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结合广州地铁谈盾构隧道施工

2007-01-23 14:57    【  【打印】【我要纠错】

  摘要:结合广州市轨道交通三号线[天~华]区间盾构工程为实例,阐述了海瑞克土压平衡盾构机在地铁盾构隧道施工中的主要内容,并针对施工中遇到的一些具体问题提出了解决办法。

  关键词:地铁 盾构 隧道

  1、工程概况

  广州市轨道交通三号线[天 ~华]区间盾构工程分为两个区间(天河客运站~五山站区间以及五山站~华师站区间),主要由两条圆形盾构隧道为主组成,双线长6259.615m.隧道标称内径为5400mm;埋深为11~28m;平面最小曲线半径为350m;最小竖曲线半径为3000 m;最大坡度为19‰;最小坡度为3‰。

  天~五区间隧道主要是在残积层和全风化层中穿过,顶底板差异不大,在中部偶见夹有球状微风化岩石。近五山段顶板出现少量砂层。隧道洞身天然单轴抗压强度最大值为153.40MPa.

  五~ 华区间隧道主要是在强风化层中穿过,顶底板岩土分层有一定差异,存在上软下硬或有夹层现象。中部为瘦狗岭断层破碎带,以北均为花岗岩、花岗片麻岩带或风化层,以南为白垩系红层岩系。靠近华师站段隧道全断面在微风化层中穿过。地表地形地貌变化也比较大。白垩系红层隧道上方发育有较长段含水砂层。

  2、盾构掘进

  2.1刀具配置

  地质情况对刀具配置起决定作用,隧道围岩为I、II类(按《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中隧道围岩分类)时,一般采用刮刀(俗称羊角刀),而对于 III~VI类围岩则使用盘形滚刀效果较好。盘形滚刀又有单刃和双刃之分,单刃滚刀适合较硬岩或强度不均匀的围岩,而双刃滚刀适合一般硬岩及强度均匀的围岩。针对本工程的地质情况,均配置单刃盘形滚刀。

  2.2掘进参数控制

  (1)、控制刀盘扭矩。根据保护刀具、降低刀具磨损的要求,必须将刀盘扭矩控制在某一容许范围内,而控制扭矩的主要依靠以下方法:

  ◆ 减小推力:这是最简单、有效的方法,但同时也会降低掘进速度。

  ◆ 减小刀具的贯入度:即在保持掘进速度基本不变的情况下,提高刀盘转速,一般达2.5~3r/m左右。当开挖面为全断面硬岩时,减小刀具贯入度,能显著降低刀盘扭矩。但刀盘高转速不适用有孤石的围岩,因为孤石很容易造成刀具崩裂。

  ◆ 向开挖面、土仓内加入土质改良剂:

  常见的土质改良剂及适用地层

膨润土  适用砂~砂砾地层 
发泡剂  适用粘土~粗砂地层 
高吸水性树脂  适用固结粘土~砂砾地层 
  其中发泡剂较为常用。

  另外,在全断面硬岩或孤石地层,可以向开挖面、土仓内加入冷却水,以降低刀盘、刀具的温度来保护刀具。

  (2)、保持适当的土压。若隧道围岩能够自立,则可以采取空仓掘进的模式;若隧道围岩无法自立,为了保持开挖面的稳定,则必须保持适当的土压以稳定开挖面,控制地面沉降。土压过低,则可能出现超挖;土压过高,则有效推力降低,掘进速度降低,且地面可能隆起,造成后期沉降较大。土压的确定与隧道埋深、地质情况、地面建筑物情况有很大关系,可以采用库仑或朗肯等理论估算。在实际施工中,也可以根据出土量的情况来确定适当的土压。在本工程掘进过程中一般保持 1.5~2.0bar的土压。

  (3)、在刀盘扭矩、土压、出土量满足要求的情况下,尽可能加大推力,以提高掘进速度(80mm/min以上),加快工程进度。而在掘进速度较快的情况下,则要注意控制好盾构机的姿态、保持土压稳定、同步注浆量。

  2.3同步注浆及二次注浆

  由于刀盘的直径为Φ6280mm,而管片外径Φ6000mm,所以在管片离开盾尾后,理论上管片与围岩之间将会有宽度为140mm的空隙,为控制地面沉降,必须用砂浆将空隙填满。

  (1)、盾尾同步注浆。

  出现的主要问题:

  ◆ 堵管

  出现堵管的情况,其原因主要是以下几方面:

  ① 砂浆配比不好,以致砂浆初凝时间太短、砂浆易沉淀离析、砂浆流动性差

  ② 原材料不好,如砂太粗

  ③ 盾尾浆管回砂

  ④ 长时间停注前未注射膨润土液洗管

  ◆ 漏浆

  主要原因及处理办法:

  ① 盾尾间隙过大。控制好盾构机姿态,选择适当的管片,以保持良好的盾尾间隙

  ② 尾刷损坏。在管片迎水面垫厚约15cm 左右的海绵或者更换尾刷。

  ③ 盾尾油脂注入量不够。加大油脂注入量。

  (2)、二次注浆。

  当地面沉降较大或隧道下坡且地下水丰富时,可以进行管片背后二次注浆来稳定地面或堵水。

  注浆材料可以用纯水泥浆、砂浆或双液浆。注浆设备可以采用注浆机或盾构机台车上的同步注浆泵。注浆时应注意监控注浆压力,如果压力过大可能造成管片错台或纵裂。

  2.4常见问题及处理办法

  (1)、若螺旋输送机被卡住(即扭矩超限),无法正常出渣,可反复伸、缩螺杆并同时正、反转,如低速正转同时伸、缩螺杆,若超限则反转同时伸、缩螺杆,如此反复,基本上都可以脱困。

  (2)、若启动刀盘时刀盘被卡住,则将部分推进千斤顶收缩,使土压力、刀具贯入度减小即可以转动刀盘。

  (3)、在非粘性地层,如砂层,若铰接千斤顶拉力较大,说明刀盘的扩孔能力较差,则要检查刀盘的边缘刀是否磨损过量而应该更换。

  3、管片拼装

  3.1管片型号的选择

  一般主要根据盾尾间隙、线路特点、推进千斤顶行程来确定管片型号。选择适当的管片可以有效地调节盾尾间隙,保证盾尾间隙和千斤顶行程比较均匀,有利于管片的受力。若盾尾间隙过小,则可能造成管片难以安装、管片迎水面被盾尾压崩、盾尾尾刷损坏、千斤顶撑靴与管片严重错台导致管片止水条损坏和管片崩缺等问题。

  3.2常见质量问题

  (1)、管片在拼装前一般要先检查管片是否完好、型号是否正确、缓冲垫和止水条是否贴牢。在拼装过程中一定要注意对止水条的保护,若止水条损坏严重则很可能出现渗漏水的质量问题。

  (2)、千斤顶撑靴正常情况下应该不会同时顶在两块管片的角上,但如果隧道管片发生扭转,则可能会出现这种情况,那么要特别注意拼管片或掘进时会管片发生崩裂。

  (3)、管片扭转:如果拼装管片时,盾构机的滚动角较大而且一直朝同一个方向,则可能会发生隧道管片扭转的情况。因此应该通过调整刀盘的旋转方向来减小盾构机在拼装时的滚动角。

  (4)、管片错台:在小半径曲线(本工程最小曲线半径R=350m)线路施工时,因推进千斤顶对管片有环向分力而造成管片环向错台。解决办法是在推进后及时复紧管片连接螺栓约束管片的环向位移,或者在拼装时人为地将管片拼成与转弯方向一致的错台。

  4、专题

  4.1压气换刀

  主要作业步骤:

  (1)、准备换刀工具、材料并检查压气时要用的相关设备

  常用的换刀工具有:刀具磨损量具、手拉葫芦、液压千斤顶、螺杆千斤顶、分离式千斤顶、撬棒、扳手(开仓门及拆、装刀具时用)、气动打磨机、铁锤

  准备的材料有:刀具及其配件(拉紧块、U型块、螺丝等)、吊耳

  要检查的设备有:空压机(包括备用空压机)、管路(水管、气管)及接口、照明设施、人闸及土仓的压力表、人闸与指挥室的通讯

  (2)、排出土仓内的渣土,当土压降至较低时(0.5bar以下),向土仓加入压缩气体,同时土仓内加入膨润土,转动刀盘,继续出渣。一段时间后停止加入膨润土。当螺旋机后闸门有较连续且较大压力的气体喷出即可停止出土,然后等待半个小时左右看土仓内的气压是否能够保持稳定,即气压上下浮动不能超过0.1bar .如果土仓内的气压,无法上升到预定值,且空压机排压较低,或者气压上下浮动过大都说明土仓漏气。检查地面、铰接、盾尾是否漏气。

  (3)、土仓内气压稳定后,换刀人员进入人闸,相关材料工具也要运进去。准备好后,向人闸内加压,加压程序要按照有关带压作业规范的要求。

  (4)、当人闸的气压与土仓的气压基本一致时,打开平衡阀,换刀人员打开土仓门进入土仓开始换刀作业。

  常见问题及处理办法:

  (1)、若换刀时刀具不慎掉入土仓内,而土仓内泥渣较多很难定位刀具及打捞时,则换刀人员进仓作业时带上铁锹和编织袋,将土仓内的渣土装袋即可。

  (2)、若作业过程中,发生气管爆裂、空压机故障等问题时,首先要冷静,想办法稳住气压,同时尽快通知作业人员进入人闸以便及早减压出来。

  (3)、要做好各项人员安全措施及灾害防治措施。对工作人员要进行全面体检,体检不合格的人员禁止入内。要注意压气作业过程中因焊接、漏电、打磨等作业可能引起火灾。各种应急设备如高压氧舱、单架等应处于准备状态。

  4.2盾构始发与到达

  (1)、到达前要做好以下工作:

  ① 校核盾构机姿态及位置,盾构机轴线应较洞门轴线稍微高1~3cm

  ② 洞门临时挡土墙凿除

  ③ 盾构机接收平台的铺设

  ④ 洞门环板、压板的设置

  ⑤ 抢险物资设备的准备

  (2)、始发时要做好以下工作:

  ① 盾构机、始发架、反力架的安装、测量定位

  ② 洞门临时挡土墙凿除

  ③ 洞门环板、压板的设置

  ④ 抢险物资设备的准备

  5、施工管理

  5.1人员配置

  以德国海瑞克土压平衡盾构机为例:

  (1)、技术管理人员

  隧道领班工程师兼盾构机操作手 1人

  机电工程师 3人(机械、电气、液压各1人)

  (2)、劳务工人

岗位  班长兼管片拼装手  配合管片拼装  双轨梁操作手  同步注浆  出土兼千斤顶操作  电工  机修工  合计 
人数  1  3  1  2  1  1  3  12 

  5.2材料、设备配置

  (1) 日常消耗材料

  主轴承密封油脂、润滑油脂、盾尾密封油脂、发泡剂、砂浆、隧道照明材料(照明灯、电线、线架)、通信材料、循环水管、轨道、轨枕、排污水管、编织

  (2) 日常工具、设备

  电焊机、气割、潜水泵、千斤顶、葫芦、扳手、铁锤。

延伸阅读:地铁 隧道 施工
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