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            地鐵隧道開挖的施工工藝
            來源: 點擊數:1265次 更新時間:2019/10/5 17:22:23

            盾構空推拼裝管片過礦山法隧道施工工法

              

            1 前沿

            目前我國城市地鐵及城際軌道交通工程迅猛發展,城市地下隧道施工多采用盾構法及暗挖法進行施工,而盾構法施工以其對地層適應性強、安全性高、施工速度快等特點逐步取代傳統暗挖法。而城市內地面環境復雜,建、構筑物覆蓋率較高,且地質條件復雜,洞身地質以上軟下硬及硬巖地層居多,在建項目盾構區間單向掘進長度普遍超過3km,而在長距離掘進導致盾構機維修保養、不良地質條件下換刀耗費時間、控制地面沉降進行加固等因素影響下,長大隧道貫通工期容易受到影響,在盾構施工工作面局限性受制情況下,采取礦山法接應、盾構機空推的方案措施優化工期是獨特、科學、成熟的新型工法之一。如何做好盾構機空推過礦山法隧道施工工法顯得尤為重要。

            以莞惠城際軌道交通項目為例,莞惠線正線全長99.841km,其中隧道總長度為54.428km,占線路總長度54.51%,隧道主要下穿東莞市市區及東莞市部分城鎮。該線路盾構標段中GZH-2標左線區間3290m、右線區間3260m;GZH-3標左線區間2563m、右線區間2475m(新增兩臺盾構機后左右線均分別劃分為兩個區間);GZH-6標1#盾構區間1453+1461m、2#盾構區間2925m;GZH-6B標盾構區間2932m。由于上述盾構標段均下穿城市、鎮密集型居民廠房區,且地質條件極為復雜,嚴重影響盾構掘進進度,與盾構上場初期預估進度指標相差甚遠,均采取不同措施優化工期。在莞惠6標段采取盾構空推拼管片過礦山隧道試驗性成功后,3、6B標段相繼采取該方案進行工期優化。

            視盾構區間地質條件,在盾構機繼續向前掘進的同時,從盾構機吊出井處向盾構機方向進行礦山法開挖及初期支護,待盾構機掘進至盾構及礦山法交接面后,再進行盾構機空推拼裝管片通過已施工礦山法段,直至盾構區間全部貫通。本文主要通過已實施的成功案例,總結相關施工經驗的基礎上形成本工法。

            2 工法特點

            2.1 目前在建項目長大盾構隧道施工時,容易出現工期緊張、盾構機難以適應當前地質、盾構機出現嚴重故障且地面無法增加吊出井或需施工導洞處理刀盤前方孤石等情況,本工法可作為增加工作面的方案之一。

            2.2 盾構機在已施工礦山法段穩定拼裝管片,不受地面及地質條件影響,可有效大幅提高施工進度的目的。

            3 適用范圍

            本工法尤其適用于地質條件復雜需進行工期優化或接應盾構機的長大盾構隧道中,為確保安全,礦山法施工初支主要適用于洞身為堅硬巖地質的隧道中。

            4 工藝原理

            根據盾構剩余段長度分別劃分盾構、礦山法施工長度,盾構機繼續向前掘進的同時,從吊出井處向盾構機方向進行相向礦山法開挖,開挖斷面大于盾構機刀盤,加強初期支護措施,根據任務劃分完成礦山法開挖后,封堵接頭端墻,礦山法段施工盾構掘進導臺。盾構機到達端墻、步入導臺后,進行空推拼裝管片過礦山法隧道,同時進行背后回填及注漿,直至盾構機到達吊出井。

             

            圖4.1礦山法開挖盾構空推拼管片段斷面設計圖

            盾構機開挖直徑8.83m,盾構管片外徑8.5m,管片厚度400mm,礦山法開挖斷面9.78*9.54m,隧道初期支護參數如下表4-1:

            4-1 礦山法開挖初期支護參數表

            噴射混凝土

            Φ8鋼筋網

            錨桿

            Φ20格柵

            鋼架

            充填豆礫石及水泥漿

            位置

            厚度(mm)

            位置

            網格間距(mm)

            位置

            長度(m)

            間距(m)

            位置

            間距(m)

            位置

            厚度(mm)

            拱墻

            220

            全環

            200*200

            仰拱邊墻

            2.5

            1.2*1(環)

            全環

            0.8

            拱墻

            300

            仰拱

            220

            仰拱

            140

             

            5 施工工藝流程及操作要點

            5.1工藝流程

            盾構空推拼管片過礦山法隧道施工工藝流程如圖5.1:

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

            5.1  施工工藝流程圖

            5.2操作要點

            5.2.1 測量復核

            礦山法開挖前及盾構掘進剩余50m時需反復進行中線復核,確保盾構順利貫通,減少盾構隧道與礦山法隧道貫通誤差,減少盾構機步入礦山法隧道時的糾偏量。

            5.2.2礦山法開挖

            按照設計圖進行礦山法開挖,支護參數嚴格設計參數進行施工,礦山法開挖過程中嚴格控制超欠挖,及時進行斷面復核,尤其是隧底開挖時嚴格按設計輪廓線進行開挖及支護,確保初支表面平面,無凸起物。同時應重點控制噴射混凝土質量,確保初支表面無滲漏水,由于盾構機空推時管片所受反力減小,初支滲漏水對管片拼裝后成型隧道影響較大,在出現滲漏時及時進行初支背后注漿及徑向注漿。

            5.2.3導臺施工

            礦山法隧道施工完成后,在隧道底部施工導向平臺。導臺支撐著盾構機并為盾構機前進起導向作用,盾構機在導臺上空載推進并拼裝管片。導臺采用C30素混凝土施工,高度為400mm。由于盾構機刀盤外徑為8830mm,刀盤頂部與隧道壁有270mm空隙,因此礦山法隧道嚴禁超挖,同時導臺的高度和軸線必須控制在設計允許的誤差范圍內。導臺斷面弧長與隧道中心夾角為60°,以保證盾體與導臺有足夠的接觸面;導臺弧面施工必須滿足設計要求,使盾體與導臺保持均勻接觸。

            為確保盾構機順利步入導臺,交接面處導臺標高比設計面低2-3cm,避免出現鑿除的現象。

             

            圖5.2隧道內導臺設計斷面圖

            導臺起點從端頭墻開始,一直至吊出井內,在端頭墻位置做10‰的坡度以便于盾構機順利爬上導臺。因盾構機中盾與尾盾之間是焊縫連接拆機時必須刨開焊縫,所以在吊出井內的導臺需改變斷面形式(亦可使用接受架),中心段之間預留1m長的缺口,使盾構機中尾盾在缺口處順利刨開。同時在井內導臺兩側1000mm的操作臺上預埋400mm×200mm×20㎜厚的鋼板以便于盾構機拆除,如下圖:

             

            圖5.3吊出井內導臺設計斷面圖

             

            圖5.4吊出井內導臺設計縱斷面圖

             

            圖5.5吊出井內導臺設計平面圖

            在施工礦山法段時要特別控制好隧道的中線,導臺標高、弧度和導臺的中心線,保證施工的精度。由于盾構機刀盤外徑比盾體外徑大,在盾構機從端頭墻端進入導臺前,卸掉刀盤與導臺面接觸的邊緣滾刀及周邊刮刀,避免盾構機在導臺上前進時刀具將導臺混凝土刮起,破壞導臺。

            5.2.4盾構掘進

            在到達段(實推最后15環) 盾構掘進采用敞開式模式進行掘進。其掘進施工參數見表5-1。

            項目

            參數

            土倉壓力

            敞開式

            刀盤轉速/r•min-1

            1.7~1.9

            推力/t

            ≤1500

            盾構姿態水平偏差

            0

            盾構姿態垂直偏差/mm

            ±10

            推進速度/mm•min-1

            ≤20

            在貫通前的最后3環,需要減小推力、降低推進速度。其掘進施工參數見表5-2。  

            項目

            參數

            土倉壓力

            敞開式

            刀盤轉速/r•min-1

            1.4~1.6

            推力/t

            ≤800

            盾構姿態水平偏差

            0

            盾構姿態垂直偏差/mm

            ±10

            推進速度/mm•min-1

            ≤6

            管片注漿及防止漿液前竄,每環按照設計方量進行同步注漿,同時提高管片抗浮能力,在掘進拼裝完成倒數第三環后,停止掘進,在倒數第10至倒數第6環進行二次雙液注漿,確保連續5環全斷面注滿。為確保隧道貫通后的管片接縫防水要求,在到達礦山與盾構分界里程后開始,安裝每一片管片時,首先人工對每片管片連接螺栓進行初步緊固; 待安裝完一環后,用風動扳手對螺栓進行進一步的緊固; 待管片出盾尾之后,重新用風動扳手進行緊固。

            5.2.5盾構空推段施工

            當盾構機進入導臺后,啟動盾構機往前掘進,然后開始進行管片拼裝、管片背襯回填工作。

            5.2.5.1空推段管片拼裝

            盾構機在導臺上前行,每前行1.6米安裝一環管片。再管片拼裝過程中要在盾構機前方提供反力,以確保管片安裝的質量要求,增強管片的防水效果。反力由堆放在刀盤前方的砂土混合物堆提供,原設計采用噴射豆礫石,考慮到豆礫石透水性較強,盾構機前方為空,抵制不住漿液流失,根據施工經驗,采用一定級配的砂土進行堆放,既有利于盾構機推進時砂土兩邊散落,又可減少滲透性,進而減少漿液流失。

            考慮到初襯和管片外部的填充量為11m³/m,管片拼裝所需的反力為180T,所以在刀盤前方堆積的混合料高度為4m(約刀盤1/2高度),長為4~5m。(機制砂選用粒徑為3.7~4.5mm,堆積密度大于1350㎏/m³)。盾構機前方安排2-3人專人負責整理堆土至盾構后。

             

            圖5.6空推示意圖-同步注雙液漿

             

            管片拼裝工藝與正常掘進時的工藝相同,管片要根據盾尾間隙與油缸行程差結合盾構姿態選擇合適的管片。在管片安裝時,先人工將每片管片連接螺栓進行初步緊固;待安裝完一環后,用風動扳手對螺栓進行進一步的緊固,待管片出盾尾之后,重新用風動扳手進行緊固。在管片拼裝最后10環時,在隧道內已拼裝好的兩側用18cm的槽鋼將相鄰的兩環管片連接在一起,防止盾構機在前行時反力變小,管片止水膠圈壓不密實,出現滲漏等質量問題。

            盾構掘進模式采用空壓模式,掘進推力控制在 800T以內(經驗算在正常掘進時盾體的摩擦力與后配套牽引力之和大約為800T),盾構掘進過程中如果掌子面上有較大的水在涌入隧道,為防止管片上浮,待管片拖出盾尾后及時在頂部將管片進行固定,管片固定采用從吊裝頭上安裝螺桿進行固定,隔2環固定1環。

            5.2.5.2管片背部回填與注漿

            管片拼裝完成后,要及時進行管片外徑與初襯間的回填工作,用噴射的砂土混合物在管片脫離盾尾時進行管片支撐,以防管片下沉產生錯臺。管片背部回填是在刀盤前方,將500mm的導管從盾構機盾殼外伸入到當盾構機中盾或者盾尾進行,在回填時盾構機停止前行,使用噴射機自刀盤前方向盾體后方吹人有一定級配的砂土混合料,同時安排3~4人用鐵鍬在前盾兩側進行填充。盾構每前行0.5m~0.8m時噴射一次,以確保管片背部充分密實。

             

            圖5.7空推示意圖-噴射砂土

             

            在推進的同時離盾尾3~5環后進行同步雙液注漿。利用兩臺注漿系統同時在已成環管片兩側(通常指3、9點位置)進行水泥漿-水玻璃注漿作業。水泥漿和水玻璃以4∶1的比例混合同時進入,所用雙液漿必須在現場做調配試驗凝固時間為20s,以期達到快速凝固,使管片與初支緊密連接,以提高支護效果。由于管片回填注漿時盾構機前方敞開,管片注漿效果可能不理想,必須對管片進行補充注漿。在已拼裝成環管片10~ 15環的頂部間隔一環打開管片注漿孔進行二次注漿,二次注漿漿液采用水泥砂漿,配合比:水泥:砂子:膨潤土:粉煤灰:水為90:670:100:450:400,砂漿稠度控制在10~11左右,為了保證達到對環向空隙的有效填充,同時又能確保管片結構不因注漿產生變形和損壞,注漿壓力取值為0.1~0.2MPa。   

            空推段掘進完成的最后階段盾尾即將到達洞門20~30cm時停止掘進,對洞門與盾尾的間隙進行濕噴封閉,然后用同步注漿設備進行注漿,確?胀贫嗡泄芷澈笕刻畛滹枬M,同時對所有管片螺栓進行再次復緊。 5.2.6漿液配比

            常規采用42.5普通硅酸鹽水泥漿水灰比為0.8:1~1:1(具體可根據施工現場實際情況調整),漿液調配時增加5%~15%的水玻璃,以減小注漿后的收縮性,避免二次沉降。攪拌3~5分鐘,即可放漿,先采用水泥稀漿開灌,隨著壓漿的進行,漿液逐漸加濃。

             

            圖5.8空推示意圖-第三次注漿

             

            6 人員與設備

            6.1本工法每班作業人員配備表如下表6.1:

            6.1 人員分工表

            序號

            工種

            人數

            備注

            1

            盾構掘進作業

            13

            正常掘進班組

            2

            二次注漿手

            6

            同步注漿

            3

            雜工

            6

            分混合料

            4

            噴射操作人員

            4

            操作噴射設備

            5

            電工

            2

            專人

            6

            技術主管

            2

            現場指導

            每班作業人員合計

            共20人

            標準配置

            6.2本工法每班主要增加機械設備配備表如下表6.2:

            6.2 主要增加機械設備配備表

            設備名稱

            規格及型號

            數量/臺

            備注

            噴射機

            自購

            4

            自購

            空壓機

            20m³

            2

            自購

            注漿機

            現場已有

            4

            自購

            沖擊鉆

            現場已有

            2

            自購

            水泵

            7.5

            4

            自購

             

            7質量控制

            7.1管片與隧道初支間空隙較大且不均勻,易導致管片上浮。

            在盾構機過空推段為了防止管片上浮每隔2環采用特制支撐螺桿(如圖4所示)對管片注漿孔進行支撐加固,加固注漿孔位置的選擇為成環管片3點、9點鐘以上的位置。

             

            圖7.1鋼制復合牙注漿孔支頂結構

            加強管片姿態監控,測量班每6環對管片進行一次姿態測量,如發現管片有上浮和下沉趨勢應及時調整施工參數,盾構注漿手也應根據測量數據適當調整注漿量。

            為防止管片在盾構掘進后產生上浮,在施工過程中,管片背襯注漿只從管片大跨上部進行壓注,注漿壓力不大于2bar,并保證管片兩側同步注漿,避免因注漿而對管片產生偏壓,造成管片移位。

             如發現管片在后續過程中受水壓上浮,及時對管片下部注漿口開孔放水,同時在管片肩部以上進行注雙液漿。 做好管片背后的排水和注漿。

            7.2盾構前方敞開,易導致漿液在前方流失。

            盾構掘進時提高背襯同步雙液注漿,同時通過試驗調整配合比,確保初凝時間在20s以內,保證管片下部有足夠的抗力。在必要時,縮短回填注漿工作面與管片安裝工作面的距離,甚至在盾尾外側直接進行回填注漿?胀贫蔚亩烟盍蠝p少透水性,不能遇水膨脹,采用成分良好有一定級配的砂土混合物。

            7.3盾構姿態控制,防止管片受力不均,易導致管片破損。

            盾構姿態糾偏應緩慢進行,以每環不超過10mm的糾偏量為宜。同時確保45mm以上的盾尾間隙以防止盾殼作用力于管片。在盾構機過空推段往往由于反力不夠容易造成管片螺栓不能完全復緊,在拼完每環管片后應及時對后面3環管片螺栓進行復緊,在每次交班前對所有以拼裝管片復緊,空推結束后對所有管片螺栓復緊。

            調整好盾構機從實推段到空推段進洞姿態,確保盾構機進出洞時的旋轉值Roll<±3mm/m。導臺的施工精度在±10mm以內?胀七^程中,控制盾構機姿態水平和垂直偏差都在±50mm,管片拼裝后加強管片姿態監測頻率。要控制好推力,掘進速度不能過快,要控制好盾構機姿態,要嚴密監測管片姿態,防止管片大面積錯臺、上浮或下沉。

            7.4空推止水措施

            盾構即將到達端頭墻時防止將端頭墻推塌; 盾尾進入導臺3~5環后要對到達端頭進行全斷面止水注漿,防止地下水大量涌入空推段造成施工不必要的麻煩。

            7.5盾構前進反力不足,易導致管片接縫滲漏

            因盾構機前方堆土與正常掘進不同,盾構前進所受阻力所提供的反力遠小于管片止水膠條所需的擠壓力。從而易產生因反力不足而導致管片止水膠條擠壓不實,影響管片止水條的防水性能造成管片接縫滲漏。為防止出現該現象,初應做好前方堆土外,應反復檢查管片螺栓松緊程度,及時進行螺栓復緊,隨即立即進行雙液漿固定管片,使用槽鋼焊接在拼裝螺栓上,減少脫離盾尾后松動。

            8 安全控制

            8.1礦山法施工嚴格按專項方案進行安全管理,開工前對專業班組進行安全教育及安全技術交底。

            8.2嚴格進行專人火工品使用領、用、退管理,堅決杜絕火工品現場過夜。

            8.3盾構機到達與礦山法隧道交接面時,專人在前方進行安全監督,盾構貫通端頭墻推倒前,所有作業人員不得在盾構機前逗留。

            8.4盾構空推時,專人進行噴射砂土作業,必須配制安全帽、防護眼鏡、口罩和手套等勞保用品,控制噴射壓力,防止在前方渣土上滑倒。

            8.5隨時做好管片螺栓松緊檢查及復緊,及時做好背后回填注漿,防止管片松動掉落傷人。

            8.6漿液凝固后,打開注漿閥門,如有水溢出,盡管很微小,也需要重新掃孔再注漿。

            8.7做好盾構接收安全技術交底,專業人員進行接收分項作業。

            9 環保措施

            9.1砂土至吊出井井口下放是使用串通或渣斗下放,井底采用挖機倒運至刀盤前。

            9.2噴射砂土時注重環境衛生,井口采用灑水防塵。

            9.3當出現漿液流失時,及時安排人員進行清理,防止漿液流入凝固在隧道內。

            9.4儲備應急物資,及時將污水等排放至污水溝內。

            9.5空推完成后,清理井口砂土并調運至渣土堆放區內。

            10 效益分析

            10.1工效方面:在原盾構正常掘進基礎上,增加40m/月礦山法開挖作業面,同時盾構空推段可確保6-8環/日持續拼裝的施工進度,較盾構在硬巖段單向掘進月進尺,大幅提高施工工效,從而確保隧道提前貫通。

            10.2質量方面:礦山法施工可嚴格按施工圖進行施工,可有效控制初期支護施工質量。盾構空推時管片拼裝與正常掘進無異,及時做好背后回填及注漿,防止管片上浮、錯臺、破損,同時可采取槽鋼連接加強措施,可保證管片拼裝質量。

            10.3適宜性方面:長達盾構隧道內需優化工期、接應盾構機、盾構機被困或施工導洞處理孤石時均可使用本工法。

            10.4經濟性方面:采用礦山法接應需增加一定投資,需在施工前完善相關變更手續。

            11 工程實例

            城際軌道交通作為全國試點性的城際軌道交通項目,首次采用大直徑土壓平衡盾構施工,由于莞惠線地下隧道地質條件復雜,上軟下硬及硬巖地段盾構換刀頻率較高,受地面密集型建筑影響,上軟下硬段加固條件有限,換刀作業耗費時間較長,影響盾構正常掘進。受工期制約,GZH-6標段首次采取礦山法開挖并施工初期支護接應,盾構空推拼管片過礦山法隧道的方案優化工期,經實踐證明,工期得以大幅提前。目前建設單位已將本工法引用至其他盾構施工單位,部分地鐵線路亦廣泛應用。

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