浅谈公路隧道盾构施工技术

官胜斌,梅湛璆

摘要:盾构法是采用盾构机在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。随着我国城市隧(管)道建设的迅速发展,盾构法隧道施工技术越来越得到广泛的推广和应用。文章在总结盾构施工经验的基础上,对盾构的到达掘进及盾构姿态控制与纠偏处理做作了分析,以供同类施工参考。

关键词:公路隧道;盾构法;施工技术;盾构姿态;纠偏处理

中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)24-0158-02

盾构法是采用盾构机在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。20世纪初,盾构施工法在美国、英国、德国、法国、前苏联等国家得到进一步推广,大量用于公路隧道、地铁和下水管道等工程,并在加气压施工和盾尾注浆等方面有了突破和发展。20世纪60年代后,盾构法在日本东京、大阪等城市大量用于地铁建设和下水道等市政工程。本文在总结盾构施工经验的基础上,对盾构的到达掘进及盾构姿态控制与纠偏处理作了分析。

一、盾构机选型

根据不同的工程地质、水文地质条件和施工环境与工期的要求,合理地选择盾构机类型,对保证施工质量、保护地面与地下建(构)筑物安全和加快施工进度是至关重要的。因为只有在施工中才能发现所选用的盾构是否适用,不适用的盾构将对工期和造价产生严重影响。选择盾构机时,必须综合考虑,以获得经济、安全、可靠的施工方法。盾构选型的根据如下:

1.盾构机开挖尺寸应满足盾构区间设计断面尺寸要求。

2.盾构机开挖功能必须满足区间隧道的地质条件。对于像广州地铁隧道大部分在三类以上围岩中通过,盾构机必须具有足够岩石切削和软土开挖能力,必须能够稳定开挖面、平衡水土压力,最大限度地减少地表沉陷,并且能够确保施工作业的安全性、可靠性。

3.盾构机的各项参数应满足计算要求,所以盾构设备在制造之前必须根据盾构区间地质条件作详细分析计算。以此参数作为盾构机设计制造的依据。

4.具有合理的使用寿命,德国海瑞克公司制造的盾构机设计寿命为10000小时,掘进里程为10公里。日本制造的盾构机大多使用寿命为5～6公里。

二、盾构到达掘进

盾构机的到达,是指在稳定地层的同时,将盾构机沿所定路线推进到竖井边,然后从预先准备好的大开口处将盾构机拉进竖井内,或推进到到达墙的所定位置后停下等待一系列的作业。施工方法有两种,一种是盾构机到达后拆除到达竖井的挡土墙再推进,另一种是事先拆除挡土墙,再推进到指定位置。到达掘进一般为进洞前15～30m的掘进。

1.盾构机到达后拆除挡土墙再推进的方法。将盾构机推进到到达竖井的挡土墙外,通过预先对到达端头地基改良使地层能够自稳,拆除挡土墙,再将盾构机推进到指定位置。

拆除挡土墙时,盾构机停在敞开的围岩前面,盾构机前面与到达竖井之间间隙小,故自稳性强。由于工种少,施工性好,这是一种被广泛采用的施工方法。但因盾构机再推进时围岩易发生坍塌,所以多用于地层稳定性好的中小断面盾构工程。

2.盾构机到达前拆除挡土墙再到达的方法。该法因事先要拆除挡土墙,所以要进行高强度的地基改良,在构筑物内部置易撤去、能受力的钢制隔墙;然后从下至上拆除挡土墙,用水泥土或贫配比浆顺次充填围岩改良体与隔墙间的空隙,完全换成水泥土或贫配比砂浆后,将构机推进到构筑物内的隔墙前,拆除隔墙,完成到达过程。

因不让盾构机再次推进,有防止地基坍塌之效果,洞口防渗性也很强,但基改良的规模增大,而且必须设置隔墙,故扩大了到达准备作业的规模,保证了地层稳定。这种方法多用于大断面盾构工程中。

三、盾构姿态及线形控制和调整

下井初装的滚动和初装角度控制取决于初装支座和顶进支架。开始时盾构放在支座上,依靠支架逐渐顶进。靠油缸和支架顶进方式来定向。支座和支架的精度十分重要,精度足够才能保证初始方向和梯度。支座结构和初始密封是否合适是影响初始装配的关键因素。

1.盾构姿态偏差。盾构的姿态偏差主要是方向偏差和滚动偏差。方向偏差是指盾构在水平和竖直方向偏离了线路的方向,滚动偏差则指盾构的机身沿其轴线发生了旋转。由于隧道通过的岩层软硬不均、岩层界线变化较大,且盾构在掘进过程中还需要适应线路在平面方向和竖直方向的变化,盾构掘进参数的设置不可能随时都能完全适应掌子面的岩石情况,因此盾构容易发生方向偏差,即上下和左右方向的偏差;另外,由于盾构在掘进过程中是依靠刀盘的旋转来挤压和切削岩体而工作的,因此盾构机身有向刀盘旋转方向相反的滚动趋势。如果这种滚动趋势得不到有效的控制,盾构就会发生滚动,即发生滚动偏差。方向偏差和滚动偏差都会对盾构的掘进带来不利的影响,因此有必要对其进行控制和纠正。

2.盾构姿态监测。(1)方向偏差的监测。采用人工监测和机器自动监测相结合的手段对盾构的方向偏差进行监测。人工监测采用的主要仪器是电子经纬仪,通过测量盾构的竖直角和水平角的变化来确定盾构在竖直方向和水平方向偏差。自动监测则采用盾构自带的激光导向系统;(2)姿态的监测。与方向偏差的监测类似,也采用人工监测和机器自动监测相结合的手段进行监测。人工监测的主要仪器是精密水准仪,通过测量监测点的高程差来计算滚动角。自动监测则采用盾构自带的滚动角测量系统进行监测。

3.盾构姿态调整。(1)方向偏差的纠正和方向的控制。盾构在设计和制造时,为了控制和纠正盾构的掘进方向,将推进油缸划分为四个区域,每个区域的油缸编为一组,每组油缸设有一个电磁比例减压阀,用来调节该组油缸的工作压力。另外,每组推进油缸中都有一个油缸装有位移传感器,以显示该分区的行程。通过控制各分区的工作压力,进而控制各分区的推进量,便可以控制盾构的方向,同时也可以通过调整各区域的推进量来纠正方向偏差;当盾构出现左偏时,则升高左侧B区域的油缸压力,同时降低右侧D区域的油缸压力,这样左侧的推进量相对于右侧的推进量就会变大,从而实现了纠偏。与此类似,当出现右偏时,则加大右侧千斤顶的推进量。当出现上仰时,则加大上侧千斤顶的推进量;当出现下俯时,则加大下侧千斤顶的推进量。盾构在通过水平曲线和竖向曲线时,应对盾构推进千斤顶的油缸进行分区控制,以便使盾构按预定的方向偏转。(2)滚动偏差的纠正。当盾构的实际滚动偏差超过允许值时,盾构会自动报警,此时应将盾构刀盘进行反转,以实现纠偏。在围岩较硬的地段,盾构与地层的摩擦力较小,盾构容易发生滚动,为了防止盾构反复出现偏差和进行纠偏,应及时使用盾构上的稳定器。

4.纠偏要点。(1)盾构出现蛇行时,应在长距离范围内慢慢修正,不可修正过急,以免出现更多蛇行或更大的蛇行量;(2)根据掌子面地层情况及时调整掘进参数,避免出现更大的偏差;(3)在纠正滚动偏差而转换刀盘转动方向时,宜保留适当的时间间隔,不宜速度太快。

四、结语

由于盾构机本身的复杂性,因此掘进的过程是一个机械与土建技术互相配合的过程,只有两方面都做好了,掘进才会顺利。因此任何将其单独割裂开来的做法都是不合适的。

参考文献

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