关于盾构法施工地铁区间隧道的质量控制.doc

关于北京地铁盾构法施工区间隧道的质量管理和控制1、21 前言随着我国城市地铁建设高潮的兴起，盾构施工技术以其特有的技术优势，逐渐得到地铁建设界的青睐，目前盾构施工技术已发展成为我国地铁隧道暗做法施工的重要工法之一。但是，盾构施工技术在地铁隧道被广泛应用的同时，如何评价和控制盾构法隧道的工程质量，正逐渐引起与并得到建设、设计、监理及施工各方的重视。笔者结合北京市地铁隧道盾构法施工的现况，试就盾构法隧道工程质量的管理和控制，谈谈自己的粗浅看法，旨在抛砖引玉，为进一步提高盾构法隧道的工程质量而努力。2 北京地铁工程应用盾构法施工的现状目前北京地铁五号线、四号线、十号线一期(含奥运支线)及机场线（延长约115km），共规划16个工程标段（含盾构试验段）采用盾构法施工，总长度31.83 km，计划使用25台（次）盾构机（标段划分及施工单位见表1）。其中五号线4个工程标段（含盾构试验段）已于2005年12月底之前先后掘进结束，进入设备安装阶段；十号线3个工程标段中的第9合同段于2006年8月中旬掘进结束，第6、11合同标段均掘进70%以上的隧道长度；四号线5个工程标段陆续进入掘进高峰；机场线4个工程标段于2006年8月9日起陆续开始掘进。招标结束，。从目前盾构法隧道施工的实际情况看，盾构施工正常（仅考虑施工因素），成型隧道工程整体质量较好，管片色差小，无渗漏现象，特别是管片拼装质量得到国内外有关专家的好评，但也存在一定问题。如五号线盾构始发时有相当多的标段不同程度地存在盾构机态势控制不良，施工质量不理想，管片局部破损；十号线某标段成型隧道管片错台较大等现象；甚至出现施工管理不当，造成地面大面积塌陷的严重工程事故。从施工管理的角度出发，这些问题均与北京地铁隧道采用盾构法施工的经验不多，工程积累少，不熟悉盾构法隧道施工管理与控制的关键所在，工程施工质量管理目标不够明确等因素有关。因此，总结国内其他城市与北京现有盾构法施工的经验，分析盾构法施工的全过程，分阶段分层次按内容不同对工程施工过程进行管理和控制，进一步提高北京地铁盾构法隧道的工程质量，很有必要。3 盾构法隧道施工阶段的划分本文只对施工企业（承包商）接到工程中标通知书起到工程竣工交验止的时间区段进行阶段划分，同时施工阶段与地铁其它常规工法施工相同时略去不列，仅列出因采用盾构法施工时所带来的不同施工阶段。31有关用语定义（1）盾构机招标：按照我国招标法及国家进口机械设备有关规定所进行的购买盾构机及配套设备的一系列活动；（2）盾构机系统总图：盾构机主机系统图和后续台车以及台车所载设备系统图；（3）盾构机加工计划：盾构机主要分项系统加工时序表（也可称盾构机设备加工横道图或网络图）；（4）初始掘进：盾构机由工作竖井进入隧道内一定距离的掘进施工阶段，其按盾构主机与后续台车系统不同的连接方式大致可分成主配套系统分离（分体分次）始发与主配套系统连接（连体一次）始发两种情况； （5）盾构机态势：盾构机在地层掘进过程中的瞬时状态，一般用盾构机的x、y、z、方位角、俯仰、旋转等六个参数描述；（6）出井（或进洞）：盾构机离开工作竖井（也称始发井）进入区间隧道的过程；（7）进井（或出洞）：盾构机在区间隧道内掘进逐渐进入工作竖井（也称接收井）的过程；（8）主配套系统分离（分体分次）始发方式：初始掘进时，盾构主机与后续台车先分离，然后根据掘进的长度或施工组织要求，分次将盾构主机与后续台车逐项连接成为一体的始发方式；（9）主配套系统连接（连体一次）始发方式：初始掘进时，盾构主机已与后续台车连接成为一体的始发方式。32施工阶段划分建设单位在土建工程招标前的工期筹划应考虑盾构机的提供方式。根据目前国内地铁盾构法施工的经验，一般可分成几种模式：（1）租赁（建设方出租或企业之间租赁）；（2）施工企业自有； （3）新购置（企业自购或建设方购置）。结合上述提供盾构机的三种模式，综合考虑盾构法施工组织过程，可把采用盾构法施工增加的施工阶段大致分为以下施工阶段：（1）盾构机招标购置阶段；（2）盾构机设计及制造阶段；（3）盾构管片（含管片模具）生产、供应阶段；（4）盾构机进场、工作竖井端头土体加固及设备组装调试阶段； （5）盾构法隧道初始掘进阶段；（6）盾构法隧道正常掘进阶段；（7）盾构法隧道盾构机接收（或进井）阶段； （8）盾构机解体撤场阶段。根据盾构标段工程施工筹划不同，有盾构机过站、盾构机由同一区间另一条线路调头掘进返回原始发现场以及盾构机转到另外区间始发竖井（或原始发竖井施工同一区间另一条线路）施工等情况。因此还会出现以下施工阶段。（9）盾构机过站阶段；（10）盾构机调头阶段；（11）盾构机转场阶段。4各施工阶段的管理与控制4.1盾构机招标购置阶段此阶段要为工程选定（或确定）满足工程要求的盾构机，应对盾构机的功能配备、设备使用性能、各项系统的技术规格、关键系统或项目的参数指标以及盾构机对本工程各项条件的适应性给出准确和适宜的回答。本阶段控制要点关键在盾构机的工程适应性和设备的使用性能。如果控制得好，基本保证隧道掘进阶段的施工可顺利进行。否则，将会增加很多困难。如某盾构工程因刀盘扭矩储备不足，盾构机在掘进过程中常常因过载自动跳闸停机，致使开挖与出渣失衡，地面沉降过大，严重影响了施工安全和质量。要达到这一控制目标，要针对工程的实际条件从以下几个方面出发进行管理和控制。（1）工程地质条件：就北京地区而言，要对隧道穿越地层中三种典型地质的状态进行分析，特别是地层颗粒级配及石英含量。这些对盾构机的类型、刀盘形式、刀具形状、刀具布置及耐磨特性等均有直接关系；（2）工程水文条件：隧道沿线地下水的存在形式和分布状态、地层渗透系数的大小等。这些对盾构施工开挖面的稳定、盾构施工是否拌随出渣过程发生喷涌（加泥式土压平衡盾构）以及掘进速度都会带来影响；（3）隧道沿线地表（地下）或周边建、构筑物对沉降控制的要求：如盾构穿越既有地铁运营线、桥梁基础、地下管线、结构性较差的房屋及国铁线路等建、构筑物时，一般对沉降限制较严，相应也对盾构的可操性以及背后同步注浆系统有特别的要求；（4）盾构机辅助性能或措施的适应性要求：如局部地段对刀具、对添加改性剂等的特殊要求，对盾构机的综合性能都会造成变化；（5）施工环境及环境保护要求：纯技术层面而言，在城市繁华地区采用盾构法施工，从保持开挖面稳定、控制地表沉降施工速度看，特别是大直径隧道（如超过8m），泥水平衡盾构应优于土压平衡盾构，但从占用施工场地大小以及可能会对环境的影响考虑，泥水平衡盾构又有一定劣势。因此要因地制宜综合权衡。 以上仅考虑技术与施工条件，没有考虑经济性。不容质疑，盾构机的性价比必然是一个重要的参考指标。实际操作时，可以考虑从施工队伍的技术水平及组织能力方面综合平衡，对盾构设备的某些技术性能指标进行取舍。 对于租赁及自有盾构机的情况，应按照上述条件对盾构机进行分析评估和改造，控制目标仍然是盾构机对本工程的适应性和设备的使用性能。4.2盾构机设计制造阶段此阶段为盾构机实体构成阶段，管理和控制的目标应是依据所签定的购买合同，严格合同管理，切实做到设备供应商按合同规定的质量、交货期提供盾构机。结合国内购买盾构机的经验教训，宜从以下几点进行控制。（1） 合同培训：要组织相关人员进行合同培训，要掌握合同中商务条款和技术条款的内容，至少对关键条款的内容及内涵非常清楚。这样才有利于提高项目的执行力；（2） 设备供应商按合同及早提供设备系统总图和盾构机加工计划：地铁隧道施工用盾构机是大型的专项设备，设计与制造周期较长，一旦出现遗漏，必然造成延长供货期或质量难以保证。因此，必须坚持过程控制，按设备系统总图、按分项目系统、计划逐一综合控制。同时，要制定双方签字确认的程序和制度，对设备制造过程中双方商定的内容、阶段性完成的项目进行签认。做到责任清楚、确定、落实，可追究。（3） 驻厂监造：盾构机总造价约在4500万元人民币左右，必须坚持驻厂监造。驻厂监造人员应对制造采用的原材料、半成品、及外购件是否遵守购买合同约定要求给予确认，不满足时，要立即书面明确提出更换要求。例如电机、减速箱等是否是合同约定的厂家及其相应等级的产品。同时要对设备的制造工艺及相应质量标准给予充分关注，必要时可旁站或抽查。确认和抽查结果要经双方人员签认，并通报各自企业留存和备查。（4） 出厂验收：出厂验收是确保设备整体综合质量的非常重要的一个环节。要成立设备出厂验收领导小组，并事先制定验收计划，计划要详细规定验收项目和内容。要对验收项目的内容进行验收方法设计，其方法要科学合理，能够达到验收目的，对无法进行负载验收的项目要有经过双方同意的替代方案。设备供应商应事先在工厂内为满足验收要求创造好条件。盾构机部件的验收也是很重要的，主要是通过检查工厂自检记录和相关资料。如传感器的检查和标定结果等。4.3盾构管片（含管片模具）生产、供应阶段盾构管片是盾构法隧道的主要结构构件，其质量优劣、数量是否满足工程施工需要，直接决定盾构法隧道的工程质量和施工进度，故管片生产的管理和控制极为重要，但由于这部分内容比较多，为节省篇幅，在此仅指出控制的项目（计划另文对此专题介绍）即模具质量（含数量）、管片的生产工艺、管片出厂与进场检验、管片的存放时间（应控制在三个月内）与运输等。4.4盾构机进场、工作竖井端头土体加固及设备组装调试阶段（1） 盾构机进场阶段：北京地铁工程均位于城市繁华地区，盾构机属超高、超宽及超重大型设备，进入施工现场必然受沿途环境条件的限制。因此，盾构机进场必须有运输方案和组织计划，并得到城市相关管理部门的批准方可实施。本阶段管理和控制要点是检查是否编制了切实可行的运输方案，运输线路、时间是否经过实地考察，沿途需要加固或挑高的道路、桥梁及悬挂物是否都已实施。保证设备的安全运输以及减少对社会环境的影响是控制的目标。（2）盾构机组装调试阶段：盾构机下井组装与盾构机进场是一个整体，特别是对于分块较大较重的部件，一般不采用二次吊运方案，盾构机分块部件进入现场后，应直接吊入工作竖井进行组装。通常在购买盾构机时，对盾构机的分块方式、分块重量和尺寸均有特别要求，即盾构机在设计制造阶段就已考虑了盾构机的组装。因此管理的内容是吊装方案的科学性、合理性及组织的有序性，控制重点是安全。盾构机的调试是一项细致的工作，必须分系统分项目调试结束后，再进行整体联动调试。盾构机组装调试结束后，应组织相关各方人员进行设备初步验收，验收结果要形成书面报告备查。调试阶段需要关注切削（刀盘）系统、推进系统、壁后同步注浆系统、管片拼装系统、出渣系统（螺旋输送或皮带输送、泥水平衡盾构则应考虑排、送泥系统）、盾尾密封系统、操作控制（如压力等）系统、测量系统等。（3）初始掘进前工作竖井端头土体加固要按设计图组织实施，并编制土体加固专项施工方案。专项施工方案应对加固工艺、加固材料、质量控制标准、加固过程控制提出明确要求，施工过程要严格把关和如实记录过程。工作竖井端头土体加固应在工作竖井开挖之前进行，防止土体加固破坏工作竖井的结构。另外，目前国内对始发井端头沿隧道轴线方向的加固长度一般取6m，考虑到初始掘进盾构机态势控制的特点，笔者认为加固长度宜比盾构主机长度多12 m为好。4.5盾构法隧道初始掘进阶段（1）初始掘进应编制专项实施方案，方案要对盾构基座（也称始发台）的定位(轴线与高程)和安装做出明确的规定，保证盾构机能够按照隧道中心掘进，基座位置与倾斜度要根据地质条件进行计算和测量复核。当负环采用开口形式（非闭口环）时，要对负环管片结构进行支撑与加固，防止环片出现错位；反力架的安装刚度应进行验算，不允许反力架产生过大变形造成盾构机态势不良。（2）盾构初始掘进客观上存在一个适应地质条件的过程，应注意观察与分析各种推进参数，严格控制推进，及时调整盾构推进参数（如推进压力、壁后同步注浆量等）。（3）负环管片拆除前，在隧道一定长度范围内安设拉杆，对盾构隧道的防水极为重要。初始掘进阶段盾构机态势控制是重点，应结合成型隧道轴线及地表沉降值的测量，调整盾构推进达到最佳状态。4.6盾构法隧道正常掘进阶段盾构法隧道正常掘进阶段的控制重点是过程管理。应按照盾构法施工工艺，抓好盾构推进各项参数控制（特别是开挖面平衡压力的控制）、隧道推进轴线控制（机测与人工测相结合）、管片拼装质量（含管片质量、防水橡胶条质量）控制、壁后同步注浆控制（含工艺、材料、配比、注浆量、注浆压力与时间）、地面沉降监测控制、设备维护与检修（包括各种施工用管路、轨道、运输、起吊及通讯、照明）控制等，保证盾构按照掘进进尺控制目标连续、均衡、稳定推进。4.7盾构法隧道盾构机接收（或进井）阶段本阶段也称贯通掘进阶段，管理与控制目标如下。（1）控制隧道推进轴线，加密测量，确保盾构机正常、顺利进入工作竖井。（2）控制推进压力与速度，防止出现坍塌和施工安全事故。（3）制定和采取有效措施，消除本阶段隧道管片容易出现渗漏的质量通病。4.8盾构机解体撤场阶段盾构机解体与撤场与工程质量无直接关系，但作为盾构法施工管理的全过程，应列入工程监管的范围。盾构机解体与组装相同，需要制定解体、撤场与运输方案。方案要对盾构机解体顺序、吊装、标识等均要进行详细的规定，同时方案要考虑盾构机离场后的去向、用途，尽可能与之结合并统一起来。本阶段除要关心方案之外，更重要的是对实施解体撤场过程的安全加以控制。4.9盾构机过站、调头、转场阶段盾构机过站、调头、转场阶段都各有特点，其管理内容前面阶段中不同程度地涉及到，可参照相应部分进行管理。但必须制定专项阶段方案，进行有针对性的管理，保证管理与控制的有效性。5结语（1）应用盾构技术施工地铁区间隧道，施工管理程序清晰、简单，便于控制