深圳城市轨道交通8 号线工程中的TBM双护盾施工技术
2022-06-15吴文龙
吴文龙
(中交二公局第三工程有限公司,西安 710000)
1 工程概况
根据深圳地铁8 号线一期梧桐山—沙头角区间双护盾TBM 在中分化围岩掘进经验,刀盘转速7.5 r/min,刀盘扭矩1 300 kN·m,掘进速度65 mm/min,总推力8 200 kN。5 刀盘转速1.2 r/min,刀盘扭矩300~500 kN·m,掘进速度5~10 mm/min,总推力4 000~5 000 kN。TBM 始发时控制刀盘切削围岩最大推力不超过600 t。
2 TBM双护盾施工技术的应用优势
双护盾TBM 是地铁盾构施工中的重要设备,其包含两节盾构壳体,除了有效保证开挖面的稳定性(避免坍塌),还适用于曲线开挖的施工环境。双护盾TBM 的适用范围较广,在硬岩、软岩等地质条件中均具有可行性,且其稳定可靠的优势在穿过断层破碎地带体现得更为明显。
双护盾TBM 具有全圆的护盾,相比于单护盾TBM,其在地质良好的区段能够同时完成掘进和管片安装两项工作。双护盾TBM 具有伸缩护盾,得益于该结构的灵活性,可高效完成软、硬岩作业转换操作。
双护盾TBM 有两种掘进模式可供选择,具体为单护盾、双护盾的掘进模式。其中,对于稳定性不足、地质条件欠佳的地段,较为适宜的是采用单护盾掘进模式;若施工现场地层的稳定性较好、围岩仅有小规模的薄弱区,可以采用双护盾掘进模式,此时洞壁岩石因其自身具有护壁作用而维持稳定,TBM掘进过程中,支撑系统伸出水平支撑靴,利用该装置稳定支撑洞壁,与此同时支撑靴提供掘进反力,为盾构掘进创设了良好的条件。
3 双护盾掘进模式的具体应用
随着TBM 掘进施工进程的推进,达到12 m 后盾体完全进入围岩,此时启用双护盾模式。撑靴缓慢伸出,稳定卡住洞壁,由该装置提供掘进所需的反力以及反扭矩。通过对主推油缸的调控,有效推动刀盘和前盾,使两类装置向前移动。经过一个步进的施工后,伸缩盾继续掘进,并于盾尾拼装管片。在双护盾模式施工中,各道工序得到有效的协调,施工秩序有条不紊。
3.1 工艺流程
TBM 双护盾施工工艺流程,如图1 所示。
3.2 TBM掘进施工
主推进油缸提供推力,促进刀盘的移动;伸缩盾伸开,刀盘向前推进;及时启用撑靴,该装置稳定撑在洞壁上,可提供掘进反力,以满足掘进施工要求;后配套台车稳定在隧洞中,刀盘破岩过程中产生的渣土经由溜渣槽进入皮带输送机,而后转至编组渣车;期间,于盾尾安装预制管片。刀盘每掘进1.5 m,视为一个循环。
3.3 换步操作
主推进油缸达到最大掘进行程时,TBM 停机换步,在执行此项操作时,刀盘停止转动,撑靴以相对较慢的速度收回;联合应用主推进油缸(牵引)和辅助推进油缸(顶推),促进TBM 前移特定的距离,此时后配套根据实际情况同步前移,经过前述的转换操作后,主推进油缸呈收缩状态;此后,撑靴依然撑紧洞壁,以便进入下一循环。换步的具体流程如图2所示。
图2 换步流程图
3.4 掘进方向的控制
受现场地层软硬不均、坡度变化等多重因素的共同作用,TBM 掘进时实际姿态可能会偏离隧道轴线。若偏差较大,将导致隧道衬砌侵限、盾尾间隙减小,进而影响管片的正常使用,有局部受力恶化的现象,地层损失增加并使地表显现出更为明显的沉降。因此,在施工中必须加强对TBM 掘进方向的检测,准确判断实际偏差,采取调控措施。
3.4.1 掘进方向的控制
图1 TBM双护盾掘进模式施工工艺流程图
1)姿态监测。联合应用VMT 自动导向系统和人工测量两种方法,共同完成TBM 的姿态监测工作。适配的VMT 系统具备全天候监测的能力,可及时呈现出TBM 的位置以及其与设计轴线存在的偏差,以监测结果为依据,灵活调整TBM 的掘进方向,将偏差控制在许可范围内。随着TBM 掘进施工进程的推进,导向系统后视基准点根据工程进度适时前移,正常情况下每100 m 延伸一次导向系统。每周安排两次人工测量导向系统的测量数据。除此之外,根据测量数据复核TBM 的姿态。
2)姿态方向的调整。分区操作TBM 推进油缸,实现对TBM 掘进方向的有效控制。综合考虑系统呈现出的TBM 姿态信息、分段轴线拟合控制计划、现场地质条件,针对性地操作TBM 的推进油缸,精细化控制掘进方向。
3.4.2 水平方向的纠偏
左偏时,加大左侧千斤顶的推进压力,并在原基础上适当减小右侧千斤顶的推进压力,经调整后,使TBM 姿态具有合理性。纠偏遵循的是“多次、少量”的基本原则,避免一次过量纠偏的情况。精准计算,根据计算结果有效控制千斤顶的行程量以及压力,经过调控后,使TBM 沿着设计轴线推进。隧道轴线水平位置、轴线高程的允许偏差均不可超过±50 mm。
3.4.3 纠偏注意事项
1)以掌握的掌子面地质条件为参考,合理调整掘进参数;设定具有可行性的警戒值与限制值,用于控制掘进方向,若实际偏差达到警戒值,及时启用纠偏程序,尽快完成纠偏。
2)纠偏宜采取蛇形修正的方法,以缓慢的速度推进,若修正操之过急,有可能加大偏差。
3)注重TBM 的及时纠偏,以免卡壳。
4)严格控制推进油缸的油压,若要对该项指标加以调整,需做到“缓慢、微量、多次”,否则可能会导致管片局部受损[1]。
3.5 TBM管片拼装
3.5.1 止水条及垫片的设置
1)根据要求选择优质的止水条,安装工作由专员严格依据作业指导书进行,全程均要具有规范性。
2)加强防护,避免存放的止水条遇水、受潮,确保投入使用的止水条可完全满足要求。
3)管片拼装施工前,加强对止水条实际情况的检查,若有受损或是遇水膨胀现象,该部分均不具备使用的价值,应予以更换。
4)在使用垫片前,先安排技术交底,使每位施工人员均掌握垫片的使用方法,并加强对垫片原材料的检查,任何不满足要求的材料均不可投入使用。
3.5.2 管片的存放、运输
1)提前规划管片的存放场地,要求现场具有平整性与稳定性,而后按照型号将管片分类码放到位,统一使内弧面向上平放,用垫木分隔管片,避免管片直接磕碰而受损。管片内弧面向上时,堆放的数量不宜超过4 层,同时应保证每堆管片均有合理的安全吊运间距。
2)若管片表面有缺棱掉角、裂缝(指的是宽度超过0.2 mm的裂缝)或其他异常状况,均要查明实际情况,予以修补,使管片恢复完整。修补所用材料的强度不可小于管片的设计强度,经过修补处理后,管片需满足形态完整、稳定可靠的基本要求,与原管片断面紧密结合,不可形成干缩裂缝。
3)运输时,将管片放在支垫物上,层间设置垫木,用于分隔管片。有效调整管片,每层支撑点需在同一平面,各层支垫物需在同一直线上。管片运输时加强防护,避免磕碰。
3.5.3 管片的起吊、移动
管片运至现场后,利用管片吊机有序卸下,而后起吊至指定安装区域,具体操作要点为:管片上设置了吊装孔,在该处拧紧吊装螺栓;启动管片吊机,使该装置靠近待吊装的管片,并稳定锁住吊装螺栓;由专员操作管片吊机,将管片朝着刀盘方向运转,到达连接桥所在区域时,对管片做旋转处理(90°);此后,继续吊装管片,直至其到达指定安装部位为止。按照前述提及的流程重复施工,将各管片吊装到位[2]。
3.5.4 管片的拼装
按照自下而上的顺序依次拼装管片。底部管片就位后,开始拼装两侧的标准管片和临接管片,确认无误后将封顶管片拼装好。封顶块拼装时,先水平搭接2/3 环宽径向上推,而后再纵向插入。全过程中,拼装机尽可能位于中间位置,目的在于减少接缝。
管片均就位后,开始正式拼装,为保证管片的稳定性,将管片弯曲螺栓拧紧。后续待管片拼装成环、管片脱离盾尾后,依次拧紧弯曲螺栓。根据前述提及的思路,确定管片拼装的基本流程为:
1)操作管片机,将待安装的管片转至指定的拼装区域内。
2)调整拼装机机械手,使该装置临近并锁住吊装螺栓。
3)调整待拼装施工范围内的千斤顶,使该装置缩回。
4)由专员操作管片拼装机机械手,完成一系列动作(将管片抓住、提升、前移、旋转、就位)。
5)对拼装机机械手的角度做灵活调整,伸出前期缩回的千斤顶,利用此装置压紧管片,同时将螺栓穿至指定位置并拧紧,保证稳定性。
6)机械手松开吊装螺栓,从管片上移出管片拼装机,恢复至提升管片的位置,做好准备工作,以便继续吊装后续的管片。
7)按照前述提及的流程重复施工,直至标准块和连接块拼装到位为止,再安装封顶块。
8)管片拼装后,及时测量千斤顶的伸长量和盾尾间隙,完整记录数据,作为分析的依据。管片脱离盾尾时,应再次复紧螺栓[3]。
3.6 豆砾石充填与回填灌浆
3.6.1 主要作用
TBM 掘进过程中,向倒数第三环管片背后吹入豆砾石,并用浆液填充倒数第七环的建筑空隙。经过填充操作后,起到如下作用:维持管片的稳定性,避免错动;提供防水功能;有效防护管片,以免其受到地下水的侵蚀。
3.6.2 填充量的计算
在盾尾后倒数第三环开始填充豆砾石,要求管片外侧与岩石间存在的空隙得到有效的填充处理。填充时,按照“先拱底、再两侧、最后拱顶”的流程有序施工,保证填充的密实性,避免豆砾石出现架空的现象。
按式(1)计算每环的豆砾石填充量:
式中,A1为刀盘开挖面积,m2;A2为隧道断面面积,m2;L为每环管片长度,m;P为豆砾石填充的密度,kg/m3。
3.6.3 注浆量的计算
豆砾石的孔隙率为43%,按照式(2)进行计算,确定每环水泥浆注浆量:
根据设计方案,水灰比为(0.7~1)∶1。
豆砾石及水泥浆注入流程如图3 所示。
原材料选取方面,豆砾石粒径为5~10 mm;水泥选用的是普通硅酸盐水泥,强度32.5 MPa。施工参数方面,注浆压力0.05~0.5 MPa,注浆终孔以注浆压力为主,注浆量为辅,确认各项参数均无误后,方可终孔。
图3 豆砾石及水泥浆注入流程图
4 结语
综上所述,双护盾TBM 的适用性较强,在硬岩、软岩等地质条件中均具有可行性。随着技术研究的深入以及工程实践经验的积累,双盾构TBM 的应用水平逐步提高,成为地铁盾构施工中的重要设备。经过本文的分析,提出TBM 双护盾施工技术的一些具体应用要点,通过合理安排,组织施工,保证了工程的顺利进行。