北京地铁盾构施工区间隧道质量管理和控制

土建技术

URBAN RAP I D RA I L TRANSIT 　

北京地铁盾构施工区间

隧道质量管理和控制

乐贵平　苏　艺

(北京市轨道交通建设管理有限公司　北京　100037)

摘　要　盾构施工技术已发展成为我国地铁隧道施工的重要工法之一。结合北京市地铁隧道盾构法施工的现状,对施工阶段的划分及各阶段的质量管理与控制要点进行阐述。通过分析盾构法施工的全过程,分阶段、分层次、按不同内容对工程施工过程进行管理和控制,有利于进一步提高北京地铁盾构法施工的工程质量。

关键词　盾构施工技术　质量管理　控制要点　工程质量

随着我国城市地铁建设高潮的兴起,盾构施工技术以其特有的技术优势,逐渐得到地铁建设界的青睐,目前盾构施工技术已发展成为我国地铁隧道施工的重要工法之一。盾构施工技术在地铁隧道被广泛应用的同时,如何评价和控制盾构法隧道的工程质量,也正逐渐得到建设、设计、监理及施工各方的重视。笔者结合北京市地铁隧道盾构法施工的现况,试就盾构法隧道工程质量的管理和控制,谈谈自己的粗浅看法,旨在抛砖引玉,为进一步提高盾构法隧道施工的工程质量而努力。

1　北京地铁应用盾构法施工的现状

目前北京地铁5号线、4号线、10号线一期(含奥运支线)及机场线(延长约115km ),共规划16个工程标段(含盾构试验段)采用盾构法施工,总长度31.83

km,计划使用25台(次)盾构机(标段划分及施工单位

见表1)。其中5号线4个工程标段(含盾构试验段)于2005年12月底前先后掘进结束,隧道已经进入设

收稿日期:2006209212　修回日期:2007203223作者简介:乐贵平,男,硕士,教授级高工,总经理助理

苏艺,女,博士,主要从事地铁工程质量管理工作,

s uyi_0822@163.c om

表1　北京地铁4、5、10号线及机场线盾构施工标段一览表

　线路

名称

标段名　　称盾构机数/台

施工企业长度/km

5

　号　线

试验段

　雍和宫—北新桥—张自忠

1北京城建集团16　宋家庄—刘家窑1北京城建集团17

　东四—灯市口—东单

1北京建工集团18

　和平里北街—雍和宫

1　张自忠—东四2北京市政集团 6.39

10

号　线

6

　花园东路—学院路　双井—国贸2中铁十六局9

　北土城(竖井)—芍药居—太阳宫1

北京市政集团11　麦子店西路(竖井)—三元桥—亮马河—农展馆2

北京住总集团7138

机　场　线

2　东直门(竖井)—三元桥(右线)

1北京市政集团3　东直门(竖井)—三元桥(左线)1北京城建集团9　T 2左线盾构段2北京城建集团10　T 2右线盾构段1北京建工集团6133

4

号　线

4　角门北路—北京南站—陶然亭2中建一局11　灵境胡同—西四—平安里—新街口2北京城建集团14　动物园—白石桥—学院南路—双榆树2北京市政集团19　成府路—圆明园—颐和园

2中铁隧道局20

　颐和园—北宫门—龙背村

1

中铁一局

11.82

合

　计

个标段

/

25/

31.83

备安装阶段;10号线3个工程标段中的第9合同段于

2006年8月中旬掘进结束,第6、11合同标段均掘进完

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　　　　　U RBAN RAP I D RA I L TRANSI T 成70%以上的隧道长度;4号线5个工程标段陆续进入掘进高峰;机场线4个工程标段于2006年8月9日起陆续开始掘进。从目前盾构法隧道施工的实际情况看,盾构施工正常(仅考虑施工因素),成型隧道工程整体质量较好,管片色差小,无渗漏现象,特别是管片拼装质量得到国内外有关专家的好评。但也存在一些问题:如5号线盾构始发时有相当多的标段不同程度地存在盾构机态势控制不良,施工质量不理想,管片局部破损;10号线某标段成型隧道管片错台较大等现象;甚至出现施工管理不当,造成地面大面积塌陷的严重工程事故。从施工管理的角度出发,这些问题均与北京地铁隧道采用盾构法施工的经验不足、不熟悉盾构法隧道施工管理与控制的关键所在、工程施工质量管理目标不够明确等因素有关。因此,总结国内其他城市与北京现有盾构法施工的经验,分析盾构法施工的全过程,分阶段、分层次、按内容不同,对工程施工过程进行管理和控制,进一步提高北京地铁盾构法隧道施工的工程质量,很有必要。

2　盾构法隧道施工阶段的划分

本文从施工企业(承包商)接到工程中标通知书起到工程竣工交验止进行阶段划分,与地铁其他常规工法相同的施工阶段略去不列(如控制测量等),仅列出因采用盾构法施工所带来的施工阶段。

建设单位在土建工程招标前进行工期筹划时,应考虑盾构机的提供方式。根据目前国内地铁盾构法施工的经验,一般可分成三种模式:租赁(建设方出租或企业之间租赁)、施工企业自有、新购置(企业自购或建设方购置)。

结合上述提供盾构机的三种模式,综合考虑盾构法施工的组织过程,可把盾构法施工与常规工法施工相比,对所增加的施工阶段划分如下:

・盾构机招标购置阶段;・盾构机设计及制造阶段;

・盾构管片(含管片模具)生产、供应阶段;・盾构机进场、工作竖井端头土体加固阶段;・盾构法隧道初始掘进阶段;・盾构法隧道正常掘进阶段;

・盾构法隧道盾构机接收(或进井)阶段;・盾构机解体撤场阶段。

根据盾构标段工程施工筹划不同,有盾构机过站、盾构机由同一区间另一条线路调头掘进、返回原始发现场以及盾构机转到另外区间始发竖井(或原始发竖井施工同一区间另一条线路)施工等情况。因此还会出现以下施工阶段:

・盾构机过站阶段;・盾构机调头阶段;・盾构机转场阶段。

3　各施工阶段的管理与控制

3.1　盾构机招标购置阶段

该阶段要选定(或确定)满足工程要求的盾构机,对盾构机的功能配备、设备使用性能、各项系统的技术规格、关键系统或项目的参数指标,以及盾构机对工程各项条件的适应性,给出准确和适宜的回答。该阶段的控制要点关键在盾构机的工程适应性和设备的使用性能。如果控制得好,基本可保证隧道掘进阶段的施工顺利进行;否则,将会增加很多困难。例如,某盾构工程因刀盘扭矩储备不足,盾构机在掘进过程中常常因过载自动跳闸停机,致使开挖与出渣失衡,地面沉降过大,严重影响了施工安全和质量。为了达到这一目标,要针对工程的实际条件,从以下几个方面进行管理和控制。

(1)工程地质条件:就北京地区而言,要对隧道穿

越地层中3种典型地质的状态进行分析,特别是地层颗粒级配及石英含量。这些对盾构机的类型、刀盘形式、刀具形状、刀具布置及耐磨特性等均有直接关系。

(2)工程水文条件:如隧道沿线地下水的存在形

式和分布状态、地层渗透系数的大小等,对盾构施工开挖面的稳定、盾构施工是否伴随出渣过程而发生喷涌

(加泥式土压平衡盾构)以及掘进速度,都会带来影响。

(3)隧道沿线地表(地下)或周边构、建筑物对沉

降控制的要求:如盾构穿越既有地铁运营线、桥梁基础、地下管线、结构性较差的房屋及国铁线路等构、建筑物时,一般对沉降控制要求高,相应也对盾构的可操性以及壁后同步注浆系统有特别的要求。

(4)盾构机辅助性能或措施的适应性要求:如局

部地段对刀具、添加改性剂等的特殊要求,以及对盾构机的综合性能,都会造成影响。

(5)施工环境及环境保护要求:就纯技术层面而

言,在城市繁华地区采用盾构法施工,特别是大直径隧道(如超过8m ),从保持开挖面稳定、控制地表沉降看,泥水平衡盾构应优于土压平衡盾构;但从占用施工场地大小以及可能会对环境的影响考虑,泥水平衡盾构又处于劣势。因此,要因地制宜,综合权衡。

以上仅考虑了技术与施工条件,没有考虑经济性。不容质疑,盾构机的性价比必然是一个重要的参考指

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标。在实际操作时,可以从施工队伍的技术水平及组织能力方面综合平衡,对盾构设备的某些技术性能指标进行取舍。

对于租赁及自有的情况,应按照上述条件对盾构机进行分析评估和改造,控制目标仍然是盾构机对该工程的适应程度和设备的使用性能。

3.2　盾构机设计制造阶段

该阶段为盾构机实体构成阶段,管理和控制的目标应依据所签定的购买合同,严格合同管理,切实做到设备供应商按合同规定的质量、交货期提供盾构机。结合国内购买盾构机的经验教训,宜从以下几方面进行控制。

(1)合同培训:组织相关人员进行合同培训,掌握

合同中商务条款和技术条款的内容,至少对关键条款的内容及内涵非常清楚,这样才有利于提高项目的执行力。

(2)设备供应商应按合同及早提供设备系统总图

和盾构机加工计划:地铁隧道施工用盾构机是大型的专项设备,设计与制造周期较长,一旦出现遗漏,必然延长供货期,质量难以保证。因此,必须坚持过程控制,按设备系统总图、按分项目系统和计划逐一进行控制。同时,要制定双方签字确认的程序和制度,对设备制造过程中双方商定的内容、阶段性完成的项目进行签认,做到责任清晰、确定、落实,可追究。

(3)驻厂监造:每台盾构机的总造价在4000～4500万元人民币,必须坚持驻厂监造。驻厂监造人员

应对制造采用的原材料、半成品及外购件是否遵守购买合同的约定要求给予确认,不满足者要立即书面明确提出更换要求,如电机、减速箱等是否是合同约定的厂家及其相应等级的产品。同时,要对设备的制造工艺及相应质量标准给予充分关注,必要时可旁站或抽查。确认和抽查结果要经双方人员签认,并通报各自企业留存和备查。

(4)出厂验收:出厂验收是确保设备整体综合质

量的一个非常重要的环节,设备供应商应事先在工厂内为满足验收要求创造好条件。应成立设备出厂验收领导小组,并事先制定验收计划,详细规定验收项目和内容。要对验收项目的内容进行验收方法设计,其方法要科学合理、能够达到验收目的;对无法进行负载验收的项目,要有经过双方同意的替代方案。盾构机部件的验收也是很重要的,主要是检查工厂的自检记录和相关资料,如传感器的检查和标定结果等。

3.3　盾构管片生产、供应阶段

盾构管片(含管片模具)是盾构法隧道的主要结构构件,其质量优劣、数量是否满足工程施工需要,直接决定盾构法隧道的工程质量和施工进度,因此管片生产的管理和控制极为重要。但是,由于这部分涉及的内容较多,这里仅指出控制的主要项目(即模具质量,含数量)、管片的生产工艺、管片出厂与进场检验、管片的存放时间(宜控制在6个月内)与运输等。

3.4　盾构机进场及设备组装调试阶段

(1)盾构机进场阶段:北京地铁工程均位于城市

繁华地区,盾构机属超高、超宽及超重大型设备,进入施工现场必然受沿途环境条件的。因此,盾构机进场必须有运输方案和组织计划,并得到城市相关管理部门的批准。该阶段管理和控制要点是检查是否编制了切实可行的运输方案,运输线路、时间是否经过实地考察,沿途需要加固或挑高的道路、桥梁及悬挂物是否都已实施,保证设备的安全运输以及减少对社会环境的影响是控制的目标。

(2)盾构机组装调试阶段:盾构机下井组装与盾

构机进场是一个整体,特别是对于分块较大较重的部件,一般不采用二次吊运方案,盾构机分块部件进入现场后,应直接吊入工作竖井进行组装。通常在购买盾构机时,对盾构机的分块方式、分块重量和尺寸均有特别要求,即盾构机在设计、制造阶段就已考虑了盾构机的组装。因此,管理的内容是吊装方案的科学性、合理性及组织的有序性,控制重点是安全。

盾构机的调试是一项细致的工作,必须在分系统、分项目调试结束后,再进行整体联动调试。盾构机组装调试结束后,应组织相关各方人员进行设备初步验收,验收结果要形成书面报告备查。调试阶段需要关注切削(刀盘)系统、推进系统、壁后同步注浆系统、管片拼装系统、出渣系统(若是螺旋输送或皮带输送、泥水平衡盾构,则应考虑排、送泥系统)、盾尾密封系统、操作控制(如压力等)系统、测量系统等。

(3)在初始掘进前,工作竖井端头土体加固要按

设计图组织实施,并编制土体加固专项施工方案。专项施工方案应对加固工艺、加固材料、质量控制标准、加固过程控制提出明确要求,施工过程要严格把关,如实记录过程。工作竖井端头土体加固应在工作竖井开挖之前进行,防止土体加固时破坏工作竖井的结构。另外,目前国内对始发井端头沿隧道轴线方向的加固长度一般取6m,考虑到初始掘进盾构机态势控制的特

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　　　　　U RBAN RAP I D RA I L TRANSI T 点,笔者认为加固长度宜为盾构主机长度的1.5倍。3.5　盾构法隧道初始掘进阶段

(1)初始掘进应编制专项实施方案,对盾构基座(也称始发台)的定位(轴线与高程)和安装做出明确

的规定,保证盾构机能够按照隧道中心掘进,基座位置与倾斜度要根据地质条件进行计算和测量复核。当负环采用开口形式(非闭口环)时,要对负环管片结构进行支撑与加固,防止环片出现错位;反力架的安装刚度应进行验算,不允许其刚度不够产生过大变形而造成盾构机态势不良。

(2)盾构初始掘进客观上存在一个适应地质条件

的过程,应注意观察与分析各种推进参数,严格控制推进,及时调整盾构推进参数(如推进压力、壁后同步注浆量等)。

(3)负环管片拆除前,在隧道一定长度范围内安

设拉杆,对盾构隧道的防水极为重要。

初始掘进阶段盾构机态势控制是重点,应结合成型隧道轴线及地表沉降值的测量,调整盾构推进达到最佳状态。

3.6　盾构法隧道正常掘进阶段

盾构法隧道正常掘进阶段的控制重点是过程管理。应按照盾构法施工工艺,抓好盾构推进各项参数控制(特别是开挖面平衡压力的控制)、隧道推进轴线控制(机测与人工测相结合)、管片拼装质量(含管片质量、防水橡胶条质量)控制、壁后同步注浆控制(含工艺、材料、配比、注浆量、注浆压力与时间)、地面沉降监测控制、设备维护与检修(包括各种施工用管路、轨道、运输、起吊及通信、照明)控制等,保证盾构按照掘进进尺的控制目标连续、均衡、稳定地推进。

3.7　盾构法隧道盾构机接收(或进井)阶段

该阶段也称贯通掘进阶段,管理与控制目标如下。

(1)控制隧道推进轴线,加密测量,确保盾构机正

常、顺利地进入工作竖井。

(2)控制推进压力与速度,防止出现坍塌和施工

安全事故。

(3)制订和采取有效措施,消除本阶段隧道管片

容易出现渗漏的质量通病。

3.8　盾构机解体撤场阶段

盾构机解体与撤场与工程质量无直接关系,但作为盾构法施工管理的全过程,应列入工程监管的范围。盾构机解体与组装相同,需要制定解体、撤场与运输方案。方案要对盾构机解体顺序、吊装、标识等进行详细的规定,同时要考虑盾构机离场后的去向、用途,尽可能与之结合并统一起来。该阶段除要关心解体方案之外,更重要的是对实施解体撤场过程的安全加以控制。

3.9　盾构机过站、调头、转场阶段

盾构机过站、调头、转场阶段都各有特点,其管理内容在前面阶段中已被不同程度地涉及,可参照相应部分进行管理。同时,也必须制订专项阶段方案,进行有针对性的管理,保证管理与控制的有效性。

5　结语

(1)应用盾构技术施工地铁区间隧道,施工管理程

序清晰、简单,便于控制工程质量和施工安全。但是,一般施工工法需要进行严格管理和控制的内容不能放松。在工程实践中,曾出现过盾构施工的测量都正确无误,但由于初期的地面平面控制测量与井下平面控制测量在传递过程中出现微小错误,导致盾构隧道轴线偏离设计轴线,不得不改变站内轨道线位,给工程造成损失。

(2)盾构法施工的关键在于选用适宜的盾构机,

在目前国内盾构机技术尚未完全过关的情况下,还需要从国外采购盾构机,因而盾构机的购置技术至关重要。国内这几年在购置国外盾构机的过程中有过惨痛教训,必须引起足够重视。如某公司发现国外厂商不能按时交货,在签定的合同额之外又增加了不菲的所谓加班费,之后仍不能按期交货;又如,某公司在进行设备出厂验收时,发现制造商对已签定合同中的某部分技术条款,擅自按照对自己有利的要求进行更改,该公司迫于工程施工工期压力,同意该部分内容的验收改在国内进行,出现某些重要部件质量不符合标准,最终仍导致拖延施工工期达3个月以上。

(3)盾构法施工过程主要依靠设备自动实现,虽

然在盾构机设计时均考虑了人工干预的功能,但从管理和控制的层面出发,宜坚持自动为主,减少人为因素。盾构施工技术在实践上有不少操作技巧,相同的条件、不同的队伍,结果可能会有较大的差别,要重视操作技术,体现盾构施工水平,除综合进度指标及工程质量外,还要提高对困难条件(如特殊地段、意外事件等)施工的预见和应对能力。因此,应综合工程环境与施工队伍的实际,进行有针对性地管理,才能取得好的效果。

(4)盾构法施工的设备维护、保养和管理极为重

要,但目前很多施工单位不太重视盾构设备使用的过程管理,除了会降低综合掘进效率、缩短盾构机的使用寿命外,还可能会带来各种风险。因此,要加强设备使

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用维护管理的控制。

(5)盾构施工技术在地铁工程领域应用最多,国

内能够采用该技术施工的队伍已超过30多支,盾构机总台数也达100多台。因此,需要对工程中出现的问题进行收集、整理、分析、解决。盾构法施工技术在国内的应用,除地铁外已发展到铁路、公路、水利、城市市政公用管线,速度惊人。可以预计,我国很快就会成为世界盾构法技术的应用大国,因此必须从盾构机的设计、制造、施工技术、施工管理等方面去开展研究,不断积累、总结和提高盾构法的技术水平,为国家的工程建设做出贡献。

参考文献

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Eng i nee ri ng Q ua lity M anagem en t and Co n tr o l o f

S h i e l d Tunne li ng fo r B e iji ng S ubw ay

Le Gu i p i ng 　Su Yi

(Beijing MTR Construction Adm inistrati on Cor porati on,Beijing 100037)

Ab s tra c t:Shield tunneling has become one of the i m portant constructi on methods f or metr o tunnels in China .Considering the p resent situati on of shield tunneling on Beijing metr o,the paper describes the constructi on stage divisi on and the main points of engineering quality contr ol f or shield tunneling .Thr ough analyzing the entire p of shield tunneling,the paper further suggests that management and contr ol in the p r oject constructi on p r ocess should be perfor med according t o different stages,levels and contents,s o as t o further enhance the p r oject quality of subway shield tunneling on Beijing metr o .Ke y wo rd s:shield tunneling technol ogy;quality adm inistrati on;contr ol points;engineering quality

北京地铁5号线预计9月20日开通

　　经过4年多的施工,贯穿京城南北的北京地铁5号线4月28日终于揭开面纱,预计将于9月20日正式开通运营。地铁5号线共有4个换乘站,在修建过程中要两次下穿地铁2号线,还要穿过1号线,施工难度非常大。换乘通道基本都设两条,形式为一进一出,其中崇文门和东单两个换乘距离较长的车站还设置了平行的电梯,免去乘客走路之苦。5号线所有钢轨采用的都是无缝技术,只有经过道岔的时候才留出缝隙,这样列车在行驶的时候就不会出现异响。5号线采用国内生产的先进的地铁列车,首次采用全不锈钢车体,比原来的车要宽20c m,高出50c m,新车的荷载人数为1424人。列车共由6节车厢组成,车厢以通道形式连接,最高设计时速可达80k m,5号线全程行驶时间在40m in 左右,开通初期,发车间隔为4m in 。地铁5号线安装了旅客信息查

询系统,系统还可通过每节车厢的电视播放实时电视节目,包括新闻资讯等。新型地铁车厢里装有液晶显示屏,乘客可以观看实时新闻。奥运会期间,乘客坐在地铁中就可以看到直播的赛事。此外,在每节车厢中还装有两个摄像头来收集车厢情况,同时可以传送给指挥中心,使指挥中心能够实时监控车辆行

驶情况及车厢内情况。此外,5号线将实现信号全覆盖,在地铁内打电话将成为现实。5号线与其他地铁最大的不同就是在站台上装了安全门,可以有效地将乘客和轨道隔开,从而保障了乘客安全,也更环保。当列车到站的时候,每节车厢的车门将对准安全门,车门将和安全门同步开关。安全门上面设有逃生门,每节车厢对应1个,一共有6个。如果地铁发生意外情况,乘客可以从里面将其打开逃生。这个安全门系统在北京地铁中是首次使用。5号线的另一特点,是北京首个按新标准设置乘客导向系统的地铁。根据导向系统,乘客在地铁周边会很容易找到公交车站以及换乘的信息,也可轻易找到出入口。这些信息将会显示在站台内悬挂的电子显示屏(而不是原来的图板)上,可以方便地更新换乘信息。

摘编自www .china metr o .net

2007204229

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