盾构机小曲线半径始发技术

【摘   要】根据南京地铁二号线TA07标莫~汉区间盾构小半径曲线始发的经验,从割线始发设计参数、始发前期准备工作,着重分析盾构始发掘进的重点,并提出了相应的措施。

【关键词】地铁;盾构;曲线;参数;始发

1、概况

1.1 工程概况

      南京市地铁二号线一期工程莫~汉区间始发于莫愁湖公园西北角的莫愁湖车站,沿汉中门大街向东,以400m的半径曲线北转。其中莫~汉区间(右线:K11+210·508~K12+026·700,左线K11+211·146~K12+026·700)。线路纵坡有“V”形坡,最大坡度29‰,最小坡度3‰;区间最大埋深约18·6m,最小埋深在秦淮河底,现在覆土为5·3m,河道整治后埋深4·4m。

1.2 工程地质条件

      拟建场地地形较平坦,虽然秦淮河东侧处存在与沿江断裂同期的NE-SW向正断裂,但是断裂构造无活化迹象,区域构造稳定,地基轻微液化,经地基处理后,宜于建筑。

      区间隧道穿越淤泥质粉质粘土层(②-2B4)或粉质粘土层(②-2B3-4),局部在隧道中下部穿越粉土层(②-3C2-3)。另外在汉中门车站端部穿越泥质粉砂岩(中风化,极软岩)。

1.3 水文地质

      秦淮河以西地下水水位埋深一般1·40~3·00m,标高5·31~6·95m;秦淮河以东地下水埋深0·90~1·50m,标高9·35~10·56m。渗透性以微透水~弱透水层为主。

      地下水主要补给来源为大气降水及地表水体的入渗。深部承压含水层中地下水与长江及外秦淮河均有一定的水力联系。

1.4 盾构机概况

      采用日本小松TM634PMX土压平衡盾构机,该盾构机适宜在粉质粘土、粉土、局部为粉砂、淤泥质粘土、粉砂、细砂等土层掘进施工;盾构机掘进最小曲率半径150m,最大坡度40‰;总重约为330t,盾体长度为8·68m,后配套设备分别安装在5节后续台车上;盾尾间隙30mm,最大掘进速度6cm/min,最大推力37 740kN。

      刀盘直径为6·36m,刀盘的结构为辐条面板型,刀盘开口率为40%。在刀盘上配置安装了66把先行刀及12把周边先行刀,主切削刀配置78把,周边刮刀12把并配置两把超挖刀。

2、盾构小半径曲线的始发设计

2.1 割线设计主要参数

      盾构始发采用直线的线型(曲线的割线),并且拟合隧道线路(在国家规范允许的范围内),采用如下参数。

      1)盾构机始发洞门中心点坐标为左线(46 312.745 8, 27 248.517 5)、右线(46 305.685 2,27 260.9 6);区间分界里程处隧道中心点坐标为左线(46 312.738 3, 27 248.530 5)、右线(46 305.677 6,27 260.977 5)。其中采用的洞门中心点坐标都分别沿两洞门中心连线方向外偏离区间分界里程处隧道坐标15mm。

      2)莫愁湖站北端头盾构始发洞门中心点标高　左线-5·210m,右线-5·210m。

      3)盾构机进入土体后将沿直线掘进,该直线为曲线的割线,直到第8环管片(不包括负环管片和零环)拼装完毕后,盾构机将沿隧道中心线坐标掘进(见图1)。

2.2 割线始发方法

      盾构机在始发前确认盾构机与隧道轴线和盾构机姿态正确。莫愁湖车站处以400m半径的曲线始发,小曲线半径始发在全国尚属少数,这为盾构机的始发提出了很高的技术要求,需要解决以下问题:①盾构机在小半径曲线上始发在未进入曲线前,提前开启铰接装置,预先推出弧形态势;②将盾构机沿曲线的割线方向掘进,预偏量为30~50mm,以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧外侧的偏移量;③适当降低推进速度,在盾构机推进启动时,推进速度要以较小的加速度递增;④推进时,要适当调整左右两组油缸的压力差,使曲线内侧油缸压力略小于外侧油缸压力,但纠偏幅度不要过大;⑤在以上措施实施后还不能达到预期效果,应启用超挖刀进行超挖纠偏。

2.3 割线始发注意事项

      1)盾构基座变形　在盾构进洞门过程中,盾构基座发生变形,使盾构掘进轴线偏离设计轴线。盾构基座与工作井、盾构、隧道轴线的关系发生变化。

      2)凿除钢筋混凝土封门产生涌土　在破洞门过程中,洞门前方土体从封门间隙内涌入工作井内。

      3)盾构进洞时洞门土体大量流失　进洞时,大量的土体从洞口流入工作井内,造成洞口外侧地面大量沉降。

      4)盾构反力架位移及变形　在盾构进洞过程中,盾构后靠支撑体系在受盾构推进顶力的作用后发生支撑体系的局部变形和位移。

      5)盾构进洞时姿态突变　盾构进洞后,最后几环管片往往与前几环管片存在明显的错台,影响了隧道的有效尺寸。

      6)盾构螺旋输送机出土不畅　螺旋输送机内形成阻塞或盾构开挖面平衡压力过低,无法在螺旋输送机内形成足够压力。

3、盾构小半径曲线的始发前期准备

3.1 始发端头土体稳定处理措施

      盾构始发洞门外土体为软弱含水的土层,若不提前加固处理极易塌方或流失,造成地面塌陷,甚至使盾构失去控制,为确保施工安全,必须对洞门外土体进行稳定处理和对洞门结构进行特殊的处理。

      1)降水

      在条件允许情况下,降水可有效地疏干砂性土中的地下水,提高土层密实度,但不能大幅度提高土体强度,可作为辅助措施。

      2)地基加固

      本区间盾构始发端头处,隧道位于粘土或粉土中,洞门外地基采用三轴搅拌桩并结合注浆加固长度为9m,加固宽度为盾构外径两侧和底部各3m长地基。地基加固水泥采用32·5级普通硅酸盐水泥,水泥掺量18%,水灰比1·5~2·5;加固后的土体有良好的均匀性、自立性、止水性,其无侧限抗压强度≥0·8MPa,渗透系数≤1·0×10-8cm/s。

      3)洞门结构构造

      洞门设计首先考虑施工时避免破除已做管片及洞门突出车站端墙。为此,通过设置合适的反力架和后盾管片,并结合区间的管片排版情况,控制第1环管片的位置和点位,使洞门厚度在40~60cm调节。这为以后洞门圈梁施工拆除零环时降低工程风险,为联络通道处的钢管片拼装和联络通道精确施工提供有力的保证。

      3.2 始发架定位安装

      根据该盾构机盾体结构尺寸,设计制作钢结构始发架长8·8m。在后配套吊入始发位置后,依据隧道洞门中心位置和设计轴线坡度及平面方向定出盾构始发姿态的空间位置,然后推算出始发架的空间位置,利用垫薄钢板调节始发架的标高,达到始发要求的精确位置。

      盾构始发前对始发架两侧进行必要的加固。利用预埋在车站底板的钢板与始发架进行焊接,并利用H型钢两边支撑保证左右稳定。为了防止盾构机栽头,将始发架的安装高程抬高1cm,并在洞门钢环底部焊接3个防栽导轨。

3.3 盾构机组装、调试

      1)盾构机组装

      盾构机按后配套拖车、主机依次进场组装。按如下顺序下井组装: 5节台车→组装桥架→吊装螺旋输送机→吊装中盾→组装前盾与中盾→组装刀盘→组装管片拼装机、盾尾→组装螺旋输送机→设备连接、安装反力架→完成组装。

      2)盾构机空载调试

      盾构机组装和连接完毕后,即可进行空载调试。主要调试内容为:液压系统,润滑系统,冷却系统,配电系统,注浆系统、超挖刀伸缩,以及各种仪表的校正。着重观测刀盘转动和端面跳动是否符合要求。

3.4 反力架定位安装及加固

      在盾构主机与后配套连接之前,开始进行反力架安装。在安装反力架时,反力架端面与始发架水平轴垂直,以便盾构机轴线与始发设计割线保持一致。

3.4.1 反力架定位

      1)利用垂线和经纬仪测量基准环的垂直度,并使基准环端面与始发托架中轴线垂直。

      2)根据始发管片排版,反力架基准环靠近洞门的表面中心精确定位于基准环起点中心坐标处。

3.4.2 反力架安装

      反力架和基准环定位好以后,分节安装反力架部件,利用垂线和经纬仪测量调整基准环的平整度,使基准环与始发架水平轴垂直。调整好后将反力架与中板和底板的预埋件焊接固定。

3.4.3 反力架加固

      为使盾构机始发不至于推力过大使反力架破坏和变形,造成始发失败,必须对安装好的反力架由钢立柱支撑、水平钢支撑、斜抛钢支撑组成的支撑体系加固反力架,使其有一定的强度和刚度及稳定性,使其满足工程安全需求又符合盾构机始发所需要的施工空间。

3.5 洞门密封

      洞门建筑空隙密封问题如不妥善处理,将会引起洞门渗漏,产生不可设想的后果。

      1)洞门密封采用橡胶帘布和折叶式扇形压板进行密封,安装步骤为:①洞门防水密封施工前,先检查材料的完好性,尤其是橡胶帘布是否完好,径向尼龙线密集排列和螺栓孔是否完好;②安装前清理完洞口的渣土和疏通A板预留孔并涂上黄油;③将螺栓旋入预先埋设在井圈周边的螺母内;④安装橡胶帘布及圆环B板,并用薄螺母固定在井壁上;⑤将扇形压板套在装有薄螺母等的螺栓上。

      2)洞门处防水装置安装注意事项:①由于橡胶帘布和扇形压板通过它与管片的密贴防止管片背注浆时的浆液外流,所以安装时螺栓必须进行二次旋紧;②防止安装扇形压板时损坏橡胶帘布;③检查盾构机盾壳表面是否有凸起物,若有凸起物需清理干净,以免撕裂橡胶帘布。

3.6 负环管片的拼装

      盾构机始发时在反力架和车站内正式管片之间安装8环负环管片(全部为闭口环),每环临时管片分块数与标准管片相同,依次安放在托架上。负环管片拼装时用整圆器和控制盾尾间隙来控制管片拼装的真圆度。在内、外侧采取钢丝拉接和钢管支撑等加固措施,以保证在传递推力过程中管片不会旋转浮动。

      负环管片拼装后,用木楔将管片与始发架间的间隙塞紧,避免管片脱出盾尾后,管片下沉,反力架倾斜,始发架变形等意想不到的工程事故。

4、盾构小半径曲线始发洞门凿除

4.1　洞门检测

      在洞门凿除前对端头加固效果进行地面、洞内抽芯检测,察看加固体强度、抗渗性等指标。确认在指标满足要求(洞门外土体能稳定自立相当长一段时间)的情况下再进行凿除搭设脚手架施工,如不满足各项指标要求,采用补强注浆连同坑外降水的措施,保证洞门范围围护结构在凿除前掌子面的稳定,若加固能使掌子面土体稳定,允许凿除洞门。

4.2 洞门凿除

      由上往下分层凿除,首先将开挖面桩钢筋凿出裸露并用氧焊切割掉,然后继续凿至迎土面钢筋外露为止。当盾构机刀盘抵达混凝土桩前约0·5~1m时停止掘进,然后再将余下的钢筋割掉,打穿剩余部分桩的桩心及护壁,并检查确定无钢筋。在盾构始发前先对掌子面进行素喷豆石混凝土,封闭掌子面,防止暴露时间过长。

4.3 洞门凿除时测量监测

      在洞门开始凿除时,在合适的位置布置监测点,派专人24h监测洞门土体变形情况,同时作好地面沉降监测,如果地面沉降超过30mm,启动应急措施。

4.4 洞门凿除时应急措施

      1)编制应急方案,明确组织机构,准备好应急物资,并分析风险源特征,制定风险控制方法和风险产生后的补救措施等。

      2)发现有异常情况后,迅速用木板和钢管撑住,防止土体坍塌然后尽快从围护桩外进行注浆加固。

      3)若土体压力较大时,迅速用预先制作好的钢筋网片与围护结构的钢筋焊接一起,用木板和钢管支撑,然后在始发端头、洞门里进行注浆加固。

5、盾构机始发掘进

5.1 盾构始发掘进准备

      1)盾构机始发切口进入帘布前,需先在密封土仓填充渣土超过2/3,防止出洞后端头地面坍塌。

      2)在刀头和密封装置上涂黄油减少摩擦,避免损坏洞口密封装置。

      3)盾尾刷需用专门装置安装牢固,且钢丝刷中必须填满盾尾油脂。

      4)在盾体靠近始发架位置焊接防盾构旋转装置。

      5)为防止盾构叩头,在盾门钢环圈内底部焊3个支点。

5.2 始发掘进参数控制管理

      初期掘进,选定了6个施工管理的指标:①土仓压力;②推进速度;③总推力;④排土量;⑤刀盘转速和扭矩;⑥注浆压力和注浆量。其中土仓压力是主要的管理指标。在初始掘进段内,对盾构机土仓压力、注浆压力、推力、排土量等必须经过理论计算,并根据计算结果作为初始掘进参数指导调整依据,在该工程始发时,采用以下指标:土仓压力: 0·06~0·18MPa;推进速度20~30mm/min;总推力控制在9 000~13 500kN;出土量39~42m3(分区开启超挖刀);转速设为0·8r/min,刀盘扭矩为1 800~2 300kN·m;注浆压力: 0·15~0·3MPa,注浆量3·5~4·8m3。

5.3 盾构机始发姿态控制

      盾构姿态具体指盾构现态位置(指盾构切口、盾尾两中心的高程、平面、轴线、纵坡),与已建隧道管片的相对关系如何,总的要求使隧道管片轴线和盾构轴线夹角最小,高程、平面偏差最小,盾壳与管片四周的间隙均匀,盾构的姿态优劣对建后隧道质量关系极大,因此在施工中做到勤观察、及时纠偏调整、认真操作、掌握盾构的性能,将盾构轴线控制在所需的位置。保证隧道建成后各个方面都达到标准。

      初期掘进时轴线允许偏差:①水平偏差　-10~-15mm;②垂直偏差　-15~-20mm;③俯仰角　小于3mm/m;④水平偏角　小于3mm/m。

5.4 掘进管片拼装

      1)管片选型以满足隧道线型为前提,重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值,确保有足够的盾尾间隙,以防盾尾直接接触管片。

      2)管片安装必须从隧道底部开始,然后依次安装相邻块,最后安装封顶块。安装第一块管片时,用水平尺与上一环管片精确找平。

      3)安装邻接块时,为保证封顶块的安装净空,安装第5块管片时一定要测量两邻接块前后两端的距离(分别大于C块的宽度,且误差小于10mm),并保持两相邻块的内表面处在同一圆弧面上。

      4)封顶块安装前,对止水条进行润滑处理,安装时先搭接700mm径向推上,调整位置后缓慢纵向顶推插入。

      5)管片块安装到位后,应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片,其顶推力应大于稳定管片所需力,然后方可移开管片安装机。

      6)管片安装完后应及时整圆,并在管片脱离盾尾后对管片连接螺栓进行二次紧固。

6、结语

      南京地铁二号线莫~汉区间莫愁湖车站北端头盾构小半径曲线始发的工程实践,满足了隧道线型的拟合,使盾构机顺利出洞,降低了工程成本,减少了整条地铁线的建设工期,为以后类似工程提供了可借鉴的经验。

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