第7章区间施工方案
1.区间概况
本区间起点为设置于马家楼桥以南京开高速东侧的新发地站北端。线路出站后沿京开高速东侧绿地向北敷设，穿越马家楼桥桥区，侧穿了110kV、220kV高压塔，下穿马家楼东路。康辛路后玉泉营桥东南角的草桥站南端。区间全长1853.582m，起点里程K33+482.000,终点里程K35+335.582，采用盾构法施工，根据疏散要求设置3座联络通道，其中3号联络通道兼设置泵站，里程分别为：1号联络通道K33+864.000，2号联络通道K34+254.000，3号联络通道K34+852.000，联络通道采用矿山法施工。
2．水文地质情况
该段第四系沉积物以古漯水河故道沉积为主，上部地层以新近沉积的粉土、砂土、圆砾地层为主，下部地层以巨厚的卵石为主，在粗颗粒的土层中夹细颗粒的粉土、粘性土薄层或透镜体。
通过收集的资料和本次勘察测得的地下水位分析，沿线30m深度范围地下水以第四纪松散沉积物孔隙水为主，受地层岩性分布特点的影响，该水文地质单元，主要分布两层地下水，地下水类型为上层滞水（一）、和层间水（四）。
上层滞水（一）：受环境影响，分布呈无规律性，埋深一般小于7m，含水层主要为表层的人工填土、粉土层及砂土层。本次勘察未观测到。
层间水（四）：本次测得水位埋深为17.9-27m，含水层主要为卵石⑦层、卵石⑨层。2.盾构区间施工方案
2.1施工总体部署
K33+482.000～K35+335.582（1853.582m），采用盾构法施工，本区间采用2台Φ7710mm 土压平衡盾构施工（左线为1号盾构机，右线为2号盾构机），先后从新发地站北端始发井
始发，双机平行施工，至区间明挖段盾构井接收、解体、吊装。详见【图3.1-1盾构区间施工组织示意图】。在盾构掘进过程中我们将分为两个阶段，第一是试掘进阶段（前100米），掘进速度5～6m/天，第二为正常掘进阶段，掘进速度10m/天。
图2.1-1盾构区间施工组织示意图
2.2盾构机选型
2.2.1选型依据
本区间的盾构机选型主要依据北京轨道交通19号线一期工程新发地站~草桥站区间招标图纸、水文地质勘察报告和招标文件，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，结合多年来我单位在地铁工程实际施工中积累的经验，按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行盾构机的选型以及我方对本区间地质条件的分析及招标文件对盾构设备的要求：
(1)满足本区间工期的要求，盾构机应可靠耐用并具有较高的掘进效率，其平均掘进速度宜为360m/月台。为此，要求盾构各系统、各部件及辅助设备应尽可能紧凑，并具有较高的可靠性，且要求故障少，维修方便。
(2)施工占地少，特别是地面处理设备占地少，且能适应市区道路狭窄、建筑物密集、拆迁难度大等现实条件。
3.2.2本区间对盾构机的要求
（1）对地质的适应性要求
盾构的性能及其对地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键。
1）本区间盾构工程特点
隧道长度：1853.582m；
隧道覆土厚度最小：6.8m，最大：9.1m；
平面最小曲线半径：1200m，最大坡度：26‰；
隧道为圆形，内净空：6700mm；
管片外径：7400mm；
2）工程地质和水文地质特点
根据盾构区间地质特点，盾构机沿线卵石地层中不均匀分布有大粒径的飘石，且在空间上分布上具有随机性，本区间选用的盾构机推进装置在四周布置，分为四组，并且每组可以单独控制推进，通过油压、位移传感器精确控制盾构机掘进方向，带式螺旋输送机具有土囊效应防止喷涌开关门功能。盾构机配制上要求以大开口率的幅条型刀盘为主，以利于碴土的流动性，并对刀盘设置耐磨板和耐磨条网格堆焊，确保刀盘有足够的耐磨的抗冲击能力；刀具配制加强型贝壳刀，一方面对嵌入式卵、砾石起到松动作用，以减少卵、砾、小粒径漂石对刀盘的磨损作用，同时也使得刀具更能抵抗碴土的磨损和卵、漂石的冲击；螺旋输送机采用大直径带状结构，以利于600mm以下的漂石送出，在螺旋输送机的设计上采取耐磨设计，增长其使用寿命；对于可能存在的大于600mm的漂石与孤石，则设计双人闸加压舱，在必要时带压进舱处理大粒径漂石与孤石。对刀盘前方各个部位注入泡沫剂及高分子聚合物等，充分润滑刀具和改良开挖岩层，从而减少对刀盘、刀具的磨损，起到良好的保护效果。
（3）基本功能要求
要求盾构具有开挖系统、出渣系统、渣土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统等基本功能。
1)足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力；
2)合理的刀盘及刀具设计，刀盘开口率足够，开口位置合理，螺旋机能够输出较大漂石；
3)完善的渣土改良系统，包括加泥系统、泡沫系统、聚合物系统等，有效改善渣土塑性，同时具备良好的止水性；
4)盾构机具备超前注浆能力，以保证加固刀盘前面地层；
5)盾构本体在压力状态下的防水密封性能；
6)易于更换刀具，人舱设计合理安全，确保满足带压进仓作业条件；
7)管片壁后同步注浆系统，有效控制地表沉降；
8)连续开挖时盾构刀盘、刀具、螺旋输送机等耐磨损能力；
9)盾体有足够的强度防止发生变形；
10)具有完善的防喷涌功能
（4）精确的方向控制
要求盾构的自动导向系统具有很高的精度，以保证线路方向的正确性。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能进行纠偏、转向；二是采用先进的激光导向技术，保证掘进方向的正确。
（5）环境保护
盾构法施工的环境保护包括两个方面：首先是盾构施工时对周围自然环境的保护，即地面沉降满足设计要求，无大的噪声、震动等；再者盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫等对环境造成污染小。
（6）掘进速度满足计划工期要求
根据业主提供的工期安排，要求盾构机有完善的性能，确保施工顺利进行，同时盾构机速度性能要求较高。投入本区间的盾构机设计掘进速度Vmax≥80mm/min。
（7）设备可靠性、技术先进性与经济性的统一
1)盾构的可靠性是工程施工的重要保障，盾构的关键部件必须在施工过程中万无一失，做到百分之百的可靠。
2)盾构机的可靠性表现在以下方面：
①整体设计的可靠性，即地质的适应性；
②设备本身的性能、质量、使用寿命等的可靠性。
盾构机设计同时也考虑到对先进技术的应用及经济因素，盾构选型及设计应该按照“可靠性第一，技术先进性第二，经济性第三”的原则进行。
3.2.3盾构机型式的确定
土压平衡盾构在施工过程中，可以向土舱和开挖面加注含有土体改良成分的膨润土或泡沫，其主要目的首先是改善土体的流动性，提高土舱内压力的均匀性和压力平衡的效率，保持开挖面的稳定，弃土可以直接用车辆运输，无须进行泥水分离，方便快捷，这些优点在城市轨道交通项目中尤其明显。本区间拟采用Φ7710泥土加压式平衡盾构机，具有以下优点：
(1)刀盘布局对不同地质的适应性。
(2)不需要大规模的泥水处理设施和处理场地，施工占地少。
(3)不需要大量的施工用水，有利于在市区进行隧道施工。
(4)开挖土体直接由车辆运出，无泥水排放，满足环境保护要求。
(5)在盾构出洞时，容易建立初始土压平衡，控制地面沉降。
(6)通过改良开挖面土体，更易控制涌气、涌水、涌砂事件的发生。
(7)拥有丰富的地铁隧道土压平衡盾构施工经验，施工操作人员众多。
(8)盾构设备和盾构施工费用较低，经济性好。
综上所述：我方认为Φ7710泥土加压式平衡盾构机符合本工程要求。
3.2.4刀具形式、刀盘布局及其对区间不同地质的适应性及可靠性
(1)刀具、刀盘整体布置形式
我方使用的盾构机刀盘及刀具适应本区间的地质特点。整个刀盘为焊接结构，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。刀盘和主驱动通过一个很厚的法兰盘连接，刀盘可以双向旋转。
盾构机的刀盘开挖直径为Ф7710mm，从法兰盘底面到刀盘面板高为1400mm，刀盘总重约70T，采用6主+6副的辐条式结构，刀梁及扭腿采用圆形钢管，搅拌扭矩小，利于渣土流动；本刀盘能较好的适应本标段粘土地层中掘进，除此之外刀盘还广泛适用于淤泥、粉土、粘土、砂层、砾石、卵石层及强度不高的全强风化岩地层。刀盘构造如图3.2-1所示。
图3.2-2 φ7710土压平衡盾构机刀盘形式
为了保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘的中心部位采用整体铸钢铸造，周边和中心部件在制造时采用先栓接后焊接的方式连接。根据对刀盘设计模型在岩层模式下对每个刀具
加载25t的荷载的有限元分析结果显示，刀盘的强度和刚度均满足本区间施工的要求。
刀盘的开口形式：开口尽量靠近刀盘的中心位置，以利于中心部位渣土的流动。本区间拟采用的盾构机刀盘开口率可以达到50%。
渣土改良注入口设计：刀盘面板上共设计有8个注入口，其中包括6个泡沫注入孔，2个膨润土注入孔。
耐磨设计：刀盘的周边焊有耐磨条，刀盘的面板用进口MT焊条焊接的格栅状的耐磨材料，充分保证刀盘在岩层掘进时的耐磨性能。
刀座设计：刀盘上的先行贝壳刀刀座和滚刀刀座相同，安装方式也相同。这样的设计可以满足贝壳刀和滚刀的互换性要求，从而满足必要时换用滚刀掘进。
刀盘驱动及支撑形式：盾构机刀盘驱动采用变频电驱动，刀盘驱动的配备功率为1600KW，额定工作扭矩为12000KN.m，脱困扭矩为14000KN.m。刀盘的转速范围为0～3rpm。
刀盘采用中间支撑方式。盾构机主轴承的外密封采用唇形密封，可以满足5bar承压能力；主密封的设计寿命为10000h，主轴承的设计寿命为10000h。
2.2.5刀盘结构特点分析
刀盘上焊接的耐磨条及耐磨焊层也是刀盘在岩层中掘进时的重要保证措施。所有刀具采用背装式，大大提高换刀作业的高效、安全性。为了适应部分地层可能出现较大孤石，相应的增大了刀盘开口率。
2.2.6刀具配置及对地质的适应性
本区间隧道主要穿越卵石⑦层及卵石⑨层，中粗砂填充。所以针对该地质情况，刀盘的刀具配置为焊接撕裂刀75把；刮刀74把；边刮刀12把；保径刀12把；超挖刀1把；中心鱼尾刀1把。
刀具选型与布置具有以下特点：
(1)可实现双向旋转（正/反）。
(2)刀具高低搭配，先行刀高于切刀布置。
(3)采用耐磨性能和冲击性能优越的KE13类硬质合金刀刃。
(4)切削刀具的布置在刀盘分成内、中、外3部分，由内到外刀具布置逐渐增多。
(5)中心鱼尾刀呈倒V型结构，其作用可以切削中心部位的土层；同时可以起到定心作用。
(6)因为刀具数量随直径的增大而增多，所以刀具的磨损基本是均匀的。
(7)最外部布置足够多的刮刀、保径刀和先行刀，可以有效保径及防止刀盘刀圈梁的直接磨损。
2.3土压平衡工作原理
土压平衡盾构的开挖土舱由刀盘、切口环、隔板及添加剂注入系统组成。将刀盘切削下来的碴土填满土舱室，在切削刀盘后面装有使土舱室内土砂强制混合的搅拌臂。借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力通过碴土及刀盘作用于整个作业面，使作业面稳定，同时用螺旋输送机排土，螺旋输送机排土量与盾构推进量相适应，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量平衡，维持土舱内土压力稳定在预定范围内。土舱内的土压力通过土压传感器进行测量，为保证预定的土压力可通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速来控制，控制原理见土舱土压力控制示意图2.5-1。
地层土压力和水压力时，地表将会下沉；因此土舱内的土压力应与地层土压力和水压力平衡。
土压平衡式掘进主要用于开挖面不能自稳、或地下水较多以及流塑性的软粘土地层和砂土层的盾构施工。土压平衡掘进可以有效地防止过大的地面沉降。
在土舱内提供平衡压力的方式主要有以下两种方式：一是在土舱内充满碴土以产生压力；二是向土舱内加注辅助材料如泡沫、膨润土或空气来产生一定的压力。土舱内的压力值应根据不同的地质情况来设定，辅助材料是通过自动控制系统来控制注入的速度和注入量的。2.3.1各部功能描述
土压平衡盾构在结构上包括刀盘、盾体、人舱、螺旋输送机、管片安装机、管片吊机、皮带机和后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出渣系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、导向系统及通风、供水、供电系统等。土压平衡盾构机全图见【图3.2-1 土压平衡盾构机】。
图3.2-1土压平衡盾构机
(1)刀盘和刀具
刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分，在支撑掌子面土压的同时进行开挖。通过在不同形式的刀盘上安装不同的刀具或刀具组合，可以适应不同地质情况下的施工需要。
刀盘包括焊接结构件和刀架。刀盘表面焊接耐磨层，圆周区域焊接有三道耐磨条。通过刀盘旋转，挖出渣土从刀盘的12个开口导入土仓。刀盘的后部开口向内倾斜，有利于导入渣土。焊接搅拌臂可以使渣土改良添加剂和挖出的渣土在土仓内进行充分的搅拌，使渣土得到较好改良。
刀盘安装在主轴承的内齿圈上，通过6组变频电机组驱动。刀盘设计为双向旋转，其转速可实现无级调节，稳定性较好。
通过刀盘的旋转接头，土质改良用的泡沫、膨润土和水的混合物被送到土仓内。另外，仿形刀的工作液压油也是通过旋转接头来连接的。回转中心轴通过刀盘中心的法兰和刀盘连接。
刀盘在两个不同的半径上分布有4个搅拌棒，刀盘转动时，它们与前盾隔板上的被动搅拌一起对土仓中的土体进行强制搅拌，使注入在开挖面上或土仓中的添加材料（加泥、水、泡沫）与切削下来的土体进行充分的搅拌，提高土体的塑性、流动性。
2.3.2盾体
盾体包括三个主要组件：前体(切口环)、中体(支撑环)和盾尾。
(1)前体
前体又称切口环，它里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构。压力隔板将前体的土仓和主舱分离开来。隔板上面的门可以让人进入土仓进行保养、检查和刀具更换工作。此外，隔板有几个开口，可以作为渣土改良材料的入口以及作为修理时输电线的接线盒接头。水、膨润土或泡沫被输送至土仓，通过焊接在隔板上的四个搅拌棒使土仓内的渣土充分搅拌。在保养和修理时，螺旋输送机的收回后，通过液压系统关闭前仓门，从而关闭螺旋输送机的进渣口。
在前体的隔板上安装有土压传感器用以监测土仓内的土压，以便在土压平衡模式下及时对土仓内的土压进行反馈和调节。
(2)中盾和尾盾
中盾又称支撑环，前体和中体是通过136颗M36的高强度螺栓连接在一起的。
在中体内布置了推进缸支座和管片安装机架。管片安装机支架通过相应的法兰面和管片安装机梁连接起来。推进缸和连接盾尾的铰接油缸布置在中体。在中体的盾壳上焊接了带球阀的可在需要时实施超前钻孔的预留孔，当需要时还可以通过这些预留孔注入膨润土等用以减小盾壳与土层的磨擦，或实施临时止水。
中体和盾尾之间通过铰接油缸连接，两者之间可以有一定的夹角，从而使盾构在掘进时提供转向空间。正常情况下铰接处使用的是预紧密封，并安装有一道紧急气囊密封用于对铰接密封维修时使用。
盾尾安装了三道密封(两道钢丝刷+1道钢板束)及二个油脂注入管道，在密封刷中注入密封油脂以防止盾构外面的水或砂浆进入盾构。另外还安装了8根内置的同步注浆管道。如图2.6-1所示。
图2.6-1 同步注浆及盾尾密封示意图
(3)人员舱
人员舱是在土仓保压期间，人员出入土仓进行检查和维修的转换通道，出入土仓的工具和材料也由此通过。其主要目的也是为了在人员和材料进入土仓时能够保持土仓中的土压。
人员舱包括主舱和准备舱，它们由压力门隔开。主舱和中间舱之间有法兰连接，而中间舱通过螺栓连接在压力隔板上。通过隔板上的门就可以进入土仓。
(4)主驱动系统
主驱动机构包括主轴承、6变频驱动电动机，刀盘通过螺栓和主轴承的内齿圈联接在一起，主驱动系统通过变频电动机驱动主轴承的内齿圈来带动刀盘旋转。主驱动系统机构如【图2.6-2
(5)推进系统
推进油缸的的主要作用是为盾构机提供推力。由于管片的分度不同，推进缸的布置也会随之而改变，考虑掘进调向可操作性，需要将油缸进行分组。通过调整每组油缸的不同推进
速度来对盾构进行纠偏和调向。
采用被动铰接，铰接油缸的布置分四组控制，通过铰接油缸的行程变化适应盾构转弯要求。铰接油缸由14根组成。在四个不同位置的铰接油缸配置了内置位移传感器，用来监测圆周方向不同位置的变化情况。
(6)出渣系统
1)螺旋输送机
①螺旋输送机安装于前体的底部，开挖的碴土在底部，螺旋输送机伸往渣舱的一段为可更换的耐磨片。
②针对大直径卵石和沙层的掘进，如何尽可能的将卵石从土仓中搬运出来，是减少施工困难的关键，为此，我们设计尺寸为10300mm*1200mm*1050mm，内径为950mm的无中心轴的带式螺旋输送机，从而使得绝大多数的卵石和块石可以从螺旋输送机中搬运出来。
③考虑到在砂卵石层中施工易出现涌砂涌水的情况，出土口在螺旋机尾部设置了二道闸门，在涌水较多的场合，可以通过先将第1道闸门关闭，第2道闸门开启将渣土存放在出口处，然后将将第2道闸门关闭，第1道闸门开启，把渣土排放出，以处理喷涌等紧急情况。带式螺旋轴主要承受螺旋输送机的驱动扭矩和土体在输送过程因重力产生的土压力和输送过程中土体附着产生的摩擦力。
④采用周边驱动方式，主要包括低速大扭矩马达、小齿轮、大齿圈、滑动轴承等。螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式，螺旋输送机驱动部位采用前后各两道唇形密封保护滑动轴承，通过轴承圆周上的几个孔用递进方式分配阀将油脂持续注入。密封采用TBMS 系列的盾构专用密封驱动装置。
⑤因带式螺旋输送机的转速和扭矩明显小于轴式螺旋输送机，故带式螺旋输送机拥有更大的输送效率。。螺旋输送机机构示意如【图2.6-3 螺旋输送机结构示意图】。
管片安装机的控制方式有遥控和线控两种方式，均可对每个动作进行单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构协同动作使管片实现六个自由度动作，把管片安装到准确的位置。。
(8)液压系统
盾构的液压系统包括、推进系统(包括铰接系统)、管片安装机及辅助液压系统，推进系统和管片安装机泵站安装在盾壳内，这样有效的节省盾构机的空间。
(9)渣土改良系统
盾构机配有两套渣土改良系统：泡沫系统、膨润土(泥浆)系统，泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成，其工作原理如【图2.6-4泡沫及膨润土系统示意图】所示。
图2.6-4泡沫及膨润土系统示意图
(11)膨润土(泥浆)系统
盾构机还配有一套膨润土(泥浆)注入系统，通过输送泵将泥浆或者膨润土压入刀盘、渣仓和螺旋输送机内，达到改良渣土地目的。
(12)注浆系统
盾构机采用同步注浆系统，这样可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。
盾构机配有两台液压驱动的注浆泵，它将砂浆泵入相应的注浆点，通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙。注浆压力可以通调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。在数据采集和显示程序的帮助下，随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据；其原理示意如【图2.6-5 注浆系统图】。
(13)计算机控制及数据采集分析系统
计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。中铁盾构机采用的工控机安装在盾构司机室，由现场操作人员使用，用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。
数据采集分析系统就是采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。通过调整过的时钟脉冲，所有测量数据都将从工控机连续不断的得到。每环结束后，掘进报告会自动生成。
(14)测量导向系统
盾构推进测量以SLS-SL 导向系统为主，辅以人工测量校核。该系统主要组成部分有ELS 靶、激光全站仪、后视棱镜、工业计算机等，SLS-SL 导向系统能够全天候的动态显示盾构机当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，盾构主司机可根据显示的偏差及时调整盾构机的掘进姿态，使得盾构机能够沿着正确的方向掘进，见【图2.6-6 全站仪安放示意图】
图2.6-5 注浆系统图
2.3.3盾构机主要尺寸、技术性能和参数、关键参数计算
(1)盾构机主要尺寸、技术性能和参数
本区间盾构机主要尺寸及技术参数见【表2.2-1盾构掘进机主要技术参数表】。
表2.2-1 盾构掘进机主要技术参数表
图2.6-6 全站仪安放示意图