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盾构隧道始发技术
盾构隧道始发技术

摘 要 结合盾构隧道施工始发技术在南京地铁TA15标施工过程中的应用,介绍了盾构施工始发技术的组成、关键技术、关键工序及工艺,并提出了常见问题的对策和预防措施。
关键词 盾构隧道,始发,施工,技术

1 前言

我国地铁隧道施工已开始使用盾构法。随着技术进步、认识提高、综合国力的增强,特别是随着该施工技术所显现的优势,盾构法越来越多地被国内地铁界所接受,上海、广州、南京、北京、深圳、天津、西安、成都、沈阳、杭州、青岛等城市都使用这种方法。上海地铁是国内最早采用盾构施工的,且大部分工程都是利用盾构完成的;南京地铁目前有3个盾构标段4台盾构机在进行施工,施工总量约占全线的30%。虽然盾构有许多成功的工程实例,但是使用这种方法也有较大的风险。如盾构在隧道内只能前进,不可后退,一旦盾构本身出现致命的故障,可能就会产生灾难性的后果。而且使用盾构在对洞口进行加固处理的始发时阶段出问题的概率很高,即使是非常有经验的承包商也常会发生类似事故。本文重点介绍盾构始发的技术问题。

2 始发技术的重要性及关键技术

由于在始发阶段存在以下几种特殊情况:

(1)始发推进前需凿除车站的围护结构(主要是处理钢筋砼结构),凿除围护结构后的土体在一定的时间段内必须保持自稳,不能有水土流失;

(2)始发阶段盾构机主体在始发导轨上不能进行调向;

(3)始发阶段的姿态及地面沉降控制比正常推进阶段更困难;

(4)始发期间一些设备如管片小车、管片吊机,包括出渣都不能正常使用。有时也会存在盾构机因为车站结构的原因而不能整机始发。

综上所述,盾构在初始阶段的施工难度很大。因此,盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键,也是盾构施工成败的一个标志,必须要全力做好。同时还应确保盾构连续正常地从非土压平衡工况过渡到土压平衡工况,以达到控制地面沉降,保证工程质量等目的。

始发技术包括洞口端头处理(在软土无自稳能力的地层中)、洞门砼凿除(主要针对钢筋砼围护结构)、盾构始发基座的设计加工、定位安装;始发用反力架的设计加工、就位;支撑系统、洞门环的安设、盾构组装、盾构始发方案、其他保证盾构推进用设备、人员、技术准备等,直到始发推进。

3 始发施工技术

3.1 始发洞口的地层处理

在盾构始发之前,一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层,并采取有针对性的处理措施。地层处理一般采取如“固结灌浆”、“冷冻法”、“插板法”等措施进行地层加固处理。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备最少一周的侧向自稳能力,且不能有地下水的损失。常用的具体处理方法有搅拌桩、旋喷桩、注浆法,SMW工法、冷冻法等。选择哪一种方法要根据地层具体情况而定,并且严格控制整个过程。

3.2 始发洞口维护结构的切除

根据经验,一般在始发前至少一个月开始洞口维护结构的切除。整个施工一般分两次进行,第一次先将围护结构主体凿除,只保留维护结构的钢筋保护层,在盾构始发前将保护层混凝土凿除。

  在凿除完最后一层混凝土之后,要及时检查始发洞口的净空尺寸,确保没有钢筋、混凝土侵入设计轮廓范围之内。

3.3 洞口密封

洞口密封是为盾构在始发时防止背衬注浆砂浆外泄所用,按种类分有压板式和折叶式两种,其中折叶式越来越被人们所认可。洞口密封的施工分两步进行施工,第一步是在车站结构的施工工程中,做好始发洞门预埋件的埋设工作,要特别注意的是在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接在一起;第二步在盾构正式始发之前,应先清理完洞口的碴土,再完成洞口密封的安装。

3.4 洞口始发导轨的安装

在围护结构破除后,盾构始发台端部距离洞口围岩必然会产生一定的空隙,为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构“叩头”现象,需要在始发洞内安设洞口始发导轨。安设始发导轨时应在导轨的末端预留足够的空间,以保证盾构在始发时,不致因安设始发导轨而影响刀盘旋转。

3.5 反力架、始发台的安装

3.5.1 反力架、负环管片位置的确定依据

反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。

3.5.2 负环管片环数的确定

假定盾构长度LTBM=8.3M,安装井长度LAS=12M(因不同的始发井尺寸而不同),洞口维护结构在完成第一次凿除后的里程DF,设计第一环管片起始里程D1S,管片环宽WS=1.2M,反力架与负环钢管片长WR=1.5M(自行设计加工的尺寸)。DR为反力架端部里程,N为负环管片环数。

  (1)在安装井内的始发时最少负环管片环数确定N=(D1S-DF+8.3)/WS环

3.5.3 反力架、负环钢管片位置的确定

在确定始发最少负环管片环数后,即可直接定出反力架及负环管片的位置。

反力架端部里程DR=D1S-N×WS3.5.4反力架、始发台的定位与安装

在盾构主机与后配套连接之前,开始进行反力架的安装。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实,以保证反力架脚板有足够的抗压强度。

由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态,在安装反力架和始发台时,反力架左右偏差控制在±10MM之内,高程偏差控制在±5MM之内,上下偏差控制在±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<±3‰。

3.6 盾构的始发

3.6.1 始发台两侧的加固

由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩。所以在盾构始发之前,必须对始发台两侧进行必要的加固。加固的方式见图1。

3.6.2 负环管片安装

(1)负环管片安装准备

在安装负环管片之前,为保证负环管片不破坏尾盾刷、保证负环管片在拼装好以后能顺利向后推进,在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的方木(或型钢),以使管片在盾壳内的位置得到保证,如图2。

(2)负环管片后移

第一环负环管片拼装成圆后,用4~5组油缸完成管片的后移。管片在后移过程中,要严格控制每组推进油缸的行程,保证每组推进油缸的行程差小于10MM。在管片的后移过程中,要注意不要使管片从盾壳内的方木(或型钢)上滑落。

(3)负环管片与负环钢管片的连接

负环管片的最终位置要以推进油缸的行程进行控制,在负环管片与负环钢管片之间的空隙用早强砂浆或钢板填满。

(4)负环管片的拼装类型

在安装井内的负环管片的拼装类型通常采取通缝拼装,主要是因为盾构井一般只有一个,在施工过程中要利用此井进行出渣、进管片。所以采用通缝拼装可以保证能及时、快速的拆除负环管片。

3.6.3 盾构的始发

(1)空载推进

盾构在空载向前推进时,主要控制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推进量。

要在盾构向前推进的同时,检查盾构是否与始发台、始发洞发生干涉或是否有其他异常事件或事故的发生,确保盾构安全的向前推进。

(2)始发时盾构姿态的控制

主要通过盾构机的推油缸行程来控制姿态。

(3)始发时盾构推进参数的控制

在保证盾构正常推进的情况下,稍微降低总推力和刀盘扭矩。

3.6.4 洞口注浆

在盾尾完全进入洞体后,调整洞口密封,进行洞口注浆。浆液不但要求顺利注入,而且要有早期的强度。注浆压力控制在1.5BAR以内。

3.7 反力架、负环管片的拆除

反力架、负环管片的拆除时间根据背衬注浆的砂浆性能参数和盾构的始发掘进推力决定。一般情况下,掘进100M以上(同时前50环完成掘进7日以上),可以根据工序情况和工作整体安排,开始进行反力架、负环管片拆除。

4 常见问题的预防或处理

4.1 加固效果不好

端头土体加固的效果不好是在始发过程中经常遇到的问题。采取的主要措施是必须根据端头土体情况选择合理的加固方法,而且要加强过程控制,特别是要严格控制一些基本参数。对于加固区与始发井间形成的必然间隙要采取其它方式处理。

4.2 开洞门时失稳

开洞门时失稳主要表现为土体坍塌和水土流失二种,其主要原因也是由端头加固效果不好所致。在小范围的情况下可采用边破除洞门砼,边利用喷素砼的方法对土体临空面进行封闭。如果土体坍塌失稳情况严重时,只有封闭洞门重新加固。

4.3 始发后盾构机“叩头”

始发推进后,在盾构机抵达掌子面及脱离加固区时容易出现盾构机“叩头”的现象,根据地质条件不同有些可能出现超限的情况。为此,通常采用抬高盾构机的始发姿态、合理安装始发导轨以及快速通过的方法尽量避免“叩头”或减少“叩头”的影响。

4.4 密封效果不好

洞门密封的主要目的也是在始发掘进阶段减少土体流失。当洞门加固达到预期效果时,对于洞门环的强度要求相对较低,否则要在盾构推进前彻底检查和确定洞门环的状况。在始发过程中若洞门密封效果不好时可即时调整壁后注浆的配合比,使注浆后尽早封闭,也可采用在洞门密封外侧向洞门密封内部注快凝双液浆的办法解决。

4.5 盾尾失圆

在很多情况下,始发阶段由于自重及其他原因,盾尾一般都会出现失圆的情况,有些可能达到10CM之多。可以采用盾构机自带的整圆器进行整圆,在必要的情况下,可采用错缝拼装以保证在管片拼至隧道内时管片自身的椭圆度控制在误差以内。

4.6 支撑系统失稳

支撑系统在某些情况下由于盾构机推进中的瞬时推力或扭矩较大而产生失稳,这样将导致整个始发工作的失败。对于支撑系统的失稳只能从预防角度进行,同时在始发阶段对支撑系统加强监测。

4.7 地面沉降较大

由于始发施工的特殊性,始发阶段的地面沉降值均较大,因此在始发阶段需尽早建立盾构机的适合工况并严密注意出土量及土压情况,同时加大监测频率,控制地面沉降值。

5 实例简介

南京地铁南北线一期工程共有三个盾构标段,其中由中铁隧道集团施工的TA15标的始发掘进一次成功。TA15标主要包括二个区间:玄武门站~许府巷站,许府巷站~南京站站。区间线路总长4574M。该段工程地质第一区间主要是隧道底部,基本位于可~硬塑粉质粘土上,隧道中部以下为可塑状粉质粘土,以上为流塑状粉质粘土;主要穿越的地层有②-2B4粉质粘土~淤泥质粉质粘土和②-2C2-3粉土。其中②-2B4粉质粘土~淤泥质粉质粘土高压缩性和高灵敏度,易产生土体流动、开挖面不稳定现象;②-2C2-3饱和粉土具中低压缩性、中~高灵敏度,易产生涌水、涌砂、开挖面不稳定现象。地下水位在地面以下1.1~3.1M之间。在许府巷到南京站区间,隧道穿越中~稍密实砂层为主,在到达南京站段,局部穿越粘土层。其中场地范围内分布的②-1C2-3粉土、②-1D3-4粉砂夹细砂、②-2C2-3粉土及②-2D2-3粉砂夹细砂均为液化地层,液化程度属轻微液化~严重液化。隧道穿越的土层及隧道底板下的土层分布复杂,其中②-2B4淤泥质粉质粘土和②-3B3-4粉质粘土承载力低,具有高压缩性及高灵敏度,易产生土体流动、开挖面不稳;②-2C2-3粉土、②-2D2-3粉砂夹细砂及②-3D2-3粉细砂,含水量丰富,透水性强,渗透系数达5×10-3CM/S,极易产生涌砂、涌水、开挖面不稳现象。地下水位在0.2~2.0之间。

在前期端头加固处理中,为确保加固质量,先后使用了深层搅拌桩、注浆及高压旋喷的方法,分别针对一般地段、地下有障碍物处、与车站连续墙相接处进行加固。然后人工用风镐对车站的连续墙进行了凿除,凿除至第二层钢筋为止。在洞口密封、始发导轨、反力架及始发台安放好以后,进行连续墙最后一层砼的剥除,最后一次性始发成功。

6 结束语

盾构机的始发成功主要由始发条件及始发施工技术中每一环节的处理决定。在前期的地质勘探、始发区域的建筑物及管线情况进行调查,特别是对端头土体的液限、塑限、渗透系数、含水量等各种物理力学指标进行全面的调查及评估是相当有必要的;同时应对始发技术施工中的每一个环节加强全面、细致的控制,以确保各种处理措施达到预期效果。因为始发技术与各个工程的始发条件息息相关,所以始发时每一个细节如采用什么端头加固方式、连续墙破除方式、始发台及反力架的定位等均需根据现场条件选择最合适的方法。

参考文献

〔1〕夏明耀.曾进伦.盾构法隧道设计与施工.《地下工程设计施工手册》
〔2〕〔日〕土木学会 编.朱伟译.《隧道标准规范(盾构篇)及解说》
〔3〕中铁隧道集团南京地铁项目经理部.《南京地铁TA15标施工组织设计》
〔4〕中铁隧道集团南京地铁项目经理部.《南京地铁TA15标施工设计图》
〔5〕中铁隧道集团广州地铁项目经理部.《广州地铁越——三区间施工组织设计》


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