超小曲线半径复杂地质条件下盾构施工技术--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

超小曲线半径复杂地质条件下盾构施工技术

发表时间：2021/5/13 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王路路

[导读] 摘要：盾构掘进常常穿越复杂地质带，如河底、湖底等，有时甚至穿越高大建筑物下部桩群，施工过程中制定科学合理的施工方案尤其重要。

        中国铁建港航局集团有限公司第二工程分公司浙江宁波 315000
        摘要：盾构掘进常常穿越复杂地质带，如河底、湖底等，有时甚至穿越高大建筑物下部桩群，施工过程中制定科学合理的施工方案尤其重要。本文通过对已建工程，结合工程实际将盾构机小半径施工和穿越复杂地质条件下施工过程中重难点进行深入总结，为类似工程提供案例，避免施工中出现问题，确保施工安全。
        关键词：超小曲线；地质带；盾构；掘进；安全；曲率
        1．工程概况
        本工程一站两区间，根据车站施工情况及临近标段盾构始发、到达井施工情况，决定采用两台盾构机施工。施工过程中存在软硬土掘进、小半径、穿越河流等复杂条件下盾构施工。
        2．设备选型
        隧道外径6.2m，内径5.5m，管片厚度为35cm，采用通用衬砌楔形环，宽1.2m，每环由6块管片错缝拼装而成。盾构穿越淤泥、淤泥质粘土、粉砂、淤泥质粘土、粉质粘土和粘土层。根据地质及工期要求决定选用2台川崎TY6440-Ⅰ型加泥式铰接土压平衡盾构，该盾构满足区间穿越的所有土层，该型覆土条件为5m～40m，满足埋深要求。该机装备适应高水压可防止挖削土体的喷涌；该型盾构机最大设计坡度为44‰满足本工程最大坡度27‰的要求。
        针对本工程改装如下：为保证掘进面稳定、土体切削的流畅性，减少刀具、刀盘的磨损，刀盘开口率设计为35%。为防止沉降，皮带输送机处进行土量测量，在监视土量时，盾构机上方设置3处土体沉降探测装置，监控上方的空隙量，以监视土体塌陷情况，从而保持开挖面稳定、减少周边土体扰动、保护推进环境安全。为适应土质的变化，刀盘采用变频式电机驱动。为防止刀盘过度深入土体而设置联锁等安全措施。配备加泥注入装置、泡沫注入装置（刀盘前6孔）以加入适合土质的加泥材料。浆液拌制采用小松盾构浆桶的卧轴布置方案，盾构注浆泵采用德国SCHWING泵。
        3．盾构组成
        盾构机体总长8700mm，盾壳厚度（40+30）mm，盾尾间隙30mm，开挖直径6440mm，本体的外径，后胴为6400mm，前胴为6410mm。
        ①推进系统：千斤顶20根×1750kN，中间铰接油缸为16根×2000kN。每4根油缸分为1组，共4组，通过群组控制实现左右铰接，上下铰接。左右铰接可实现±1.5°，上下铰接可实现±0.5°。
        ②拼装系统：管片拼装机采用液压执行器驱动，有6轴的动作轴，回旋速度可实现最大1.5min-1无级变速，回旋速度为±210°，可防止过转。经管片车搬入的管片通过上方吊车和下方吊车，搬入管片拼装机可把捉的位置，上方吊车和下方吊车各配备2个（每个2.5t），用2个吊车把捉管片。
        ③刀盘系统：驱动采用变频电机驱动，配备的动力为75kw×8台。
        ④刀盘主驱动密封系统：刀盘驱动设有大型唇式土砂组合密封圈，配加脂集中润滑系统，确保大型土砂组合密封圈始终处于良好的润滑状态。
        ⑤盾尾密封：在盾构本体后胴端设置3道钢丝式盾尾密封，耐压＞0.4MPa。
        ⑥出土系统：螺旋机螺旋径800mm，间距650mm，最大扭矩104kN•m，排土容量最大370m3/h，配备动力75kw×2台。皮带输送机宽800mm，速度最大100m/min，排出容量最大400m3/h。
        ⑦同步注浆系统：盾构本体后胴处设置4处可满足双液注浆的注浆管。浆液的注入管可用水冲洗，设置在盾构后胴的注浆管为埋入式。
        ⑧运输系统：隧道的管片、施工材料等的垂直运输由地面井口的32/5T及15T行车实施。
        每条隧道施工水平运输使用3台电机车，每台电机车配1节管片车、2只10m3土箱、1台浆液车（4m3浆桶、挤压泵）。
        ⑨监测、测量与控制：盾构采用PLC集成控制、监测；操作室可于地面进行远程连接，工作人员能通过远程机对盾构机提供远程维护、监控掘进并保留施工数据。
        ⑩有害气体检测：采用沼气固定监测仪进行沼气监测，配备TN4手持式多气体检测报警仪等有害气体监测装置。
        4．区间施工
        4.1盾构机组装
        组装和调试流程如下：场地准备→吊车就位→基座吊装→后配套车架吊装、管线连接→盾构机下井组装→盾构机定位及与后配套连接安装反力架→空载调试→安装负环管片负载调试。
        4.2始发、到达
        洞门土体加固方式采用高压旋喷桩配合深层搅拌桩的施工形式。在盾构始发、到达前，完成加固地基的取芯和样测实验，在符合要求的情况下再进行施工。
        洞门止水装置始发采用双层形式，到达采用3道弧形插板（1道4mm花纹钢板、2道1cm厚钢板），弧形插板间安装气囊和高密海绵作为止水屏障。钻设3口降水井应急，并做好施工应急预案及施工应急物资准备。到达时，如发现渗漏，以封闭管片与洞圈的间隙为主，根据实际情况制定相应的措施，如实施二次进洞工艺、压注聚氨脂环箍等。洞圈注浆采用单液浆压注，洞门封闭完成后，再进行注浆加固稳定隧道。
        4.3掘进施工
        （1）管片拼装
        通用环在国内工程中应用较少，拼装方式与普通环管片有差异，但比普通管片更能拟合隧道设计轴线，且只采用一套模具，成本更低。通用环拼装遵循错缝拼装方式，可以出现通缝拼装情况，但不出现两环以上；通用环管片拼装点位多，本工程通用环有15个拼装点位，通用环拼装点位尽量控制在腰部位置以上，严禁出现在隧道正下方位置；通用环在直线段拼装时，后一环拼装点位与前一环夹角180度，在曲线段拼装时后一环拼装点位选择根据设计轴线选择最优拼装点位。相邻两环管片拼装时封顶块位置与通缝数量关系，在拼装定位时应通过封顶块位置的调整和转换使通缝数量最少。
        （2）隧道结构防水施工

        防水遵循“以防为主、刚柔相济、多道防线、因地制宜、综合治理的原则”，以管片混凝土自身防水，管片接缝防水，井接头防水为重点。衬砌接缝由挡水条与弹性橡胶密封垫组成双道防水线，挡水条采用遇水膨胀橡胶、密封垫为高弹性三元乙丙橡胶加遇水膨胀橡胶的复合型密封垫。
        （3）地面沉降变形控制
        根据推进速度、出土量和地层变形的信息、数据反馈及时调整初始设定的土压力值和注浆量，进而达到对轴线和地层变形在最佳状态下的控制。浆液配合比、膨润土泥浆配比应严格按照设计配合比进行配制。
        4.4软硬土中掘进
        盾构进入软硬不均的地质时，需注意磕头和抬头现象，在这种情况下要控制好掘进轴线、盾尾与管片四周之间的间隙、推进油缸总推力及分区的压力选择要适合地质情况。在土质较硬部位开启超挖刀进行推进以控制盾构轴线。根据开挖面的情况，选择相应的土压并加以严格控制。同时强化信息施工，不断优化施工参数，优化合适的注浆浆液，加强同步注浆以及必要时的补压浆，注意后部加强止水措施，封堵盾尾，加强监测。
        4.5穿越河流施工
        本工程下穿多条河流，其中河底距隧道顶为最小为5.8m，小于隧道直径。盾构穿越河流时，配备双回路供电系统。施工过程中采取的主要措施有：
        ①同步注浆：同步注浆采用大比重单液浆，配比采用（中粗砂1260kg、石灰100kg、粉煤灰250kg、膨润土100kg、SK-6（3kg）、水400kg）。同步注浆量根据试验段推进情况优化调整。
        ②管片增开注浆孔：隧道盾构穿越河流堤岸各20环范围内的管片上增开注浆孔，以便盾构穿越后进行二次补压浆。二次补压浆采用双液浆，水灰比1：1，水玻璃掺入量为20～30％。二次补压浆位置、压浆量、压浆压力根据监测结果和试验段情况确定。穿越前、穿越中和穿越后，加强对土体的观测，做好施工应急措施，针对可能出现的大堤损坏，实施相应的补救措施。如采用塘身灌浆、混凝土结构返修或部分重新浇筑等。
        ③盾构机与管片姿态的控制：掘进方向进行自转测量，自转角度控制在0.3o；利用千斤顶行程仪对千斤顶进行测量，对测量数据作演算处理、方向修正值的解析；测量垂直、平面位置，为了能准确测量盾构机的位置，在每推进2环进行一次检查和修正。盾构机的垂直、平面偏差控制在±50mm以内，盾构姿态变化不可过大、过频，推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，减少盾构施工对盾尾密封效果的影响；管片姿态须严格控制，高程和平面偏差控制在±50mm以内，每环相邻管片平整度控制在4mm以内，纵向相邻管片平整度控制在5mm以内。
        ④防止开挖面失稳：采用传感器法和声纳法对河底沉降进行动态监测，同时结合盾构机及管片姿态监测，通过信息反馈及时调整施工参数，快速通过江中段；盾构推进过程中，同时控制好土仓压力的波动范围，一般控制在设定值的±5％以内，以保证切削面稳定。此外，在盾构掘进前需要根据覆土深度的变化、地质情况等合理确定盾构土仓压力，及时对设定平衡压力进行调整；若发现河底沉降量较大（>3cm）时，则适当的增加同步注浆量，注浆量争取达到理论建筑空隙的200％以上。必要时进行双液浆二次注浆。
        ⑤防止螺旋输送机的喷涌：关闭螺旋输送器继续掘进，让切削下的土体挤出土仓内的水体。但要预防土仓内压力过高而造成盾构机前方地面隆起、冒浆以及击穿盾尾密封等事故的发生。采用泡沫改良渣土不理想的情况下，换用“泡沫＋聚合物”或膨润土，降低渣土的渗透系数。在螺旋输送器合适的位置预留泥水管道及相关设备的法兰及阀门，改善水土平衡和出土模式。
        ⑥防止盾尾漏浆以及防漏水：提高同步注浆质量与管理。每环推进前，对同步注浆的浆液进行小样试验，严控初凝时间，同步注浆过程中，合理掌握注浆压力，使注浆量、注浆流量和推进速度等施工参数形成最佳匹配。加强盾尾密封的管理。盾构机本身要增加盾尾刷保护及其严格控制盾尾油脂的压注；在使用时对盾尾舱进行定期检查，每3O环全面检查一次；且在管片拼装前必须把盾壳内的杂物清理干净，防止盾尾刷造成损坏。
        4.6小半径盾构施工
        区间最小平曲线半径300m。在盾构掘进过程中，要加强对推进轴线的控制做到勤测勤纠，每次的纠偏量尽量小，确保楔形环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。在曲线推进过程中，严格控制盾构出土量，确保盾构沿设计轴线推进，同时视监测情况合理调整出土量。在曲线段推进过程中在进行同步注浆的工程中加强对曲线段外侧的压浆量，以填补空隙，加固外侧土体，使盾构顺利沿设计轴线推进。合理选择楔形管片旋转角度，管片拼装严格实施“居中拼装”，确保管片拼装质量及推进轴线控制在要求范围内。小曲率半径施工段增加测量频率，严格控制、指导盾构掘进轴线。在盾构采用常规纠偏措施效果不明显时，利用超挖刀进行曲线内侧土体的超挖，同时调整曲线内侧的注浆量，避免由于超挖造成底层损失导致地表变形。
        5．结束语
        针对施工存在的困难，大胆创新，科学实践，通过运用先进施工技术，保障盾构施工顺利进行。根据运用在本工程中的重点的施工技术，在今后类似复杂工况下提供参考。盾构掘进中尤其在软硬土中的姿态控制尤其关键，长距离穿越河流更加需要在盾构掘进过程中加强对推进轴线的控制，做到勤测勤纠小纠偏，确保楔形环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。掘进时合理利用超挖刀进行、小半径盾构调整，确保按设计轴线掘进。
        参考文献：
        [1]《盾构法隧道施工与验收规范》GB50446-2017。梁洋、周建军中国建筑工业出版社.
        [2]陈悦华，肖劲松，赵锋.穿黄输水隧洞盾构施工进出洞地基加固技术研究[J].武汉大学学报（工学版），2007，（4）.81-84.
        [3]魏广造.盾构机始发新型洞口密封技术浅析[J].建筑工程技术与设计.2018，（12）.546-547.