地铁谈盾构隧道施工

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1、工程概况
    广州市轨道交通三号线[天~华]区间盾构工程分为两个区间（天河客运站~五山站区间以及五山站~华师站区间），主要由两条圆形盾构隧道为主组成，双线长6259.615m。隧道标称内径为5400mm；埋深为11~28m；平面最小曲线半径为350m；最小竖曲线半径为3000 m；最大坡度为19‰；最小坡度为3‰。
    天~五区间隧道主要是在残积层和全风化层中穿过，顶底板差异不大，在中部偶见夹有球状微风化岩石。近五山段顶板出现少量砂层。隧道洞身天然单轴抗压强度最大值为153.40MPa。
    五~华区间隧道主要是在强风化层中穿过，顶底板岩土分层有一定差异，存在上软下硬或有夹层现象。中部为瘦狗岭断层破碎带，以北均为花岗岩、花岗片麻岩带或风化层，以南为白垩系红层岩系。靠近华师站段隧道全断面在微风化层中穿过。地表地形地貌变化也比较大。白垩系红层隧道上方发育有较长段含水砂层。
    2、盾构掘进
    2.1刀具配置
    地质情况对刀具配置起决定作用，隧道围岩为I、II类(按《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中隧道围岩分类)时，一般采用刮刀(俗称羊角刀)，而对于III~VI类围岩则使用盘形滚刀效果较好。盘形滚刀又有单刃和双刃之分，单刃滚刀适合较硬岩或强度不均匀的围岩，而双刃滚刀适合一般硬岩及强度均匀的围岩。针对本工程的地质情况，均配置单刃盘形滚刀。
    2.2掘进参数控制
    (1)、控制刀盘扭矩。根据保护刀具、降低刀具磨损的要求，必须将刀盘扭矩控制在某一容许范围内，而控制扭矩的主要依靠以下方法：                  
    ◆ 减小推力：这是最简单、有效的方法，但同时也会降低掘进速度。
    ◆ 减小刀具的贯入度：即在保持掘进速度基本不变的情况下，提高刀盘转速，一般达2.5~3r/m左右。当开挖面为全断面硬岩时，减小刀具贯入度，能显著降低刀盘扭矩。但刀盘高转速不适用有孤石的围岩，因为孤石很容易造成刀具崩裂。
    ◆ 向开挖面、土仓内加入土质改良剂：
    常见的土质改良剂及适用地层
    膨润土  适用砂~砂砾地层   发泡剂  适用粘土~粗砂地层 高吸水性树脂  适用固结粘土~砂砾地层
    其中发泡剂较为常用。
    另外，在全断面硬岩或孤石地层，可以向开挖面、土仓内加入冷却水，以降低刀盘、刀具的温度来保护刀具。
    (2)、保持适当的土压。若隧道围岩能够自立，则可以采取空仓掘进的模式；若隧道围岩无法自立，为了保持开挖面的稳定，则必须保持适当的土压以稳定开挖面，控制地面沉降。土压过低，则可能出现超挖；土压过高，则有效推力降低，掘进速度降低，且地面可能隆起，造成后期沉降较大。土压的确定与隧道埋深、地质情况、地面建筑物情况有很大关系，可以采用库仑或朗肯等理论估算。在实际施工中，也可以根据出土量的情况来确定适当的土压。在本工程掘进过程中一般保持1.5~2.0bar的土压。
    (3)、在刀盘扭矩、土压、出土量满足要求的情况下，尽可能加大推力，以提高掘进速度(80mm/min以上)，加快工程进度。而在掘进速度较快的情况下，则要注意控制好盾构机的姿态、保持土压稳定、同步注浆量。
    2.3同步注浆及二次注浆
    由于刀盘的直径为Φ6280mm，而管片外径Φ6000mm，所以在管片离开盾尾后，理论上管片与围岩之间将会有宽度为140mm的空隙，为控制地面沉降，必须用砂浆将空隙填满。
    (1)、盾尾同步注浆。
    出现的主要问题：
    ◆     堵管 
    出现堵管的情况，其原因主要是以下几方面：
    ① 砂浆配比不好，以致砂浆初凝时间太短、砂浆易沉淀离析、砂浆流动性差
    ② 原材料不好，如砂太粗
    ③ 盾尾浆管回砂
    ④ 长时间停注前未注射膨润土液洗管
    ◆ 漏浆
    主要原因及处理办法：
    ① 盾尾间隙过大。控制好盾构机姿态，选择适当的管片，以保持良好的盾尾间隙。
    ② 尾刷损坏。在管片迎水面垫厚约15cm 左右的海绵或者更换尾刷。
    ③ 盾尾油脂注入量不够。加大油脂注入量。
    (2)、二次注浆。
    当地面沉降较大或隧道下坡且地下水丰富时，可以进行管片背后二次注浆来稳定地面或堵水。
    注浆材料可以用纯水泥浆、砂浆或双液浆。注浆设备可以采用注浆机或盾构机台车上的同步注浆泵。注浆时应注意监控注浆压力，如果压力过大可能造成管片错台或纵裂。
    2.4常见问题及处理办法
    (1)、若螺旋输送机被卡住(即扭矩超限)，无法正常出渣，可反复伸、缩螺杆并同时正、反转，如低速正转同时伸、缩螺杆，若超限则反转同时伸、缩螺杆，如此反复，基本上都可以脱困。
    (2)、若启动刀盘时刀盘被卡住，则将部分推进千斤顶收缩，使土压力、刀具贯入度减小即可以转动刀盘。
    (3)、在非粘性地层，如砂层，若铰接千斤顶拉力较大，说明刀盘的扩孔能力较差，则要检查刀盘的边缘刀是否磨损过量而应该更换。
    3、管片拼装
    3.1管片型号的选择
    一般主要根据盾尾间隙、线路特点、推进千斤顶行程来确定管片型号。选择适当的管片可以有效地调节盾尾间隙，保证盾尾间隙和千斤顶行程比较均匀，有利于管片的受力。若盾尾间隙过小，则可能造成管片难以安装、管片迎水面被盾尾压崩、盾尾尾刷损坏、千斤顶撑靴与管片严重错台导致管片止水条损坏和管片崩缺等问题。
    3.2常见质量问题
    (1)、管片在拼装前一般要先检查管片是否完好、型号是否正确、缓冲垫和止水条是否贴牢。在拼装过程中一定要注意对止水条的保护，若止水条损坏严重则很可能出现渗漏水的质量问题。
    (2)、千斤顶撑靴正常情况下应该不会同时顶在两块管片的角上，但如果隧道管片发生扭转，则可能会出现这种情况，那么要特别注意拼管片或掘进时会管片发生崩裂。
    (3)、管片扭转：如果拼装管片时，盾构机的滚动角较大而且一直朝同一个方向，则可能会发生隧道管片扭转的情况。因此应该通过调整刀盘的旋转方向来减小盾构机在拼装时的滚动角。
    (4)、管片错台：在小半径曲线(本工程最小曲线半径R=350m)线路施工时，因推进千斤顶对管片有环向分力而造成管片环向错台。解决办法是在推进后及时复紧管片连接螺栓约束管片的环向位移，或者在拼装时人为地将管片拼成与转弯方向一致的错台。
    4、专题
    4.1压气换刀
    主要作业步骤：
    (1)、准备换刀工具、材料并检查压气时要用的相关设备
    常用的换刀工具有：刀具磨损量具、手拉葫芦、液压千斤顶、螺杆千斤顶、分离式千斤顶、撬棒、扳手(开仓门及拆、装刀具时用)、气动打磨机、铁锤
    准备的材料有：刀具及其配件(拉紧块、U型块、螺丝等)、吊耳
    要检查的设备有：空压机（包括备用空压机）、管路(水管、气管)及接口、照明设施、人闸及土仓的压力表、人闸与指挥室的通讯
    (2)、排出土仓内的渣土，当土压降至较低时(0.5bar以下)，向土仓加入压缩气体，同时土仓内加入膨润土，转动刀盘，继续出渣。一段时间后停止加入膨润土。当螺旋机后闸门有较连续且较大压力的气体喷出即可停止出土，然后等待半个小时左右看土仓内的气压是否能够保持稳定，即气压上下浮动不能超过0.1bar 。如果土仓内的气压，无法上升到预定值，且空压机排压较低，或者气压上下浮动过大都说明土仓漏气。检查地面、铰接、盾尾是否漏气。
    (3)、土仓内气压稳定后，换刀人员进入人闸，相关材料工具也要运进去。准备好后，向人闸内加压，加压程序要按照有关带压作业规范的要求。
    (4)、当人闸的气压与土仓的气压基本一致时，打开平衡阀，换刀人员打开土仓门进入土仓开始换刀作业。
    常见问题及处理办法：
    (1)、若换刀时刀具不慎掉入土仓内，而土仓内泥渣较多很难定位刀具及打捞时，则换刀人员进仓作业时带上铁锹和编织袋，将土仓内的渣土装袋即可。
    (2)、若作业过程中，发生气管爆裂、空压机故障等问题时，首先要冷静，想办法稳住气压，同时尽快通知作业人员进入人闸以便及早减压出来。
    (3)、要做好各项人员安全措施及灾害防治措施。对工作人员要进行全面体检，体检不合格的人员禁止入内。要注意压气作业过程中因焊接、漏电、打磨等作业可能引起火灾。各种应急设备如高压氧舱、单架等应处于准备状态。
    4.2盾构始发与到达
    (1)、到达前要做好以下工作：
    ① 校核盾构机姿态及位置，盾构机轴线应较洞门轴线稍微高1~3cm
    ② 洞门临时挡土墙凿除
    ③ 盾构机接收平台的铺设
    ④ 洞门环板、压板的设置
    ⑤ 抢险物资设备的准备
    (2)、始发时要做好以下工作：
    ① 盾构机、始发架、反力架的安装、测量定位
    ② 洞门临时挡土墙凿除
    ③ 洞门环板、压板的设置
    ④ 抢险物资设备的准备
    5、施工管理
    5.1人员配置
    以德国海瑞克土压平衡盾构机为例：
    (1)、技术管理人员
    隧道领班工程师兼盾构机操作手 1人
    机电工程师 3人(机械、电气、液压各1人)
    (2)、劳务工人
    岗位  班长兼管片拼装手  配合管片拼装  双轨梁操作手  同步注浆  出土兼千斤顶操作  电工  机修工  合计
 
    人数            1                    3                  1                2                 1                1        3       12
 
    5.2材料、设备配置
    (1) 日常消耗材料
    主轴承密封油脂、润滑油脂、盾尾密封油脂、发泡剂、砂浆、隧道照明材料(照明灯、电线、线架)、通信材料、循环水管、轨道、轨枕、排污水管、编织
    (2) 日常工具、设备
    电焊机、气割、潜水泵、千斤顶、葫芦、扳手、铁锤。