城市地铁盾构法施工技术综合介绍

第一部分盾构的背景及我国的应用现状盾构法施工起源于1825年的欧洲,后来在日本得到广泛的应用。最初主要是过江河,修建隧道施工所必需。它的应用是解决在具有大量水域的下面修筑通道所带来的问题,这一技术的关键就是有了防护壳体,有了抵挡坍塌的各种措施。由于这种工法的这一特性,使之在城市地下工程上得以广泛应用。

城市地铁隧道的施工特点是地上有建筑物、街道、各种管网、人口密集、环保要求高、及由此带来的交通、商业等经济影响大。盾构法的特点,关键就是可实现对城市地面无扰动、少扰动而进行的地下作业。

盾构法施工关键设备:盾构机

盾构机的工作原理这里不作介绍,强调的关键是,盾构机它有防护,在整个盾构施工过程中,有三个位置是活动密封:⑴盾体与管环之间;⑵刀盘转动轴承;⑶铰接。

由于很多地区地质条件不均一,针对不同条件的地质,不同时期的制造业技术水平,出现有了很多种不同的盾构机,例如:网格式、气压、泥水及土压平衡式等。就是某一种具体机型又有了很多不同的配置,使用于不同地质条件。而且很多城市地下的地质条件并不均衡,以广州为例,有从软到硬,几乎包括了各种地质条件。盾构机本身是一种适应性施工设备组合,他的针对性很强,正常工作法是要根据

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不同的地质条件,而量身定做不同的盾构机。

在国内,由于其不同的地下形成条件,大体有如下几类:

一是以上海为代表的软土地层的盾构法施工,这种地层总体上来讲比较均匀是最适用盾构法的,而且盾构法应用技术比较完善,消耗较低,比较其他方法来说,盾构

法具有较强的优势。与之相类似的有苏州,无锡,杭州,天津,南京等冲、洪积形成的地层。

二是广州为代表的混合岩等不均质地层。这种地层变化率较大,从盾构机掘不动的硬岩(或者说是用盾构机掘进代价太大),到淤泥质流塑土、砂。要求盾构机能力较强,较全。同时所需用辅助工法应用较多,类似的地区有深圳,武汉,南宁,长沙等。

三是以北京为代表的我国北方部分,地下水位较低,而主要以土质为主的地下结构地区。这些地区盾构法施工比矿山法明显优势是安全和效率。

四是如成都地区的砂石卵石冲积地层。既有硬岩地层的强磨耗特性,又有一定的软土地层特性,如整体性不好,自身稳定性不强,需要的辅助工法较多。盾构法施工成本较高。

随着国民经济发展,国力的增强,中心城市人口、产业、经济的发展,城市地铁迅速发展,国内地铁,轻轨迅速建设也在迅速发展。现有已在施工的城市有:上海,广州,南京,深圳,北京,成都,武汉,西安,苏州,杭州,天津,沈阳,哈尔滨,长春,正在筹建和准备开工的还有长沙,南宁,无锡。地铁施工预计30——40年内,国内发展空间已形成共识。市区内地下,郊区,城际之间地上,而无论

哪个中心城市,市区内均以盾构法做区间施工为最优方案,为什么?来源于经济和政治两方面。

与盾构法相比较的无外乎矿山法和明挖法,后两种工法在市区内,从占地,人文,建筑物,商业等诸多方面均已无法和盾构法相比,就施工造价比较,随着盾构法应用成熟、发展也已无可争议的形成优势。

盾构法应用离不开盾构机,盾构机也的确是个具有完整系统功能的机械,但它最终还是一台机械,一套设备。盾构机的产生原理是根据不同的隧道要求在具体的

地层条件下设计,制造的机械,这样一来,就不可能有一种万能盾构机,让我们人类一劳永逸用之。机械不可变,人是高度灵活的。根据不同的地质条件,不同地层的差别,选用盾构机是尤为重要,而更还需有多种不同辅助工法和施工技术的介入,完善盾构法施工的能力。

第二部分集团公司应用的主要技术下面介绍的是这几年来,集团公司在城市地铁施工中采用的主要盾构法施工技术。

一、盾构机的始发和到达施工技术

盾构机的始发和到达时,控制的关键为盾构机机头在洞口范围内的土体稳定。由于机器的进、出洞,在站、井的维护结构中间形成了通道,靠机器本身的装置无法实现安全、可靠地抵抗土体的压力,因此主要靠端头加固来解决。

常用的有搅拌桩,旋喷桩,砼桩,降水、冷冻等方法。近几年我

公司分别在各种地层条件下胜利完成了32台次盾构机进、出洞施工,虽曾经历各种不同的困难,但均能保证安全和质量,有软土底层条件下,有富含水中粗砂层等等,特别是广州地铁二、八线南洛区间盾构机到达端有近一米的富含水中粗砂层,洞身上部沙层覆盖范围12~ 13m。通过水平注普通水泥双液浆,注超细水泥双液浆、注化学浆液、通过改造盾构机在盾体周围注化学浆、注聚氨酯等特殊处理措施,保证了盾构机安全进入吊出车站,顺利完成了盾构机解体吊出。(此种工艺在广州地铁施工领域尚属首次。)

二、盾构机掘进硬岩地层技术

广地4号线仑大区间,每条线均要通过200m硬岩,采用了盾构法,岩石最大单轴抗压强度达到了100MPa,每条线消耗刀圈1.5盘。

1、长距离硬岩段掘进需克服的难题

⑴硬岩掘进速度慢

传统盾构刀盘上的软土刮刀破岩效率低,甚至完全不能破岩。

⑵刀具磨损快

在硬岩地层条件下掘进,刀具磨损严重,且在控制不当的情况下易造成刀具非正常损坏,进一步可能对刀盘造成磨损或损坏。

⑶管片极易上浮

2、长距离硬岩掘进技术要点

⑴控制推进速度及刀盘转速,选择适当的刀具贯入度,以减小刀具磨损。为延长刀具的使用寿命,在施工中向刀盘前加入水或泡沫,减小刀盘扭矩,降低刀具温度。

⑵隧道穿越微风化地层时,刀具磨损较多,因此在掘进过程中,需合理选择推力,充分利用滚刀切割硬岩,及时添加泡沫减小摩擦力。

⑶加强刀具管理,勤检查、勤更换。

⑷硬岩掘进控制管片上浮

①原因分析:

在硬岩地层中,管片脱出盾尾后,由于其岩层的稳定性,环形建筑空间在相对长的时间内是稳定的,如不及时充填此空间,脱出盾尾的管片便处于无约束的状态,给管片的位移提供了可能的条件。在透水地层中盾构掘进形成的环形建筑空间在充满水的情况下,管片有上浮的趋势。

②控制措施:a.二次双液注浆和同步注浆;b.盾构机姿态控制;c.掘进速度控制;d.合理控制盾构机掘进高程。

三、盾构法过江施工技术

广州地铁4号线两次过江,总计双线长度各600余米。二八号线再次穿越珠江,过江隧道长度各500m。

盾构法过江施工关键:事先检查、检修达到设备完好,选择合适距离位置开仓换刀。预先分析好地层条件,尽可能做到快速,连续掘进作业。

主要技术措施:

1、过江过河前选择合适的换刀地点,全盘更换新刀,保证过江刀具状态良好,检查疏通泡沫系统,保证泡沫注入系统状态良好,保证渣土改良。

2、选择合适的掘进模式、加强监测,重点保护好两岸堤坝稳定。

3、加强施工的各环节组织管理,保证施工连续高效。

4、针对过江过河的地层特点,选择合理的掘进参数,软弱地层尽量采用土压平衡模式掘进。

5、盾构掘进过程中向土仓内和掘进面及螺旋输送机内注入添加材料,改善碴土性能,提高碴土的流动性和止水性,以防失水。

6、采用二次注浆,及时回填环形间隙,防止无胶结的回填土松弛而造成较大的涌水。

7、减少铰接油缸的行程差,尽量将行程差控制在30mm以内,以降低盾体铰接处漏水的可能性。

四、带压进仓作业施工技术

进仓的目的:检查修理刀盘、刀具。更换已磨损刀具。施作地点及项目:其一是广州地铁4号线仑大区间,上软下硬地层(下部为中微风化花冈岩,上部为淤泥和泥质粉细砂并与江水连通)。在地表通过筑岛方式施作稳定层,在隧道内掌子面通过2~3公斤气压抵抗土体压力,人员在此压力之下作业更换刀具39把,作业25天。其二是成都砂卵石地层带压换刀。先进行土仓膨润土浆填注做防止漏气处理,然后用大量压缩空气不断补给的方式保持土仓0.8~1公斤压力。人员在此压力下作业,更换刀具,成功挤水实现了无水条件下的换刀作业,现已成功作业多次。

五、盾构机过站施工技术

盾构机过站是盾构法通过车站的一种施工技术,我公司先后施作

了三种不同方式过站施工。

第一种是广州地铁4号线过官州站施工和成都地铁1号线过骡马市车站施工,采用的是直接平移和纵移方式。它的基本原理是利用四个垂直千斤顶升降盾构主机,两个水平千斤顶配合导轨及卷扬机纵向移动主机。最后在站内拼装副环管片、反力架,再次始发。

第二种是解体方式过站施工。成都地铁1号线通过文武路车站。因车站施工进度等因素安排,造成车站内盾构机通过空间不足,则将盾构机主机解体,从一侧吊出,从另一端下井组装,台车从车站地板直接推过和主机连接,之后再始发。

第三种是先隧后站法过站施工。广州地铁5号线通过五羊新城站,因工期等因素安排,在车站维护结构施工过程中,盾构区间施工直接先通过车站,过后再施做车站,拆除在车站区间内管片,这种工法在国内也是首次采用。

六、盾构机井下调头施工技术

在成都地铁1号线天府广场站,因天府广场是成都市中心,场地使用条件限制,无地面盾构始发井,只能在区间中部设置单线始发井,因此需要在天府广场站调头施工另一条隧道。盾构机进入车站后,平移回转掉头到另一条隧道位置站内始发,后配套设备台车在距离始发端100m外调头,再组装始发。再始发后通过人字形轨道道岔换向,进行水平运输,利用原有升降井垂直吊装作业。

七、洞内开仓截桩施工技术

广州地铁5号线和广州地铁二八号线。因在建筑物下通过,而建

筑原有基础桩在地面不具备拆除条件。利用盾构机土仓直接将进入隧道空间内的桩进行截除。先后共截除了97根桩。

八、围护结构条件下盾构机到达吊出施工技术。

广州地铁5号线和二八号线到达吊出时因车站施工和区间施工工期、进度安排的客观需要,先后两次分别在钻孔桩围护结构和连续墙围护结构条件下盾构机进站和吊出,开创国内施工的先例。

盾构机维护结构吊出需要克服的主要难题有三个:一是保证维护结构安全,二是维护结构存在支撑体系,使得盾构机解体吊出作业空间受到限制,使得大部分部件在起吊时要经过平移,而不是直接起吊,还有如螺旋输送机等部件的解体需要辅助结构或设备,所以维护结构吊出增加了设备解体作业难度;三是维护结构下安装洞门密封要保证其可靠性。广州地铁施工经历的两次在维护结构吊出时,采取了拆卸刀具,减小刀盘起吊重量,盾体平移,制作辅助钢结构解体螺旋输送机等方法,在大件起吊时加强维护结构和支撑体系监测也是必须要做的工作。

九、建筑物桩基转换施工技术

城市地下施工,避免不了的穿越已有建筑物,针对不同年代,不同条件的建筑,采用了多种穿越技术。

1、直接通过。广州地铁4号线仑头村,官州村。二八号线造船厂车间。地面无加固处理条件,地下地质条件允许直接土压平衡方式通过,及时注浆,控制好同步注浆和二次补充注浆的压力。

2、盾构通过后跟踪注浆加固。成都地铁1号线通过经委楼、安

监局大楼、冶金宾馆,建筑物属于50——60年代条形基础,年代久远。结构已不够牢固。为保护建筑物,预先对通过部位上方打孔准备,待盾构机通过时及时跟踪补充注浆,由于砂卵石地层致密,先期加固效果不好,经过扰动后及时跟踪注浆效果良好,确保了建筑物的安全。

3、地下洞室法桩基转换施工。广州地铁5号线五羊新城过街楼。该楼地下为自来水蓄水池和加压站。盾构机在水池下穿过并与池边过街楼六根基础桩相贯穿。施工中先开挖竖井及主、支巷道,而后在支巷道内制作托换桩及横梁,然后进行托换受力转换、既有桩破除、以及回填、注浆工作。国内首创。

4、加强钢管桩托换施工。广州地铁二八号线通过彩虹花园3栋楼房桩基托换。由于原设计问题,通过该区间有三栋楼的80根桩侵入隧道,施工场地确定在楼群内的小区空地。一层楼建筑拆除并下挖,得出一层及地下水4m的空间进行施工作业。新建托换桩采用孔径350mm,内插直径219mm×6.5mm的钢管桩,单桩设计承载力500kN,钢管内、外灌注M25水下混凝土。为消除托换钢管桩变形,并检验托换梁承载力及节点连接性能,在桩顶进行预顶之后进行托换和稳压封桩处理。本工程采用的这一群桩主动托换的施工工法,在广州地铁尚属首次。

十、盾构机拼管片过矿山法开挖段施工技术

由于盾构机破硬岩的能力有限和受施工经济性,工期筹划等问题产生了盾构机拼管片过矿山法开挖段这一工况。盾构机面对这一工况需要解决、克服的几个问题:

一是隧道防水,盾构隧道防水主要靠管片之间的密封止水胶条,其可靠性来源于胶条之间的压紧力,而盾构过矿山法隧道时没有足够的反力,也就难以保证胶条压紧从而影响隧道防水;

二是盾构隧道管片背后与矿山法隧道初支之间空隙的填充密实,目前传统的方法是采用喷设机喷射豆砾石回填,这一方法的问题在于,难以保证空隙被填满,从而易引起管片错台、破损、隧道线形难控制等问题,影响了成型隧道质量;

三是克服管片上浮。管片背后和矿山法隧道之间空隙回填石子难以保证其饱满,使得成型隧道不稳定,在地下水的作用下,容易引起管片上浮,另外为增加隧道防水的可靠性,也需要此空间回填注浆;注浆带来的问题就是管片上浮。

我集团目前在广州地铁三号线北沿线同泰项目即在进行盾构过矿山法隧道施工。采用的方法是:⑴预先施作混凝土导台,盾构机在导台上推进;⑵盾构机推进前,根据矿山法隧道断面测量计算好石子回填量,将石子预先运进洞内,盾构机推进时,从刀盘前方往盾尾方向喷射豆砾石;⑶采用同步注水泥砂浆浆和同步注双液浆的方法辅助空隙回填、固定管片控制隧道线形;⑷分批次注浆回填,即先采用注双液浆间隔打箍,再用单液水泥浆回填空隙的方法注浆。从现阶段看隧道质量、施工进度均较为理想。

十一、盾构机过孤石施工技术

广州及深圳等复合地质条件下,盾构法施工经常需要面对孤石这一难题,在三号线北沿线施工过程中既存在,这是一个世界性难题,

目前盾构施工这一领域仍没有好的对策和方法,其难点在于:一是孤石的存在造成盾构机必须面对软硬不均的地质环境,限制施工进度,引起刀具甚至刀盘损坏,增加施工成本,易产生地面塌陷等问题,影响施工安全;二是目前没有好的技术和设备来探测孤石的具体位置令人猝不及防,使得应用辅助措施(如地层加固等方法)的条件也受到影响;目前业界较为认同的方法是提前探测,探测到后采用开挖处理掉,

或者对孤石附近地层注浆加固,等盾构机到达孤石存在位置后,采取利用盾构机破除和人工辅助破除的方法。

十二、盾构机过300m小半径曲线施工

广州地铁五号线杨珠盾构区间双线均要通过300m小半径曲线施工,小曲线掘进施工控制难点是:

1、隧道轴线比较难控制

由于盾构机本身为直线形刚体,不能与曲线完全拟合。曲线半径越小则纠偏量越大,纠偏灵敏度越低,轴线就比较难于控制。其施工参数需要经过计算并结合地质条件、施工经验等因素综合考虑后方可确定。每米的施工参数都有所不同,操作难度更大。

2、管片侧移严重

隧道管片衬砌轴线因侧向分力而向圆曲线线外侧偏移。在小半径曲线隧道中盾构机每掘进一环,由于管片端面与该处轴线产生夹角,在千斤顶的推力作用下产生一个侧向分力,使管环脱出盾尾后,受到侧向分力的影响而向圆弧外侧偏移。研究侧向分力对管环偏移的影响规律就可以制定有效地控制措施。

3、容易造成管片的错台、破碎、漏水,由于曲线半径小,各组油缸产生的推力不均匀。盾构小曲线掘进技术措施

⑴管片选型

为满足急转弯施工要求,管片环宽1.5m,转弯环契形量为38mm,施工过程中要严格管片选型程序,保证管片拼装质量。本段施工时,采用理论右转弯环,同时注意盾尾间隙的变化进行适当调整。盾尾间隙标准值为75mm,在圆曲线段掘进时盾尾间

隙变化较大,可将盾尾间隙保持在75±15mm范围内,一旦超过规定范围值即需要使用弯环进行调整。

⑵推力控制

在强、中风化地层中小半径圆曲线掘进的过程中,对土体的扰动会显著降低外围土体的强度及自稳能力,土体具有的蠕变特性以及出现水平方向土体压力不均,管片在长时间承受千斤顶压力的等情况下,管片很可能向外侧整体移动。

⑶同步注浆及二次补充注浆

在风化岩层中急转弯掘进,足够的、快凝的同步注双液浆也是必不可少的,它能尽早地固定管片,改善管片的受力状态,防止管片错台破损,因此,盾构机配置了两套背填注浆系统,一套用于常规的背填注浆,另一套用于以侧面为重点的管片二次双液注浆。

十三、曲线始发施工技术

由于线路设计和车站位置选择因素产生了盾构机始发的时候需要在曲线上。广州地铁五号线杨珠区间和三号线北沿线同泰区间均为

曲线始发。由于盾构机始发必须在固定的托架上来完成,此阶段盾构机不能调整方向,所以在曲线始发时盾构机的定位非常关键,即盾构机轴线与线路的轴线夹角的选择是保证盾构机始发后盾构姿态和成型隧道姿态是否满足线路设计要求的关键。同时曲线始发是解决好洞门密封也是重难点之一。由于盾构机轴线与隧道线路的夹角导致传统的洞门密封易产生松紧不同从而影响密封效果,这一点在富水且失水后容易引发沉降的地层尤其要注意。

十四、同步二次注浆技术

1、同步二次注浆的应用背景

⑴同步注浆不能完全填充管片背后与盾构掘进刀盘开挖产生的空隙,盾构掘进时,脱出盾尾的管片上部易形成汇水通道;

⑵浆液性质:凝结时间长,被地下水稀释,难以存留;

⑶硬岩段掘进管片易上浮;

⑷过江段掘进时,地下裂隙发育,水大,易形成喷涌;

⑸隧道防水受管片拼装质量影响,易渗漏;

⑹盾构掘进后期,地面沉降较大;

⑺盾构法通过小曲线半径地段,管片侧向移动。

2、同步二次注浆的作用

⑴填充盾构掘进时刀盘开挖轮廓与衬砌管片之间的空隙;

⑵封堵汇水通道,从而减小喷涌;

⑶抑制管片上浮;

⑷增加盾构隧道防水的可靠性;

⑸减小后期沉降,保证地面建筑物安全。

3、同步二次注浆作业的实施

⑴设备:采用矿用气动双液注浆泵;⑵人员:成立单独的注浆工班,与掘进工班同时作业;⑶材料:水泥、水玻璃、水;⑷作业时间:盾构机掘进或停机时间均可作业。

十五、暗挖隧道内始发到达技术

成都地铁一号线盾构2标,盾构区间与车站分界处接有一段17m 长的暗挖隧道,无法使用原有的始发托架进行接收和始发,施工中采用了砼导台,预埋钢轨用做盾构托架,盾构接收后,拼装下部分管片,顶移进站。始发时,盾构顶移到混凝土导台上,待贯入掌子面后,在盾尾处施做钢筋砼反力环,该环内径与管片内径相同,预埋钢筋与暗挖隧道衬砌连接,能够提供1200t以上的反力结构,负环管片不拆除,吹填豆石并注浆填充管片与暗挖隧道间的空隙,反力环与管片间螺栓连接,并粘贴橡胶板止水,反力环与衬砌间用止水条嵌缝,反力环结构后期兼做洞门结构。该法节省了负环管片和托架的安装拆除费用,增加了正洞的实际长度。