盾构施工管控要点

武汉地铁建设管理2019-05-14 16:06:38

一、盾构机进、出工作井控制要点

       盾构机进、出工作井是盾构施工中风险最大的环节之一。为确保盾构施工的关键环节安全,避免发生漏水、涌水淹没隧道事故或重大坍塌事故,需要做好以下工作。

       (1)进、出洞加固方法应根据工程地质和水文地质条件、加固深度,结合现场施工条件,综合考虑各种加固方法的可操作性、可靠性、可实施性,后综合确定。针对土体加固不当,应制定合理的土体加固方案.必须进行盾构进、出工作井条件验收。洞门加固效果检测,采用抽样取芯和水平探孔检查加固体强度、整体性、均匀性、地下水含量情况。

      (2)盾构进、出工作井前应加强测量,及时纠正,调整好姿态,保证始发架、反力架定位准确,并对支撑体系进行计算校验。

      (3)封门拆除应减少对洞口土体的扰动。封门拆除后应尽快将盾构向前推进,使盾构切口切入土层,缩短正面土体的暴露时间。

      (4)为防止由于盾构推离过大以及盾构切口正面土体挤压面损坏工作井洞门结构,当切口离洞门10m应保证出土量,切口离洞门结构30~50cm时止掘进,并使切口正面土压力降到最低值,以确保洞门破除施工安全。封门破除后,必须使盾构在最短的时间内全部进入盾构接收井的基座上。

         (5)对进出洞隧道的沉降做好监测。

二、端头加固的目的

      (1)控制地表沉降,确保端头不坍塌。

    盾构始发、到达前,往往需要凿除洞口井壁的混凝土,割断钢筋,以便盾构顺利进出洞。而洞口的井壁混凝土有时要达到800mm或更厚,凿除时间长,需避免凿除过程发生坍塌,以及需避免因开挖面暴露时间过长而坍塌或造成过大地表沉降。

      (2)控制水土流失。

    盾构始发进入加固体,或盾构到达穿过加固体时,在含水量较高、水平渗透系数大的含砂层、卵石层等地层,盾构进出洞容易造成水土流失。采用泥水盾构时,泥水压力的作用也会使加固体发生水土流失,导致无法达到泥水平衡状态,如果土体不具备一定强度,很容易坍塌。

      (3)提高重型机械作用时土体的承载力。

   盾构吊装或拆卸时,重型吊机往往作用在端头位置,为防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌,或对已成形隧道安全造成不利影响,需对地表的软弱地层进行加固。

      (4)保证周边建(构)筑物安全。

    通过控制地表沉降,控制水土流失,确保端头不坍塌以及不造成过大地表位移与沉降,从而保证周边建(构)筑物安全。

三、端头加固主要方法

       端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段,加固方法的选择主要取决于地质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。同时还需考虑安全性、施工方便性、经济性、进度等。

      (1)搅拌桩

    搅拌桩是软土地层最常用的端头加固方法之一。通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变,主要适用于淤泥、黏土层和砂层,但在砂层加固效果差,须与旋喷桩等工法配合使用。该工法还存在加固不连续,加固体强度偏低,掉钻头等缺点。

      (2)旋喷桩

    旋喷桩浆液对于砂层改良效果好,也适用于淤泥、粉土、黏土层,但砂砾地基和黏着力大的黏土有时不能形成满意的改良桩,施工深度在40m以下时,效果较差。由于其造价偏高,施工单位往往不愿采用,但在围护结构与加固体的间隙加固以及角部加固经常被采用。有单、双、三重管旋喷三种主要工法。

      (3)注浆

   注浆适用于多种地层,尤其是深度较深的砂质地层、砂砾层,地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合,对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆,同时可进行跟踪注浆;浆液种类较多,经济性和可施工性好,材料和施工方法多种多样,需根据地下水、地质、施工环境等来确定,同时要考虑因灌浆而引起地基隆起的处理对策。

      (4)SMW施工技术

      SMW(soil mixing wall)施工技术,即水泥类悬浊液在原地层中与土体搅拌混合形成墙体的技术。作挡土墙使用时,一般使用H型钢芯材,桩机为三轴或五轴搅拌桩机。适用于砂层、淤泥、黏土层,加固宽度小,造价较低,是此类地层最安全可靠的加固方法之一。该方法成桩效果好,止水性好,对周围地层影响小。该工法的优点:加固质量高,桩体连续,强度高,适用于各类软土地层,对于盾构始发特别有利。该工法缺点:造价偏高,目前主要采用国外进口的三轴搅拌桩机。对于上软下硬地层不适应。需特别注意型钢无法拔出的情况及存在承压水的情况。

      (5)连续墙、钻孔桩

    始发井的挡土墙作为双层结构的方法,对于土层相对较硬,但渗水量偏大的地层适用。需要注意的是:连续墙、钻孔桩上部的填充和夹层的处理。

      (6)挖孔桩

      适用于淤泥、黏土、强风化地层。

      (7)冻结法

    适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层,该施工法的冻土强度和止水性高,通过测量地下温度,便可确认冻土形成状态,可靠性高。而且,冻土墙还能确保长期处于稳定状态。但对于动水层,施工质量难以保证,对于含水量低的地层不适用。

      加固完成后,可通过以下手段进行效果验证:

   (1)加固土体的强度。加固土体的强度是否满足设计要求是衡量加固效果的首要指标,可通过对进出洞加固范围内不同深度土体采用钻芯取样检测的方式加以验证,监理工程师应对承包方钻芯取样过程进行见证,确保取样工作的真实性。

   (2)加固土体的均匀性。检验加固土体的均匀性目前尚无相应的工具、手段,可通过打探孔方式进行观察。监理工程师应监督承包方在洞口割除围护结构背土面钢筋及凿除混凝土后,合理布置探孔(选择有代表性部位、数量一般不少于5个),现场观察探孔有无渗漏或流沙等异常情况,作为判断土体加固效果的辅助手段口

四、洞门凿除控制要点

        首先要根据现场情况编制合理的洞门凿除专项施工方案,此外,尚需注意以下诸点。

      (1)盾构始发时,盾构机组装调试是否结束,是否具备始发条件。

     (2)盾构到达时,盾构机刀头是否触到洞门围护桩桩体,盾构接收场地是否具备接收条件。

      (3)盾构始发或接收端头的地层加固是否满足要求。

      (4)严格按照批准后的专项方案分块和分段凿除。

      (5)密切注意加固土体稳定情况和渗水情况。

五、盾构施工掘进姿态控制

      所谓盾构姿态,具体是指盾构掘进中现状空间位置(包括高程和平面位置)。盾构姿态控制就是将盾构轴线控制在设计允许偏差范围内。盾构姿态控制的好坏,不仅关系到盾构轴线是否能在已定的空间内在设计轴线允许偏差内推进,而且还影响后续工序管片拼装的质量(只有盾构掘进姿态控制在允许误差之内,才能确保管片拼装能在理想的位置)。根据《地下铁道工程施工及验收规范》GB 50299-1999(2003版)第8.4.4条规定,盾构掘进中应严格控制中线平面位置和高程,其允许偏差均为±50mm,发现偏离应逐步纠正,不得猛纠硬调。

      对盾构姿态的控制,首先应熟悉和掌握设计线型要求,即隧道平面曲线和竖曲线的线型情况(包括里程、长度、坡度、半径等)。其次,还应重点监控以下内容:

        (1)盾构姿态测量数据。

      盾构姿态测量数据包括自动测量数据(盾构机装有自动测量系统,能反映盾构运行的轨迹和瞬时姿态,动态监测盾构姿态数据)和人工测量复核数据(对自动测量数据正确性进行检测和校正),可对两类数据综合分析、比较,动态掌握数据变化情况,指导盾构正确、安全地推进。

        (2)盾构纠偏量。

    盾构在推进过程中不可能一直处于理想状况(尤其是在曲线段),会产生不同程度的偏向。影响盾构的偏向的因素很多,也很复杂,如地质条件的因素、机械设备的因素、施工操作的因素等。施工中一般可通过调整千斤顶编组或纠偏材料(粘贴在管片上)进行纠偏。不仅应做到及时根据盾构姿态测量数据,分析盾构姿态,控制好掘进方向,平稳地控制盾构推进的轴线,而且,在每环管片拼装前对盾构姿态进行复查,发现偏差,要制定纠偏方案和确定纠偏量,及时采取纠偏措施,避免误差累积。

六、洞门密封装置安装形式及控制要点


      为了防止盾构始发掘进时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失,以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失,在盾构始发时需安装洞门临时密封装置(图)。临时密封装置由帘布橡胶、预埋钢环、垫片和螺栓等组成。常见预埋钢环的形式有扇形压板、折形压板等形式。密封装置安装前,应对帘布橡胶板的整体性、硬度、老化程度等进行检查,对圆环板的成圆螺栓孔位等进行检查,并提前把帘布橡胶板的螺栓孔加工好。盾构机进入预留洞门前,在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免盾构机刀盘刮破帘布橡胶板而影响密封效果。盾构机刀盘在洞门范围时严禁转动刀盘,防止损坏压板。

七、盾构机始发掘进方式

      当盾构机的刀盘部分切入帘布橡胶板并抵达掌子面时,可视端头加固的情况,采取开敞式掘进始发或土压平衡掘进始发。如端头的土体加固效果良好,地下水压不大,且地表无建筑物、管线时,可采取开敞式掘进始发;反之.则采取土压平衡掘进始发,在软土地层要特别注意土仓压力的建立。采用土压平衡掘进始发时,可事先在土仓内填充部分土坯,由于初始时土仓内未填满,可加气平衡。始发时,要特别注意出土量的控制。

八、盾构机试掘进控制要点

    在确认洞门围护结构的钢筋已经割除完毕以后,可以进行盾构机的试运转。由于盾构机没有建立起完全进洞后与周围岩土侧压力的摩擦作用,且盾构机油缸的推力和掌子面通过刀盘的反力都很小,所以,在试运转时应使刀盘慢速旋转,且要正、反向旋转,防止滚动,使盾构机姿态正确。始发后,盾构机刀盘开始切削端头加固区土体,这时,土压设定值应略小于理论值且推进速度不宜过快,盾构机总推力应不大于反力架设计推力。盾构机坡度略大于设计坡度,待盾构机出加固区之后,为防止因正面土压变化而造成盾构机突然“低头”,可将土仓内的土压力值设定成略高于理论值,并将下部推进油缸的推力值稍稍调高。在掘进过程中,根据情况在盾构机正面及混合仓内加入泡沫剂、膨润土、泥浆等添加剂以改善渣土性能。在施工过程中,应根据地表的监测信息对土压设定值以及推进速度等施工参数做的及时的调整。

九、盾构机始发和到达常见问题


       1.始发或到达时坍塌

      (1)加固体效果不好。

      (2)加固方法、范围不当。

      (3)未及时推进。


      2.始发、到达时盾构机叩头或扭转

  始发推进中,在盾构机抵达掌子面及脱离加固区时,容易出现盾构机叩头的现象;到达推进中,盾构机脱离加固区时也会叩头,由于地质条件不同,还可能出现超限的情况。为此,通常采用抬高盾构机的始发姿态、放低接收架、合理安装始发或到达导轨,以及快速通过的方法尽量避免叩头或降低叩头的影响。


      3.始发偏移

      (1)曲线始发的方位角错误.

      (2)反力架不能提供支撑力时或始发架不稳。

      (3)初始测量数据输入错误。

      (4)盾构机本身测量系统有误差。


      4.盾尾泄露

     (1)管片姿态:管片选型应从负环管片拼装即开始控制,通过加贴软木衬垫或石棉垫的方式,利用反力钢环或管片调整好管片与盾尾壳夹角,使管片环面与盾构机掘进方向法线基本垂直。

      (2)密封油脂的涂抹。

      (3)管片本身的外弧面接缝处理。


      5.刀具损坏

     刀具的选择和参数的确定。为减少刀具损伤,始发掘进阶段的刀盘转速和掘进速度不宜过快,尤其是刀盘刚刚接触掌子面时,采用低推力、低转速、低速度掘进。


      6.密封效果不好

    (1)当洞门加固效果良好时,对于洞门环的强度要求相对较低,否则要在盾构推进前进行彻底检查并确保洞门环的状态良好。在始发过程中若洞门密封效果不好,可即时调整壁后注浆的配合比,使注浆后尽早封闭;也可采用在洞门密封外侧向洞门密封内部注快凝双液浆的办法解决。

   (2)底部压板损坏,也是密封效果差的重要原因。若出现此种情况,底部环板和螺栓设计均应改进。

      (3)盾尾和中体连接不严密,可能造成泄漏。

      (4)扇形压板未及时封闭,可能造成泄漏。


      7.地面沉降较大

由于始发施工的特殊性,始发阶段的地面沉降值一般较大,因此在始发阶段应尽早建立盾构机的适合工况并严密注意出土量及土压情况,同时加大监测频率,控裁地面沉降值。


      8.其他

      (1)管片松弛。

      (2)管线连接错误。

十、盾构隧道始发/到达施工管控要求


      (1)工作井已按设计要求完成并通过验收,其标高、轴线、结构强度等各项技术参数符合设计和规范要求并能满足盾构施工各阶段受力要求(端头井结构尺寸和洞门中心已复核且符合设计要求)。

      (2)盾构推进、始发/到达方案已审批。

      (3)测量、监测方案已审批,监测控制点已按监测方案布置好,且已测取初始值。

      (4)井下控制点已布设且固定。

      (5)要求的各项端头措施(降水、端头加固或冷冻等)已经完成,各项指标已经达到设计要求并有检测报告。

      (6)洞门探孔已打凿,未发现异常情况并满足始发/到达要求。

      (7)始发/接收架已经设计验算,结构强度满足要求。

      (8)施工现场技术交底(包含施工工艺和步骤)已按要求完成。

      (9)人员、机械、材料按要求到位(盾构以及大型起重设备拼装到位,并通过政府监督部门验收)。

      (10)对本工程潜在的风险进行辨识和分析,有针对性、可操作性的应急预案已编制完成并落实抢险设备、材料、人员、方案等。

      (11)已落实设计及规范规定的其他要求。



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