地铁盾构法施工新技术

摘 要：为了适应城市轨道交通的快速发展,地下空间的开发利用越发进入人们日常生活,其中最为人们所熟知的便是地铁.而盾构法是当今世界上应用与地铁建设最为广泛的施工技术.本文将介绍地铁盾构发施工新技术发展的历史、工作的基本原理、特点和优势所在,了解其施工工艺及国内外最新的盾构施工技术,为地铁的施工提供具备技术经济优势的选择方式,并展望了我国盾构施工技术未来的发展方向,希望以此助推盾构法施工新技术在我国城市地铁建设中的应用.

关 键 词：盾构；施工新技术；发展方向；地铁

中图分类号：U455.43

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2011)08-0171-03

1　引言

随着我国城市轨道交通建设的发展,各地大力兴建地铁,使我国地铁施工技术不断发展和提高.在城市中实施大规模地下工程建设,由于受到施工场地、地面道路交通、市政公共设施、隧道间相互交叉以及地下结构物的穿插重叠等城市环境因素的制约,传统的施工方法难以普遍适用.为适应这一实际条件,安全、快速、高质量的盾构新技术应运而生,现已成为我国城市地铁隧道的主要施工方法.本文将介绍地铁盾构发施工新技术发展的历史、工作的基本原理、特点和优势所在,了解其施工工艺及国内外最新的盾构施工技术,为地铁的施工提供具备技术经济优势的选择方式,并展望了我国盾构施工技术未来的发展方向.

2　盾构施工技术发展简史

自1818年法国工程师M.I.布律内尔从观察船蛆在船的木头中钻洞并从体内排出一种粘液加固洞穴开始研究盾构法施工开始,盾构机问世自今已有近两百年的历史.近几十年来,通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术,如盾构机的有效封闭、监测开挖面的稳定及控制盾构前进的方向、地表塌陷在安全范围内、刀具的使用寿命以及在封闭条件下更换刀具等方面的探索,通过对盾构施工新技术,如特殊断面盾构施工、复合盾构施工技术、球形盾构施工技术等的研究,地铁盾构法施工技术有了长足发展.

德、日、法等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工.日本使用盾构机施工的城市隧道占90％以上.德国的盾构施工技术也有独到之处,能在封闭条件下,从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具.

我国从五十年始使用、研制盾构,1966年上海采用网格式挤压盾构修建了直径达10m的打浦路过江隧道,至今,盾构法施工技术已广泛应用于我国城市的地铁建设.

3　盾构施工技术工作原理

盾构施工技术是指使用盾构机,在盾构钢壳之内保持开挖面稳定的同时,安全向前掘进、出渣,在尾部拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆以使围岩基础稳定,用千斤顶顶住已拼装好的衬砌并利用其反力推动盾构前进的方法.

盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘包括排土、衬砌包括壁后注浆三大要素组成.开挖面的稳定根据土质及地下水等情况的不同而有不同的处理方法,主要有开挖面的自然稳定即敞口放坡、机械式支撑稳定、压缩空气支撑稳定、泥水式支撑稳定以及土压平衡式支撑稳定等.

盾构机的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾型钢壳；“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体.图1、图2分别为泥水式和土压平衡式盾构机械图.

4　盾构施工技术的特点

区别于其他的地铁隧道施工技术,盾构法施工新技术具有以下的特点：

4.1对城市地面建筑物和周围环境影响小.除了在盾构竖井或基坑处需要一定的施工场地外,地铁隧道沿线不需要施工场地,施工无噪音、无振动公害,对地面交通基本无干扰.适用于埋深较大、不宜明挖的松散地层.

4.2施工精度要求高.管片的制作精度几乎相当于机械制造的程度,误差范围要求控制在0.5mm以内；盾构前进过程中要求严格控制对隧道轴线的偏差.

4.3盾构施工过程有单行前进、不可后退的强制性,具有较大的风险.盾构施工开始便无法后退,一旦盾构本身出现致命故障,则可能产生灾难性的后果；所以,盾构施工的前期准备工作非常重要.

4.4盾构机是适合于某一特定区间的专用设备,如需根据施工隧道的断面大小、埋深、地质条件等进行设计、制造或者改造.

5　地铁盾构法施工

盾构法施工技术方案和施工细节依赖于围岩条件,因此要求在施工准备阶段对沿线的工程地质和水文地质条件进行细致的勘察工作,并根据实际情况做好应急准备.城市里地面交通繁忙、地面建筑物和地下管线密集,对地面沉降应有严格控制,在节省开挖面、不干扰地下水发育和围岩稳定并缩短工期的压力下,盾构法是最佳选择.以下以土压平衡式盾构为例,介绍盾构施工技术.

5.1始发与推进

5.1.1盾构的始发

5.1.1.1始发竖井

作为拼装盾构的井,其建筑尺寸应满足盾构拼装的施工工艺要求,一般井宽应大于盾构直径1.6～2.0m,井的长度主要考虑盾构设备安装余地以及作业人员的作业空间和安全作业等因素.此外,竖井的尺寸还与盾构隧道的覆盖土层的厚度、进发方法等多种因素有关,覆盖土层的厚度不同.进发方法不同,竖井的尺寸也不同.

始发竖井的护壁一般采用钢板或钢筋喷射混凝土护壁,起重设备根据施工运输的要求,可采用龙门式起重机或货物升降机.从地表把盾构机的分解件及附属设备搬人始发立坑,然后在立坑内组装盾构,设置反力装置和盾构进发导口.

5.1.1.2盾构拼装

一般来说.盾构掘进机的盾头部分都是在生产厂组装完后整体运至工地.但我国很多城市地处内陆,道路运输条件和通过能力有限,只能采用分体运输,即将盾头部分分为切削刀盘、上、下盾壳、主机四部分运至施工现场,再在始发竖井内进行组装.这样,最大单个部件重量约为30t,需根据现场情况确定组装用起重机械的配置,如始发竖井安装有龙门式起重机,则可直接用龙门式起重机吊装,若没有,则采用汽车起重机.安装前首先准备好始发井下盾构安装基座,测定盾构推进轴线和盾构始发导人口,再将盾壳吊至始发井内的安装基上固定好,然后将盾构主机吊装就位,吊装刀盘固定于主机上,安装上、下盾壳,安装完毕后将上、下盾壳焊牢,即完成盾构机械的安装工作.

5.1.1.3反力装置

反力装置由固定支撑座和临时支撑垫两部分组成,一般采用安装负环管片作支撑反力架,负环管片由10环预制的隧道管片拼装而成,全部闭口环.

5.1.1.4进发导口

盾构机在始发前,需要在开挖方向设置进发导口,其目的是：①维持开挖面的稳定；②防止地下水渗出；③防止土体坍塌.一般是在掘进前方采用注浆或冷冻法对土体进行加固,范围是掘进前方大于盾体长度.直径约为盾体直径两倍的范围.

5.1.1.5洞口止水

由于洞口外径与盾构外径之差,在洞口与盾构间存在着一周环形建筑空隙,为防止土体及水从此空隙涌出和渗出,避免地表沉陷和确保盾构的安全出洞.在盾构靠上洞门土体前,在洞门设置一道环形橡胶止水带和一道环形钢板封堵空隙,盾构完全进人土体后,将环形板与有预埋件的洞口管片满焊固定,完全封堵洞口空隙.

5.1.1.6始发

以上准备工作完毕后,盾构即可始发,将推进油缸顶在反力装置上,启动切削刀盘和推进油缸即可进行掘削推进,推进油缸推进到一个行程,收回推进油缸,在推进油缸与反力装置间加垫临时支撑垫(负环管片),即可进行推进.在盾构刀盘切入土体前,为防止正面土体突然被切削而过量流失引起工作面坍塌,应通过螺旋输送器倒转方式向土压舱内加注粘土,至满舱后才起动刀盘切削土体和出土.盾体进人隧道后,进行管片安装和后部辅助设备平车的拼接,推进油缸顶在管片上继续推进,这样,推进一节,拼接一节,直至盾构设备完全进人隧道.

5.1.2盾构的掘进

盾构设备完全进人隧道后,盾构按预先设定的方向掘进,该过程由盾构设备的计算机控制系统控制.当盾构设备出现左右或上下偏差时,由计算机系统对推进油缸进行控制,确保条件方向按预定设置方向前进.同时,在保证开挖面土压平衡的基础上,调节刀盘转速与推进速度及螺旋输送机速度的比率,使开挖与排土保持恒定.地铁盾构法施工工艺流程见图3.

5.2衬砌

在盾构设备掘进完一个节距以后,即可进行管片衬砌,由管片运输车将管片运送到安装台位,再由管片衬砌台车将管片送至安装位置安装就位.管片安装完毕后,进行下一个循环的掘进.直至整个隧道工程的完成.

5.3进洞

盾构由区间隧道进人接收竖井前,需首先对端头土体的加固和渗水情况进行取芯测试,在确保土体稳定和无大量渗水的情况下方可凿除洞口混凝土.洞口混凝土凿除应分层分块进行.在盾构距洞口约为10m时,将洞口混凝土全部拆除.待盾构机刀盘露出洞口时,清除端头井内盾构机所带出的土体后,将盾构接收架准确地定位安设在洞口的底板上,高程比盾构机略低,并将接收架固定,以便盾构机顺利滑行上架.盾构完成洞工序后,及时对全隧道的管片螺栓进行复紧和洞口止水处理.

5.4盾构掘进过程中的控制

5.4.1盾构控制

盾构的偏向是指平面、高程偏离设计轴线的数值超过允许范围.

盾构在地层推进中,会由于地质条件、机械设备、施工操作等原因导致盾构的偏向.当今世界上最先进的测量盾构偏向的手段是利用陀螺仪等高精尖技术,但目前我国主要还是应用以下常规测量手段.

5.4.1.1坡度板是目前盾构施工中能使施工人员直接读出盾构纵坡、转角的值,以便能随时纠正的量具.

5.4.1.2丈量两腰千斤顶活塞杆伸出长度估计平面纠偏效果.

5.4.1.3用水准仪测得盾构轴线两点,可算出盾构纵坡与高程偏差值.

5.4.1.4用激光经纬仪直接读出激光打在盾构前后靶上读数,可算出盾构的切口、举重臂、盾尾三个中心平面与高程偏离设计轴线值.盾构出现偏离后一定要及时调整.

5.4.2土压控制

为确保对地面沉陷、隆起的控制,平衡工作面水土压力,保证工作面不坍塌、涌水、涌砂.土压舱内的计划土压力设定值由下式计算：

P等于P1+P2+P3+0.02MPa式中P1――孔隙水压力；

P2――地下水位以上土层侧向土压力；

P3――地下水位以下土层侧向土压力；

0.02MPa为经验参数.

土压舱内的土压力由安置在土压舱内的土压计通过计算机随时测定监控.一旦出现实测土压力与计算土压力不符时,应及时调整出土量,同时还应根据地面隆陷的监测情况、土层和地下水位的变化情况对计划土压力进行动态管理,以确保土压舱压力与开挖面的水土压力保持平衡,达到防止涌砂和坍塌的目的.在盾构穿越砂质土层时,为使土压舱内的泥土具有较好的流动性和保持土压舱内的压力,在盾构推进的同时可注入适量的粘土或粘土浆液.

5.4.3出土量的控制

工作面土体被刀具切削下来后,土体通过土压舱由螺旋出土运输器排出,一定量的泥土滞留在螺旋出土器内被挤压密实而形成隔水墙,保证了开挖面的稳定.当土压舱内的土压力大于计划土压力时,加快螺旋出土器的转速,增大出土量.而小于计划内的土压力时,要降低螺旋出土器转速,减少出土量,以增大土压舱内压力以平衡工作面水土压力.

6　盾构施工新技术

6.1地铁盾构法施工新技术要点

6.1.1高强、耐久性管片制造

6.1.2通、错缝拼装比较,纵横向变形分析

6.1.3进出工作井难题与对策

6.1.4纠偏

6.1.5特殊条件沉降控制

6.1.6流砂、砂质粉土变形机理及危害

6.1.7掘进过程中遇到桩、大石块、超浅覆土、高水压等灾难性地质的对策

6.2地铁盾构法施工新技术介绍

6.2.1特殊断面盾构施工技术

特殊断面盾构可分为复圆形盾构和非圆形盾构两大类.其中复圆形盾构包括双圆盾构和三圆盾构.双圆盾构可用于一次修建双线地铁隧道、下水道、共同沟等,三圆形盾构则用于修建地铁车站.非圆形盾构包括椭圆形盾构、马蹄形盾构、矩形盾构和半圆形盾构,根据隧道使用目的可分别加以采用.

特殊断面盾构施工的实例有采用三圆盾构施工技术的地铁环线饭田桥车站；采用双圆型盾构施工技术的地下铁路等工程.

在进行特殊断面盾构施工时,除充分考虑断面形状特性采用特殊的盾构机械以外,还需不断掌握工程的实际走势,在掘进时需一直注意盾构机的运行情况.考虑到断面形状,管片的组装应对其分割数、组装顺序、组装精度进行周密计划,即使管片可正确组装,也需严格管理和控制盾构姿势,特别当盾构机发生偏离时,应及早使用超挖机构、修正千斤顶等进行修正.盾构的尾部和出发、到达部的洞口封闭与圆形断面相比,防水比较困难,需采取周密的措施以确保防水.

6.2.2复合盾构施工技术

由于盾构是一种针对性很强的专用施工机械,每台盾构机都是针对某一种具体的地质水文条件而制定的.在地质条件复杂的情况下,采用常规盾构就无法完成施工,因此复合盾构施工技术应运而生.典型的工程如广州地铁二号线工程.

复合式刀盘装有齿刀和滚刀两种刀具,以滚刀对付硬岩层,齿刀对付软岩层,两种刀具用背装的方式进行互换.

6.2.3球体盾构施工技术

球体盾构施工技术根据变换方法可分为纵、横连续掘进和横、横连续掘进两种(均只使用一台盾构机).其中纵、横方向连续掘进施工是从地面开始连续沿直角方向进行竖并开挖和隧道掘进的施工方法,横、横方向连续掘进则指不需旋转竖井,在地面下朝直角方向进行连续掘进的施工法.

球体盾构在所使用的主盾构里设有内装次盾构的球体,在施工中必须慎重研究盾构自重、开挖反力、推进反力的平衡关系.尤其在采用纵、横掘进盾构进行竖井施工时,在进行方向改变的过程中,次盾构的球体需要旋转900,此时极易发生涌水和涌砂现象,因此要充分考虑球体部的防水结构,以防止砂土及地下水流入隧道内.

使用球体盾构,可以在狭窄的施工场地上直接进行地下隧道的掘进,省去了构筑竖井所需要的场地、时间,因此采用球体盾构掘进可以缩短修筑工期,是一种应用前景广阔的新型盾构施工技术.

7　展望我国盾构施工新技术的发展方向

7.1开发研制高性能、全自动盾构

7.2重视盾构选型风险评估

7.3引进双圆、三圆盾构

7.4TBM&结合适应广泛底层.

8　结语

本文介绍了地铁盾构发施工新技术发展的历史、工作的基本原理、特点和优势所在,了解其施工工艺及国内外最新的盾构施工技术,为地铁的施工提供具备技术经济优势的选择方式,并展望了我国盾构施工技术未来的发展方向,希望以此助推盾构法施工新技术在我国城市地铁建设中的应用.