【摘要】為了健全地鐵隧道盾構法掘進各個施工環節技術標準及推廣掘進的施工工藝,在廣州地鐵四號線盾構區間土建工程採用盾構法,通過了解地鐵盾構裝置技術指標,並對盾構裝置掘進實際應用技術進行研究和總結,驗證該方法有效性,為類似工程施工和盾構裝置的應用技術積累經驗。
【關鍵詞】地鐵;盾構掘進;施工工藝
0 引言
盾構法是在稱為盾構的鋼殼之內保持開挖面穩定的同時,安全向前掘進,在其尾部拼裝稱其為管片的襯砌構件,然後用千斤頂頂住已拼裝好的襯砌,利用其反力將盾構推進的方法。盾構法施工的最大特點對地面建築物和環境影響小。在當代城市建築、公共設施和各種交通日益繁雜,地面擁擠的現象越來越嚴重的條件下採用盾構法對城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設施等各種隧道建設具有明顯優點。
另外,在建造穿越水域、沼澤地和山地的公路、鐵路或水工隧道,盾構也因其經濟合理性而得到廣泛的採用。為此,結合廣州地鐵四號線施工情況,對盾構法掘進施工工藝進行論述。
1 工程概況
廣州地鐵四號線侖大區間土建工程,北起侖頭後底崗盾構始發井,經崙頭村穿越侖頭海至官洲島,通過官洲站後經官洲村、官洲河等地,至大學城站結束。區間設計起訖里程ydk16+110~ydk18+936·5,線路全長2826·5m。區間線路設豎曲線4個,最小豎曲線半徑為3000m,最大縱坡為42·65‰。
區間線路的間距為12·7~15·7m,隧道拱頂覆土7~50m。盾構法施工隧道採用300mm厚管片,管片環寬1·5m,管片分塊採用乙個封頂塊、兩個鄰接塊、三個標準塊即5+1模式。拼裝形式採用錯縫拼裝,管片的塊與塊之間以12根m24的環向螺栓相連,環與環間以10根m24的縱向螺栓連線。
地質構造巖主要為碎裂巖,有少量斷層泥,斷層帶的碎裂巖為碎裂結構、變余細砂狀結構,碎裂巖的成分有紅層和混合巖。
2 盾構法掘進施工工藝
2·1 盾構機簡況
本地鐵工程採用機械為德國海瑞克產φ6280土壓平衡盾構機:①盾構機外徑φ6260mm;②盾尾內徑φ6060mm;③盾尾間隙30mm;④盾構全長11655mm。盾構機由主機及後配套輔助系統構成。
主機包括:刀盤、刀盤驅動、殼體、推進系統、人員倉、螺旋輸送機、管片安裝機。後配套輔助系統包括:
出碴系統、碴土改良系統、管片運輸系統、同步注漿系統、液壓幫浦站、注脂系統、控制系統、供電系統、壓縮空氣系統、水系統、通風系統。
2·2 盾構機掘進
2·2·1 盾構始發
始發端要先行加固措施。始發臺採用鋼結構形式,承受盾構機重力和盾構機推進時摩擦力及扭力。因盾構機重達320多噸,始發臺必須具有足夠剛度、強度。
此外,在始發臺的兩側每隔2m加設20a工字鋼作為橫向支撐,提高始發臺的穩定性。因洞門下部為微風化泥質粉砂岩,為保證盾構機掘進抵達掌子面以及重心脫出始發台架後不「低頭」,盾構中心比設計軸線高20mm。
反力架平面與盾構機推進軸線垂直,反力架的向下傾斜角度為1·2%。為了保證盾構機始發姿態,安裝反力架和始發台時,反力架左右偏差控制在±10mm之內,高程偏差控制在±5mm之內,上下偏差控制在±10mm之內。始發臺水平軸線的垂直方向與反力架的夾角<±2‰,盾構姿態與設計軸線豎直趨勢偏差<2‰,水平偏差<±3‰,如表1和圖1。
2·2·2 盾構機的吊裝
該盾構機的尺寸大,質量重,盾構機需要分件吊裝。用250t履帶式液壓吊機為主,單獨將大型裝置吊裝下井;用一台90t汽車式液壓吊機為輔,配合用250t履帶式液壓吊機進行翻身、吊裝工作。盾構機吊裝順序:
後配套組裝→主機組裝→液壓系統安裝→其它配套系統安裝。主機組裝順序:鋼橋吊和起重機軌→螺旋輸送機→後體→中體安裝→前體安裝→刀盤安裝→安裝器及安裝器導軌→後體安裝→螺旋輸送機安裝→鋼橋吊和起重機軌→後配套與主機連線→反力架安裝。
2·2·3 掘進模式的選擇及操作控制
盾構機為土壓平衡式盾構機,可進行三種模式的操縱即敞開式(open)、半敞開式(semi-open)和土壓平衡式(epb),每一種掘進模式具有不同的特點和適用條件,見表2。
(1) 敞開式掘進模式。在敞開模式中,開挖室沒有加壓。刀盤開挖的物料落至開挖室底部,然後由螺旋輸送機排出,要求岩層的自穩能力比較好,在刀盤上安裝滾刀。
刀盤和螺旋輸送機的轉速均處於高速區工作,以提高刀盤的破岩及螺旋輸送機的效率。敞開掘進同土壓平衡掘進相比,可以降低盾構機的動力消耗和機器零部件的損耗。
(2) 半敞開式掘進模式。盾構機可在氣壓平衡模式下執行,也可稱作半敞開模式。開挖室中渣土高度保持正好在螺旋輸送機入口上方足夠高度,以維持開挖室裡空氣壓力的密閉性。
該模式處於土壓平衡與敞開掘進模式之間,要求盾構機和螺旋輸送機的轉速處於用中間值設定。它能快速向土壓平衡轉變,也能向敞開式過渡,還可以向刀盤前方和土倉內注入新增劑,以減少刀盤磨損和快速排土,從而減少掘進動力的消耗。
(3) 土壓平衡掘進模式。土壓盾構是封閉式,推進時前端刀盤旋轉掘削地層、土體,掘削下來的土體湧入土艙。對於含砂率極大、硬地層、液性指數過大含有礫石等土質適用。
泥土壓必須可以對抗掘削麵上地層的土壓和水壓;可以利用螺旋輸送機等排土機構,調節排土量;對必須混入新增劑的土質而言,注入的新增劑必須可使泥土的塑流性和抗滲性提高到滿足掘面穩定要求的水準。
2·2·4 碴土改良
為維持穩定土倉壓力和碴土排出順暢,土倉碴土必須具備良好的流塑性、低的內摩擦力、低的透水性。向開挖面或土倉內注入泡沫或其他新增劑,並通過刀盤和土倉內攪拌棒進行強制攪拌,使碴土具有可塑性和不透水性,螺旋機栓塞作用良好、排土順暢,土倉內的壓力容易控制和穩定。
2·2·5 挖掘開始
挖掘開始於啟動刀盤旋轉和盾構機推進,然後螺旋輸送機開始旋轉與掘進速率匹配並保持限定壓力。刀盤旋轉,確定旋轉速度,推進油缸和螺旋輸送機停止運轉。一旦土倉裡的土壓達到限定壓力要求,即可開動螺旋輸送機,並調整其旋轉速度以保持土倉中的限定壓力。
在完成200m的試掘進後,將對始發裝置進行調整:①拆除臨時管片、始發托架和反力架;②移動後續台車;③在盾構始發井和車站內鋪設雙線軌道;④其他各種管線的延伸和連線。
2·2·6 挖掘過程中
為使土倉的進土量和出土量保持平衡,需監控土倉土壓和螺旋輸送機的排土量,採取以下措施:①盾構機掘進速度根據保持刀盤前方穩定所需的限定壓力而設定;②螺旋輸送機的轉速設定為可以排出和被挖掘泥土與注入物質相等的棄土量;③當限定壓力因地層條件、螺旋輸送機排碴效率或土倉裡的混合條件發生變化而變化時,就必須及時優化螺旋輸送機的轉速。④如果調整螺旋輸送機的轉速不能使限定壓力達到要求時,應該改變盾構機掘進速度。
2·2·7 開挖監控
(1) 限定壓力。三種效果:①與地下水壓保持平衡,防止盾構機周圍的地下水迴圈以及大量地下水湧入土倉干擾刀盤前方的穩定;②平衡水平土壓力,防止刀盤前方坍塌;③分擔洞頂的穩定性,防止其坍塌而導致沉降,甚至危及地面。
(2) 土壓控制。盾構機的承壓隔板在不同位置安裝了土壓感測器。在控制室裡的監視屏上顯示其壓力,可幫助操作人員選擇必需的限定壓力;操作人員亦應經常檢查螺旋輸送機「栓塞」和棄土流動性的變化,要根據具體情況,改變盾構機的掘進引數。
(3) 挖方量控制。整個施工過程中,操作人員必須檢查盾構機是否按開挖路徑排出泥土而沒有超量。
檢查出土量方法是清點乙個挖掘行程內裝滿泥土的礦車數量,可在行程結束時得出結果。
2·2·8 盾構機掘進控制
由工地技術人員計算初設正面土壓力+水壓力值,土壓力值根據隧道埋深、土層性質和地面超載計算,設定值約為計算值的1·05~1·1倍。施工時依次開啟皮帶輸送機、螺旋輸送機和大刀盤,推進千斤頂。盾構機根據設計的正面土壓力自動控制出土速度和掘進速度。
盾構機的行程、上下左右四個區域千斤頂壓力、螺旋輸送機轉速、盾構扭轉、俯仰等引數將顯示在顯示屏上,及時做好引數記錄,並參照儀表顯示、人工測量資料和施工經驗調整盾構機姿態和各項引數,使盾構機始終按設計的軸線推進。
(1) 直線段推進和地層變形的控制。推力、推進速度和出土量三者的相互關係,對盾構施工的軸線和地層變形量的控制起主導作用,在盾構施工中根據不同土層和覆土深度、地面建築物、監測資訊的分析及時調整土倉壓力值和注漿量的設定。同時要求推進坡度保持相對穩定,控制一次偏量,以減少對土體的擾動,為管片拼裝創造良好條件。
(2) 曲線段推進和地層變形的控制。根據曲線的施工特點調整推力、推進速度、出土量和注漿量,並根據地層變形資訊資料及時調整各種施工引數,將土壓平衡值和注漿量調整至曲線推進的最佳狀態。曲線推進實際上是將處於曲線的切線位置上的管片進行折線擬合,推進的關鍵是確保對盾構頭部的控制。
由於曲線推進盾構環環都在糾偏,為此必須做到勤糾,糾偏量要小,管片糾偏通過盾構機sls-t系統計算,利用封頂塊位置的轉向實現。
(3) 盾構掘進中的方向姿態控制。由於盾構隧道岩層變化大,軟硬不均,有曲線及坡度變化,盾構機掘進時易發生方向偏差,因此在施工中應嚴格控制盾構機的姿態,並正確糾偏修正蛇行,以免產生過大的地層損失而引起地層變形。
(4) 盾構機產生姿態偏差的原因和偏差標準。滾動偏差。盾構機滾動偏差是由於刀盤切削開挖面土體產生的扭矩大於盾構機殼體與隧道洞壁之間的摩擦力矩而產生的。
過大的滾動會影響管片的拼裝,也會引起隧道軸線的偏斜,當滾動偏差超過0·5°時,應及時對滾動偏差進行糾正。方向偏差。主要原因:
①盾構在小曲線上掘進,不同部位推進千斤頂引數設定的偏差;②盾構主體表面與地層間的摩擦阻力不均衡,開挖掌子面上的土壓力以及切削欠挖地層所引起的阻力不均衡;③開挖面岩層分介面起伏大,岩層軟硬不一致;④受盾構刀盤自重的影響,盾構也有低頭的現象,引起豎向偏差。
3 結語
經過廣州地鐵工程的盾構法掘進施工,對盾構機及其配套裝置有了較深的認識與體會,對盾構施工管理也有了進一步提高。
(1) 從盾構機吊裝到正常掘進、測量與地面監測資料的相互關係看,施工中應實行動態管理,根據掌握的地質情況、施工和測量資料,隨時對掘進引數和施工環節做相應調整。
(2) 測量工作對盾構施工起到了真正的指導和監督作用,因此,準確、及時的施工測量與監測是盾構姿態正確與否的關鍵。
(3) 掘進引數的不同取得的結果也不同,可見合理的推力、刀盤轉速和泡沫加入是取得較快掘進速度的關鍵,有效的碴土改良也將起到事半功倍的效果。
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