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盾构工法的进洞技术浅谈

进洞就是盾构在地层中完成某一区间隧道的施工后, 在保持围岩稳定的同时, 沿着设计的路线一直推进到接受井的贯通面 , 然后从预先准备好的洞口将盾构引入接受井, 或者推进到临时墙所定位置后,使其停止的一系列作业。
在进洞施工过程中,应确保盾构按照设计线路贯通, 防止盾构在隧道贯通过程中出现坍塌,保证进洞段管片衬砌不渗水。


进洞施工顺序

1施工准备

进洞段掘进前,要对隧道基线进行测量,确认盾构机的位置,把握好洞口段的线形。因为盾构必须在洞口范围内贯入,所以要逐个对每一环管片进行仔细检查以维持所定线形。
盾构机推抵洞口前面时,临时墙会发生变化,特别是极易发生变形的板桩等临时墙,因此事前为防止盾构机推力的影响,要加以补强。补强的方法一般是从接受井内用型钢或用埋设在临时墙里的临时梁等进行支撑。当盾构机的刀盘与接受井接近后,要密切观察临时墙的状态,根据其变形状况来控制盾构机的推进,特别是当土舱压力极度下降时,会导致围岩坍塌,所以土舱压力的设定,要在综合判断盾构机的位置 、地质改良的范围 、临时墙的变形 、地表沉降等因素之后再进行。

2盾构机到达

根据刀具不能旋转或推力上升等机械状态的变化,可知盾构机已推抵临时墙。通过从接受井的临时墙钻探或测量,确认盾构机的位置,使其停止推进。推进停止后,为防止拆除临时墙时出现涌水等现象,必须仔细进行衬背注浆。

3临时墙拆除

拆除临时墙前,在临时墙上开检查孔,以确认围岩状况和盾构机到达位置 。临时墙的拆除因有地层坍塌 、地下水涌入等危险,所以为确保地层自稳, 必须止水 。由于围岩的自稳性会随时间的推移而变化,因此拆除作业要迅速而谨慎,特别是在拆去临时墙将盾构机向接受井推进时,应仔细监视围岩状况,谨慎施工 。


进洞阶段施工

1进洞阶段的掘进

在盾构机距离接受井端墙 50 m 时,即进入进洞掘进阶段。为迎接盾构机进洞,应在洞口前作好如下准备:
(1)安装洞口密封装置;
(2)铺设盾构机移动托架的轨道;
(3)部分凿除洞口处的临时墙;
(4)在接受井内准备砂袋 、水泵、水管 、方木 、风镐等应急材料或工具;
(5)准备洞内与接受井内的通讯联络工具;
(6)准备好接受井内的照明设备。
完成以上准备工作后,盾构机方可进行最后的进洞阶段掘进。为确保盾构机从预留洞口穿出,该阶段的掘进有以下特点:
(1)临时墙在盾构机贯通前可预先分块凿除内侧的 2/3 厚度, 保留 1/3 墙厚度,待盾构机刀盘顶住临时墙时,再通过人工或盾构机刀盘旋转以凿除混凝土和切断钢筋,或事先全部拆除临时墙同时在贯通面加设支撑,这样既可加快贯通速度,又可有效地防止土体塌入接受井内;
(2)根据地下水及盾构铰接密封等情况,结合注浆工序,不提倡压气掘进模式,尽量采用土压或半土压模式掘进;
(3)掘进速度逐渐放慢,掘进推力相应减少;
(4)密切关注盾构机推进系统的推进速度和推进压力以及掘进出土情况,当出现推力突然降低、碴土粒径突然变大 、推进速度加大的情况时,必须立即停机;
(5)在盾构机刀盘距离贯通面小于5m 时,在条件允许的情况下,由盾壳上的预留孔向盾壳外部注入化学聚合物或膨润土,用于阻止盾构机后部管片上部的水向洞口流动;
(6)增加盾构机测量次数,不断校准盾构机掘进方向;
(7)加大地面监测频率,并依据监测结果及时调整掘进参数;
(8)派人对接受井内洞口位置进行监视;
(9)保持泡沫剂系统和循环水系统良好,保证碴土具有软连续状态;
(10)控制出碴量。

2最后几环管片的安装

当隧道贯通后,一般还需要安装5~6环管片才能完成区间隧道的管片安装。同时,随着隧道的贯通,盾构机前方没有了反推力,将造成管片之间的环缝连接不紧密,容易漏水。在最后几环管片安装时,根据现场实际情况,采用以下对应措施:
(1)在刀盘前方的预定位置,设置支挡,以防盾构机刀盘向前滑动;
(2)使用特殊设计的专门高强度螺栓,使其仅依靠螺栓紧固力即可将管片间的止水压缩到位;
(3)管片安装完毕需用风动扳手拧紧所有纵向和横向螺栓,且在下一环掘进完毕后再次紧固螺栓;
(4)严格按照操作规程拼装管片,同时防止管片之间出现错缝、台阶差;
(5)每一环应在掘进大于管片环宽 0.2m 时开始安装管片(不同的盾构机有不同的要求),保证管片特别是封顶块的安装质量;
(6)管片安装完毕应将注浆塞拧牢固,对损坏的要及时处理并报注浆司机;
(7)管片安装前应保证止水条不损坏、不预膨胀,并及时清理干净管片上因注浆掉落的碴土和砂浆等;
(8)对管片底部尽快实施注浆,防止出现管片下沉松开及浆液从管片与密封装置漏出等现象。


3注浆

 注浆应遵循的规则:
(1)注浆应及时 、足量,必要时需根据注浆速度决定掘进速度;
(2)注浆时,应注意观察砂浆质量 、注浆难易程度及注浆泵情况等;
(3)随时注意观察注浆时管片的变形情况 。


4地质改良

 (1)进洞时地质改良的目的:

①防止设置接受井时围岩松动;

②防止临时墙拆除时产生振动;

③维持盾构机贯入作业面以前和引入接受井以前的围岩稳定和防止地下水流入;

④防止因作业压力不足引起作业面坍塌;

⑤防止地表沉陷及其对埋设物、周边环境的影响。

(2)地质改良的范围:包括围岩自稳所要求的强度要素和根据地质状况不同所要求的防水要素,这些都可以根据强度计算和过去的施工经验来决定 。

(3)地质改良的方法有:化学注浆法 、高压喷射注浆法 、冻结法等。


进洞段施工的注意事项

1进洞段的推进

洞口的临时墙,一般不具备可使盾构机一直用通常开挖方法到近前的强度,应根据临时墙结构来调整土舱压力、推力 、掘进速度,注意不要损伤临时墙。

2拆除临时墙的确认

进洞后,拆除临时墙,可能会破坏进洞段的地质改良效果。因此,拆除临时墙前要确认管片周围的水是否被截断。

3洞口半径检查

盾构机在进洞时可能会因洞口半径过小而卡在洞门位置,故需事先对洞口的半径进行检查,同时采取措施保证其净空。

4洞口扇形压板的调整与防护

在盾构机进洞时,很有可能因为刀盘旋转,损坏帘布橡胶板或使扇形压板发生移位。所以在盾构机进洞时,要注意对帘布橡胶板的防护,并及时调整洞口扇形压板。


施工实例

广州地铁二号线越秀公园 ~ 三元里区间自地铁三元里站经火车站站至越秀公园站,采用两台盾构机施工。
施工中的盾构机是目前国际上技术先进的复合型盾构机 ,适用于含水的软、硬岩及混合地层的隧道掘进 ,具有土压平衡式 、敞开式 、半敞开式三种掘进模式 。
盾构机的基本技术参数:
盾构直径为 6250 mm;推进油缸的推进力为 3000 t/33 MPa;掘进速度为 4 ~ 8 cm/min;衬背注浆管道有 3 条(1 条布于盾构机顶部;2 条布于盾构机两侧)。

1工程地质

广州火车站站北端所处地层情况从上至下依次为:
(1)素填土(Qml4 ):主要由粘土 、碎屑风化土及其岩块组成,厚度 0.2~6.6m 不等;
(2)粉质粘性土(Qedl ):可塑至硬塑,砖红加土黄色,花斑状,层厚 1.45~2.40m;
(3)残积粘土(Qel ):粉砂岩风化形成,硬塑状,层厚 3~ 9 m;
(4)岩石全风化带(K2dl ):以粉砂岩为主 ,次为含砾粉砂岩,风化为土状或土柱状;
(5)岩石中风化带(K2dl ):以粉砂岩为主,次为含砾粉砂岩,中厚层状构造。风化裂隙发育、岩体破碎、岩质软 、遇水易软化。
进洞段洞身主要分布于(4)、(5)地层,含水量少,岩层自稳性强,不需要进行地质改良。

2临时工程的准备

1  洞口准备
预先清除盾构掘进的轮廓线内的障碍物,同时在隧道的贯通面位置施做300 mm 厚C20模注混凝土进行加固,中间以间距1000mm预埋200mm×200mm钢板。盾构机进洞之前,在钢板上焊接型钢网架(1000mm×2000mm)。用8 根 125钢管将整个型钢网架斜撑在洞壁上(图 1)。

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2 洞口密封环的安装与准备
隧道贯通后, 清除洞口石碴 ,安装洞口密封帘布橡胶板 、圆弧板和扇形压板 。
洞口密封环的安装在隧道贯通和洞口碴土清理结束之后进行 ,以保证洞口密封环不致因盾构机盾壳下部积土而损坏。

3进洞主要措施

1 贯通前测量与盾构姿态和隧道线形测量
盾构机进洞前, 对洞内所有控制点进行一次整体系统的控制测量, 对所有控制点的坐标进行精密准确的平差计算。在隧道贯通前的最后一次 VMT系统搬站时, 以最后测设的地面导线点和水准点为基准,以测量二等控制点的办法精确测量测站、后视点的坐标和高程(测量经纬仪和后视棱镜的坐标和高程), 要求每一测量点的测量不少于 8 个测回 。
盾构机到达前 50 m 地段即加强盾构姿态和隧道线形测量 ,及时纠正偏差 ,确保盾构顺利地从洞口进入车站。并根据实测的车站洞门位置对隧道贯通时的盾构机刀盘位置进行必要的调整 。隧道贯通时其刀盘偏差允许值为:平面 ≤±20 mm ,高程 ≤±50mm , 盾构坡度较设计坡度略大 0.2%。
2 进洞掘进控制
  盾构机进入进洞段后,首先减小推力、降低推进速度和刀盘转速,控制出土量并时刻监视土舱压力值,避免较大的地表隆陷。贯通前 5~ 6 环,进一步降低盾构掘进推力,掘进推力维持在 400 t 左右,推进油缸压力不大于 4 MPa。在掘进的同时 , 注意维持土舱内的压力值, 一般情况下,土压不低于 0 .06 MPa 。无论在何种情况下 ,推进油缸压力均不大于 5 MPa(特别是在管片安装时)。在贯通前的最后 3 环 , 掘进速度控制在 5~ 10 mm/min 。
3 最后几环管片的安装

最后几环管片的安装采用高强度螺栓, 并使用风动扳手紧固 。安装时严格按照管片安装规程进行,避免出现错缝、错台。
待盾尾离开洞口密封环后 ,迅速重新调整洞口扇形压板,用快速凝固的砂浆进行注浆,保证洞口的管片衬背注浆迅速凝结 。
为加强管片防水和防止管片背后的砂浆突然从洞口冒出 ,在完成每一环管片的推进和管片安装且待砂浆凝固 2 h 后, 再进行下一环管片的推进。

4施工效果检查

隧道贯通过程中,没有出现坍塌事故。隧道贯通后,最后几环管片之间的环缝有少量的线漏、渗漏,但随着时间的推移 ,遇水膨胀橡胶起到了止水效果,渗漏现象逐渐消失 ,基本上达到了设计规范的要求。