城市大直径泥水盾构始发技术浅谈

2022-09-11

盾构法具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点, 已被越来越多地应用于城市地铁、公路、铁路等诸多施工领域。然而, 大直径泥水盾构在城市内的始发施工难度很大。因此, 保证盾构始发成功是盾构法施工技术的关键, 必须要做到万无一失。

1 工程简介

北京铁路地下直径线工程为连接北京站和北京西站两大铁路枢纽的铁路隧道工程, 位于北京市中心区。隧道全长6282m, 其中5175 m的盾构法隧道采用一台Φ11.97m膨润土—气垫式泥水加压平衡盾构机施工。

2 工程地质与水文地质

盾构隧道主要穿越的地层以卵石土、圆砾、中砂、粗砂为主, 卵石一般粒径20mm~60mm, 最大粒径200mm。地层中主要为空隙潜水和孔隙承压水, 潜水最大渗透系数K=150m/d。

3 泥水盾构始发关键技术

3.1 盾构始发总体施工方案

首先采用明挖法开挖竖井, 在盾构始发竖井施工期间同步进行盾构始发端头土体加固;然后在井下安装盾构始发基座及洞门密封;接着组装盾构后配套拖车及盾构主机, 再安装反力架;完成盾构机整机调试后, 开始盾构始发掘进。

3.2 盾构始发井施工

始发井围护结构采用地下连续墙, 用盾构刀盘直接掘削新型材料墙体的方式开洞门。开洞处的地下连续墙钢筋笼全部采用玻璃纤维筋, 浇筑以石灰石为粗骨料的C20细石混凝土, 其余范围的地下连续墙采用普通钢筋, 浇筑C30混凝土。

3.3 始发洞门端头加固

始发井端头加固采用地面注浆加固方式, 浆液为超细水泥浆。为保证4#竖井开挖的安全性, 在始发洞门前端施做两排M10砂浆桩。

由于地面注浆受地下管线及现场其他因素的影响, 导致加固区存在一定的盲区未能有效加固, 给盾构始发造成一定隐患。为了保证端头土体加固的效果, 同时在4#竖井内对端头土体进行水平注浆补强加固。

3.4 始发洞门凿除

为防止洞门破除后发生涌水涌砂现象, 先将地下连续墙凿除一半, 然后将盾构机前移, 使刀盘顶在掌子面, 最后由刀盘直接切削剩余部分连续墙混凝土。

3.5 安装盾构始发基座

盾构始发基座采用钢结构形式, 主要承受盾构机的重力荷载和推进时的摩擦力。由于盾构机重达一千多吨, 所以始发基座必须具有足够的刚度、强度和稳定性。始发基座的结构见图1所示。

3.6 安装洞门密封装置

3.6.1 洞门预埋环的安装

洞门预埋环是为满足盾构机进洞临时封堵洞门端头要求的环状钢板。在环向每2.4度预埋一个M24×90螺栓用来固定洞门密封。环板背面与始发井衬砌结构钢筋连接, 在竖井二衬施工时及时预埋。

3.6.2 洞门密封装置安装

始发洞门临时密封采用双道密封装置, 每道密封装置由帘布橡胶、扇形压板、止水箱、注浆管和螺栓等组成, 两道密封间隔0.4m。具体见图2所示。

当盾构刀盘全部进入洞门密封后, 开始向泥水仓内加压, 压力仅满足泥浆充满泥水仓。同时, 利用预留注浆孔向止水箱内注堵漏剂。

3.7 安装反力架及支撑

反力架根据竖井结构设计, 采用组合钢结构件, 便于组装和拆卸;因为反力架提供盾构机推进时所需的反力, 因此必须具有足够的刚度和强度。反力架支撑采用水平支撑加斜撑的加固方式。如图3所示。

3.8 负环管片拼装

在盾尾管片拼装区180度范围内均匀安设7根26mm厚的钢板, 再在第一环负环管片拼装位置后侧的盾尾上焊接“L”型钢以提供拼装反力。“L”型钢焊接形式如图4所示。

待第一环负环管片拼装完成后, 将“L”型钢割除。将管片缓慢推出, 当管片推出1.2m后随即开始拼装下一环管片。将负环管片与反力架之间的缝隙用薄钢板塞严, 负环管片与始发基座导轨间的空隙用型钢垫实, 在外侧用型钢将负环管片支撑减小管片失圆度。

前两环负环管片端头外弧面事先各预埋2块20mm厚钢板, 待管片环脱出盾尾后, 将相邻的两块管片预埋钢板采用工字钢帮焊在一起, 其他负环管片采用钢丝绳箍紧。

4 盾构始发掘进各项参数的控制

为了确保盾构始发掘进安全, 根据地层和地面建筑物的情况, 必须严格控制始发掘进的各种施工参数。

4.1 泥水仓压力控制

盾构掘进时的泥水仓压力应介于理论计算值上下限之间, 并根据地表建、构筑物的情况和地质条件适当调整。在盾构始发掘进通过加固区时, 掌子面泥浆压力控制在1.0bar左右;穿过加固区后, 泥水仓压力逐渐调整至1.5bar。盾构在推进、反冲和旁通三状态切换时的泥水仓压力偏差值均控制在±0.05bar。

4.2 掘进速度控制

(1) 盾构始发阶段, 掘进速度应不大于10mm/min。

(2) 开始掘进应逐步提高掘进速度, 应尽量保持衡定, 减少波动, 以保证泥水仓水压稳定和送、排泥管的畅通。

(3) 掘进速度选取时, 必须注意与地质条件和地表建筑物条件匹配, 避免掘进速度不当对盾构机刀盘、刀具造成非正常损坏和造成隧洞周边土体扰动过大。

4.3 掘进方向控制

盾构机始发姿态的方向控制利用盾构机自带的PPS自动导向系统来完成, 并采用人工测量辅助进行盾构姿态监测。及时控制并调整盾构掘进方向, 使其始终控制在允许的偏差范围内。

4.4 同步注浆控制

当盾尾通过两道洞门密封后开始实施同步注浆。浆液为水泥砂浆, 初凝时间控制在6小时以内, 砂浆强度不小于5Mpa。同步浆液配合比见表1所示。

注浆量应满足规范要求的充盈系数。每环的理论注浆量为:V=π/4· (11.972-11.62) ×1.8=12.33m3, 实际的注浆量为理论建筑空隙的130%~180%, 即每环的注浆量应控制在16.03m3~22.19m3。注浆压力应大于泥水仓压力0.1bar~0.2bar。

4.5 泥水控制

在盾构推进前应测试调整槽内工作泥浆的指标, 及时调整 (小调整) 直至满足施工要求为止, 并做好记录。持续5环后, 可根据泥水指标的变化趋势, 在指导配比的基础上再做调整 (大调整) 。在始发阶段, 主要通过泥浆比重、黏度控制泥浆质量。由于始发段地层主要为卵石地层, 根据以往施工经验, 泥水比重控制在1.05左右, 泥浆黏度控制在35s~40s。