浅覆土地层盾构施工关键控制技术.doc

浅覆土地层盾构施工关键控制技术一、工程概况北京市轨道交通首都机场线T2支线地下段位于机场线北端，线路在天竺苗圃处转为地下，下穿国泰商场转入现状岗山路下；穿越规划机场东西航站区联络线和规划机场贵宾专用道后,线路转入机场一号路东侧的绿地下，与机场一号路平行。在T2K4+700附近线路以R=600m的半径向东北方向偏转,从中国民用航空华北管理局与国航办公楼之间空地下穿过，通过停机坪至T2航站楼前的绿地下。T2支线地下段隧道设计起点里程为右T2K1+295，终点为右T2K5+397，全长4102m，盾构法施工。盾构采用过站法（即结构先施做，盾构后穿越）依次穿越1号风井和二号风道，整个工程中盾构机三次始发、三次到达，最终达到位于T2站南侧的盾构接收井。隧道覆土5.7m11.2m，属浅覆土层，最大纵坡4.016，最小转弯半径550m。隧道主要穿越粉质粘土层和粉细砂层；所处场区地下水位较高，为潜水层。二、工程特点1、距离长。左右线各为4102m，均用一台盾构机从始发井推至接收井，工作量大，对设备要求高，水平运输距离长。2、覆土浅。全线覆土厚度5.7m11.2m，对地层变形控制要求高，由于地表下45m范围内一般为杂填土，土质差，强度低，局部地段由鱼塘回填形成，回填深度达78m左右。3、穿越地上地下建筑（构）物多。依次穿越陆连通集贸市场、国泰商场、东平里小区居民楼、民航华北局办公楼、国航办公楼、停机坪、U型槽、机场2、3号匝道桥桥桩等，对地层沉降控制要求非常高。4、地层以粉质粘土为主，地下水位高，地层含水率高。三、关键控制技术盾构掘进时，影响盾构开挖面平衡压力的建立、盾构姿态控制、地层变形的主要因素是地层土体条件和地下水含量。本工程中隧道所穿越的地层为粉质粘土层，含水率高。3.1 盾构快速施工技术在目前盾构施工的技术装备条件下，对于隧道施工，从单方面因素看，盾构正面连续推进速度可达到60mm/min，即3环/h；连续不间断的管片拼装速度约为30min /1环；但实际施工速度平均只有约1012环/d；相比之下,国外发达国家的隧道施工速度可达到每日二十几乃至三十几米。初步调查表明：保证盾构开挖面的稳定以及切削和排土的顺畅，优化盾构施工组织中的交通运输是解决盾构施工速度的关键，通过设计优化，使得正面推进速度、土方运输、管片运输达到最佳配置，可减少各施工环节因工序交叉，等待、停顿等造成的人工、时间的浪费，从而有效地节约人力物力资源,充分发挥现有设备的效能。隧道快速掘进与施工机械设备及运输工艺有关，除了对运输系统的各环节进行优化配置外，还涉及到开挖面稳定及切削排土、轨道及运输设备的改进等问题，主要包括以下内容：1） 合理配制现有技术装备在目前的技术条件下，水平运输是制约推进速度的关键瓶颈之一，可通过以下措施来提高掘进速度：(1)改进轨道装置、提高牵引车功率以及缩短运输距离等来改善水平运输状况 (2)水平运输的瓶颈作用消除后，则可通过提高管片拼装速度来提高掘进速度。目前管片拼装速度平均为20min环。2） 优化岔道方案 隧道内运输轨道采用单线岔道方式，在对现有装备不作太大调整的情况下，根据掘进距离、电瓶车速及功率以及掘进速度的目标值对单线运输系统的岔道设置作优化配置，以缩短停顿时间，提高掘进速度。3）向开挖面施加泥浆和泡沫改善土体的塑流性，从而减轻机械负荷，排土顺畅，提高掘进速度。4）通过切削土体的塑流性改良，减轻了刀盘、刀具的磨损，减少换刀次数。3.2 盾构进出洞技术盾构进出洞施工是盾构施工中技术难度大、工序复杂的一个施工阶段，在认真做好地质与环境调查的基础上，需采取加固、降水、监测等技术措施。1）出洞口土体加固为保证洞口土体稳定性，预先对出洞口土体进行加固处理。加固范围为洞口边线两侧各3.0m，纵向距离5m，加固深度为地面下3m至结构底。采用旋喷桩加固，800间距700，注素水泥浆，水泥浆水灰比1：1，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，注浆压力2628MPa。注浆施工时既要控制注浆压力，保证注浆效果，又要控制注浆量，防止洞口加固部分土体强度过大，增加盾构机切削土层的难度。注浆量控制以加固1m3砂土层注浆量不超过0.4m3，粘土土层不超过0.5m3为准。2）洞口橡胶帘布安装为保证盾构机出洞时泥水不从盾构机外壳周围涌出，需要在出洞口安装橡胶帘布。橡胶帘布由专门厂家预制加工，每个洞口安装一个。盾构初始掘进时，将橡胶帘布挂在洞口预埋钢环上，用弧形压板固定，在压板上安装预制好的扇形板，当盾构机刀盘进入洞口后，调整扇形板至盾构机外壳的距离为10mm左右，当盾尾钢丝刷刚进入洞口露出管片时，再调整扇形板，使其落在管片上。待初始掘进完成后拆除橡胶帘布。3）洞门钻孔灌注桩的凿除在洞圈内搭设钢制脚手架，按从上至下的顺序凿除洞门钻孔灌注桩，凿除工作要连续施工，尽量缩短作业时间，以减少正面水土的流失量。凿除工作完毕后要尽快将混凝土块及钢筋清除。整个作业过程中，由专职安全员进行全过程监督，杜绝安全事故隐患，确保人身安全，同时对洞口上的密封装置采取必要的保护措施。4）盾构进洞盾构推进前，为避免刀盘上的刀头损坏洞口密封装置，在刀头和洞口密封装置上涂抹牛油以减少摩擦力。为减少盾构出洞时的推进阻力，在盾构基座轨道面上亦涂抹牛油，另外，在盾尾钢刷中必须充满盾尾油脂。在盾构进洞前利用螺旋机向盾构平衡仓内灌注粘性土，当推进后，土仓内的粘性土平衡盾构正面土压，以确保土体的位移量降至最小。当盾尾脱出工作井内壁后，放下洞圈防水装置中的插板，并与洞门特殊环管片焊接成一体，以防止土体从间隙中流失而造成地面的塌落，同时通过预留注浆孔将水硬性浆液注入洞圈间隙中。盾构初进洞时，由于盾构处于加固区域，正面的土质较硬，为控制推进轴线、保护刀盘，在这段区域施工时，土压力设定值略低于理论值，推进速度放慢，盾构坡度略大于设计坡度。盾构出加固区前，为防止由于正面土质变化而造成盾构突然“磕头”，将土压力的值设定成略高于理论值，并在推进时按工况条件在盾构正面加泥，以改良正面的土体。施工过程中根据地层变形量信息的反馈对土压力设定值、推进速度等施工参数作及时调整。5）盾构出洞施工盾构推至最后50100环时，是盾构的出洞段施工阶段。（1）盾构接收井准备盾构接收井施工完成后对洞门位置的方位测量确认，安装盾构接收基座，接收井内钻孔灌注桩的凿除和洞门封堵材料等各项工作全部准备就绪。（2）盾构位置姿态的复核测量盾构贯通前的测量是复核盾构所处的方位、确认盾构状态、评估盾构进洞时的姿态和拟订盾构进洞段的施工轴线、推进坡度的控制值和施工方案等的重要依据，使盾构在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好的姿态进洞，正确无误地座落到接收井的基座上。（3）盾构出洞前洞门混凝土的拆除当盾构逐渐靠近洞门时，先于洞门中心位置在钻孔灌注桩上打出一个观察孔，加强对其变形和土体的观测，并控制好推进时的土压值。在盾构切口距钻孔灌注桩200500mm时，停止盾构推进，尽可能掏空平衡仓内的泥土使切口正面的土压力降到最低值，以确保凿除钻孔灌注桩洞门的施工安全。（4）盾构出洞在钻孔灌注桩凿除后，盾构应尽快连续推进并拼装管片，尽量缩短盾构出洞时间。洞圈特殊环管片脱出盾尾后，将用弧形钢板与其焊接成一个整体，并用水硬性浆液将管片和洞圈的间隙进行充填，以减少水土流失。3.3 盾构开挖面土压管理技术为保证盾构快速施工，开挖面稳定是前提条件，而开挖面的稳定又是靠泥土压力与土压力平衡来实现的。因此，在施工过程中要对开挖面的土压进行管理并保持开挖土量与排土量的平衡。1）开挖面土压管理技术通过土室内压力传感器显示出土压力的变化，然后控制推进千斤顶的压力和螺旋输送机的排土量，并调节向开挖面的注泥量和注泡沫量以及注入速度和注入压力，从而使得开挖面土压力的波动控制在允许的范围内，保持土压力的动态平衡。（1）目标工作土压力的设定合理设定土压力是目标土压力管理的重要内容。本工程目标土压力设定的基本原则是：保证开挖面的土体稳定，尽量减少掘进对周围土体的干扰，尽可能减少沉陷或隆起造成的地面构筑物开裂。前已述及土室内土压力的确定方法，一般按“静止土压水压预留压力”来计算，但静止土压数值很难确定，土室内土压随土砂状态而异，所以也可根据初期掘进时地层的变位状况和停止时土室内的土压假定值管理。当有土体原位测试资料时，可结合埋设在轴线上的土压力盒的数据确定其设计值，当土体为砂性土时，可适当降低目标土压力设定值。一般情况之下，可以盾构停止时开挖面上的土压计的测定值近似作为目标土压力设定值。（2）开挖面土压平衡的保持盾构机利用设置在密封舱隔板上的土压力计，作为协调盾构机推进速度和螺旋输送机排土量保持平衡的桥梁。当在盾构机操作台上输入目标土压力值后，若加快盾构机的掘进速度，密封舱内的土量随之增加。若排土速度不变，则土压力会上升。这时，通过土压计与螺旋输送机的联动，会自动加快螺旋输送机的排土速度，使土压力值保持不变，从而保证设定的目标土压力值与开挖面水土压力处于动态平衡状态，不会隆起，反之亦然。 显然，为控制开控面的稳定，必须通过目标土压力值的管理，使地层水土压力P和密封舱内泥土压力P0保持动态平衡。这种平衡，通过调节与控制螺旋输送机的排土量来实现。图1给出盾构机掘进时，开挖面压力差与螺旋输送机取土量之间的关系。由图可见，开挖面土压力的大小及其变化幅度是开挖面稳定的重要因素。为实现螺旋输送机正常排土，保证开挖面的土压平衡，目标土压力值的管理还涉及到加泥量(含泥浆性能)、千斤顶推进速度、切削刀盘的转速控制等等。因此，目标工作压力的管理实际上是一项综合管理技术。图1 开挖面压力的变化与取土量的关系经过上述土压力调整，实现了土压力的稳定，如图2所示。图2 掘进一环土室内土压力的不同变化2）开挖土量的管理开挖土量与排土量的是否平衡对开挖面土压力有比较大的影响，图3为盾构掘进中某一环的开挖土量与排土量的关系，从图中可以看出，开挖土量、排土量与土压力的关系：若开挖土量大于排土量，则土压力有升高的趋势；若开挖土量小于排土量，则土压力有降低的趋势。盾构开挖土量的管理要求是使挖掘的土量与排出的土量相等。在施工中通过调整刀盘油压和螺旋输送机的油压实现开挖土量与排土量的平衡，见图4。但实际上这些参数是随着盾构掘进不断变化的，因此，要做到开挖土量与排出的土量绝对相等是很难的，工程实际中，二者是有一定波动的。图3开挖土量、排土量与土压力的关系图4 开挖土量与刀盘油压的关系3.4 掘进及运输管理技术1）正式掘进控制措施地下盾构操作是保证地面沉降的关键，要求盾构前进连续、土压平衡，出土顺畅、注浆填冲及时饱满。在盾构掘进过程中，掘进参数的测量值通过传感器作为施工信息传递到中央控制室，通过计算机实时处理，编制成图表显示出来。然后对掘进参数进行实时分析，确保掘进参数控制允许的范围内。通过初始掘进段的调整，掘进参数得到了稳定控制，在此基础上确定具体措施如下：（1）推进参数控制土压力0.050.07Mpa推进速度30mm/min刀盘油压59Mpa（2）土仓压力稳定，推进时控制在0.06Mpa，出土量稳定，每环出土量为6箱，严禁无故低土压推进，严禁无故增加或减少出土量；（3）每班检查出土情况，要求出土流塑性好，出土状况为能攥成团，掉下后散落，严禁出土很干及很稀。出土调整后能保持连续性；（4）螺旋输送机使用合理，达到控制土压稳定，出土顺畅，停机时翻转35分钟，保证内部泥土被清空，防止螺旋机堵塞，以便于下一次顺利启动。2）隧道内运输每套运输设备包括一台电瓶车、四台土车和一台管片车。这样就能保证进洞二次便能完成一环管片的运输任务。3.5 曲线段盾构姿态控制技术盾构机的姿态直接关系到竣工隧道的三维位置、盾构推进时管片的拼装质量、施工进度和推进参数的调整方案。当然盾构机的纠偏也将产生地层损失，引发地面沉降。粉土地层反映灵敏，对盾构的摩擦阻力小，盾构姿态控制难度较大，特别是小半径曲线段掘进时，对姿态控制有更高的要求。1）曲线段盾构掘进的姿态控制盾构姿态控制与纠偏就是指如何合理进行操作，使盾构机在允许偏差范围内沿着设计隧道轴线前进，当盾构轴线偏离设计轴线时又如何操作使其回到设计轴线上来。曲线段（尤其是小半径曲线）施工，盾构易偏离轴线，据以往工程经验，当盾构掘进曲线半径小于500m时仅靠掘进速度、保持土压和及时测量是很难保证盾构姿态的。针对本工程曲线段多，转弯半径小的特点，采取了以下盾构姿态控制技术。（1）监测盾构掘进中的姿态控制盾构推进，主要是控制盾构掘进过程中的姿态。在盾构掘进过程中，我们利用自动导航系统来描述盾构姿态，并有曲线图。（2）严格控制推进的每一个技术参数当盾构机偏离设计轴线时，可采取以下技术措施：a.控制盾构机低速掘进，通过调整螺旋输送机的转速等参数来保持前方密封仓内的土压力，给盾构机提供一个支撑点，配以盾构千斤顶的推力使盾构机受到一个旋转力矩，改变其推进方向。b.根据测量数据以及盾构检测装置反映的数据，盾构机操作人员千斤顶选用，一般是盾构机偏向哪一侧，则选择相反一侧的千斤顶进行推进。拼装人员每拼装完一环应及时测量管片的左、右、上、下超限数值（相对于盾构机体）以及盾构壳体与衬砌管片的左、右、上、下间隙的四个数值，以确定下一步的操作方案，比如盾构机偏右量得管片为左超前，左边间隙大于右边间隙，这时应视量得的数据或数值差的大小，采取选择粘贴传力衬垫或选择使用左曲管片予以调整。3.5 同步注浆及多次补压浆技术盾构在浅覆土地层中推进时，地层损失率较高，并且具有沉降完成快、稳定快的特点。盾构脱出形成的盾尾空隙所引发的这部分地层损失是盾构产生的地面沉降的主要组成部分，主要和背后注浆方式（及时注）、注浆量及浆液性能有关。考虑正常施工条件及盾构穿越铁路的特殊性，本次拟采用双液同步注浆和多次补浆方式，浆液则采用水泥、水玻璃双液浆，并采用注浆压力和注浆量双重控制标准进行背后充填同步注浆。这样可将地层损失减到较小的程度。壁后注浆的流程见图5。1）注入材料。在盾构推进时采用双液同步注浆，双液在混合管内充分混合后经盾壳上的注浆管注入到空隙中，很快处于可塑性状态，从而能够有效实现限域充填。2）注浆工艺A液是在地面制浆房内通过搅拌装置将水、水泥、膨润土、缓凝剂按比例混合搅拌而成，通过压送泵经管道压送至台车A液储罐中。B液在制浆