地鐵施工中盾構(gòu)法施工技術(shù)的探討

王華

(湖北省路橋集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430000)

地鐵施工中盾構(gòu)法施工技術(shù)的探討

王華

(湖北省路橋集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430000)

盾構(gòu)施工技術(shù)在地鐵施工中是極為重要的技術(shù)之一,文章主要介紹了盾構(gòu)技術(shù)實(shí)例的分析,并針對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)介紹了盾構(gòu)法施工的主要技術(shù)參數(shù),供參考。

盾構(gòu)法 地鐵施工 問題探討

1 地鐵施工中盾構(gòu)技術(shù)

所謂“盾構(gòu)”,是指配有護(hù)罩的一種專門用于隧道開挖的專用設(shè)備,工作原理是在盾構(gòu)后面帶有襯砌,利用它當(dāng)做支撐點(diǎn)支撐整套設(shè)備前進(jìn),然后利用刀盤來(lái)將巖土切割,并將切割后的巖土碎屑排除,同時(shí)將襯砌拼裝。所謂“盾構(gòu)技術(shù)”是指用盾構(gòu)設(shè)備的盾殼來(lái)支撐和保護(hù)隧洞,以防出現(xiàn)水侵和坍塌現(xiàn)象,將隧洞中的巖土切削,將管片安裝后進(jìn)行灌漿,保障隧洞洞身的質(zhì)量。盾構(gòu)法施工最早出現(xiàn)在歐洲,隨后在美洲和日本發(fā)展較快,迄今為止已在世界各地得到廣泛應(yīng)用。

2 地鐵施工技術(shù)發(fā)展概況

我國(guó)的地鐵隧道施工中采用的方法主要有礦山法、蓋挖法、明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法進(jìn)行施工。

(1)礦山法施工的優(yōu)點(diǎn)是施工場(chǎng)地要求占用小,但是當(dāng)?shù)叵鲁霈F(xiàn)有水的情況是無(wú)法正常進(jìn)行作業(yè),必須在作業(yè)過程中將地下水排除;在開挖和支護(hù)施工中必須人工操作,作業(yè)效率低,安全性差;此方法對(duì)于地表沉降問題難以得到有效解決,因此對(duì)于地下管道和地上建筑物會(huì)造成一定程度的破壞。

(2)蓋挖法施工過程中優(yōu)點(diǎn)是施工占用場(chǎng)地也較小,對(duì)地面建筑

物影響較小,施工作業(yè)也較安全,但是施工工序十分復(fù)雜,施工條件較差,且存在交叉作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

(3)明挖法施工占用場(chǎng)地較大,在一些交通比較擁擠的地方難以施工,環(huán)境污染嚴(yán)重。

(4)暗挖法施工優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于地面的情況干擾較小且比較經(jīng)濟(jì),但是施工作業(yè)效率低,風(fēng)險(xiǎn)大,勞動(dòng)強(qiáng)度高。

(5)盾構(gòu)法施工基本集合了前幾種方法的優(yōu)點(diǎn),地層適應(yīng)性強(qiáng),可以在地下有水情況進(jìn)行作業(yè),對(duì)環(huán)境污染較小,全機(jī)械化施工,作業(yè)效率高,且對(duì)地表沉降能夠合理控制因此對(duì)地面建筑影響較小。

3 地鐵施工中盾構(gòu)法地鐵應(yīng)用技術(shù)參數(shù)

針對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)來(lái)進(jìn)行分析相關(guān)的技術(shù)參數(shù),其主要是靠壓力倉(cāng)的土壓力來(lái)支撐隧道壁面。

(1)平衡壓力值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有:P=KRH。

其中:P為平衡總壓力;R為土體平均重度,kN/m3;H為隧道埋深,m;K取0.6～0.8。

(2)出土量。每環(huán)理論出土量:V1=(πD2)/4。

其中:D為最大直徑。實(shí)際出土量取理論值98%～100%。

(3)推進(jìn)速度。一般取3cm/min～5cm/min,當(dāng)有建筑物時(shí),取1cm/min。

(4)盾構(gòu)軸線。與設(shè)計(jì)偏離不得大于50mm。

(5)地面變形量。一般控制在+10～30mm內(nèi)。

(6)同步注漿。每環(huán)空隙V2=π(D2-d2)/4其中:D為盾構(gòu)外徑;d為管片外徑。壓漿量為空隙的150%～250%。

(7)壁后壓漿。當(dāng)需特殊保護(hù)時(shí),根據(jù)地層變形監(jiān)測(cè)的信息來(lái)進(jìn)行操作。

4 地鐵隧道斷面及有限元網(wǎng)格

4.1 有限無(wú)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)武漢市地鐵辦提供的資料,地鐵隧道直徑6m在一般地段埋深7m。

有限元網(wǎng)格見圖一,其尺寸為水平方向×垂直方向＝50m×40m,有8306個(gè)節(jié)點(diǎn),8148個(gè)單元。計(jì)算中假定地層分界線均為水平方向。

4.2 施工模擬

盾構(gòu)法施工的特點(diǎn)是在一個(gè)圓筒形移動(dòng)式金屬支撐的掩護(hù)下開挖地層及安裝襯砌。鑒于目前僅是意向性地提出采用盾構(gòu)法施工,其細(xì)節(jié)尚待落實(shí),還無(wú)具體的施工方案和支護(hù)形式。為了進(jìn)行數(shù)值模擬,在計(jì)算中采取下述假定:兩個(gè)隧道同時(shí)開挖,并為了近似考慮“地層損失”和襯砌環(huán)與圍巖之間發(fā)生接觸及密貼要有一個(gè)時(shí)間過程,認(rèn)為洞室開挖后荷載立即釋放70%(即變形釋放),而后加上襯砌環(huán)(假定為由厚度25cm的混凝土砌塊組成),余下的30%開挖荷載再釋放掉(由圍巖和襯砌環(huán)共同承受)。

4.3 實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)端頭井加固工藝

首先針對(duì)該市鐵路進(jìn)行加固,在鐵路的路基進(jìn)行加固時(shí)采用了預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)拉的方法,錨墩作為樁板墻。錨墩樁作為挖孔其中樁長(zhǎng)為8m,用到的是1.0m×1.5m的鋼筋混凝土板,將鋼筋混凝土板沿鐵路的路基的兩側(cè)按照對(duì)稱分布原則進(jìn)行布置,保證縱向的間距約為3m左右。錨墩樁與錨墩樁之間采用0.2m厚的鋼筋混凝土板進(jìn)行連接。采用預(yù)應(yīng)力錨索將鐵路兩側(cè)的錨墩樁進(jìn)行對(duì)拉,其中錨索就是1×7的鋼絞線,并且在豎向上已設(shè)置3道,采用預(yù)應(yīng)力錨索樁進(jìn)行板墻加固,如圖2(a)(b)所示。

采用預(yù)應(yīng)力錨索樁進(jìn)行板墻加固的施工順序?yàn)?一是進(jìn)行挖孔樁。采用人工操作進(jìn)行挖孔,采用厚15cm的混凝土進(jìn)行護(hù)壁,在護(hù)壁時(shí)保證高出地面約30cm,目的是不讓其他的雜物落到井內(nèi),保證安全。在人工挖孔后的井口周圍需要設(shè)置一個(gè)護(hù)欄,在護(hù)欄上掛安全網(wǎng),并且在護(hù)欄的上面需要標(biāo)上安全警示標(biāo)志,在不開挖的時(shí)候?qū)⑵渖w上保護(hù)起來(lái)。在地下水位以下的地方每節(jié)護(hù)壁長(zhǎng)約0.5m,水位以上時(shí)每節(jié)護(hù)壁長(zhǎng)約1.0m,并且在兩節(jié)護(hù)壁之間的位置處需要設(shè)置直徑16mm、拉筋長(zhǎng)40cm的鋼筋拉桿,環(huán)向間距約為30cm左右,采用3mm厚的組合鋼材料的模版來(lái)作為護(hù)壁的模版,并且用10cm×10cm的方型木塊來(lái)對(duì)撐住。當(dāng)人工挖孔出現(xiàn)水量較大的情況時(shí),需用1.5kW的潛水泵抽水使水位降到一定位置然后進(jìn)行施工。將板樁的鋼筋籠進(jìn)行集中加工,在下籠時(shí)需采用履帶吊進(jìn)行吊裝,當(dāng)放置到設(shè)計(jì)的高度時(shí),然后用槽鋼扁擔(dān)放置到護(hù)壁上面來(lái)進(jìn)行控制其標(biāo)高。采用C20商品混凝土來(lái)作為樁身使用的混凝土。在井口位置處設(shè)料斗,然后在其下面懸掛串筒,保證串筒底與孔底的距離不大于1.0m,用汽車泵輸送混凝土,混凝土用汽車泵水平輸送,采用插入式振動(dòng)棒進(jìn)行振搗。

圖1 有限元網(wǎng)格

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻加固示意圖

圖3 地鐵隧道與鐵路關(guān)系圖

4.4 穿越平南鐵路方案

如圖3所示,在DK23+107-DK22+683段,該市鐵路和盾構(gòu)隧道大致平行,從DK23+107段隧道左轉(zhuǎn)曲線與鐵路交叉,隧道穿過鐵路后向右拐彎下穿鐵路,到DK23+670時(shí)穿出鐵路。盾構(gòu)機(jī)在下穿鐵路時(shí),存在礫砂層,由于理深較淺且,距離較近,此時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)需采取加固措施,采用超前鉆進(jìn)打眼注漿。確定出注漿的范圍在隧道外側(cè)的3m內(nèi)。

4.5 地鐵施工中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)措施

(1)調(diào)整盾構(gòu)機(jī),當(dāng)?shù)刭|(zhì)地段相類似時(shí),需進(jìn)行模擬掘進(jìn)工作,在盾構(gòu)機(jī)靠近鐵路前,需將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)和狀態(tài)調(diào)整好。

(2)在工作時(shí)需保證盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好,盡量減少或避免盾構(gòu)機(jī)發(fā)生故障的次數(shù),以免造成時(shí)間拖延,降低工作效率。在施工過程中采用土壓平衡施工方法保障沉降量較小。

(3)選擇了加泥土壓平衡盾構(gòu)機(jī),跟好地保證了施工安全和進(jìn)度。通過改良地層減小地表沉降。

(4)采取錯(cuò)縫拼裝進(jìn)行隧道襯砌,目的是可以發(fā)揮管片環(huán)間螺栓的縱向加強(qiáng)作用,從而加強(qiáng)了管片間接頭處的薄弱部位,使得管片環(huán)整體剛度有所增加,從根本上控制了砂層地段管片的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)受力和防水方面的問題,使得地鐵施工過程中出現(xiàn)的大變形和滲漏問題得到有效地解決和控制。

(5)根據(jù)施工環(huán)境和地層情況,選用泌水性小、和易性好、具有一定強(qiáng)度的漿液,及時(shí)填充地層和隧道間的空隙,通過適當(dāng)加大漿液的注入量來(lái)保護(hù)周圍環(huán)境和建筑物。同步注漿不足時(shí)采用二次注漿。采用雙液注漿(水泥+水玻璃漿液)可以減少地面變形和地基不均勻沉降量。注意注漿量和注漿壓力,防止地基隆起現(xiàn)象發(fā)生。

(6)實(shí)測(cè)反饋盾構(gòu)施工過程中的地面變形情況,采取優(yōu)化調(diào)整參數(shù),檢驗(yàn)參數(shù)是否合理。平南鐵路和砂層地層時(shí),推進(jìn)速度不宜過快,減小超挖量,縮短注漿時(shí)間,保持穩(wěn)定。

(7)咨詢鐵路主管部門,信號(hào)線及鐵路允許變形指標(biāo),保證安全和通信正常,將施工前的地層沉降預(yù)測(cè)量與設(shè)定的沉降控制指標(biāo)和預(yù)警值對(duì)比,出現(xiàn)問題時(shí),及時(shí)報(bào)報(bào)警。必須加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作及信息反饋工作,及時(shí)采取注漿措施來(lái)調(diào)整沉降曲線。

5 結(jié)語(yǔ)

總之,隨著技術(shù)的進(jìn)步,掘進(jìn)機(jī)開始出現(xiàn)并且體現(xiàn)了自身的許多優(yōu)點(diǎn),具有掘進(jìn)安全、經(jīng)濟(jì)效益顯著、隧洞洞壁質(zhì)量高、掘進(jìn)速度快等。近年來(lái),掘進(jìn)機(jī)施工工藝已取得較大進(jìn)步,采用了技術(shù)含量較高的盾構(gòu)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)全斷面掘進(jìn),然后進(jìn)行放置管道,盾構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)使得施工效率更高,月進(jìn)尺能夠達(dá)幾百甚至千米,而且盾構(gòu)技術(shù)的適用范圍較廣,對(duì)于巖石較硬和軟土等復(fù)雜的地質(zhì)條件均能使用,尤其是針對(duì)地下水力壓力大的工況下,更能顯示出其優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了其他方法的不足。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,我國(guó)的城市建設(shè)日程逐漸加快,地鐵需要逐漸增加,盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。

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