地铁盾构法施工监理的理论与实践新增

2021-04-25 12:38:01本页面

地铁盾构法施工监理的理论与实践新增


【正文】

地铁盾构施工监理的理论与实践 作者田世文王晓刚 摘要本文通过对地铁盾构施工的发展和各施工阶段的施工工艺介绍,以及结合北京地铁8号线实际施工监理情况,提出质量、安全控制要点共勉,以不断提高盾构施工监理的技术水平。 关键词盾构施工工艺质量安全监理控制 一、盾构法的概念 目前,北京市在建地铁线路共有13条,在建项目总里程达到300公里,项目总投资将高达2000亿元。到2015年将建成并运营18条线路,形成“三环、四横、五纵、七放射”总长561公里的城市轨道交通网络。北京轨道交通建设正处于又好又快建设基本网络的快速发展时期。 地铁施工工法种类繁多,其中以明挖、盖挖、暗挖、盾构施工为主。

区间施工多采用盾构法。盾构法以其安全、快速的优点被广泛应用。 盾构法是以盾构机为隧道掘进设备,以盾构机的盾壳作为支护,用前端刀盘切削土体,由千斤顶顶推盾构机前进,以开挖面上拼装预制管片作为衬砌,从而形成隧道的施工方法。盾构机的类型有多种,根据工程的地质特点,目前北京地铁区间隧道建设以土压平衡式盾构应用最为广泛。 二、盾构法的历史与发展 采用盾构法修建隧道已有180多年的历史。最早进行研究的是法国工程师布律内尔,他由观察船蛆在船的木头中钻洞,并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发,在1818年开始研究盾构法施工,并于1825年在英国伦敦泰晤士河下,用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道(宽11。

4米、高6.8米)。在修建过程中遇到很大的困难,两次被河水淹没,直至1835年,使用了改良后的盾构,才于1843年完工。其后巴洛于1865年在泰晤士河底,用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道。1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中,英国人格雷特黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工,并第一次在衬砌背后压浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙,创造了比较完整的气压盾构法施工工艺,为现代化盾构法施工奠定了基础,促进了盾构法施工的发展。 20世纪30~40年代,仅美国纽约就采用气压盾构法成功地建造了19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、煤气管道和给水排水管道等。从1897~1980年,在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。

德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工。1969年起,在英、日和西欧各国开始发展一种微型盾构施工法,盾构直径最小的只有1米左右,适用于城市给水排水管道、煤气管道、电力和通信电缆等管道的施工。 盾构机问世180多年,但得到迅速发展是在20世纪60年代以后。纵览当今世界各国,盾构机综合技术水平首推日本和欧洲最高。盾构机由初期的手掘式发展到半机械式、全机械式,以及近30多年来高速发展的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机等。现代盾构机已在自动控制、激光导向、液压传动、开挖面压力控制、壁后同步注浆、盾尾密封、管片拼装、计算机数据采集等方面得到很大发展。进入20世纪80年代后期。

世界上又开发出既可用于软土地层又可用于岩石围岩的复合式盾构机;开发出可转任意角度的复合子母式盾构机。另外,盾构法隧道成型断面除圆形之外,多圆形、椭圆形、矩形及多室矩形也在实际工程中得到应用。当今世界盾构机的技术水平已发展到相当高的阶段。 中国于第一个五年计划期间,首先在辽宁阜新煤矿,用直径2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构,直径最大为11.26米,最小为3.0米。盾构法因其具有明显的优越性,故在施工得到广泛使用。其优越性在于①在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业,有足够的施工安全性;②地下施工不影响地面交通,在河底下施工不影响河道通航;③施工操作不受气候条件的影响;④产生的振动、噪声等环境危害较小;⑤对地面建筑物及地下管线的影响较小。

目前正在修建的北京地铁区间隧道大部分都采用盾构法施工,盾构法因为比传统的矿山法安全、快速而受到广大施工单位的青睐,很有发展前景,目前被广泛用于地铁隧道施工。 三、盾构机的主要工作原理 (一)土压平衡工艺原理 土压平衡盾构工艺原理是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘,将正面土体切削下来的土进入刀盘后面的密封舱内,井使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡,以减少盾构推进对地层土体的扰动,从而控制地表沉降或隆起,在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土碴排出。 土舱土压力衡盾构的开挖土舱由刀盘、切口环、隔板及添加剂注入系统组成。将刀盘切削下来的碴土填满土舱室。

在切削刀盘后面装有使土舱室内土砂强制混合的搅拌臂。借助盾构掘进油缸的推力通过隔板进行加压,产生泥土压,这一压力通过碴土及刀盘作用于整个作业面,使作业面稳定,同时用螺旋输送机排土,螺旋输送机排土量与盾构掘进出土量相适应,掘进过程中始终维持开挖土量与排土量平衡,维持土舱内土压力稳定在预定范围内。土舱内的土压力通过土压传感器进行测量,为保证预定的土压力可通过控制掘进力、掘进速度、螺旋输送机转速来控制。 当土舱内的土压力大于地层土压力和水压力时,地表将会隆起;当土舱内的土压力小于地层土压力和水压力时,地表将会下沉;因此土舱内的土压力应与地层土压力和水压力平衡。 盾构尾部的空隙通过注浆系统进行同步回填浆液。

注浆压力及数量应与地层水土压力及空隙量相适应,有效控制地表的沉降。 (二)碴土改良工作原理 土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为碴土,为维持土舱内土压力的稳定和碴土的排出,土舱内的碴土必须具有良好的塑性和流动性;良好的粘—软稠度;且内摩擦力和透水性较低。一般情况下碴土不一定具有这些特性,刀盘扭矩较大,碴土流动困难,在土压力作用下易压实固结,容易产生泥饼或泥团,在透水性土层中,在水的作用下碴土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减,土舱内的土压力难以稳定,因此需要对开挖后的碴土进行改良,使其具有上述特性。根据地层情况,向开挖土舱内注入泡沫、粘土或添加剂,进行强制搅拌,使碴土具有可塑性和不透水性。

以使螺旋机排土顺畅,土舱内的压力容易控制和稳定。 四、土压平衡盾构机功能特点和施工工艺 (一)土压平衡盾构机功能特点 (1)、刀具选型 刀盘结构与布局应适应土层性质并防止磨损,刀盘可通过最大碴土粒径,开口率等要满足工程需要。刀盘前面安装切削刀具,沿刀盘侧面,刀盘钢结构圆周面焊有耐磨条。刀盘可沿顺时针及逆时针两个方向旋转,在刀盘背面装有四根搅动臂,可避免牛腿部位形成泥饼,刀具刀头镶嵌硬质合金头,刀具周围焊接耐磨层。 (2)、推进千斤顶 推进千斤顶安装在中盾,油缸侧装在中盾前法兰上,顶杆侧支承端装有特氟龙垫。推进千斤顶在与管片接触端装有支承靴,通过支承靴作用于管片环上。推进千斤顶可以通过单个控制或通过分组控制以达到调整掘进方向的功能。

(3)、尾盾、铰接油缸 尾盾焊接成一个整体,通过被动跟随的铰接式油缸与主盾体相连。尾盾驱动系统中包括铰接油缸的驱动泵。注浆管线埋于盾尾钢板中。主要通过盾构机掘进姿态来进行被动式控制铰接油缸的伸长量;在掘进过程中,可手动伸长或收缩铰接油缸的伸长量。 (4)、尾盾密封与润滑 尾盾后部装有两室三排钢丝刷环密封,以防止地下水浸入,只有在两个密封室都充满密封油脂时,才能真正起到密封的作用。在隧道掘进过程中,当密封室内的油脂开始变得稀薄时,就必须保证有油脂被连续补充注入。 (5)、土压传感器 土压传感器可以显示出土仓的压力,土压力传感器可以拆卸下来,根据所提供的测试数据进行重新校准和调试,同

传感器的零配件在重新调试时可以更换。根据地表沉降测量的反馈信息调整土仓压力的设定,通过调整盾构机的掘进速度和排土速度之间的平衡来调节土压平衡。 (6)、人闸气压调节 由于换刀需要,要求定期查看刀具磨损情况,并针对磨损情况进行换刀。在气压法换刀情况下需要通过人闸进行气压调节,在开式换刀或查看刀具磨损的情况下,直接把土仓压力降为0bar,对土仓进行降温,旋转刀盘进行作业。在气压换刀的情况下,需要对双室的气压进行调整。 (二)、盾构机始发主要工艺 (1)盾构机组装 (2)洞门密封 (3)洞门加固与破除 (4)安装反力架及负环管片 (1)盾构机组装 后配套台车及其它设备下井示意图 盾构机安装示意图(一) 盾构机安装示意图(二) 盾构机安装示意图(三) 北京地铁8号线01标1#台车及电瓶车吊装就位 (2)洞门密封 由于洞圈与盾构外径有一定的间隙。

为了防止盾构出洞时及施工期间土体从该间隙中流失,在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置、并增设注浆孔,作为洞口的防水措施。 安装止水帘幕及扇形压板 (3)洞门加固与破除 在盾构机下井、到达以前,对始发井、接受井端头进行加固,加固方法采用地面旋喷桩加固,旋喷桩采用直径900mm、间距700mm的三重管。加固目的: ①稳固土体,防止塌方; ②止水; ③保持盾构机始发阶段的正确姿态。 始发前破除洞门出洞前破除洞门 盾构进、出洞加固 1)盾构进出洞前,应对工作井端头一定范围内土体进行加固,加固措施采用旋喷桩、水泥搅拌桩。地铁多用旋喷桩加固,加固范围一般端头6-9m。

地铁8号线为6m长。 2)经加固后的土体应有很好的均质性、自立性、无侧限抗压强度为大于2MPa,渗透系数小于108cm/sec。盾构始发前监理应对旋喷桩加固效果进行钻芯见证检验,及洞门各部位打探孔检查确认地质情况。 (4)安装反力架及负环管片 负环安装示意图 北京地铁8号线反力架及负环管片示意图 (三)土压平衡盾构机掘进工艺 土压平衡盾构施工工艺示意图 1、盾构掘进 目前,国内轨道交通区间盾构法施工用盾构设备多为德、日、法盾构机(海瑞克、小松、维尔特),盾构掘进第一个100米,一般由总承包单位机施人员同外方技术人员一同操作运行,之后由中方独立操作施工。

如遇问题再请外方厂家及时配合处理。因此确保设备的熟练使用和维护的及时性是成功掘进的关键。 中央控制室(一)司机操作(二) 2、碴土运输 碴土运输(三) 3、管片拼装 管片生产过程中,监理应驻场监理,试生产应做三环拼装试验的检查验收,并按生产环的批次进行检漏等试验,确保生产质量。 管片拼装管片连接 管片与管片拼装示意图三环拼装试验 检漏试验测量内径 检漏试验检测缝宽 4、管片同步注浆与二次注浆 为填补盾尾间隙、超挖及施工过程中的地层损失,有效控制地基变位,采用盾尾同步注浆,辅以管片后注浆。本工程盾构同步注浆系统,利用搅拌站在地面进行浆液搅拌后。

运送至盾构机的浆液罐中,用4个注浆泵通过盾体中预设的管路注入管片与土体间空隙。通过管片背后注浆,可以减少地基沉陷量,保证环境安全;确保管片衬砌稳定性;作为隧道衬砌防水的第一道防线,提供长期、均质、稳定的防水功能。注浆材料选择充分考虑土体条件及满足盾构机注浆方式要求,拌制的浆液应具有泵送性好、不离析、压注后收缩小、凝结强度大于土体强度等特性。 工程中选用由砂、粉煤灰、膨润土、水、水泥组成浆液。浆液配比先根据经验、试验、理论计算求出,施工中视地质与施工情况适当进行调整。注浆压力选择以能充足填充盾尾间隙、超挖及施工过程中其他因素造成的地层损失为原则,根据相应部位土压力、水压力、泥浆压力以及衬砌的强度选择合适的压力。

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