浅谈盾构隧道施工质量控制

城通公司　罗石宝

【摘　要】　结合广州市轨道交通五号线[鱼～大]区间盾构工程为实例,阐述了盾构隧道质量控制措施,着重阐述了管片拼装和注浆的技术质量控制,并针对施工中遇到的一些具体问题提出了解决

措施。

【关键词】　地铁　盾构　隧道　质量

1　工程概况

广州市轨道交通五号线鱼珠站～大沙东站盾构区间隧道土建工程合同段包括鱼珠站～大沙地站、大沙地站～大沙东站2个区间,包括4条联络通道及8个洞门等附属工程。盾构隧道设计为两条内径<514m的单线隧道,右线线路里程为Y D K27+76313～Y D K29+1531998(短链01321m)、Y D K29+3221798～Y D K30+5571872(短链01392m),左线线路里程为ZD K27+76313～ZD K29+ 1531998(短链111225m)、Y D K29+3221799～Y D K30+5571872(长链81836m),隧道双线总长52481441m,其中曲线长度为3280m,占总长度的6215%,隧道最大纵坡为:29‰,最小纵坡为:4‰,最大平曲线半径为2000m,最小平曲线半径为:650m,隧道一般埋深在919m～1919m(蟹山除外),采用2台盾构机掘进。线路线间距11～15m。

盾构区间隧道的施工场地设在大沙地东站,始发后由东向西掘进,隧道沿大沙地东路到达大沙地站,过站后,在蟹山路与中山大道交汇处的人行天桥下通过后,穿过黄埔水厂沉淀池、蟹山、广州远洋公司油库后到达鱼珠站,在鱼珠站将盾构吊出井。

本工程根据补充地质勘察资料,区间隧道通过的最硬岩层单轴极限抗压强度为7519MPa。隧道洞身岩石天然抗压强度值见表1。

表1　隧道洞身岩石天然抗压强度值　　(单位:MPa)

地层编号地层名称范围值平均值标准值

〈7〉强风化红层0114～01601280123

〈8〉中风化红层811～16167111409182

〈9〉微风化红层18117～391072619423101〈7Z-2〉强风化混合花岗岩41014101

〈8Z-2〉中风化混合花岗岩12115～2912020160

〈9Z-2〉微风化混合花岗岩3014～75195115144123

2　管片拼装

本工程根据盾构隧道设计参数:内净空D =5400mm ,采用C50抗渗等级S12的钢筋混凝土预制管片,管片厚度300mm ,宽1500mm 。区间盾构管片由六块组成,分别为三块标准块(A1、A2、A3)、二块邻接块(B 、C )和一块楔形块(K )。管片环缝、纵缝防水采用三元乙丙橡胶止水条,拼装方式为错缝拼装(见图1)

。

图1　拼装方式

图　2

为拟合隧道线型,将管片分为标准环、左弯环及右弯

环,其中弯环楔形形式采用单边梯形,最大楔形量为

38mm (见图2)。

211　拼装顺序

管片拼装顺序见图3。施工时应严格按该施工顺序进行。

212　管片选型

管片选型的二个原则。第一,管片选型要适合隧道设计线路;第二,管片选型要适应盾构机姿态。这两者是相辅相成的,前者影响整个隧道管片的需求计划,后都影响隧道掘进和隧道轴线与设计轴线的偏差。

利用SL S -T 系统进行管片选型时,其基本原理概括如下:在新掘进一环完毕后,输入盾尾中已拼装的上一环管片的原始尺寸,程序就会进行计算,从所有可以作为当前参考管环的后续管环的管环类型中选取出将要拼装的下一环管片的类型。

213　管片点位选择

管片点位是指K 块吊装孔所处时钟的位置,可划分为12个点位。由于管片的构造原因,所选定的管片只有10个点位可进行拼装。根据隧道防水要求,管片点位一般安排于水平线位置及以上,有6个点位供选择。由于在该区间,管片采用错缝拼装,在基准环选定以后只有3个选择。例如:上一环管片在选定10点为拼装点位时,本环在水平线位置以上时只能选择9点、11点、2点进行拼装,选择其它点位即为通缝拼装。只有联络通道洞口两环特殊管片可进行通缝拼装。

根据在三号线和本项目前段施工经验,由盾构机对管片选型,95%以上通常是弯环,而该区间曲线段较多,本工程要求管片厂生产的管片标准环与左弯环右弯环的比例大致为1∶1∶1,操作人员在施工过程中应根据盾构机姿态、千斤顶行程、铰结油缸行程、盾尾间隙进行综合考虑,对盾构机所选的管片类型和点位进行相应的调整。

图3　拼装顺序鱼～大区间线路大多位于曲线隧道,弯环用量较大,特

别是左弯环较多,由于管片模具配置,管片厂生产的左弯环

不能满足施工生产要求时,必要时可采用右弯环替换左弯

环,此时管片的拼装点位就要位于水平线位置以下。在这种

情况下,盾构司机要严格控制盾构机的掘进姿态,在选定管

片的拼装点位要尽量位于4点和8点位置。

214　注意事项

(1)钢筋混凝土管片应验收合格后方可运至工地(管片

进场强化验收机制,主要检查管片外观质量、螺纹孔是否完

好,对不合格的管片退至管片厂进行处理;以保证每一片进

场的管片的质量。拼装前进行编号并进行防水处理(对运送

下井的管片盾构机司机及领班工程师再次对外观质量、特别

是止水条质量及粘贴质量进行检查,如发现有掉角、破损、止

水条粘贴不牢或破损情况,可能会影响管片防水,应将该管

片拉运出洞进行更换),备齐连接件并将盾尾杂物及管片清

理干净,举重臂等设备经检查符合要求后方可进行管片拼

装。

(2)钢筋混凝土管片拼装中,保持盾构稳定状态,对盾构

机千斤顶进行分区收缩,防止盾构后退和已砌管片受损。举

重钳钳牢管片操作过程中,施工人员应退出管片拼装环范围。

(3)钢筋混凝土管片拼装时先就位底部管片,然后自下而上左右交叉安装,每环相邻管片均布摆匀并控制环面平整度和封口尺寸,最后插入封顶管片成环。

(4)钢筋混凝土管片拼装成环时,其连接螺栓应先逐片初步拧紧,脱出盾尾后再次拧紧。当盾构掘进时,应对相邻10环管片螺栓进行全面检查并复紧。

(5)管片拼装后,应按时填写管片拼装记录表,一式二份,管片拼装质量应满足设计要求及以下规定:①管片在盾尾内拼装完成时,偏差宜控制为:高程和平面±50mm ;每环相邻管片高差5mm ,纵向相邻管片高差6mm 。②在隧道建成后,中线允许偏差为:高程和平面±100mm ;且衬砌结构不得侵入建筑限界;每环相邻管片允许高差10mm ,纵向相邻管片允许高差15mm ;衬砌环直径椭圆度小于5‰D 。③环向及纵向螺栓应全部安装,螺栓应拧紧。

(6)在拼装过程时应注意调整管片的圆度,防止出现成型后的隧道成为“扁鸭蛋”型。

(7)拼装前用专用扳手检查吊装头的拧紧情况,防止吊装时脱落而发生事故。

(8)拼装后及时调整千斤顶顶力,防止盾构姿态发生突变。

3　壁后注浆对管片的影响

采用盾构掘进法施工的隧道,盾构机外径(6128m )大于管片外直径(6m ),随着盾构机推进,在管片与周围土层间产生一定空隙,为了防水和防止地表沉降,管片脱出盾尾后,应及时通过盾尾同步注浆管对管片壁后进行注浆,也可按一定顺序,通过预留在管片上的注浆孔对管片壁后进行注浆。这统称为壁后注浆。包括同步注浆及二次补充注浆两种,同步注浆在本工程中采用的是单液浆,二次注浆一般采用的是双液浆。

311　同步注浆

本工程的管片直径采用6000mm,管片之间的连接相对管片的刚度而言表现为柔性,因此在同步注浆时必须控制好注浆压力和注浆量,使之既能达到有效的填充建筑空隙,又不会对管片的成环质量产生影响。本项目采用刀盘直径为6128m,管片外径为6m,每一环理论注浆量为:V=π/4×(61282-62)×115=4105m3,由于在盾构掘进中,对周围土体产生一定的扰动,因此,在注浆时,不仅考虑到浆液要充满管片背后的空隙,同时还要渗透至周边的土层中,所以要求注浆量比计算的空隙要大些,一般取为理论空隙体积的130%～180%。即:512m3～7129m3之间,根据本工程区间地质情况,暂拟取系数为150%,每环注浆量约为6m3。按每环同步注浆长度为1300mm,则每推进100mm时需注入浆液量为0146m3;本工程采用的盾构机同步注浆泵每个冲程量为12L,四个泵每次为48L,按此计算,在每推进100mm距离时,四个同步注浆泵冲程数合计为38、39次。同步注浆施工时应注意以下事项:

(1)在推进油缸行程达到1600～1650mm之间时,停止注入浆液,改打膨润土液洗管并将管内浆液压入建筑空隙,以免浆液在管路中停滞过久堵塞管路;

(2)每3环应检查清洗注浆管路一次;

(3)注浆压力原则上不应大于盾尾油脂腔的压力,一般在2～3bar以内;

(4)根据前段施工的施工经验,1、4号管路注入量稍大于2、3号管路为宜,本项目采用的比例为60∶40;

(5)领班工程师及盾构机司机均应对每环浆液质量情况进行检查(以目测为主),对过稠或过稀的浆液均不可使用,对过稠的浆液可加入适量自来水搅拌均匀后使用,过稀的则加袋装粉煤灰搅拌均匀后方可使用;

(6)浆液配合比应据实验确定,应达到较好的和易性,易于压送,运输中不易离析,不沉淀,不堵管,能充分填实孔隙。在凝结时间上,达到缓凝早强,缓凝可防止损坏盾构机密封装置,早强可使浆液不易流失。本工程采用同步注浆配合比见表2。

表2　　同步注浆配合比　　(kg/m3)

岩　层水泥粉煤灰砂水膨润土初凝时间

硬岩段140400750370505h

软岩段128421740367508h

312　衬背二次注浆

在盾构施工过程中,因同步注浆效果不理想,浆液未能有效填充管片衬背后建筑空隙,造成管片背后形成一贯通的水流通道,盾构推进时盾尾水压过大,致使盾尾漏水、漏浆给施工造成困难,进一步影响同步注浆效果,管片不能及时受到约束,造成管片上浮、破损等现象,还可能影响管片防水质量,同时加大出土量,不利于成本控制。为改善这种现象,我们采用利用管片吊装螺纹孔二次补充注入浆液。

衬背二次注浆(二次补充注浆)是指利用管片吊装孔洞,向管片衬背注入浆液以填充衬背空隙。

因注浆目的的不同,二次注浆可分为单液浆和双液浆,在阻止管片上浮、封堵注浆孔洞和切断水源时多采用水泥-水玻璃双液浆。

31211　浆液配比水泥浆水灰比:016～018;水玻璃按1份水玻璃加入115份水进行稀释。注入时,水泥浆∶水玻璃=5∶1。性能指标见表3。

表3　　浆液性能指标

凝结时间1天抗压强度7天抗压强度28天抗压强度

<10小时>015MPa>215MPa>10MPa

　　　　　　　　说明:在施工中,将根据具体的地质特点和施工对浆液配比进行优化调整。

31212　注入顺序

严格按“先拱顶后两腰,两腰对称”的方法注入。

31213　注浆压力

注浆压力严格控制在015MPa以内。

31214　注浆的设备

(1)气压注浆泵1台(一端注水泥浆液,另一端注水玻璃);

(2)小型浆液拌和筒1个;

(3)注浆阀6个;

(4)50m<32注浆软管3条,1条备用;

(5)三通1个,扳手3把。

31215　注意事项

(1)在注浆前应查看管片情况并在注浆过程中进行跟踪观察,如有异常情况应立即停止注浆,并上报。

(2)在注入过程中应严密监视压力情况,控制注浆压力在015MPa以内。

(3)在注入过程中出现压力过高但注入效果不明显的情况时应检查注浆泵及注浆管路是否有堵管现象,并立即进行清理。

(4)在注浆过程中出现任何的停机现象时均应对注浆泵及注浆管路进行清洗;在注浆完结后应做到“工完料清”,对所有的机具均应清理干净并归于原处。

(5)在注浆前应将同步注浆管路的所有球阀全部关闭。

(6)注浆前应查看盾尾油脂腔的压力,如果压力偏低,应适当手动注入盾尾油脂,以保证在注浆过程中有足够的压力避免盾尾漏浆;如果注入过程中盾尾出现漏浆现象,应停止注入5～10min 后再重新注入。

(7)在注浆前应查看管片情况及土仓压力情况并在注浆过程中进行跟踪观察,如有异常情况应立即停止注浆,并上报。

(8)在注浆前应将注浆孔全部打开并装上注浆头,在注浆时可将注浆头全部打开放水直至有浓浆流出再关闭注浆头。

(9)在一个孔注浆完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注入效果,如果水仍很大,应再次注入,至水较小时可终孔,拆除注浆头并用双快水泥砂浆对注浆孔进行封堵,带上塑料螺堵。

(10)在注一个孔时应备足水泥及水玻璃,严禁中途停止注入。

(11)在注浆过程中如果土仓压力有明显变化,在注浆过程中可适当将盾构机向前推进150mm以内,避免盾构机被浆液包结。

(12)在注浆过程中出现任何的停机现象时均应对注浆泵及注浆管路进行清洗。

4　管片上浮控制措施

管片上浮直接导致管片间错台、管片破裂、隧道漏水,严重的导致线路水平超标,所以在掘进过程中加强管片上浮的控制是非常必要的。

盾构机在曲线变坡点和硬岩富水地层中掘进时,由于盾构机千斤顶压力和水浮力作用,容易使管片上浮,在掘进施工过程中采取以下措施防止管片上浮。

(1)了解隧道所经过地段的地质情况,包括里程、土层分布、深度、强度、含水量,预先制定不同地段采取不同的掘进措施。在掘进过程中,及时调整掘进速度、掘进推力、掘进模式等施工参数。

(2)加强盾构机姿态的控制,尤其在上坡和下坡地段必须注意千斤顶的作用分力对管片的影响,及时调整姿态及千斤顶行程差,避免超挖和蛇行,尽量使各组推进油缸推力适当均衡。

(3)在变坡段一定要注意做好管片的选型及正确安装。

(4)控制测量的精度和频率。要严格按要求建立起一套严密的人工测量和自动测量的控制系统,严格控制测量的精度,合理布设洞内的测量控制点和导线,根据工程中的实际情况合理控制测量和复核的频率。根据测量的结果来调整盾构机的控制参数和管片拼装等(如调整对称千斤顶的行程差,合理控制各区域千斤顶的行程,更合理使用铰接、超挖等设施,调整管片的类型和拼装方式等)。

(5)根据隧道内监测信息,调整同步注浆的注浆位置与各孔的注浆量,缩短浆液初凝时间,及时、足量注浆,提高固结效果。

(6)加强管片姿态的测量,一旦有上浮异常现象,立即启用二次注浆(在隧道顶部注双液浆),有效控制管片进一步上浮。

(7)保证管片连接螺栓的安装质量。管片拼装过程中尽量减少管片之间的错台,及时安装连接螺栓,确保管片定位准确,连接牢固。用仪器监测管片安装的误差,若误差超过允许值需进行调整;管片安装就位后,在下一循环的掘进开始时,推进系统作用于管片上的轴向压力应缓慢、均匀地施加;管片连接螺栓在掘进的开始时也会出现松动,须及时对松动的螺栓进行紧固。

5　小结

通过对质量控制措施,本项目取得可喜成绩,在大沙地～鱼珠站区间施工中,右线现已掘进618环,左线掘进596环,总共完成1204环,有渗漏的仅9环,管片错台无超标,在同类地质条件质量控制走在同行前列,受到业主和监理好评。本人认为质量控制主要做好以下方面:

(1)掘进过程中姿态的控制对隧道质量控制至关重要,对于不同地质采用不同掘进模式,及时调整好各个掘进参数。

(2)管片拼装的好坏直接影响隧道成型质量,管片拼装好坏决定于拼装手,保证质量的前提下追求速度。

(3)现场值班工程师严格按照相关规定控制拼装质量。

(4)加强测量工作,把测量结果及时反馈给盾构机操作手,及时更改掘进参数和模式。

(5)加强浆液的质量管理,不同地质应有相对应的配合比和注浆量。

(6)加强技术人员的培训和沟通,及时了解情况,对出现的质量问题认真分析,找出原因,认真总结。