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      淤泥加砂地層泥水盾構(gòu)鋼套筒分體始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

      2021-05-30 02:54:44李希宏賀創(chuàng)波
      工程技術(shù)研究 2021年7期
      關(guān)鍵詞:盾體分體泥水

      李希宏 ,萬(wàn) 陶 ,賀創(chuàng)波

      1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430014 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430014

      鋼套筒平衡始發(fā)技術(shù)可以在破除洞門前為盾構(gòu)提供水土平衡環(huán)境,與端頭加固法相比,其安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有較大的提高。針對(duì)鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)技術(shù),國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一些研究,例如,伍偉林等[1]通過(guò)研究表明,反力調(diào)節(jié)裝置能提高鋼套筒的密閉性能;李飛等[2]對(duì)盾構(gòu)接收輔助裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究;由于始發(fā)場(chǎng)地條件受限,盾構(gòu)一般采用分體始發(fā)技術(shù),卜星瑋等[3]提出了解決始發(fā)空間小、盾構(gòu)組裝、始發(fā)與設(shè)備材料垂直運(yùn)輸、人員進(jìn)出困難等問(wèn)題的方法;劉金峰[4]對(duì)武漢軌道交通6號(hào)線馬鐘區(qū)間盾構(gòu)分體始發(fā)施工技術(shù)進(jìn)行了研究。雖然對(duì)泥水盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和泥水盾構(gòu)分體始發(fā)的研究較多,但泥水盾構(gòu)鋼套筒分體始發(fā)的項(xiàng)目比較少,故此類項(xiàng)目具有較好的研究?jī)r(jià)值。

      1 工程概述

      福州某地鐵區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)端基坑長(zhǎng)度為54.5m,泥水盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度為112m,整體始發(fā)所需長(zhǎng)度為130m,基坑長(zhǎng)度不滿足盾構(gòu)機(jī)整體始發(fā)要求,因此采用分體始發(fā)。根據(jù)基坑長(zhǎng)度始發(fā)時(shí)1~3號(hào)臺(tái)車放置在井下,4~7號(hào)臺(tái)車放在始發(fā)井邊上,3號(hào)臺(tái)車與4號(hào)臺(tái)車之間通過(guò)延長(zhǎng)管路進(jìn)行連接(見圖1)。

      圖1 分體始發(fā)連接線纜

      區(qū)間采用泥水盾構(gòu),刀盤直徑為6.5m,盾構(gòu)始發(fā)地層為全斷面淤泥夾砂地層(見圖2),隧道埋深為9.4m,地下水位于地表以下3m附近,基坑緊鄰躍進(jìn)河,地下水補(bǔ)給豐富,始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大,為了降低始發(fā)過(guò)程中涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn),采用鋼套筒分體始發(fā)技術(shù)。

      圖2 地質(zhì)斷面圖

      因?yàn)槭及l(fā)地層為淤泥加砂地層,土體承載能力低,為了防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象,所以端頭加固采用Φ800mm@550mm三重管高壓旋噴樁對(duì)隧道穿越范圍內(nèi)地層進(jìn)行加固,縱向4m,寬度至結(jié)構(gòu)線外3m,加固深度為地面至隧道底部以下3m,加固長(zhǎng)度為4m。

      2 技術(shù)措施

      對(duì)于泥水盾構(gòu)鋼套筒分體始發(fā)而言,其主要的技術(shù)難度為鋼套筒的防滲、鋼套筒內(nèi)填料的密實(shí)性、盾體在鋼套筒內(nèi)的扭轉(zhuǎn)、掘進(jìn)過(guò)程中連接管路的磨損等,以下對(duì)鋼套筒分體始發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

      2.1 鋼套筒防滲技術(shù)

      鋼套筒加工質(zhì)量差精度低、拼裝質(zhì)量不合格、變形超限等會(huì)引起鋼套筒滲漏,影響盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程建壓,滲漏嚴(yán)重時(shí)鋼套筒內(nèi)同步注漿不飽滿,導(dǎo)致始發(fā)階段出現(xiàn)管片上浮、管片錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題??刹捎靡韵麓胧┙鉀Q鋼套筒滲漏問(wèn)題:(1)在鋼套筒塊間拼縫設(shè)置兩道密封槽,內(nèi)置O型橡膠圈,增加接縫處的密封性。(2)通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬,驗(yàn)算鋼套筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支撐強(qiáng)度,防止鋼套筒變形過(guò)大導(dǎo)致拼縫滲漏。(3)側(cè)向支撐焊接在鋼套筒結(jié)構(gòu)主肋板上,避免支撐直接抵筒體結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致鋼套筒局部變形過(guò)大產(chǎn)生滲漏。(4)始發(fā)階段加強(qiáng)鋼套筒的變形監(jiān)測(cè),變形過(guò)大時(shí)及時(shí)降低盾構(gòu)推力及鋼套筒內(nèi)壓力,并對(duì)鋼套筒進(jìn)行加固。(5)在鋼套筒兩側(cè)各留設(shè)兩排球閥,盾尾脫出后注入少量雙液漿,及時(shí)固定管片。(6)嚴(yán)格按照方案試壓,保壓合格后盾構(gòu)再始發(fā)。(7)做好應(yīng)急預(yù)案,始發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)滲漏時(shí),及時(shí)對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行焊接或用堵漏王進(jìn)行封堵。

      2.2 鋼套筒填料技術(shù)

      由于鋼套筒內(nèi)填料不密實(shí),始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中容易造成水土流失,增大了涌水、涌砂的風(fēng)險(xiǎn);由于填料不密實(shí),鋼套筒內(nèi)填料對(duì)盾體的握裹力較小,增大了盾體發(fā)生扭轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此,填筑過(guò)程中為保證鋼套筒內(nèi)填料密實(shí),可采取以下措施:(1)在盾構(gòu)機(jī)下井前,始發(fā)軌道內(nèi)部區(qū)域先填充中砂(見圖3),填充高度按照盾構(gòu)機(jī)的弧面確定,填筑過(guò)程中壓實(shí)中砂,保證底部填料的密實(shí)性。(2)在上部三塊鋼套筒上都設(shè)置填料口(見圖4),便于施工中填料密實(shí)。(3)填料過(guò)程中通過(guò)鋼套筒上設(shè)置的球閥,放出多余注水,多次反復(fù)沖砂放水直至鋼套筒內(nèi)填砂密實(shí)。

      圖3 底部填砂

      圖4 上部填料口

      2.3 盾構(gòu)防扭技術(shù)

      盾體扭轉(zhuǎn)角過(guò)大時(shí),盾體會(huì)帶動(dòng)拼裝機(jī)、連接橋及臺(tái)車出現(xiàn)不同程度的扭轉(zhuǎn)變形,導(dǎo)致連接橋橫支撐局部扭曲,出現(xiàn)連接橋拉伸油缸基座脫落、皮帶被動(dòng)輪垮塌、管片輕微破損、臺(tái)車下方的軌道扭曲、軌枕傾斜等問(wèn)題。盾體在鋼套筒內(nèi)始發(fā)掘進(jìn)時(shí),若鋼套筒內(nèi)部不能為盾體提供足夠的握裹力,則盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)不能有效地進(jìn)行扭轉(zhuǎn)角糾偏,因此鋼套筒始發(fā)過(guò)程中盾體的抗扭轉(zhuǎn)特別重要。

      為了解決盾構(gòu)機(jī)在鋼套筒內(nèi)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題,在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)導(dǎo)軌外側(cè)設(shè)置了2個(gè)防扭塊。

      螺紋套筒從盾體外部安裝放入盾體開孔處,固定擋塊從盾體內(nèi)安裝,螺桿旋入螺紋套筒內(nèi)。盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)始發(fā)時(shí)螺桿突出盾體5cm,盾體在即將進(jìn)入土體前旋入盾體內(nèi)旋松螺桿,待螺桿不伸出盾體外,螺紋套筒自動(dòng)掉落。盾體防扭裝置見圖5。

      圖5 盾體防扭裝置

      2.4 管路布置技術(shù)

      分體始發(fā)過(guò)程中,3號(hào)臺(tái)車、4號(hào)臺(tái)車需要通過(guò)管路連接,直至掘進(jìn)60環(huán)(環(huán)寬1.2m)時(shí)才能結(jié)束分體始發(fā)。基坑井深度為18m,線路長(zhǎng)度需要約120m左右,管路長(zhǎng)度長(zhǎng)且復(fù)雜,掘進(jìn)過(guò)程中容易造成管路磨損、打結(jié)等,影響掘進(jìn)效率。為了減少電纜磨損,采取以下措施:(1)4號(hào)臺(tái)車位于始發(fā)井口,管路從4號(hào)臺(tái)車引出,引到中板上,在中板上環(huán)繞一圈,放置到井下,減小了掘進(jìn)過(guò)程中線纜的中磨損。對(duì)堆放在中板上的線纜分類堆放,防止中板作業(yè)損傷管路。(2)泥水管路從始發(fā)井引到中板上,管路順中板布置,從吊裝孔引到3號(hào)臺(tái)車尾部,待始發(fā)結(jié)束后泥水管直接從始發(fā)井接入隧道內(nèi)。(3)管路與墻角、反力架、電葫蘆吊點(diǎn)等的接觸部位添加柔性襯墊,減小管路延伸過(guò)程中磨損。(4)每環(huán)掘進(jìn)前管路延伸時(shí),隧道內(nèi)同中板協(xié)調(diào)工作,避免生拉硬拽導(dǎo)致管路損壞。

      2.5 鋼套筒內(nèi)同步注漿

      鋼套筒內(nèi)共設(shè)置10環(huán),盾構(gòu)在剛套筒內(nèi)掘進(jìn)的過(guò)程中,盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)無(wú)法進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整,若管片得不到有效固定,則會(huì)導(dǎo)致管片上浮、管片錯(cuò)臺(tái)、出現(xiàn)裂縫等。若始發(fā)階段同步注漿注入水泥漿,由于填料具有較好的滲透性且始發(fā)階段掘進(jìn)速度較慢,水泥漿容易糊住盾體,造成始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)推力過(guò)大、鋼套筒及反力架變形大等問(wèn)題;始發(fā)結(jié)束后,黏在盾體上的水泥漿不易掉落,會(huì)造成后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)推力過(guò)大、盾構(gòu)姿態(tài)差等系列問(wèn)題[5]。因此,始發(fā)階段建議鋼套筒內(nèi)同步注漿注入惰性漿,防止盾構(gòu)機(jī)被水泥漿糊注。盾尾出鋼套筒前使用惰性漿液,注漿量為4~4.8m3(填充系數(shù)為1~1.2),配比見表1。

      表1 惰性漿液配合比 單位:kg

      3 分體始發(fā)效果

      3.1 工效分析

      60環(huán)盾構(gòu)結(jié)束分體始發(fā),分體始發(fā)階段日平均掘進(jìn)2.1環(huán)(見圖6);61~100環(huán),平均日掘進(jìn)2.72環(huán)。整個(gè)始發(fā)階段,掘進(jìn)工效較低,影響工效的主要因素是泥水管路接管、管路延伸、材料運(yùn)輸?shù)取?/p>

      圖6 盾構(gòu)工效

      3.2 盾構(gòu)土倉(cāng)建壓情況

      -5環(huán)開始刀盤破除地連墻,地連墻寬度為80cm,-4環(huán)時(shí)盾構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入加固體,盾構(gòu)機(jī)破除洞門時(shí)泥水倉(cāng)開始建壓,壓力基本與計(jì)算值相符(見圖7),即采用鋼套筒能及早建壓。

      圖7 泥水倉(cāng)壓力

      在盾構(gòu)破除地連墻后,泥水倉(cāng)開始持續(xù)建壓,壓力基本按照理論計(jì)算值控制,前10環(huán)地層沉降都較小。始發(fā)階段泥水盾構(gòu)提前建壓,有利于地層應(yīng)力平衡,有效控制始發(fā)階段地表的沉降。地表沉降曲線見圖8。25環(huán)以后,地表沉降逐漸增大,主要是因?yàn)槎軜?gòu)通過(guò)泥水站泥漿罐區(qū)域,泥水站運(yùn)行過(guò)程中,由于泥漿罐漿液增加,加大了隧道頂部堆載,導(dǎo)致隧道頂部地表沉降增大。

      圖8 地表沉降曲線

      3.3 盾體扭轉(zhuǎn)角

      抗扭塊安裝在中盾靠近盾尾位置,-5環(huán)開始刀盤磨地連墻,由于抗扭塊與軌道間存在空隙,盾體有小幅的扭轉(zhuǎn);-3環(huán)時(shí)刀盤的反轉(zhuǎn)、盾體的扭轉(zhuǎn)角有小幅度減小的趨勢(shì),但是鋼套筒內(nèi)填充不密實(shí),填料對(duì)盾體的反力有限,刀盤反轉(zhuǎn)沒(méi)有明顯減小盾體的扭轉(zhuǎn)角。

      采用抗扭塊時(shí),盾體扭轉(zhuǎn)角最大為-0.19°,0環(huán)掘進(jìn)結(jié)束后,拆除了抗扭塊,隨后盾體滾動(dòng)角突然增大,增大到0.22°,此時(shí)盾體基本進(jìn)入淤泥加砂地層,通過(guò)刀盤反轉(zhuǎn),滾動(dòng)角逐步縮?。ㄒ妶D9)。

      圖9 盾體扭轉(zhuǎn)角

      4 結(jié)論

      (1)始發(fā)階段時(shí),向鋼套筒內(nèi)填充密實(shí)中砂并采用防扭塊,可有效控制盾體的扭轉(zhuǎn)角;向鋼套筒內(nèi)注入惰性漿,可避免水泥漿糊注盾體,不會(huì)造成始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)推力過(guò)大、鋼套筒及反力架變形大等問(wèn)題。

      (2)鋼套筒分體始發(fā)克服了場(chǎng)地狹小的問(wèn)題,有效控制了地表沉降,降低了軟弱地層盾構(gòu)始發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

      (3)采用鋼套筒分體始發(fā)技術(shù)時(shí),若盾構(gòu)的掘進(jìn)工效較低,則主要影響因素可能為管線延伸、材料運(yùn)輸以及泥水管延伸,因此應(yīng)從這三個(gè)方面考慮提高盾構(gòu)的掘進(jìn)工效。

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