地铁施工中盾构法施工技术的探讨

王华

(湖北省路桥集团有限公司,湖北武汉 430000)

地铁施工中盾构法施工技术的探讨

王华

(湖北省路桥集团有限公司,湖北武汉 430000)

盾构施工技术在地铁施工中是极为重要的技术之一,文章主要介绍了盾构技术实例的分析,并针对土压平衡式盾构机介绍了盾构法施工的主要技术参数,供参考。

盾构法 地铁施工 问题探讨

1 地铁施工中盾构技术

所谓“盾构”,是指配有护罩的一种专门用于隧道开挖的专用设备,工作原理是在盾构后面带有衬砌,利用它当做支撑点支撑整套设备前进,然后利用刀盘来将岩土切割,并将切割后的岩土碎屑排除,同时将衬砌拼装。所谓“盾构技术”是指用盾构设备的盾壳来支撑和保护隧洞,以防出现水侵和坍塌现象,将隧洞中的岩土切削,将管片安装后进行灌浆,保障隧洞洞身的质量。盾构法施工最早出现在欧洲,随后在美洲和日本发展较快,迄今为止已在世界各地得到广泛应用。

2 地铁施工技术发展概况

我国的地铁隧道施工中采用的方法主要有矿山法、盖挖法、明挖法、暗挖法、盾构法进行施工。

(1)矿山法施工的优点是施工场地要求占用小,但是当地下出现有水的情况是无法正常进行作业,必须在作业过程中将地下水排除;在开挖和支护施工中必须人工操作,作业效率低,安全性差;此方法对于地表沉降问题难以得到有效解决,因此对于地下管道和地上建筑物会造成一定程度的破坏。

(2)盖挖法施工过程中优点是施工占用场地也较小,对地面建筑

物影响较小,施工作业也较安全,但是施工工序十分复杂,施工条件较差,且存在交叉作业现场。

(3)明挖法施工占用场地较大,在一些交通比较拥挤的地方难以施工,环境污染严重。

(4)暗挖法施工优点是对于地面的情况干扰较小且比较经济,但是施工作业效率低,风险大,劳动强度高。

(5)盾构法施工基本集合了前几种方法的优点,地层适应性强,可以在地下有水情况进行作业,对环境污染较小,全机械化施工,作业效率高,且对地表沉降能够合理控制因此对地面建筑影响较小。

3 地铁施工中盾构法地铁应用技术参数

针对土压平衡式盾构机来进行分析相关的技术参数,其主要是靠压力仓的土压力来支撑隧道壁面。

(1)平衡压力值。根据经验公式有:P=KRH。

其中:P为平衡总压力;R为土体平均重度,kN/m3;H为隧道埋深,m;K取0.6～0.8。

(2)出土量。每环理论出土量:V1=(πD2)/4。

其中:D为最大直径。实际出土量取理论值98%～100%。

(3)推进速度。一般取3cm/min～5cm/min,当有建筑物时,取1cm/min。

(4)盾构轴线。与设计偏离不得大于50mm。

(5)地面变形量。一般控制在+10～30mm内。

(6)同步注浆。每环空隙V2=π(D2-d2)/4其中:D为盾构外径;d为管片外径。压浆量为空隙的150%～250%。

(7)壁后压浆。当需特殊保护时,根据地层变形监测的信息来进行操作。

4 地铁隧道断面及有限元网格

4.1 有限无网络

根据武汉市地铁办提供的资料,地铁隧道直径6m在一般地段埋深7m。

有限元网格见图一,其尺寸为水平方向×垂直方向＝50m×40m,有8306个节点,8148个单元。计算中假定地层分界线均为水平方向。

4.2 施工模拟

盾构法施工的特点是在一个圆筒形移动式金属支撑的掩护下开挖地层及安装衬砌。鉴于目前仅是意向性地提出采用盾构法施工,其细节尚待落实,还无具体的施工方案和支护形式。为了进行数值模拟,在计算中采取下述假定:两个隧道同时开挖,并为了近似考虑“地层损失”和衬砌环与围岩之间发生接触及密贴要有一个时间过程,认为洞室开挖后荷载立即释放70%(即变形释放),而后加上衬砌环(假定为由厚度25cm的混凝土砌块组成),余下的30%开挖荷载再释放掉(由围岩和衬砌环共同承受)。

4.3 实现盾构端头井加固工艺

首先针对该市铁路进行加固,在铁路的路基进行加固时采用了预应力锚索对拉的方法,锚墩作为桩板墙。锚墩桩作为挖孔其中桩长为8m,用到的是1.0m×1.5m的钢筋混凝土板,将钢筋混凝土板沿铁路的路基的两侧按照对称分布原则进行布置,保证纵向的间距约为3m左右。锚墩桩与锚墩桩之间采用0.2m厚的钢筋混凝土板进行连接。采用预应力锚索将铁路两侧的锚墩桩进行对拉,其中锚索就是1×7的钢绞线,并且在竖向上已设置3道,采用预应力锚索桩进行板墙加固,如图2(a)(b)所示。

采用预应力锚索桩进行板墙加固的施工顺序为:一是进行挖孔桩。采用人工操作进行挖孔,采用厚15cm的混凝土进行护壁,在护壁时保证高出地面约30cm,目的是不让其他的杂物落到井内,保证安全。在人工挖孔后的井口周围需要设置一个护栏,在护栏上挂安全网,并且在护栏的上面需要标上安全警示标志,在不开挖的时候将其盖上保护起来。在地下水位以下的地方每节护壁长约0.5m,水位以上时每节护壁长约1.0m,并且在两节护壁之间的位置处需要设置直径16mm、拉筋长40cm的钢筋拉杆,环向间距约为30cm左右,采用3mm厚的组合钢材料的模版来作为护壁的模版,并且用10cm×10cm的方型木块来对撑住。当人工挖孔出现水量较大的情况时,需用1.5kW的潜水泵抽水使水位降到一定位置然后进行施工。将板桩的钢筋笼进行集中加工,在下笼时需采用履带吊进行吊装,当放置到设计的高度时,然后用槽钢扁担放置到护壁上面来进行控制其标高。采用C20商品混凝土来作为桩身使用的混凝土。在井口位置处设料斗,然后在其下面悬挂串筒,保证串筒底与孔底的距离不大于1.0m,用汽车泵输送混凝土,混凝土用汽车泵水平输送,采用插入式振动棒进行振捣。

图1 有限元网格

图2 预应力锚索桩板墙加固示意图

图3 地铁隧道与铁路关系图

4.4 穿越平南铁路方案

如图3所示,在DK23+107-DK22+683段,该市铁路和盾构隧道大致平行,从DK23+107段隧道左转曲线与铁路交叉,隧道穿过铁路后向右拐弯下穿铁路,到DK23+670时穿出铁路。盾构机在下穿铁路时,存在砾砂层,由于理深较浅且,距离较近,此时盾构掘进需采取加固措施,采用超前钻进打眼注浆。确定出注浆的范围在隧道外侧的3m内。

4.5 地铁施工中盾构机掘进措施

(1)调整盾构机,当地质地段相类似时,需进行模拟掘进工作,在盾构机靠近铁路前,需将盾构机掘进参数和状态调整好。

(2)在工作时需保证盾构机运转良好,尽量减少或避免盾构机发生故障的次数,以免造成时间拖延,降低工作效率。在施工过程中采用土压平衡施工方法保障沉降量较小。

(3)选择了加泥土压平衡盾构机,跟好地保证了施工安全和进度。通过改良地层减小地表沉降。

(4)采取错缝拼装进行隧道衬砌,目的是可以发挥管片环间螺栓的纵向加强作用,从而加强了管片间接头处的薄弱部位,使得管片环整体刚度有所增加,从根本上控制了砂层地段管片的结构变形、结构受力和防水方面的问题,使得地铁施工过程中出现的大变形和渗漏问题得到有效地解决和控制。

(5)根据施工环境和地层情况,选用泌水性小、和易性好、具有一定强度的浆液,及时填充地层和隧道间的空隙,通过适当加大浆液的注入量来保护周围环境和建筑物。同步注浆不足时采用二次注浆。采用双液注浆(水泥+水玻璃浆液)可以减少地面变形和地基不均匀沉降量。注意注浆量和注浆压力,防止地基隆起现象发生。

(6)实测反馈盾构施工过程中的地面变形情况,采取优化调整参数,检验参数是否合理。平南铁路和砂层地层时,推进速度不宜过快,减小超挖量,缩短注浆时间,保持稳定。

(7)咨询铁路主管部门,信号线及铁路允许变形指标,保证安全和通信正常,将施工前的地层沉降预测量与设定的沉降控制指标和预警值对比,出现问题时,及时报报警。必须加强监控量测工作及信息反馈工作,及时采取注浆措施来调整沉降曲线。

5 结语

总之,随着技术的进步,掘进机开始出现并且体现了自身的许多优点,具有掘进安全、经济效益显著、隧洞洞壁质量高、掘进速度快等。近年来,掘进机施工工艺已取得较大进步,采用了技术含量较高的盾构技术,能够实现全断面掘进,然后进行放置管道,盾构技术的出现使得施工效率更高,月进尺能够达几百甚至千米,而且盾构技术的适用范围较广,对于岩石较硬和软土等复杂的地质条件均能使用,尤其是针对地下水力压力大的工况下,更能显示出其优点,弥补了其他方法的不足。随着经济社会发展,我国的城市建设日程逐渐加快,地铁需要逐渐增加,盾构技术的应用更加广泛。

[1]机械电子工业部第三勘察研究院.武汉市同益大厦工程地质勘查报告书[R].1992.

[2]王文军.盾构法隧道施工穿越淤泥质软土地层控制沉降技术探讨[J].价值工程,2010年25期.

[3]周明斌.深基坑开挖方法的探讨[J].中国住宅设施,2009年06期.

[4]何成滔,王耀.天津地铁3号线盾构法施工技术[J].中国铁路,2010年07期.