地鐵施工中盾構法施工技術的探討

王華

(湖北省路橋集團有限公司,湖北武漢 430000)

地鐵施工中盾構法施工技術的探討

王華

(湖北省路橋集團有限公司,湖北武漢 430000)

盾構施工技術在地鐵施工中是極為重要的技術之一,文章主要介紹了盾構技術實例的分析,并針對土壓平衡式盾構機介紹了盾構法施工的主要技術參數,供參考。

盾構法 地鐵施工 問題探討

1 地鐵施工中盾構技術

所謂“盾構”,是指配有護罩的一種專門用于隧道開挖的專用設備,工作原理是在盾構后面帶有襯砌,利用它當做支撐點支撐整套設備前進,然后利用刀盤來將巖土切割,并將切割后的巖土碎屑排除,同時將襯砌拼裝。所謂“盾構技術”是指用盾構設備的盾殼來支撐和保護隧洞,以防出現水侵和坍塌現象,將隧洞中的巖土切削,將管片安裝后進行灌漿,保障隧洞洞身的質量。盾構法施工最早出現在歐洲,隨后在美洲和日本發展較快,迄今為止已在世界各地得到廣泛應用。

2 地鐵施工技術發展概況

我國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、盾構法進行施工。

(1)礦山法施工的優點是施工場地要求占用小,但是當地下出現有水的情況是無法正常進行作業,必須在作業過程中將地下水排除;在開挖和支護施工中必須人工操作,作業效率低,安全性差;此方法對于地表沉降問題難以得到有效解決,因此對于地下管道和地上建筑物會造成一定程度的破壞。

(2)蓋挖法施工過程中優點是施工占用場地也較小,對地面建筑

物影響較小,施工作業也較安全,但是施工工序十分復雜,施工條件較差,且存在交叉作業現場。

(3)明挖法施工占用場地較大,在一些交通比較擁擠的地方難以施工,環境污染嚴重。

(4)暗挖法施工優點是對于地面的情況干擾較小且比較經濟,但是施工作業效率低,風險大,勞動強度高。

(5)盾構法施工基本集合了前幾種方法的優點,地層適應性強,可以在地下有水情況進行作業,對環境污染較小,全機械化施工,作業效率高,且對地表沉降能夠合理控制因此對地面建筑影響較小。

3 地鐵施工中盾構法地鐵應用技術參數

針對土壓平衡式盾構機來進行分析相關的技術參數,其主要是靠壓力倉的土壓力來支撐隧道壁面。

(1)平衡壓力值。根據經驗公式有: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。每環理論出土量:V1=(πD2)/4。

其中:D為最大直徑。實際出土量取理論值98%～100%。

(3)推進速度。一般取3cm/min～5cm/min,當有建筑物時,取1cm/min。

(4)盾構軸線。與設計偏離不得大于50mm。

(5)地面變形量。一般控制在+10～30mm內。

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

(7)壁后壓漿。當需特殊保護時,根據地層變形監測的信息來進行操作。

4 地鐵隧道斷面及有限元網格

4.1 有限無網絡

根據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。

有限元網格見圖一,其尺寸為水平方向×垂直方向＝50m×40m,有8306個節點,8148個單元。計算中假定地層分界線均為水平方向。

4.2 施工模擬

盾構法施工的特點是在一個圓筒形移動式金屬支撐的掩護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法施工,其細節尚待落實,還無具體的施工方案和支護形式。為了進行數值模擬,在計算中采取下述假定:兩個隧道同時開挖,并為了近似考慮“地層損失”和襯砌環與圍巖之間發生接觸及密貼要有一個時間過程,認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(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(由圍巖和襯砌環共同承受)。

4.3 實現盾構端頭井加固工藝

首先針對該市鐵路進行加固,在鐵路的路基進行加固時采用了預應力錨索對拉的方法,錨墩作為樁板墻。錨墩樁作為挖孔其中樁長為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按照對稱分布原則進行布置,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行連接。采用預應力錨索將鐵路兩側的錨墩樁進行對拉,其中錨索就是1×7的鋼絞線,并且在豎向上已設置3道,采用預應力錨索樁進行板墻加固,如圖2(a)(b)所示。

采用預應力錨索樁進行板墻加固的施工順序為:一是進行挖孔樁。采用人工操作進行挖孔,采用厚15cm的混凝土進行護壁,在護壁時保證高出地面約30cm,目的是不讓其他的雜物落到井內,保證安全。在人工挖孔后的井口周圍需要設置一個護欄,在護欄上掛安全網,并且在護欄的上面需要標上安全警示標志,在不開挖的時候將其蓋上保護起來。在地下水位以下的地方每節護壁長約0.5m,水位以上時每節護壁長約1.0m,并且在兩節護壁之間的位置處需要設置直徑16mm、拉筋長40cm的鋼筋拉桿,環向間距約為30cm左右,采用3mm厚的組合鋼材料的模版來作為護壁的模版,并且用10cm×10cm的方型木塊來對撐住。當人工挖孔出現水量較大的情況時,需用1.5kW的潛水泵抽水使水位降到一定位置然后進行施工。將板樁的鋼筋籠進行集中加工,在下籠時需采用履帶吊進行吊裝,當放置到設計的高度時,然后用槽鋼扁擔放置到護壁上面來進行控制其標高。采用C20商品混凝土來作為樁身使用的混凝土。在井口位置處設料斗,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,采用插入式振動棒進行振搗。

圖1 有限元網格

圖2 預應力錨索樁板墻加固示意圖

圖3 地鐵隧道與鐵路關系圖

4.4 穿越平南鐵路方案

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

4.5 地鐵施工中盾構機掘進措施

(1)調整盾構機,當地質地段相類似時,需進行模擬掘進工作,在盾構機靠近鐵路前,需將盾構機掘進參數和狀態調整好。

(2)在工作時需保證盾構機運轉良好,盡量減少或避免盾構機發生故障的次數,以免造成時間拖延,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機,跟好地保證了施工安全和進度。通過改良地層減小地表沉降。

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

(5)根據施工環境和地層情況,選用泌水性小、和易性好、具有一定強度的漿液,及時填充地層和隧道間的空隙,通過適當加大漿液的注入量來保護周圍環境和建筑物。同步注漿不足時采用二次注漿。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,防止地基隆起現象發生。

(6)實測反饋盾構施工過程中的地面變形情況,采取優化調整參數,檢驗參數是否合理。平南鐵路和砂層地層時,推進速度不宜過快,減小超挖量,縮短注漿時間,保持穩定。

(7)咨詢鐵路主管部門,信號線及鐵路允許變形指標,保證安全和通信正常,將施工前的地層沉降預測量與設定的沉降控制指標和預警值對比,出現問題時,及時報報警。必須加強監控量測工作及信息反饋工作,及時采取注漿措施來調整沉降曲線。

5 結語

總之,隨著技術的進步,掘進機開始出現并且體現了自身的許多優點,具有掘進安全、經濟效益顯著、隧洞洞壁質量高、掘進速度快等。近年來,掘進機施工工藝已取得較大進步,采用了技術含量較高的盾構技術,能夠實現全斷面掘進,然后進行放置管道,盾構技術的出現使得施工效率更高,月進尺能夠達幾百甚至千米,而且盾構技術的適用范圍較廣,對于巖石較硬和軟土等復雜的地質條件均能使用,尤其是針對地下水力壓力大的工況下,更能顯示出其優點,彌補了其他方法的不足。隨著經濟社會發展,我國的城市建設日程逐漸加快,地鐵需要逐漸增加,盾構技術的應用更加廣泛。

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