网格式盾构水力机械出土隧道掘进工法

网格式盾构水力机械出土隧道掘进工法盾构法是在地面下暗挖建筑隧道的一种施工方法，网格式水力机械出土盾构是盾构法施工机具的一种类型。随着城市基础设施建设，采用盾构法对城市地下铁道、越江公路、上下水道、电力通讯及市政公用设施等各隧道工程具有明显优点。自1978年XX市隧道工程公司建造第一台网格式水力机械盾构成功地建成XX电厂排水隧道工程，在开发研制提高网格式水力机械盾构基础上，先后建成XX厂区排水口隧道、XX东路越江隧道、XX石化厂三期过堤排水隧道、XX第二热电厂进排水隧道、XX口电厂一、二期进排水隧道及XX电厂进排水隧道等共计13条隧道工程。其中XX东路越江隧道工程施工的网格式水力机械出土盾构被评为XX市科学技术进步二等奖，及该隧道工程施工技术获得XX市科学技术进步一等奖。实践证明合理选用网格式水力机械盾构对于快速、经济地建成隧道工程是一种较好的施工方法。一、基本原理和特点网格式盾构可分为干出土与水力出土二种类型。该盾构具有结构简单、操作方便，便于排除正面障碍物等特点。网格式盾构基本构造：由盾构壳体、推进系统、拼装系统及出土系统、控制系统等组成。水力出土只是网格式盾构出土系统的一种变化形式。水力出土系统组成的基本特点：(1)网格：适合水力冲刷的网格和封板组成切口支承形式。网格封板可分为固定及启闭式二种，启闭封板一般采用人工操作与液压控制启闭方法，开启封板面积的开孔率一般为8%~30%。(2)泥水舱：盾构切口后部的隔墙板与网格间为泥水舱，该舱可供土体冲刷成泥水，舱底设置泥水排出管口。(3)冲刷水枪：用于冲刷土体的旋转水枪，按不同冲刷位置安装在隔墙板上，水枪既可对开启封板外的土体进行冲刷，又可对舱内土块稀释成泥浆水。(4)水力输送机具：舱内的泥水排放至地面，目前主要采用扬水器及碴浆泵，通过管路进行输送排放。(5)工作压力水：水力出土的水枪和扬水器的工作压力由地面水泵房通过管路接送至盾构工作面，工作压力的水压力宜控制在0.8~1.6MPa。水力出土系统组成如图1。二、适用范围水力出土盾构一般适宜临江、河、湖、海的隧道工程，这样可为施工提供丰富的供水资源及泥水排放条件，故较适合建造水工隧道和城市污水排放与热电厂取排水管等直径为3~11m的隧道工程。由于水力出土盾构正面网格开孔出土面积较小，故盾构适宜在软弱粘土层中施工，当处在局部粉砂层，可在盾构泥水舱内采用局部气压法来稳定正面土体。因网格式盾构推进时难免对正面土体挤压扰动，故较难有效地控制地表沉降。随着盾构推进隧道长段的延伸，随之水力出土输送能力减弱，故水力出土的隧道长度一般在1000m内较易施工。三、水力出土施工原理水力出土盾构较干出土盾构不同在于出土形式及相设置的网格封板，而对于控制盾构推进轴线及隧道衬砌拼装工艺等施工工序方法均相一致。根据水力出土施工特殊性，首先应根据地层土质、控制盾构推进轴线要求及推进出土量等依据，来确定封板所开启的部位及出土开孔面积。水力出土是将网格开启封板处的土体，在推进过程中用水力将土体冲刷成泥浆水，然后由扬水器或碴浆泵将泥水排至地面。四、施工流程(图2、图3)1-供配电设备；2-中央控制室；3-衬砌防水条粘贴场；4-行车；5-盾构；6-动力车架；7-管片运输车；8-电机车；9-动力车架；10-水力机械设备车架；11-变压器台车；12-碴浆泵；13-衬砌压浆泵车；14-已成隧道；15-台车轨；16-密度计；17-流量计五、施工要点1.水力出土地面施工配合设施配合设施主要有水泵房。水泵房设置在水源边，一般配有数量多级泵为水力出土提供足够量的压力水，供水量按每小时推进土冲刷成泥水(稀释比宜按1∶10~14)加之扬水器工作水流量所确定。水泵安装时可将管路串联，以便提高工作水压力，但要顾及水泵的使用性能。2.出洞口处理盾构出洞时，当网格切入土体进行出土冲刷过程中，大量泥水将从洞门与盾构空隙间流入工作井内，因此在盾构出洞前必须安装环形海绵止水设施，以防止泥水流失。3.出洞段水力出土机械过渡转换由于出洞段期间盾构后的工作车架难以安置到位，故车架上的水力出土机械未能及时发挥泥水输送作用，需在井底安置一台扬水器并配置相应临时管路作为过渡水力出土方法。随着距离增长，车架安置到位后可恢复正常的水力出土机械。4.盾构推进与水力出土相互协调关系为了达到盾构推进轴线精度，减小推进时盾构正面土体的阻力及控制地表变形，盾构在推进过程中需要进行适量出土，因此每环推进的土体须及时地通过水力机械出土得以完成。网格盾构每环出土率控制在90%~95%较为合适，控制推进出土量主要与网格封板开启面积的大小及正面土体的可塑性相关，这样当土体可塑性较好时，应相应减少封板开启面积，若土体可塑性较差时，应相应增大封板开启面积，并可利用水枪直接对封板外的正面土体进行冲刷。盾构推进时的进土量与水力出土相平衡，可按水力出土输送流量来控制进土量，在施工时可减缓推进速度或分阶段连续性地完成每环推进与出土工作量。5.盾构推进轴线控制网格式水力机械出土盾构在粘土层推进时，在正面土体挤压作用力情况下，易使盾构向上偏离轴线，可在调正千斤顶编组的纠偏措施下，采取增加开启网格下部封板及相应地关闭上部进土封板，来变换进土部位以促使所要求的纠编目标。盾构推进出现平面偏离轴线时，同样可采取变换左右出土部位来配合盾构纠偏。在可塑性较差的土层中盾构纠偏时，可用水枪冲刷纠偏进土孔位外的土体。6.全挤压推进转换条件水力出土盾构转换为全挤压推进，应具备如下条件：盾构穿越沿线地表不受隆起变形影响；穿越土层应是软弱的可塑性较好的粘土层；闭胸挤压推进时盾构继续具有控制推进轴线纠偏能力；盾构推进坡度变化而不影响衬砌拼装等条件。在转换为全挤压推进还应根据施工实际情况，逐渐地减少推进土量，直到进入闭胸推进状态，在作闭胸全挤压推进施工中仍须保留水力机械的设施，以便随时恢复水力出土。7.衬砌拼装水力出土盾构的衬砌拼装作业环境不同于其它盾构，水力机械系统在施工时易造成工作面区域积水现象，若在拼装作业期间未将水及时排除，往往影响对块衬砌的正确定位，衬砌环面间夹带杂物等现象，危及衬砌成环质量。因此，对于水力出土盾构应严格避免工作区域内大量积水，在增设排水设备前提下，应及时处理好水力机械管路渗漏水点，为衬砌拼装创造良好的作业环境。8.地表沉降控制由于网格盾构在推进中对正面土体带有挤压作用，而水力出土盾构不仅开孔出土面积小，且出土量难以掌握，故对土体扰动较大，再则水力出土盾构较多适用沿江、河、湖、海的地区排污及取排水工程，而盾构穿越该地区的构筑物均为大堤，驳岸及防洪墙等。这些构筑物所处的地面高差悬殊，盾构穿越期复土厚度变化甚大，这样对地表沉降控制及构筑物的稳定都带来较大的困难。根据水力出土盾构施工特点，对控制地表沉降可采取如下措施：(1)可在网格切口处设置压力传感器，推进时根据正面土压力，调正封板开孔面积及部位，以使切口正面土体保持较平稳的稳定状态，以减少对土体扰动程度。(2)采取信息反馈的施工方法来控制沉降量，对盾构穿越区域地面纵向轴线位置布设沉降观测桩，还可按地面构筑物如大堤、驳岸等控制沉降要求较严的影响区域内布设横断面沉降观测桩。然后在盾构推进过程中进行跟踪沉降观测，并将所测沉降数据及时反馈，为调整下阶段的推进技术参数提供依据。这样跟踪测量数据信息来指导施工，能较有效地控制盾构对土体扰动的地表沉降量。(3)及时充填盾尾处建筑空隙，一般可采用同步注浆及衬砌壁后注浆工艺，对沉降量控制较小的范围可作二次或三次注浆，注浆材料宜用水硬性材料。(4)当盾构穿越稳定性差的大堤或驳岸时，可结合采用地面注浆加固及堤岸坡脚围护措施来保护构筑物的稳定。9.水力机械系统的操作要点为了确保盾构排进正常施工，根据水力出土特殊性，制订如下操作要点：(1)水力机械的机具及管路应按设计规定进行布置。(2)扬水器或碴浆泵的开启或关闭均按规定操作顺序进行规定要求，封板开启或调整须在泥水舱排空情况下进行操作。(3)进行水力冲刷出土时应有专人操作，防止泥水舱水位过高，确保排泄管路畅通。(4)对水力机械机具及管线漏水应及时进行堵塞处理。(5)进排水管每100m间距设置一闸阀，管路安置应牢固。(6)在水力出土作业时，水泵应输送规定要求的进水压力，不得任意停泵。(7)水力出土量的计量可采取流量计和密度计检测。10.施工过程中突发事件预防(1)对塑性指数较低的土质滩面下施工，应防止盾构推进产生复土层土体开裂，造成盾构倒灌进水。(2)对饱和含水软弱的土质滩面下施工，应防止过量出土，造成复土体塌落及泥水涌进盾构。(3)水泵开启或关闭时施工工作面应有人控制进水管闸阀，以防隧道内大量进水。(4)在滩面下盾构掘进时，如遇盾尾涌入流砂时，应及时采取有效封堵措施，并立刻与有关部门通报联系。(5)盾构作停顿施工前，应关闭全部进土封板，以防泥水涌入盾构。六、主要施工设备网格式水力机械出土盾构施工的主要设备见表1。七、劳动力组织水力出土盾构施工技术要求较高，现场设有工程技术负责人及机电、测量等有关技术人员。隧道施工队伍，应经专业培训方可承担施工任务。在劳动组织中应对施工中的特殊工种人员，经考核合格后方可上岗。井下施工按昼夜连续作业。每班配备人员见表2。八、安全措施(1)未经当班施工负责人同意，施工人员不得进入泥水舱，进入舱前应排除舱内泥水及关闭全部进水闸阀，进入舱内人员作业时应有专人监护。(2)泥水舱人行闸门必须安全可靠，并设有闸门开启时固定装置。(3)工作面的电气设备应具有良好触电保护装置，对近临水力设施的电气设备应做好防水隔离保护设施，并遵守施工安全用电规定措施。(4)工作面可得大量积水，避免造成电机车运输安全事故发生，以及在拼装中危及人身安全。(5)在吊运进排水钢管时必须绑扎牢固。(6)在施工中必须遵守有关施工作业的安全操作规程。九、质量