地铁区间隧道盾构始发掘进技术
2011-05-18 17:48
地铁区间隧道盾构始发掘进技术
【摘 要】以具体工程为例,简要说明在该工程地质条件下盾构的始发流程。从洞门密封、洞门破除、导轨安装、掘进方向的控制与调整等方面重点介绍土压平衡式盾构始发技术的组成及关键技术和施工工艺,并对盾构始发施工过程中出现的常见问题,给出建议性对策和预防措施。
【关键词】盾构始发 技术 掘进 隧道
前言
随着国民经济的发展和城市化的加快,城市地下空间的开发和利用越来越多的受到重视。城市轨道交通中的地铁,其区间隧道一般位于繁华路段,周围密集的建筑物及大量的地下管线为施工带来一定难度,盾构法以其施工速度快、安全、对周围环境影响小等优势在地铁隧道施工中得到了广泛应用。盾构始发是隧道盾构法施工的一大关键环节,也是盾构法施工的难点[1、2]之一,其成败对隧道施工质量、进度、安全及其经济效益都有重要的影响。本文结合盾构实践工程实例,重点介绍盾构始发的技术问题。
1、工程概况
某轨道交通区间隧道土建工程包含一个盾构区间,两个明挖区间段,盾构区间合计长2269·579m,其中右线长1124·828m,左线长1144·751m,线路最小平曲线半径为300m,隧道内径5·4m,外径6·0m,隧道底板埋深10·82m~12·35m,采用2台复合式土压平衡盾构机掘进,左右线各1台。根据总体施工计划,先行始发施工左线,待左线盾构掘进50m后再行始发施工右线。洞口段主要为〈1〉人工填土层、〈2-2〉淤泥质粉砂层、〈4-1〉粉质粘土、〈5-2〉残积类硬塑状粉质粘土、〈7〉岩石强风化带等海陆交互相沉积的淤泥质土、砂、软-塑状粉质粘土和硬塑状基岩残积层组成,隧道洞身主要为〈5-2〉残积类粉质粘土层和<6>、<7>全、强风化岩层组成。区间地下水类型主要为赋存于第四系松散土层中的孔隙潜水和层状基岩裂隙承压水(白垩系碎屑岩)。
2、盾构始发施工技术
2·1 始发端头地层加固处理
由于本区间隧道盾构始发端头地质条件较差,需先进行端头加固,再进行洞门施工。盾构始发地层采用搅拌桩+旋喷桩注浆加固方案,以确保在盾构始发时,凿除车站围护桩后前方土体有较好的自稳性和防水性能。
2·2 始发流程
盾构始发是指盾构从组装调试,到盾构完全进入区间隧道并完成试掘进为止的施工过程。
盾构始发的成功与否将直接影响着后期盾构隧道工程的顺利开展,因此在盾构始发时除对始发端头进行必要的加固外,还要在技术方案上对始发工作进行有力的支持和保证。盾构始发按图1流程进行:
2·3 洞门凿除方案
本区间盾构施工中,共有8座洞门需要在始发前将洞门端头围护桩进行凿除,经调查已知该区间盾构始发井围护结构为钻孔桩结构和地下连续墙结构两种。由于车站围护结构采用形式不尽相同,因此针对不同的盾构井围护结构,采用不同的凿除方案。
2·3·1 采用桩基的围护结构
为了避免洞门凿除对车站结构产生扰动,围护桩钢筋砼的凿除分两步进行(如图2示):先沿洞周凿除A部分,采用破碎锤施作,在中心3·05m外沿环向安装格栅并与钻孔桩钢筋焊接喷射砼形成30cm厚的格栅支护;再采用静态爆破的方式凿除B部分。凿除时围护桩内层钢筋先不予割除,待盾构推进或出洞时再迅速割除。
2·3·2 采用地下连续墙的围护结构
盾构机开始掘进施工前,要在洞圈内搭设钢制脚手架工作台,在洞门中心凿一个孔,用来观察外部土体情况,然后分9块凿除洞门(详见图3),并在每块混凝土中间凿出一个吊装孔,落在洞圈底部的混凝土碎块应清理干净,然后按照先上后下的顺序逐块割断钢筋吊出,必要时采用喷射砼封闭掌子面。洞门凿除必须连续施工,尽量缩短作业时间,以减小正面土体的流失量。
2·4 始发设施的安装
2·4·1 始发台安装
在洞门凿除完成之后,依据隧道设计轴线定出盾构始发姿态的空间位置,然后计算确定出始发台的空间位置。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。加固方式见图4。
由于始发段地层围岩较软弱,因此在安装盾构始发托架时,必须稍向上调高坡度,这样才有利于有效控制盾构机在始发阶段的“叩头”现象。
2·4·2 反力架安装
在盾构主机吊装完成之后,在盾构主机与后配套连接之前,开始进行反力架的安装。由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力,在安装反力架时,反力架端面应与始发台水平轴垂直,以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行。反力架左右偏差控制在±10mm[3]之内,高程偏差控制在±5mm[3]之内,上下偏差控制在±10mm[3]之内。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要用钢板垫实,以保证反力架脚板有足够的抗压强度。安装完第一负环管片后,要及时把负环管片与反力架用螺栓连接,以防管片在受推力状态下与反力架端面错位。
2·5 洞门密封
洞门密封的主要目的是在始发掘进阶段减少土体流失。为防止盾构在始发时背衬注浆砂浆外泄,采用折页型洞口密封。密封压板施工分两步进行,第一步在始发端墙施工过程中,应做好始发洞门预埋件的埋设工作,在埋设过程中预埋件必须与端墙结构钢筋连接在一起。第二步在盾构正式始发前,应在清理完洞口的碴土后及时安装洞口密封压板及橡胶帘布板。
2·6 导向槽安装
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,为避免始发施工时盾构机由钢性托架进入端头围岩时可能会发生的“叩头”现象,在车站内衬墙位置设置一C30砼导向槽。导向槽的宽度为50cm,距离洞门环板为20cm,范围为洞门600范围。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、盾构掘进方向控制与调整
3·1 盾构掘进方向控制
由于地层软硬不均、隧道曲线和坡度变化以及操作等因素的影响,盾构推进不可能完全按照设计的隧道轴线前进,而会产生一定的偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化,并造成地层损失增大而使地表沉降加大,同时也将对盾尾密封造成损害,因此盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向,及时有效的纠正掘进偏差。
根据施工经验,结合本区间的具体情况,采取以下方法控制盾构掘进方向:
3·1·1 采用PPS隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测
该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等,能够很直观的全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前垂直和水平位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制盾构机掘进方向,使其始终保持在允许的偏差范围内。
随着盾构推进,导向系统后视基准点需要前移,必须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠,每周进行两次人工测量,以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态,确保盾构掘进方向的正确。
3·1·2 采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向
根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息结合隧道地层情况,通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。
在上坡段掘进时,适当加大盾构机下部油缸的推力和速度。此时千斤顶对管片存在斜向下的反作用力,管片脱出盾尾后会有下沉趋势,因此盾构掘进线路要高于设计线路10~20mm[2]为宜;在下坡段掘进时,则适当加大上部油缸的推力和速度。此时千斤顶对管片存在斜向上的反作用力,管片脱出盾尾后会上浮,因此盾构掘进线路要低于设计线路10~20mm为宜。
在左转弯曲线段掘进时,则适当加大右侧油缸推力和速度。此时千斤顶对管片存在斜向右的反作用力,管片脱出盾尾后会向右侧漂移,因此盾构掘进线路要向左侧偏离设计线路10~20mm为宜;在右转弯曲线掘进时,则适当加大左侧油缸的推力和速度,此时千斤顶对管片存在斜向左的反作用力,管片脱出盾尾后会向右侧漂移,因此盾构掘进线路要向左侧偏离设计线路10~20mm为宜;在直线平坡段掘进时,则应尽量使所有油缸的推力和速度保持一致。
在均匀的地质条件时,保持所有油缸推力与速度一致;在软硬不均的地层中掘进时,则应根据不同地层在断面的具体分布情况,遵循硬地层一侧推进油缸的推力适当加大,软地层一侧油缸的推力适当减小,以使得刀盘受力均匀,平稳前进为原则来操作。
3·2 盾构掘进姿态调整与纠偏
在实际施工中,由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值。在稳定地层中掘进,因地层提供的滚动阻力小,可能会产生盾体滚动偏差;在线路变坡段或急弯段掘进,有可能产生较大的偏差。因此应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。
1·参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态,纠正偏差,将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内;
2·在急弯和变坡段,必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖来纠偏;
3·当滚动超限时,盾构机会自动报警,此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。
3·3 方向控制及纠偏注意事项
1·在切换刀盘转动方向时,应保留适当的时间间隔,切换速度不宜过快,切换速度过快可能造成管片受力状态突变,而使管片损坏。
2·根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数,调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。达到警戒值时就应该实行纠偏程序。
3·蛇行修正及纠偏时应缓慢进行,如修正过程过急,蛇行反而更加明显。在直线推进的情况下,始终要注意到盾构前行的趋势,一般情况下,盾构低头容易,抬头难,因此,在盾构掘进中掌握好盾构趋势是很重要的,无论是在软土地层中盾构高出设计线掘进,还是在硬岩段盾构低于设计线掘进,盾构趋势始终处于抬头,即坡度值为正,这样不仅有利于控制盾构姿态,也有利于皮带运输。
4·推进油缸油压的调整不宜过快、过大,否则可能造成管片局部破损甚至开裂,也会对盾构本身有一定的影响。正确进行管片选型,确保拼装质量与精度,以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。
5·盾构始发到达时方向控制极其重要,盾构始发的成功与否,直接影响着后期盾构掘进工作的正常进行;在到达段盾构姿态控制的好坏,将直接影响到盾构能否准确穿越洞门。
4、始发掘进技术要点
1·始发时盾构机内土压平衡尚未形成,此时须缓慢掘进减轻对地层的扰动,并减少出渣或不出渣,尽早实现土仓内土压平衡,防止出现土体坍塌和水土流失。
2·始发阶段反力架提供的支撑力有限,因此,存在掘进速度较慢的情况,这时盾构应缓慢前进,若增大推力提高速度,则推力必须满足反力架的支撑力要求,始发期间要求盾构机推力不得大于6000kN,同时刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩。
3·盾构在始发台上向前推进时,通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿始发台向前推进,各组油缸加力要均匀,避免反力架因受力不均发生变形。
4·在始发阶段由于设备处于磨合期,要注意推力、扭矩的控制,同时也要注意各部位油脂的有效使用。
5·始发阶段对盾构隧道正常施工影响较大,而且始发阶段盾构机转向、纠偏都比较困难,因此始发阶段管片选型必须慎重。
6·始发阶段对设备的各项运行参数进行严格监控,如有异常现象及时检查处理。
7·始发过程中若洞门密封效果不好,可及时调整壁后注浆的配合比,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。
8·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。
9·始发初始掘进时,盾构机处于始发台上,因此需在始发台及盾构机上焊接相对的防扭转支座,为盾构机初始掘进提供反扭矩。在盾构掘进中,根据盾构前进情况,要及时割除防扭转支座。
10·盾尾进洞后及时停机注浆,尽早封闭洞门。
5、常见问题的处理措施[4]
5·1 土体失稳
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。
5·2 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“叩头”现象,根据地质条件不同可能会出现超限的情况。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或减少“叩头”的影响。
5·3 盾尾失圆
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。一般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。
6、结语
盾构始发是盾构法施工的一项关键技术,施工中总会存在一些不定因素的影响,给盾构施工带来预想不到的风险。盾构始发是否成功,主要由始发条件及始发施工技术环节决定。因此,我们应对始发技术中的每一环节进行细致控制,以确保各种处理措施达到预期效果,同时在传统工法的基础上,大胆创新,努力开创盾构法施工的新天地,减少事故隐患,使隧道建设更加安全、施工质量越来越好。
参考文献
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[3]田贵州·盾构隧道工程始发技术[J].山西建筑,2009,09.
[4]刘建航,侯学渊·盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991·
