土压平衡盾构施工中盾构机的操作与管片选型

董建刚 王 云

随着现代城市的不断发展和进步,地面交通已经变得越来越拥挤。盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有对环境影响小、不受地表环境限制、施工时地表占地少、不受天气条件限制、适应地层范围宽等明显优点。此外,在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中,盾构法也往往以其经济合理而得到采用。目前,国内有20多个大中城市正在或计划采用盾构法施工地铁隧道。随着盾构施工项目的增多,越来越多的单位加入盾构隧道施工中,由于管理水平及施工经验的差距,盾构事故也随之增多。盾构施工“人是根本”,地质是需要人去认识的,盾构机是需要人去掌握的。由于盾构机操作手处在施工的第一现场,操作手的能力及水平高低直接决定隧道的施工管理水平。

1 盾构机的基本功能

盾构机一般由壳体、正面支撑机构、推进油缸、开挖及运输机构、衬砌拼装机构、液压系统、注浆系统和盾尾密封装置组成,是一种隧道推进的专用工程机械。盾构机的基本工作原理就是在壳体(它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用,承受周围土层的压力,有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在壳体的掩护下进行)掩护下,刀盘开挖下来的土体过刀盘开口进入开挖仓,推进油缸的推力通过压力挡板传给开挖仓内土体,从而保证开挖面的稳定。开挖仓内的渣土通过螺旋输送机输送出去。通常使用预应力钢筋混凝土管片进行衬砌。

2 盾构机操作者的能力及现状

操作手应具备一定的机械电器及工程地质知识,对盾构机机械结构、电气配置、隧道地层及线路情况有基本的了解。

盾构施工要求操作手具有专业的知识水平、丰富的施工经验、高度的责任心和灵活应变的能力。就像熟练的司机可以根据道路及车流状况合理驾驶车辆而不发生事故。

目前,国内操作手的学习专业背景各不相同,有的是机械电器专业、有的是土木建筑专业、有的甚至是中学毕业的工人。知识背景的不同对盾构施工认识的角度不同,有的重视机械设备,有的重视电器设备,有的只关心施工进度等,没有把盾构施工看成一个集机械、电器、土建于一身的系统工程。

操作手的施工经验各不相同。由于施工环境和人的思想观念,有的单位让中学毕业的工人操作盾构机,足见操作手的生存环境和对操作手重要性的认识还有待提高。

操作手具有良好的责任心是非常重要的。目前,在施工单位,操作手的待遇和承担的责任还不对称,真正有能力承担和愿意承担责任的操作手还太少。

灵活应变的能力。盾构施工地质情况是千变万化的,技术部门的掘进参数是根据不可靠的资料制定的一个范围,操作手要分析所有参数的影响,根据实际推进情况进行适当调整或改变,找出参数之间的影响以及与地质之间的联系,根据推进情况判断地质变化并及时调整掘进参数,使盾构机始终在一个最优的状况中运行,让盾构施工向着优质、高效的方向发展。

3 盾构机的操作

3.1 盾构机启动前的注意事项

1)检查冷却循环水水管卷盘、高压电缆卷盘、台车电瓶车轨道等的延伸和连接是否正常。

2)检查供电电压是否正常、检查皮带机、皮带是否正常、检查出碴系统是否已准备就绪、检查空压机运行是否正常。

3)检查注脂系统是否正常、检查发泡剂液位是否正常、检查发泡剂桶下端的开关是否处于开启位置,推进时观察液面下降情况。

4)检查注浆系统是否已准备好并可以正常运行。

5)检查盾构操作面版状态,开机前应使螺旋输送机前门处于开启位,管片安装模式应关闭,无其他报警指示。

6)检查导向系统是否工作正常,若发现存在问题,首先处理或解决问题,然后再准备开机。

7)检查设备有无其他异常情况,注意是否有人在进行设备的维修保养工作,确认他人的人身安全,盾构掘进无关人员撤离到安全区域。

8)熟练掌握关于本段盾构掘进所发布的掘进参数指令,如掘进模式,土仓压力,线路数据,注浆压力等。

3.2 掘进时的注意事项

1)根据测量系统面版上显示的盾构目前自转状态选择盾构机刀盘转向,刀盘启动时,要缓慢的增大刀盘转速,严禁旋转旋钮过快,以免造成过大冲击,损伤设备。2)缓慢开启螺旋输送机后门,防止开门的速度过快,发生喷涌。3)注意泡沫的注入量,尤其在刚开始掘进时,注意泡沫注入量和土仓内土压的平衡。4)即使不需要发泡剂,都要间隙性地轮流使用发泡系统,防止泡沫管道堵塞。5)为了保证盾构的铰接密封、盾尾密封工作良好,同时也为了保证隧道管片不受破坏,盾构在调向的过程中不能有太大的趋势。6)根据地层的不同保持不同的土仓压力,具体压力值由掘进指令决定。但最大土仓压力值一般不能大于0.3 MPa,否则有可能损坏主轴承密封系统。对于地面沉降要求比较严格的区域,要参照推进量双重控制。7)当盾构处于水平线路掘进时,应使盾构保持稍向上的掘进姿态(趋势值为1 mm/m～2 mm/m),当盾构机在软弱地层推进时应尽可能使盾构机保持在轴线上方20 mm～30 mm推进,以纠正盾构因自重而产生的低头、下沉现象。当盾构机在富水硬岩地层推进时应尽可能使盾构机保持在轴线上方20 mm～30 mm推进,以抵消管片脱出盾尾后的上浮,保证隧道轴线。8)为较好控制盾构机姿态并保证良好的盾尾间隙,推进油缸行程差应控制在50 mm以内。9)当盾构机为被动铰接时,掘进过程中尽量保证各铰接油缸的行程在适中的状态,行程差尽量的小,一般应控制在30 mm以内。当盾构机为主动铰接时应尽量使上下行程和与左右行程和相等。10)当盾尾密封在某一位置有渗漏时,可以在对应的方位进行手动注脂。11)坚持长期统计出土量、发泡剂比例及用量、各种油脂用量等,以便为类似地层提供参考。

3.3 盾构机停机的注意事项

1)根据刀盘扭矩、土压力决定停止推进、停止发泡系统、停止螺旋输送机的顺序。2)确认发泡系统完全关闭,逐步降低螺旋输送机的转速至零。3)关闭螺旋输送机后门、停止皮带机。4)若刀盘扭矩较大,则应持续转动刀盘,适当的搅拌土仓内渣土,当扭矩降低至一定程度时缓慢减小刀盘转速至零,并停止刀盘转动,这样利于下次刀盘启动时扭矩不至于太大。5)停止同步注浆后,为保证注浆管道畅通,必须清疏、维护注浆管道。

4 管片的选型

4.1 管片选型的原则

1)盾尾间隙均衡原则:管片选型最理想的是使管片安装后,盾尾间隙达到均衡,使盾构机在掘进下一环后盾尾间隙仍然在合理范围内。

2)推进油缸伸缩均衡原则:管片选型时在考虑盾尾间隙均衡的同时,还应考虑掘进千斤伸缩差值,并明确当前行程差和推进结束后行程差变化,根据推进油缸伸缩差值对后安装管片的影响,应尽量减小推进油缸伸缩差值。

3)管片转向与盾构机趋势一致原则:管片选型时应注意考虑盾构机的趋势,管片选型应与盾构机趋向一致,才能减少推进时引起管片错台。

4)根据线路转弯半径确定直线环、转弯环大致比例原则:对于线路存在水平、竖直曲线的路段,管片选型前首先要根据线路情况通过拟合线路计算,确定直线环、转弯环大致比例,在此区间选择管片时应尽量维持此比例。

4.2 管片选型的影响因素

1)转弯管片的设计构造。为满足曲线模拟和施工纠偏的需要,专门设计了左、右转弯楔形环,通过与标准环的各种组合来拟合不同的曲线。管片选型时首先要明确转弯环的构造及最大楔形量。

2)管片拼装点位对楔形量的影响。管片封顶块的拼装点不同,管片最大楔形量的方向不同。通常在施工前计算好管片封顶块拼装在各个点位时在水平、竖直方向上的楔形量,以便于操作手根据需要选择。

3)线路转弯对推进油缸行程的影响。在选择管片时不但首先要保证拼装后推进油缸的行程差,也要预见掘进完下一环的推进油缸的行程差。施工前可以根据不同线路转弯半径计算出推进一环管片长度,上、下、左、右侧推进油缸的行程差。

4)线路转弯对盾尾间隙的影响。管片选型前不但要仔细测量当前环盾尾间隙量,还要预测下一环推完后盾尾间隙变化量,以便合理选择管片。施工前亦应根据不同线路转弯半径计算出推进一环管片长度,上、下、左、右侧盾尾间隙的变化量。

5 结语

盾构隧道的顺利施工不仅仅依赖先进机器,也要通过合理的操作、选择合适的管片来实现。在盾构法施工中“地质是基础,盾构机是关键,人(管理)是根本”。“提高盾构操作者的水平及能力是减少施工管理过失最直接的方法”。希望通过此文能对盾构施工单位及盾构操作者有所帮助。

[1] 竺维彬,鞠世健.论复合地层盾构施工的理论体系[J].现代隧道技术,2007(sup):1-8.

[2] 董建刚.土压平衡盾构推进中施工管理过失的研究[D].广州:中山大学硕士学位论文,2009.

[3] 材料设备部.盾构机操作规程[J].广州市盾建地下工程有限公司,2005(8):96-97.