胡 斌,李勇军
(中铁隧道集团有限公司,河南洛阳471009)
摘 要:武汉长江隧道工程采用气垫式泥水平衡盾构施工,盾构直径11.38m,已成功始发掘进。通过介绍盾构始发的各项关键技术,为类似工程提供参考。
关键词:盾构,始发技术
中图分类号:TU455 文献标识码:B 文章编号:100423152(2008)022*******
1 工程概况
武汉长江隧道工程为武汉市重点工程,位于武汉长江一桥、二桥之间,是一条解决内环线内的主城区过江交通的城市主干道,是武汉市重要的过江通道。隧道江北起点为汉口大智路与铭新街的交叉口,江南终点为武昌友谊大道南侧并与规划中的沙湖路相接。隧道设计全长3630m,为左右分离式两条隧道,每条隧道为单向双车道,每车道宽3.75m,车道净高4.5m,设计车速50km/h。隧道两端采用明挖暗埋法施工,过江段采用盾构法施工。
过江盾构隧道每条长度为2538m,隧道线间距为11.96m～28m。线路纵坡大致为U形,最大下坡为4.35%,最大上坡为4.4%。根据盾构隧道穿越地层的工程地质和水文地质条件以及工期因素,确定选用两台Φ11.38m的气垫式泥水平衡盾构机分别进行东、西线过江隧道的施工。隧道覆土厚度在6.8m～38.5m之间。管片外径11000mm,内径10000mm,管片环宽2000mm,为双面楔形的通用楔型管片,楔形量为55mm,采用9块等分“大楔型封顶”分块形式。
盾构始发内容主要包括洞口端头地层加固、洞门环及洞门密封装置的安设、盾构始发基座的设计加工及定位安装、盾构机组装调试、泥水处理系统的组装调试、反力架的设计加工及安装就位、洞门地下连续墙围护结构钢筋混凝土凿除、负环管片拼装、两侧支撑系统安装、盾构始发推进、以及其他保证措施的准备等。武汉长江隧道东、西线两台盾构机分别从武昌始发井组装调试始发,一前一后向汉口掘进,两线盾构相隔大于100m。
因始发过程基本相同,本文主要介绍东线盾构的始发施工技术。
2 始发关键技术
2.1 端头加固
在盾构始发之前,一般要根据隧道地层的工程地质和水文地质情况评价端头地层的稳定性,采取有针对性的加固措施。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备至少一周的侧向自稳能力,且不能有地下水的损失。常用的加固处理方法有深层搅拌桩、高压旋喷桩、高压注浆法、SMW工法和冷冻法等。
盾构始发井距离长江约780m,地下水位较高,地质条件复杂,始发井基坑长22.9m,开挖深度21.5m。端头土体自上而下依次为:0～1.9m为杂填土①1层,1.9～3.9m为粉质粘土④2层,3.9～4.5m为粉土④3层,4.5～5.6m为粉质粘土④2层,5.6～10.5m为粘土④1层,10.5～11.8m为淤泥质粉质粘土④5层,11.8～12.5m为粉土④3层, 12.5～17m为淤泥质粉质粘土④5层,17～18.5m 为粘土④1层,18.5～21.5m为粉质粘土④4层,
21.5～23.7m为粉土④6层,23.7m以下为粉细砂
⑤3层。
基坑围护结构为地下连续墙,墙体厚度800 mm,墙体深度38m。基坑开挖和主体结构施工采用明挖顺筑法。地下连续墙阴角加固为水泥旋喷
收稿日期:2007208221
作者简介:胡斌,1998年北方交通大学交通土建工程专业毕业,中铁隧道集团武汉长江隧道工程指挥部工程师,一级建造师。
桩,加固深度为地面至基坑底下3m;地下连续墙分幅接头处采用3根Φ600旋喷桩止水,深度与墙深相同。
端头加固设计采用多排三轴深层搅拌桩咬合和单管高压旋喷桩辅助加固相结合的方式,土体加固以三轴深层搅拌桩咬合加固为主,仅在洞口靠始发井围护结构地下连续墙间隙处设计一排旋喷桩辅助加固。
东线端头加固范围纵向长度为13.6m,在横断面上加固范围分为强加固区和弱加固区,强加固区为距盾构隧道轮廓线外3m范围内的正方形区域,水泥掺量为18%(质量比);强加固区上方土层在搅拌过程中也进行加固,为弱加固区,水泥掺量为13%(质量比)。深层搅拌桩采用ZD K-850SMW 三轴搅拌桩机施工,桩机叶片直径Ф850,单孔中心距600mm,各幅桩体间搭接250mm。旋喷加固桩径为Ф550,桩间搭接200mm。水泥用量为300 kg/m。采用32.5级普通硅酸盐水泥。详见图1
。
图1 始发端头加固范围图
三轴搅拌桩加固施工在与始发井围护结构不冲
突时可同时施工,旋喷桩在连续墙和搅拌桩加固完
成后实施,待盾构井主体结构施工完毕后视端头加
固取芯强度和洞口范围内的探孔渗水情况,必要时
可做高压注浆补充加固。
由于盾构始发段覆土仅6.8m(小于一倍洞
径),加上始发期间承压水水位较高(地面下10m
左右,盾构底部以上8m),始发难度很大,为安全起
见,始发前在端头范围内施工了7口降水井作为备
用降水方案,井深32.5m。
2.2 始发基座安装
武汉长江隧道盾构始发基座采用钢结构形式,
主要承受盾构的重力和盾构在组装时对主机进行前
后移动及始发推进时的摩擦力,由于长江隧道盾构
主机总重900t,所以始发基座必须具有足够的刚
度、强度,基座导轨必须顺直。因盾构主机在组装过
程中盾壳间还需要进行焊接作业,始发基座在距洞
门7.235m处断开800mm,为盾构中体和盾尾焊
接提供必要的焊接作业空间。始发基座结构见图
2
。
图2 始发基座结构图
在安装始发基座前进行测量放样工作,始发基
座根据盾构机设计姿态进行精确定位,同时考虑隧
道后期沉降因素,通常始发基座的标高(即盾构中
心)比设计轴线高15～35mm。始发基座竖直趋势
与设计轴线竖直趋势偏差应<2‰,水平趋势偏差应22土 工 基 础 2008
<3‰。准确定位后将始发基座与底板预埋钢板焊
接连接;始发基座与洞门密封装置间留有1m 的间隙,作为刀盘测试时的旋转空间;在盾构机主机组装时,在始发基座的导轨上涂硬质润滑油以减小盾构机在始发导轨上向前推进时的阻力。2.3 反力架及支撑系统安装
盾构始发时反力架需提供3330t 的反力支撑,因此反力架须具有足够的刚度和强度,且应考虑组装和拆卸方便;经设计计算,采用组合钢结构件形式,并通过底部、上部水平钢管支撑、中间斜向钢管支撑等与防淹门中板及底板主体结构进行连接,因在防淹门主体结构设计时已提前考虑了盾构始发时的推力要求,故反力架支撑系统提供的支撑反力满足盾构始发要求。
反力架位置的确定:根据盾构主机长度、负环管片宽度、数量及洞门结构宽度等综合确定反力架位置。
反力架端面里程
L 1=L 2-L 3+L 4×N (1)式中:L 1为反力架端面里程;L 2为门内衬墙里程
(L K5+271.8);L 3为负环管片伸入洞门结构厚度(600mm );L 4为负环管片宽度(2m );N 为负环管片环数(8环);得:L 1=271.8-0.6+2×8=287.2,即反力架端面里程为L K5+287.2。
反力架及支撑系统的安装:由于盾构始发姿态是空间结构,反力架靠盾尾侧平面要基本与盾尾平面平行,即反力架形成的平面与盾构机的推进轴线垂直,反力架的横向和竖向位置应保证负环管片传递的盾构机推力准确作用在反力架上。安装反力架时,首先用经纬仪测定水平偏角和位置,然后将反力架整体组装,并由组装门吊配和校正其水平偏角和倾角,反力架左右偏差控制在±10mm 之内,高程偏差控制在±5mm 之内,上下偏差控制在±10mm 之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰,盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差<2‰(且盾尾只能向上偏),水平趋势偏差<±2‰。反力架安装经测量无误后将其焊接固定,底座与底板预埋钢板焊接牢固,以避免在斜撑的作用下反力架上移,为了保证盾构推进时反力架横向稳定,用钢管支撑对反力架进行横向的固定。2.4 洞门密封装置安装
洞门密封装置是为了防止盾构始发掘进时掌子面泥土、地下水及循环泥浆从盾壳和洞门的间隙处流失,以及防止盾尾通过洞门后同步注浆浆液的流失而设置的临时密封装置,由洞门环以及两道相同的密封组成,每道密封由帘布橡胶、扇形压板、折叶板、垫片和螺栓等组成。两道密封间隔500mm ,洞门密封装置见图3
。
图3 洞门密封装置图
为了保证在盾构机始发时快速、牢固地安装密
封装置,在竖井内衬墙结构施工时在洞门部位已预埋了洞门钢环,洞门钢环的内径为11.67m ,与内衬墙结构钢筋焊接成一体。洞门密封装置在盾构组装前安装完成,盾构机空载推进至预留洞门前,在刀盘外围和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免盾构机刀盘挂
破帘布橡胶板影响密封效果。2.5 盾构机及配套设施的组装、调试
盾构是集机、电、液等为一体的大型工厂化施工设备,其组装是一个很庞杂的工作,必须提前制定详细的组装、调试方案和安全技术措施。本工程的盾构机施行整体始发方案,盾构设备主要包括盾构主
3
2 第2期 胡 斌等:武汉长江隧道盾构始发技术
泥水处理系统是泥水平衡盾构机的重要配套设备,本工程采用的ZX-1500B泥浆处理系统,由3套ZX-500B泥浆处理系统组合而成,每一套ZX-500B泥浆处理系统由一次除砂系统、二次除砂系统、回收泥浆箱组成,同时增加ZXD-250泥浆净化装置对调浆池形成一次除泥系统。因泥水处理系统占地大,其场地与盾构始发井距离有400多米,泥水管路的安装工作也必须提前进行。
此外,盾构机施工的配套设施还包括冷却水循环系统、砂浆搅拌站、水平运输系统以及垂直运输系统等,盾构各系统、设备必须经过调试运转正常,并经初步验收合格后才可以开始始发试掘进。
2.6 负环管片的安装
管片环向之间采用弯螺栓连接,径向采用直螺栓连接。在拼装第一环负环管片前,在盾尾管片拼装区底部180度范围内均匀安设18根长2m、厚40 mm的槽钢(盾尾内侧与管片外弧面的间隙为40 mm),在盾尾内拼装好整环后,利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出,当第一环负环管片突出盾尾200mm后开始拼装第二环管片,因长江隧道为大直径管片,管片安装采用错缝拼装的方式进行。负环管片在拖出盾尾的过程中,应不断用准备好的钢楔填塞负环管片与始发基座轨道及三角支撑之间的间隙,以及时支撑负环管片,避免因负环管片失圆过大引起后部管片拼装困难。本工程中未设负环钢管片,而是采用在倒数一、二环负环管片外弧面预埋钢板,在管片推出盾尾后,将预埋钢板用弧形工字钢焊接连接,以防管片失圆。
2.7 洞门凿除
盾构始发前要将盾构切割范围即预留洞门轮廓线内围护结构的钢筋全部取出。为了保护盾构刀盘初装刀具、加快盾构始发进度以及保证洞门土体的稳定,在检查端头土体加固满足要求后,在盾构刀盘与掌子面之间搭建脚手架,由人工用风镐凿除洞门围护结构。洞门凿除分两步进行:第一步,在盾构组装过程中,先凿除部分厚度的地下连续墙(500 mm),将外露的钢筋割除取出,和混凝土块一起及时清理吊出竖井;第二步,在盾构刀盘空载推进至距洞门密封装置约1m距离时停机,利用已经搭设的脚手架由人工快速凿除剩余洞门混凝土,并将混凝土块及第二层钢筋全部取出。凿除施工时应按照从上往下、从中间往两侧的顺序进行。凿除工作必须仔细,以保证洞门轮廓线内钢筋已全部取出。凿除施工完毕后拆除脚手架,快速拼装负环管片,使盾构刀盘抵拢掌子面,避免因掌子面暴露太久而发生失稳坍塌现象。
2.8 盾构始发掘进
(1)空载推进
盾构在空载向前推进时,主要控制盾构的推进油缸行程和盾构每一环的推进量。要在盾构向前推进的同时,检查盾构是否与始发基座、始发洞门发生干涉或是否有其他异常情况或事故的发生,确保盾构能够安全的向前推进。
(2)盾构始发姿态及泥水仓压力的控制
盾构始发掘进中盾构机姿态的控制是一个重点、难点。始发时盾构姿态主要通过严格控制盾构机的18组推进油缸行程,保证各油缸行程差值小于10mm来控制,防止因推进油缸行程不一致而造成盾壳脱离轨道或始发方向偏离现象的发生。盾构在始发基座上滑行期间严禁对盾构进行纠偏作业。
始发时泥水仓压力的控制主要通过控制掘进速度和进、排泥浆量的大小来操作,推进速度一般控制在0～2cm/min,进浆比重为1.05左右,黏度20s 左右,进、排泥浆量的差值应与掘进速度相匹配,使泥水仓顶部压力控制在0.7～1.0bar,避免由于泥水仓压力失衡造成地表沉降或隆起。
(3)盾构推进参数的控制
除了推进速度外,始发时在保证盾构正常推进的情况下,还应控制好总推力和刀盘扭矩。总推力应控制在盾构最大推力的50%以下,盾构在始发基座上滑行期间,尤应密切控制各组推进油缸压力和行程。刀盘扭矩也控制在刀盘最大扭矩的50%以下,防止盾构在始发基座上滑行期间,扭矩过大造成盾构主机姿态倾斜。
(4)洞门密封及注浆控制
当盾构刀盘全部通过第二道密封后,开始向泥水仓内加压,压力仅满足泥浆充满泥水仓,此时,在两道密封间利用预留注脂孔向内注油脂,使油脂充满两道帘布橡胶密封间的空隙。当盾构机盾尾通过第一道密封且折叶板下翻后,要及时加注油脂,当盾尾通过第二道密封且折叶板下翻后,进一步加注油脂,几次注油脂的压力及注入量的控制,主要保证洞门临时密封处没有泥浆外泄,能够起到很好的防水效果,以减少始发阶段掌子面的地层损失。
42土 工 基 础 2008
当盾尾完全进入洞门密封后,及时通过同步注浆系统和二次补强注浆系统(即双液注浆系统)对洞门进行注浆,封堵洞圈,防止洞门密封处出现漏泥水和所注浆液外漏现象的发生。浆液要求能够顺利注入,而且要有早期的强度。
(5)割除防扭桩等
主机向前推进过程中,必须派专人观察盾壳上所焊接的防扭桩、钢楔等的情况,当防扭桩、钢楔等接近洞门时应及时割除。
(6)地表沉降监测开始掘进后,将地表沉降监测频率加密为每小时一次,并及时分析反馈,以动态地调整盾构掘进参数。
3 东线盾构始发掘进情况
武汉长江隧道东线盾构于2006年11月5日刀
盘贯入地层开始试掘进,至11月18日完成了洞门密封圈的最后封堵,密封效果良好,19日刀盘掘进出端头加固区,在此期间地表轴线测点沉降较小,最大沉降小于5mm (如图4所示),说明盾构始发掘进情况比较理想
。
图4 地表沉降历时曲线图
4 经验与体会
(1)盾构始发是盾构法隧道施工中的一道关键
工序,始发的成败将直接影响到工程的质量、进度、成本和安全等。必须认真策划、设计,并加强施工过程中的质量管理和控制,尤其对始发常见问题如端头土体失稳、始发基座变形、反力架变形、洞门密封漏浆等等,要根据工程实际情况做好施工设计与控制。
(2)本工程中采用搅拌桩+旋喷桩方式施工的端头加固效果很好,始发时,备用的降水井并没有启动,这在保证盾构始发安全的前提下,降低了施工成本。
(3)本工程中采用在倒数一、二环负环管片外弧
面预埋钢板,在管片推出盾尾后,用弧形工字钢焊接连接的方式,代替负环钢管片,获得了成功,节约了施工成本。
(4)端头加固的长度值,建议宜大于盾构主机长度1m 以上,以利于最终洞门密封的实施效果。
5 结语
因对始发的各个关键工序和环节都做了较为全面、细致的控制,武汉长江隧道左线盾构始发一次成功。
参
考文
献
[1] 孙谋,任志坚.盾构隧道始发技术[J ].江苏交通科技,2002,(6)[2] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M ].北京:中国建筑工业
出版社,2004
The Starting T echniques of Shield Method at Wuhan Yangtse River Tunnel
HU Bin ,L I Y o ng jun
(China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,L uoyang ,Henan 471009,China )
Abstract Wuhan Yangtse River Tunnel was constructed by big diameter slurry shield (Φ11.38m ),and has started successf ul 2ly.This paper introduced some key techniques of shield starting process ,which can be taken for reference by similar projects.K ey w ords shield ,starting technique
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