完全放入竖井净空范围，要确保竖井井壁放在盾构机的盾壳之上，以确保进行刀盘修复作业时施工人员的安全。2、竖井净空尺寸的确定首先考虑盾构刀盘宽度640mm(露出切口环)，桩护壁落在盾构前盾上160mm，刀盘前方预留出1000mm施工空间，即桩内径选
5、用1800mm，护壁200mm。3、竖井深度的确定采用竖井进行刀盘修复时，一般竖井挖至刀盘的中心。5.2.3 在计划竖井施工的位置，进行测量放样确定竖井的位置。5.2.4 按现场实际情况，确定原材料堆场、机具棚等搭设工作。5.2.5 竖井井口护筒施工砼井圈主筋按图示尺寸加工成圆环状，单面焊140mm,双面焊70mm。砼井圈箍筋按井口外边缘间距200mm布置，砼井圈主筋保护层25mm。护壁竖向钢筋在井圈砼浇筑前预留。预留筋伸至井圈内锚固，弯钩外露。护壁上下节竖向钢筋互相钩结。井圈、护壁砼等级C25。井圈及护壁配筋图详见图5.2-1。图5.2-1 井圈及护壁配筋图5.2.6 挖取土方施工及浇筑护壁
6、竖井采用钢筋混凝土护壁，护壁厚度150mm，混凝土采用C25，并且在混凝土中掺加适量早强剂。护壁钢筋主筋采用188（级），箍筋8200（级），主筋弯成弯钩，上下钩结形成整体（详见护壁配筋图5.2-2）。图5.2-2 护壁筒配筋示意图护壁是关系到施工安全的关键工序，必须严格按设计要求及施工规范浇注每节护壁，保证每层护壁的壁厚、工作井尺寸及牢固性。土方施工每节开挖深度为1000mm左右，开挖面上口应以井圈内沿下挖，下口护壁外型尺寸呈八字形。每节应按护壁下口外沿尺寸作修边处理，成型后的上面成水平状，为装模灌注护壁作好准备。护壁模板采用拆上节、支下节重复周转使用。模板之间用卡具、扣件连接固定，必要时可
7、以在每节模板的上下端各设一道圆弧形的用槽钢或角钢做成的内钢圈作为内侧支撑，防止内模因涨力而变形。不设水平支撑，以方便操作。每挖完一节以后要立即浇筑混凝土，混凝土采用人工现场拌制，人工浇筑，人工捣实，砼强度为C25，坍落度控制在80100mm，确保孔壁的稳定性。每节护壁做好以后，必须将井位十字轴线和标高设在护壁的上口，然后用十字线对中，吊线坠向井底投射，以半径尺杆检查井壁的垂直平整度。随之进行修整，井深必须以基准点为依据，逐根进行引测。保证工作井轴线位置、标高、截面尺寸满足设计要求。5.2.7 架设垂直运输架第一节护壁成孔以后，即着手在井孔上口架设垂直运输支架，要求搭设稳定、牢固。5.2.8 安
8、装吊桶、照明、活动盖板、水泵和通风机。5.2.9 为了确保人工微型竖井在各种工况下的结构整体稳定性，在刀盘上方2m范围内井壁外侧进行小导管注浆加固；小导管采用22mm的玻璃纤维筋。浆液采用水玻璃和水泥浆混合的双液浆，配比为水玻璃：水泥浆=1:1，注浆压力保证在2bar左右（视地面监测情况而定）。玻璃纤维筋长为1.5m，竖向采用梅花形布置，间距0.5m。小导管注浆范围可根据现场实际情况予以加大，以确保施工安全。5.2.10 环撑支护竖井土方开挖至盾构刀盘中心线上方3.5m处，待盾构机到达指定位置停机后，再开挖至盾构刀盘中心线标高。在刀盘中心线上方3.5m范围内的井壁采用素混凝土加环撑支护，如图5
9、.2-3刀盘上方环撑平面图所示，环撑采用8根12#热轧轻型工字钢焊接，严格按焊接技术要求施焊；当挖至刀盘处，环撑支撑在刀盘面板上，每转动一次刀盘，环撑需切割掉重新焊接，如图5.2-4刀盘处环撑平面图所示。每500mm布置一道环撑， 环撑与井壁采用钢筋锚杆连接。25（级）钢筋锚杆锚入土体，锚杆长600mm，环向间距300mm，锚入土体深度500mm。待护壁喷筑的C25素混凝土达到强度要求后，将环撑架设于钢筋锚杆上部，并与竖向预留筋连接，保证环撑牢固。 图5.2-3 刀盘上方环撑平面示意图 图5.2-4 刀盘处环撑平面示意图5.2.11 刀盘修复作业在所有验收工作完成之后，开始刀盘修复及刀具更换作
10、业。在作业过程中，一方面要派专人对现场进行组织协调，抓紧时间尽最大可能以最快的速度进行刀盘修复，另一方面要有专人进行现场安全防护、管理与协调。同时对所有的工作内容必须有专人进行工作质量验收（如刀盘的焊接质量、刀具的质量以及刀具的安装质量等）。5.2.12 微型竖井回填恢复掘进准备在刀盘修复工作完成之后，进行盾构机刀盘、渣土改良系统试运转，一切正常之后进行微型竖井回填工作。采用高质量的粘土进行微型竖井回填，注意当刀盘土舱内回填高度至土舱2/3时，向舱内注入泡沫剂膨润土浆液，以0.3r/min的速度慢慢转动刀盘，同时继续回填至微型竖井回填土高度至刀盘上方2米处左右，盾构恢复正常掘进。6材料与设备6
11、.1 材料主要施工材料见表6.1。表6.1 主要施工材料表序号材料名称规格型号备注1井圈箍筋14mm2护壁钢筋主筋、箍筋8mm3热轧轻型工字钢12#4钢筋锚杆25mm5砼C256小导管22mm玻璃纤维筋，L=1.5m7双液浆水泥-水玻璃6.2 设备主要施工设备见表6.2。表6.2 主要施工设备表序号机械名称设备型号数量单位备注1垂直出土装置1套2铁锹7个3镐头5个4模板3套5农用三轮车1辆运出渣土6潜水泵5KW1个7鼓风机750W3个8帆布风筒若干m内径与鼓风机匹配；长度依据竖井深度9应急灯40W5个10支撑板500*15006块11医用氧气瓶5个12空气质量检测仪1台13担架2副14灭火器4
12、个干粉灭火器15防毒面具6个16二氧化碳气体保护焊机YC-400TX1台17碳弧气刨电焊机YD-630SS1台18耐磨板及耐磨焊丝若干套依据刀盘修复量7质量控制7.1 质量控制标准施工质量控制执行以下规范和标准：建筑工程施工质量验收统一标准（GB 50300-2001）混凝土结构工程施工质量验收规范（GB502042002）钢筋混凝土工程施工及验收规范（GBJ20483）北京市轨道交通盾构隧道工程施工质量验收标准（QGD-008-2005）电焊条选用指南（第三版）7.2 质量控制措施7.2.1 现场管理上严格到位在开挖进度上严格控制进尺，管理到位，把好“五关”即“人员关、材料关、工艺关、检验关
13、、信息管理关”，使工程质量在施工过程中得到有效控制，确保质量目标的实现。7.2.2 施工过程控制设立专门的测量放线小组，测量仪器及工具事先检查、定期校正。测量控制的重点是保证工作井定位及成孔垂直的控制，挖孔前复核测量基线、水准点及井位。每挖完一节，必须根据井孔口上的轴线吊直、修边、使孔壁圆弧保持上下顺直，保证井体垂直度，挖孔的垂直度和直径尺寸应每挖一节检查一次，发现偏差及时纠正，以免误差积累不可收拾。开挖前要掌握现场土质情况，缩短每节高度，随时观察土体松动情况，必要时可在坍塌处用砌砖，钢板桩、木板桩封堵：操作过程要紧凑，不留间隔空隙，避免塌孔。8安全措施8.1 安全执行标准现场施工安全控制执行
14、以下规范和标准：建筑施工安全检查标准（JGJ5999）建筑机械使用安全技术规程（JGJ332001）安全施工管理规程（DB11/382-2006）8.2 安全控制措施8.2.1 现场成立安全管理领导小组，设立专职安全员，每4小时一班岗，按技术方案的要求落实作业层安全作业，强化监督力度，杜绝事故发生。8.2.2 执行岗前安全教育和安全交底制度，执行安全检查。8.2.3 进入施工现场要戴安全帽，严禁酗酒及酒后作业。8.2.4 井下操作人员连续工作时间不宜超过2小时，应轮换工作。8.2.5 施工机械每天(班)应有检查，检查项目：钢丝绳、场地情况、电缆线路及器材，发现问题应及时排除，附配件损坏应及时更
15、换好后方可施工。8.2.6 每日开工前应检测井下有无危害气体和不安全因素，孔深大于10m以及腐殖质土层较厚时，应有专门送风设备，风量不应小于25L/s，向工作井内作业面进行15分钟换气后才可以进行作业。当井孔内土层中含有害气体及有机物质较多时除加强通风外，还应对有害气体加强监测。8.2.7 桩孔口应严格管理。井孔口应设置高于地面200mm的护板，防止地面石子或其他杂物等被踢入井孔中。地面孔口四周必须有护栏，高度不低于800mm。无关人员不得靠近井孔口，井孔口机械操作人员不准离开岗位。口袋内不得放置物品(如钥匙、钢笔、怀表、打火机、小型工具、玩物等)，以防坠入井孔中。8.2.8 竖井下作业人员必
16、须戴好安全帽、穿好绝缘胶鞋、井孔口与下部作业人员应有可靠的联络设施。如井孔口管理混乱，井孔内应立即停止作业回到地面上。地面孔口作业人员需待井下作业人员上来后方可离岗。8.2.9 井口上应设置悬挂软梯，并随井孔深度放长，以备意外情况时有关人员能 顺利上下。正常情况下，操作人员上下应乘坐吊篮或专用吊桶。开机人员应专机专人，集中思想认真注意井孔内一切动态，电器开关不得离手。吊钩应有弹簧式脱钩装置，防止翻桶、翻篮、脱钩等恶性事故发生，严禁站在装渣桶边缘口上下。垂直运输机具和装置，必须配有自动卡紧保险装置。8.2.10 施工现场的一切电源、电路的安装和拆卸必须由持证电工操作，电器必须严格接地、接零和使用
17、漏电保护器。8.2.11 机械操作工、电工、电气焊工等工种人员持证上岗，非机械操作人员严禁上机操作及玩弄各种设备及按钮。8.2.12 采用严格的安全生产经济奖罚制度。8.2.13 施工现场设立醒目标志牌，加强现场管理，严格出入制度，禁止非施工人员进入施工现场。9环保措施9.1 环保标准绿色施工管理规程（DB11/513-2008）中华人民共和国环境保护法9.2 环保控制措施9.2.1 建立文明施工管理领导小组，项目生产经理、工区负责人、现场工长为文明施工负责人，直接负责本工程现场文明施工管理工作，加强现场管理工作，做到紧张有序，文明礼貌，团结协作，刻苦顽强，遵纪守法。9.2.2 进场前做好员工
18、环保教育，提高员工环保意识。9.2.3 将施工场地和作业限制在允许范围内，合理布置，规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.2.4 车辆不准带泥土出现场，如有泥砂带入场外道路，要及时清扫处理。9.2.5优先选用先进的环保机械，采取设立隔音墙、隔离罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能的避免夜间施工。9.2.6对现场堆放的渣土进行覆盖，以防止扬尘。10效益分析10.1 经济效益分析北京地铁十号线二期樊家村站丰台站区间工程施工中采用此工法两次对盾构机刀盘进行修复及刀具更换，与传统的地面加固刀盘修复的方法相比，具有施工操作简单、安全性高、快速、经济等优点，缩短了施
19、工工期，减小了设备损耗时间，节约了材料、人力及通风照明等消耗，成功的克服了地质差差、地面环境复杂、工期紧迫等不利条件，安全顺利的完成了刀盘修复作业。在砂卵石地层，地面环境复杂的条件下刀盘修复成功，为以后地下工程在类似情况下施工提供了可靠的决策依据及技术指标，新颖的工法技术将促进地下工程施工技术的进步，安全效益和经济效益非常明显。与采用地面加固施工的效益分析对比数据表见表10.1。表10.1 效益分析对比表序号对比项目竖井法修复刀盘地面加固修复刀盘备注1总工期1848天2占地面积42150200平米3材料费用3.540万元4通风照明0.60.8万元5人力费用1.23万元6间接费用75.6201.
20、6万元说明：1、砂卵石地层中采用地面加固方式进行刀盘检修安全风险很大。 2、间接产生的费用：盾构机设备款利息、43名施工人员及12名技术人员待工、设备折旧费用及风水电等间接费用4.2万/天。10.2 社会效益本工法的实施不仅确保了施工的安全，而且避免了地面注浆施工产生的大量场地占用，减小了对城市交通的影响，施工中产生的噪音、振动及粉尘也得到了最大限度的降低。进行刀盘修复施工时，周围的居民、学校及事业单位能够正常工作及生活。与传统的注浆加固修复刀盘相比，本工法除施工的安全性非常高之外，工程的占地面积小，场地易于布置，工程进度快，干扰因素少，有利于文明施工，各种资源能较好的利用；同时确保周围既有设
21、施不受影响，避免线路绕行，满足城市化施工高安全、高质量、高标准、高效率的要求，得到业主单位、监理单位及同行的赞赏。同时对周边环境基本无污染，也符合环保要求，取得了良好的社会效益。11应用实例11.1 工程概况北京地铁十号线二期樊家村站丰台站区间左线长843.592m，右线长828.189m，采用盾构法施工，地基持力层主要为卵石、漂石层，区间地层以砂卵石为主，卵石地层中分布有漂石，漂石一般粒径在200430mm，含量在10.8%69.4%。11.2 施工情况区间左线盾构机在掘进了200环后掘进参数开始出现异常，掘进速度由原来的36mm/min逐渐降低至12mm/min，刀盘的扭矩由2500kNm
22、增大至3600kNm，渣土温度也较高。再根据相关单位在类似地层中的施工经验来判断，区间左线的盾构机刀具已经磨损，而且很有可能已经造成刀盘面板损伤。为了确保盾构机安全顺利的掘进，需要对刀盘刀具进行检修。由于砂卵石地层自身稳定性很差，地面钻孔加固的耗时过长，造价高且效果不佳，再考虑到盾构机计划停机的地点处在公路下方，地面车辆较多，不便于钻孔注浆加固作业，也不利于环境保护。经过研究，在得到甲方、监理认可的情况下，为了确保盾构换刀施工安全，决定刀盘前方25m位置开挖竖井（检修井），竖井设计深度17.8m，在竖井施工完成后开始刀盘的检修及刀具更换工作。采用该工法成功的克服了砂卵石地层稳定性差、车辆较多的路面施工、工期紧迫等不利条件，安全、顺利的完成了刀盘的修复工作。在整个施工过程中，地面沉降都控制在5mm以内，拱顶沉降及洞内收敛几乎没有变化，均满足施工规范要求。10
