济南某地铁区间盾构专项施工技术*

董刘强

(中铁十八局集团第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

地铁交通是现代城市的重要组成部分,而盾构法是地铁建设中的一项关键技术。地铁区间盾构施工是地铁建设的重要环节,其始发、掘进、接收等阶段的专项施工方案对于确保施工质量、提高效率至关重要。本文以济南轨道交通4号线一期工程为例,提出了一套系统而全面的地铁区间盾构施工方案,旨在为地铁建设可行性和有效性提供参考,推动地铁工程的可持续发展。

1 工程概况

济南轨道交通4号线一期工程07工区总里程长4.82km,如图1所示,盾构区间总长334m。

图1 区间地理位置Fig.1 Geographical location of the interval

1.1 工程地质与水文地质条件

山大路站—燕山立交桥东站区间的地貌单元为丘陵地貌,现状场地南高北低,东高西低。根据详勘报告揭露,拟建场地地基土的组成自上而下为:素填土、杂填土、粉质黏土、碎石、中风化灰岩、强风化泥灰岩、断层角砾夹泥、角砾岩、闪长岩等。左线隧道穿越的地层中,71.1%为中风化闪长岩,19%为强风化闪长岩,9%为角砾岩,0.5%为断层角砾夹泥,0.4%为全风化闪长岩。而右线隧道穿越的地层中,71%为中风化闪长岩,19%为强风化闪长岩,7.8%为角砾岩,1.9%为断层角砾夹泥,0.3%为全风化闪长岩。各地层主要物理力学指标如表1所示。

表1 地层主要物理力学指标Table 1 Main physical and mechanical indexes of strata

1.2 沿线环境

区间沿线建筑物如表2所示。

表2 沿线建筑物调查Table 2 Investigation of buildings along the line

1.3 盾构选型及配置

本盾构区间主要穿越地质为全风化闪长岩、强风化闪长岩、中风化闪长岩、断层角砾夹泥、角砾岩,根据盾构选型原则及选型依据,本工程采用JZ068,JZ094土压平衡盾构机,主要技术参数如表3所示。

表3 盾构机技术参数Table 3 Technical parameters of shield tunneling machine

2 施工工艺

2.1 盾构始发

盾构始发主要内容包括:洞门复测、车站内轨道铺设、始发基座及反力架定位、盾构吊装、盾构安装调试、端头降水(水位高于隧道底板)、水平探孔、安装洞门密封、洞门凿除、拼装负环、盾构试掘进、负环拆除等。盾构始发具体流程如图2所示。

图2 盾构始发流程Fig.2 Flow chart of shield tunneling initiation

1)盾构吊装前准备

盾构下井前,首先在车站底板内进行盾构后配套走行轨道及电瓶车走行轨道的安装铺设。根据盾构机及后配套的长度要求,后配套走行轨道铺设长度约为90m,电瓶车轨道长度为145m,轨道采用43kg/m钢轨,单根长度为6.0m,轨道之间采用轨道夹板连接。钢轨下采用扁钢作为钢枕。两组轨道(后配套设备及电瓶车)长约80m, 轨距2 180mm,考虑电瓶车的总长度及始发段出渣的需要,路轨总长度约为145m,轨距900mm,轨枕间距为1m,钢轨与钢枕之间采用标准扣件进行固定。

2)盾构吊装

台车下井顺序为:6号→5号→4号→3号→2号→1号→设备桥→螺旋机,每下井1节台车随即用电瓶车拉到车站内,给后一节下井台车提供位置,设备桥及螺旋机进入车站预存时采用5t葫芦进行加固,避免运输过程中发生倾覆,待盾体吊装、拼接完成进行安装连接。盾构吊装主要控制中盾下井误差,确保中盾中心线与隧道中心线在水平与垂直方向的误差在5mm以内,后续依次下井盾体只需与中盾完成拼接、平移。

3)洞门止水装置安装

洞口密封的目的是为了防止盾构始发造成洞门水土流失以保证注浆效果。盾构始发时,φ6 900预留洞口与盾构壳体形成环形的空隙将达到250mm。为防止盾构始发时水土流失而影响开挖面土体压力的建立及开挖面土体的稳定,必须设置性能良好的密封止水装置,以确保盾构始发施工安全顺利。本工程密封止水装置安装在始发洞口预埋的圆环板上,圆环板采用Q235B钢板制成,在车站结构施工时进行安装。圆环板上预留固定螺孔,帘布橡胶板通过压板、螺栓固定到洞口钢环上。

4)水平探孔

洞门围护结构凿除前应提前打水平探孔,检测破除洞门的水量和加固效果。水平探孔前已检测端头降水井水位,宜在水位低至隧底1m后开始作业。水平探孔深度不小于1.5m,孔径要求80mm,探孔主要分布在盾构范围边缘处(见图3),若发生透水现象,需采取封堵加固措施,确保始发时无地下水作业。封堵采用木塞和棉纱,将探孔堵住,在洞门的渗漏水初步封堵完成后,洞门垂直钻孔,采用压密注浆的方式对端头进行重新补充加固,直到土体加固效果达到设计要求,然后再打设水平探孔检查加固效果。

图3 水平探孔布置Fig.3 Layout of horizontal exploration holes

5)洞门凿除

燕山立交桥东站西端头始发洞门及山大路站接收端头围护桩结构为玻璃纤维筋,所以不需要割除钢筋,只需要破除洞门位置喷锚面混凝土用于观察钢筋情况。

6)涂刷盾尾密封油脂

在拼装负环之前,盾尾钢丝刷内要填充盾尾密封油脂,盾尾油脂能起止水、防止同步注浆浆液回流的作用。另外盾尾油脂也能减小钢丝刷的摩损,所以在拼装第1环管片时一定要填满盾尾密封油脂,并在管片组装前,分开钢丝刷,在钢丝刷中部的不锈钢网及钢丝刷上要充分填满。

7)洞门内始发导轨安装

因始发托架与洞门存在一定距离,为保证盾构在始发时不至于因悬空而产生“叩头”现象,需要在始发托架至洞门间沿始发导轨方向设置1个防“叩头”装置。导轨采用43kg/m钢轨制作,长度30cm,位于洞门钢环仰拱位置,作为始发基座钢轨的延长,导轨标高应比托架钢轨标高高1～2cm。

8)盾构始发加固区内掘进

始发掘进前人工复测一次盾构机在始发托架上的正确位置,并与盾构机姿态导向系统测量的位置进行比较,调整盾构机姿态后方可始发掘进。检查盾构机托架的稳固情况,检查防止盾构机“栽头”的导轨是否施作牢固且位置得当,查验盾尾外壳上的防扭转装置是否焊接牢固。

9)盾构试掘进

将盾构始发段前100m作为盾构推进试验段,此段施工时应注意对推进参数的设定,地面变形与施工参数之间的关系,并对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析,争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能,确定盾构推进的施工参数设定范围。

2.2 盾构正常掘进

1)盾构机掘进参数设定

通过区间试掘进100m,对各地层掘进参数、监测数据、成型管片复测进行统计、分析、计算,对掘进参数进行优化,并设定正常掘进段施工参数,为正常掘进段施工提供指导。根据区间地质水文特点、始发接收及重(较)大风险的要求(下穿沿线建构筑物及管线),施工中按照掘进参数进行施工控制,并结合地表监测数据进行优化调整。

2)姿态控制

通过自动导向系统和人工测量复核进行盾构姿态监控,盾构姿态应根据成型管片复核数据及时调整,以减小管片上浮产生的影响。自动导向系统同时设置滚动角及俯仰角等趋势,在出现超限情况下自动报警及刀盘跳停。导向系统后视基准点需随着盾构推进前移,前移时通过人工测量来精确定位。为保证推进方向准确可靠,每50m进行一次人工测量,以校核自动导向系统全站仪坐标及后视棱镜坐标,基准点要经过双导线闭合测量,确保盾构沿着设计方向掘进施工。

3)渣土改良

因本区间地质以中风化闪长岩、强风化闪长岩、角砾岩为主,故不需要使用膨润土进行渣土改良。本区间使用的添加剂主要为泡沫,用以改变开挖面土体的各项性能。

4)洞内注浆

洞内注浆采用同步注浆法、即时二次注浆法、补充注浆法。同步注浆与盾构掘进同时进行,通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管,在盾构向前推进盾尾形成空隙的同时,采用注浆泵同步注浆。注浆通过压力和流量进行控制,确保其填充饱满。即时注浆是在每一环掘进完成后,从距离盾尾管片5～8环位置实施背填注浆(双液浆)。在特殊地段,如穿越重要建(构)筑物及管线或岩溶地层时,采用两套注浆系统同时进行盾尾同步注浆和管片即时注浆。根据工程实际情况(如管片渗漏、隧道上浮、沉降等),可采取在管片注浆孔进行二次(或多次)背填注浆,注浆通过压力进行控制,减少后续沉降。

5)隧道衬砌管片拼装

区间管片拼装流程如图4所示。

图4 管片拼装流程Fig.4 Flowchart of pipe assembly

6)洞内轨道安装、拆卸

洞内轨道安装、拆卸施工工艺流程如图5,6所示。

图5 台车轨道安装流程Fig.5 Flowchart of track installation

图6 电瓶车轨道铺设流程Fig.6 Flowchart of battery car track laying

7)洞内通风

隧道内一次风机安装在车站中板上,采用轴流式风机压入式通风,功率55kW,流量667m3/min,主风筒直径800mm,固定于管片拱顶的钢丝绳随着台车移动向洞内推进;台车上设置二次风机,功率15kW,主风筒接至6号台车,通过盾构自带二次通风管(600mm)将新鲜空气送至拼装区域。

2.3 盾构接收

盾构到达段掘进是指盾构机距离接收井口50～100m范围内掘进。其工作主要内容为:测量、洞门复核、端头加固、接收基座定位加固、安装洞门帘布橡胶折页板、端头降水、洞门水平探孔、洞门凿除、进站各阶段掘进参数控制、管片拉紧、封堵洞门等,具体流程如图7所示。

图7 盾构接收工作流程Fig.7 Flowchart of shield receiving

3 区间测量及监测

1)洞门复测

洞门圈的内边缘是一个圆,为了确定圆心,可以在洞门圈的内边缘选取3个点并测量其三维坐标,过这3个点的外接圆圆心即为洞门圈的中心,也可根据3个点的三维坐标计算得到(见图8)。在本次施工测量中,为了提高测量的精度和可靠性,选取8个洞门圈内边缘对称点进行测量,计算洞门钢圈净空及其中心坐标。将实测的洞门中心与设计进行比较,从而指导盾构机顺利进出洞。

图8 盾构机测量原理Fig.8 Measurement principle of shield tunneling machine

2)盾构机始发姿态参数测量及复核

测量盾构机水平偏移、俯仰角、回转角,进行初始姿态测量、导向系统线路数据输入及复核。测量的目的是保证盾构机在始发掘进过程中沿隧道的设计中心线掘进。

3)贯通测量

平面贯通测量是在隧道竖井导线边与地下导线边采用坐标法测定贯通点坐标,并归算到隧道和结构的断面及中线上,求得横向贯通误差和纵向贯通误差进行评定。

高程贯通测量是用水准仪从车站到停车线竖井测定贯通点的高程,其互差即为竖向贯通误差。

4 盾构工程应急预案

4.1 盾构区间涌水应急预案

当水位位于隧道结构底部以上时,易突然发生涌水事故。施工前根据地层性质,正确分析、合理评价,确定一套正常掘进参数,备用一套掘进参数方案;加强隧道防水施工,控制地面动荷载。在加强加固施工管理的同时,还必须对可能的突发情况进行准备。为此制定以下工程抢险预案。

1)对于盾构突发险情采取“及时堵漏,紧跟加固,迅速进洞,灵活组织”的原则。

2)一旦出现涌水,立即通知监测组加强对隧道上方与两侧的监控,并及时反馈信息,组织专人加强对地表设施的输导与保护,及时从地表或洞门四周注浆以补充地层损失,减小地表下沉,阻止险情的进一步扩大。

3)在险情得到控制后要迅速开展盾构进洞或出洞工作,使隧道快速封闭,再次对因险情产生的隐患进行处理。

4.2 下穿市政道路应急预案

本工程下穿市政道路,施工受到客观条件的限制,施工安全管理难度大,针对施工现场客观实际,对可能出现的情况制定相应的应急救援预案。

1)沉降 如施工过程中路面出现沉降或者裂缝突然增大,立刻停止施工。通知市政、交警部门的同时,指挥施工人员、机械撤离至安全地段,同时通知作业控制区两端执勤人员配合交警进行交通管制,防止发生交通事故。

2)坍塌 如施工过程中路面出现坍塌,立刻停止施工。通知市政、交警部门的同时,指挥施工人员、机械撤离至安全地段,同时通知作业控制区两端执勤人员配合交警进行交通管制,防止发生交通事故。事故现场周围应设警戒线,并在迎面2km处立警示牌。

4.3 邻近建筑物开裂、过大倾斜应急措施

1)邻近建筑物发生开裂、过大倾斜时,立即通知应急救援小组组织抢险。

2)协同相关部门安全疏散建筑物居民,并妥善安置疏散的居民。

3)在隧道对应位置及时进行二次注浆,控制建筑物的后续沉降,直至建筑物稳定,方可停止二次注浆。

4)对建筑物进行跟踪监测,并及时分析、反馈监测数据,用以指导隧道内二次注浆参数的优化。

5)建筑物趋于稳定后,恢复正常推进,使建筑物尽早脱离盾构施工影响区。同时,盾构在推进过程中,需及时根据监测数据合理调整施工参数,特别是要加强土压力、同步浆液稠度、同步注浆压力、同步注浆量的控制,尽量减少盾构推进造成的地层沉降,并及时进行二次注浆,控制建筑物后期沉降。

5 结语

地铁区间盾构的始发、掘进、接收阶段的专项施工方案是地铁工程成功实施的基石。通过对盾构施工的关键环节进行总结,为今后类似工程提供了宝贵的经验。在未来的地铁建设中,通过继续优化和创新施工方案,以适应城市交通的不断发展和变化,为人们提供更加安全、便捷的出行服务。