盾构掘进方案

一、工程概况

【水荫路~天平架盾构区间】属广州轨道交通六号线,地处广州市中心区东部,始发井处于禺东西路与广州大道北交汇处的一片绿化地上。盾构从始发井向北进入,紧接着下穿广园快速路及广深铁路和军用铁路,随后沿着广州大道北,穿过瘦狗岭断裂破碎带、经过省军区宿舍楼直至天平架站。然后再从始发井向南进入,穿过沙河站后,沿着先烈东路直至水荫路站。

本标段盾构盾构隧道长度:水荫路站至沙河站区间盾构法掘进,左线742.751m , 右线732.643m ;沙河站至天平架站区间盾构法掘进,左线1114.296m , 右线1113.817m ;隧道覆土厚度:9.62m ~25.8m ;平面最小曲线半径300m ;最大坡度为39.569‟; 隧道内净空φ5400mm ,管片外径φ6000mm 。

本标段盾构隧道主要穿过、、、、、、地层,并以〈5-1〉、〈5-2〉、〈6H 〉、〈7H 〉、〈9〉地层为主。〈5-1〉号地层为可塑状粉质粘土,〈5-2〉号地层为硬塑或密实状残积土层,〈6 H〉地层为花岗岩全风化带燕山侵入岩,〈7H 〉号地层为花岗岩强风化带,〈9〉号地层为微风化红层泥质粉砂岩,〈9H 〉号地层为花岗岩微风化带燕山侵入岩。

盾构管片采用环宽1.5m 的标准环及左转弯楔形环和右转弯楔形环三种管片。管片混凝土强度等级为C50、S12;钢筋为Ⅰ、Ⅱ级,管片的最小配筋率不小于150kg/ m 3。管环外径6000mm ,内径5400mm ,厚300mm ,宽1500mm 。每环由3片标准块+2片邻接块+1片封顶块共6片管片组成,砼量8.06m 3。管片拼装方式采用错缝拼装,纵、环向连接均采用M24螺栓,管片纵、环向间隙防水采用弹性橡胶密封圈。环形间隙采用同步注浆充填以控制地层变形,必要时采取二次注浆补强。 二、掘进时间及进度计划 2.1 掘进时间安排

盾构掘进施工作业采用2班制,每天两个工班掘进施工,每六天轮班。掘进每班每天工作12小时;每天安排3小时作为盾构机维修、保养时间,以确保盾构机在施工过程的正常运转。 2.2 施工进度计划

本工程采用两台海瑞克土压平衡盾构机进行施工。根据六号线总体工期策划要求,左线盾构机于2010年6月31日始发,右线盾构机于2010年7月31日始发。盾构掘进开工日期为2010年5月31日,完工日期为2011年10月4日,总工期为492天。

⑴ 盾构始发段掘进安排:平均2.5环/天 ⑵ 盾构到达段安排:平均3环/天

⑶ 盾构正常段安排:沙~天区间平均4.5环/天;水~沙区间平均6环/天 三、盾构掘进流程及操作控制程序 3.1 盾构掘进作业工序流程

盾构掘进工作是盾构隧道施工的主要环节,掘进工作的各个环节是否顺利进行的关键,在施工中应使各个环节、工种密切配合,环环相扣,施工的进度、质量才可能满足总进度目标、质量目标的要求。盾构隧道施工的过程见图1。

图1 盾构掘进作业工序流程图

3.2 掘进控制程序

盾构隧道施工掘进过程的控制制约着各个后续的工作,隧道掘进关键的点在于①刀具充分切削、破碎地层,②被破碎、切削下来的地层能被顺利排出。故对于掘进参数的选择就显得十分重要,尤其是针对地层的不同选择不同的刀具布置方式、掘进推力、转速,渣土改良中泥水和泡沫的注入参数设定等。隧道掘进的主要控制程序如下图2所示。

3.3 掘进模式的选择及控制

本次选用的盾构机根据地层的不同和掘进环境的差异在掘进中可选择敞开式(OPEN )、半敞开式(SEMI-OPEN )和土压平衡式(EPB )三种不同的掘进模式,掘进参数见表1。

图2 盾构掘进控制程序图

表1 掘进模式参数表

3.3.1不同掘进模式的特点及适用条件

根据本工程的工程地质特点,对不同地层应采取不同的掘进模式,掘进模式和适用条件、应采取的技术措施见表2。 3.3.2 盾构隧道的掘进模式分段

根据本工程的隧道地质情况及周边环境条件,对采用的三种掘进模式的技术措施分述如下,左右线分段使用掘进模式的情况见表3。

⑴ 敞开式掘进的技术措施:

① 采用滚刀破岩为主,刀盘采用较高转速、低扭矩掘进。

② 采用敞开模式掘进时,盾构机易产生较大滚动和震动现象。此时适当降低转动的速度、同时适当增大推力以便在确保掘进速度的情况下防滚和减震。

③ 同步注浆时浆液可能渗流到盾壳与周围岩体间的空隙甚至刀盘处,为避免此现象发生可适当增大浆液粘度、缩短浆液凝结时间、适当减低注浆压力等方法来解决。

④ 在硬岩敞开式掘进时,刀具磨损较大,温度高,岩渣不具软塑性,因此,应注意观察、检查,及时换刀,视岩石的类别注入泡沫和水冷却、润滑,以降低磨耗。

⑵ 半敞开式掘进技术措施

① 半敞开式掘进模式介于土压平衡和开敞式之间,采用滚刀或滚刀、刮刀混合破岩切削。在这种情况中,开挖室中渣土高度保持正好在螺旋输送机入口上方,以维持开挖室里空气压力的密闭性。

② 为既能稳定开挖面和防止地下水渗入,又能避免出渣时螺旋输送机发生喷涌,压缩空气压力应控制在0.1~0.15Mpa 以内。

③ 在该模式下掘进时,应重视注入泡沫对渣土进行改良。遇地层变换、涌水较大时,及时转换模式掘进。

广州市轨道交通六号线【水~天盾构区间】土建工程 盾构掘进方案

表2 掘进模式列表

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⑶ 土压平衡模式技术措施

① 软土采用以切削刀、刮刀为主切削土层,软岩以滚刀为主的刀具布置形式,刀盘以低转速、大扭矩推进。

② 土仓内土压力值P 应略大于静水压力和地层土压力之和,即P=K P0,

K=1.0~1.3,砂性地层K 取上限值;粘性地层K 值取下限值。并在掘进中不断调整优化。

③ 土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立,并应维持切削土量与排土量的平衡,以使土仓内的压力稳定平衡。

④ 在上软下硬的地层中掘进,若发生喷涌,则土仓内的压力很高,掘进速度往往比较慢,此时,除上述措施外,还应采取均衡各组千斤顶的压力,暂时停止姿态的调整,增大推力,使盾构机能有较快的掘进速度。

⑤ 盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速(扭矩)来控制,排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在实际掘进施工中,应根据地质条件、排出的渣土状态,以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化。此模式掘进时应十分重视渣土改良工作的落实。 3.4 盾构掘进方向控制与调整

由于地层软硬不均、隧道曲线和坡度变化以及操作等因素的影响,盾构推进不可能完全按照设计的隧道轴线前进,将会产生一定的偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力过大,严重时产生管片错台过大、开裂、漏水等现象。因此,盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向,及时有效纠正掘进偏差。 3.4.1 盾构掘进方向控制

⑴ 采用SLS-T APD导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测 SLS-T APD 系统使用棱镜和经纬仪来测量机器的位置来实现导向工作,这些装置用电缆和电脑相连。安装在隧道里的经纬仪测量两个棱镜的位置,确定机器所处的位置,系统就能计算出它与隧道规划路线的偏差,然后信息就会显示在与电脑连接的一个很大的易读的显示器上。该电脑通常安放在离设备操作人员控制台很近的地方,以便操作人员利用这些信息给机器导向。该电脑也可以储存和允许输入系统需要的信息。据此调整控制盾构机掘进方向,使其始终保持在允许的偏差范围内。

随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移,必须通过人工测量来进行精确定位,为保证推进方向的准确可靠性,每周进行两次人工测量,以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态。确保盾构掘进方向的

正确。

⑵ 采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向

根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息,结合隧道地层情况,通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。

① 在上坡段掘进时,适当加大盾构机下部油缸的推力和速度;在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力和速度;在左转弯曲线段掘进时,则适当加大右侧油缸推力和速度;在右转弯曲线掘进时,则适当加大左侧油缸的推力和速度;在直线平坡段掘进时,则应尽量使所有油缸的推力和速度保持一致。

② 在均匀的地质条件时,保持所有油缸推力与速度一致;在软硬不均的地层中掘进时,则应根据不同地层在断面的具体分布情况,遵循硬地层一侧推进油缸的推力和速度适当加大,软地层一侧油缸的推力和速度适当减小的原则来操作。

在掘进时,在盾构什么位置,分区压力的调整均要根据盾构机的姿态与设计轴线的偏差情况确定,同时应该注意分区千斤顶的压力差不宜过大,通常要求对应千斤顶压力差一组不大于另一组的1/3,以免在大推力的情况下因压力差过大对隧道管片产生破损。

⑶ 在〈7H>、〈8H>、〈9H>号稳定的硬岩段掘进时,可能会产生较大的震动和滚动,此时,可以适当加大推力、降低转速,产生较大的滚动时可以使刀盘朝相反的方向转动,防止盾构机发生过大的滚动偏差。 3.4.2 盾构掘进姿态调整与纠偏

盾构机在掘进过程中,不可能完全按照设计线路掘进,有时要产生一定的偏差。一般情况下,盾构机如果偏离设计轴线20㎜,就要进行盾构机纠偏。

盾构机纠偏是依靠调整各组推进油缸的压力来实现的,同时在安装管片时,也应根据盾构机的纠偏方向安装相应的转弯环。当滚动超限时,盾构机会自动报警,此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。对偏差过大的情况,也可以用铰接油缸来纠偏。

盾构机纠偏应逐步进行,不能一次到位。一般情况下,每环的纠偏量在水平方向上不超过9㎜,在竖直方向上不超过5㎜。同时安装管片也应注意,

所选取的管片类型应考虑在安装完毕以后的管片平面尽量与盾构机的轴线垂直。也就是管片安装完毕之后,保持盾构机各组油缸的初始行程基本一致。 3.4.3 方向控制及纠偏注意事项

⑴ 在切换刀盘转动方向时,应保留适当的时间间隔,切换速度不宜过快,切换速度过快可能造成管片受力状态突变,而使管片损坏。

⑵ 根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数,调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。达到警戒值时就应该实行纠偏程序。

⑶ 蛇行修正及纠偏时应缓慢进行,如修正过程过急,蛇行反而更加明显。在直线推进的情况下,应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线,然后再以这条线为新的基准进行线形管理。在曲线推进的情况下,应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。

⑷ 推进油缸油压的调整不宜过快、过大,且对应的分组千斤顶的压力差不宜过大,否则可能造成管片局部破损甚至开裂。

⑸ 正确进行管片选型,确保拼装质量与精度,以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。

⑹ 盾构始发、到达时的方向控制极其重要,应按照始发、到达掘进的有关技术要求,做好测量定位工作。 3.5 掘进中的渣土改良与防泥饼措施

在盾构施工中尤其在复杂地层盾构施工中,进行渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段,具有如下作用:

⑴ 润滑刀具,减少刀具与地层间的摩擦,可有效降低刀盘扭矩,同时减少了因摩擦而产生过多的热量,降低对刀具和螺旋输送机的磨损。

⑵ 加入泥浆时,可以使渣土具有较好的止水性,使脆性岩屑具有更好的流动性,以便顺利排出。对控制地下水流失也有一定的作用。

⑶ 使切削下来的渣土顺利快速进入土仓,有利于螺旋输送机排土顺利; ⑷ 可有效防止土渣粘结刀盘而产生泥饼;

⑸ 使渣土具有较好的土压平衡效果,利于稳定开挖面,控制地表沉降; 3.5.1 渣土改良的方法与添加剂

渣土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓、或螺旋输送机内注入添加剂,利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋

转搅拌使添加剂与土渣混合,其主要目的就是要使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力,以满足在不同地质条件下采用不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状况。添加剂主要有泡沫和膨润土。

泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子,降低其吸附性能,从而起到改善渣土的流动性、润滑刀具等作用。对于软岩和粘性土,合理的泡沫注入尤为重要。

根据地质情况选用合适的泡沫剂,使之能有效对渣土进行有效改良,在粘性土层中,其膨胀率建议值为6~15,在岩石及其它土层中掘进建议膨胀率为15~20。实际使用时其配比和注入量应根据地质条件及施工情况确定。 3.5.2 渣土改良的主要技术措施

本工程隧道所通过的地层条件,如不作渣土改良,会出现如下问题: ⑴在泥质粉砂岩中和粘土层中盾构掘进会因渣土的流动性不好和掘进切削时的摩擦发热,在刀盘面板上形成泥饼,渣土不能充分排出,刀具不能切入地层,造成掘进效率降低,甚至无法掘进;

⑵当地下水比较丰富时,又可能会因渣土与水严重分离,喷涌严重而导致地层失水过多,引起地层变形加大,甚至产生地面环境受到破坏等问题。

⑶当地层软弱时,因出土不顺畅达不到土压平衡效果而引起开挖面坍塌,造成地面变形难以控制;而在岩石强度较高的地层掘进则会造成刀具磨损快、出渣效率低、螺旋输送机叶片磨耗严重。为有效防止或避免以上问题,确保本标段盾构施工的顺利进行,根据本标段的地质条件和我公司的施工经验,采取如下主要技术措施:

⑴ 在砂质粘性土和全、强、中风化花岗岩的掘进中,主要是要顺利建立土压平衡、润滑刀具、增加渣土的流动性使之顺利进入土仓并排出。对该类岩土体,采取主要向刀盘面、适当向土仓内注入泡沫的方法进行渣土改良,必要时可向螺旋输送机内注入适量泡沫。泡沫的注入量为每立方米渣土300~600升。对泡沫注入参数的设定:①原液比例5~8%;②膨胀率(发泡率)6~15;③泡沫注入率(按出土量计算)20~30%。

⑵ 在硬岩地段的掘进主要是要降低岩层和渣土对刀具、螺旋输送机的磨损,防止涌水,采取向刀盘前加入泡沫、向土舱内及螺旋输送机内注入泥

浆的方法来改良渣土。泥浆的注入量一般为每立方米渣土注入20%~30%(泥

浆的浓度为1.2~1.3g/cm3)。对泡沫注入参数的设定建议:①原液比例3~

5%;②膨胀率(发泡率)15~20;③泡沫注入率(按出土量计算)15~25%。

⑶ 在富水地段和其它含水地层采用土压平衡模式掘进时,主要是要防

止涌水、防止喷涌,拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入膨润土,并增

加对螺旋输送机内注入的膨润土,以利于螺旋输送机形成土塞效应,防止喷

涌。此时仍应该根据地层的情况参照以上方法在刀盘前方加入泡沫,否则,

可能由于前方渣土不能及时改良,掘进速度变慢,产生过大的热量导致水气

化,在排土时产生喷气的现象。

3.5.3防泥饼措施

盾构在粘土地层中掘进时由于渣土改良不善,极易使刀盘和土仓内结泥

饼。泥饼产生时,掘进速度、刀盘扭矩急剧下降,大大降低开挖进尺,甚至

无法掘进。施工中的防泥饼措施主要有:

⑴ 在粘性土中掘进时,要密切注意开挖面渣土的流动和推力、扭矩、

进尺情况,及时调整注入水量、泡沫量,以达到渣土较好的流动性。

⑵ 刀盘前部中心部位布置有八个泡沫和水的注入孔,在粘性土层掘进

时可增加刀盘正面注水量、泡沫量,减小渣土的黏附性,防止泥饼的产生。

⑶ 一旦产生泥饼,及时采取对策,如对刀盘的研磨、清洗等,必要时

采用人工处理的方式清除泥饼。

⑷ 必要时螺旋输送机内也要加入泡沫或泥水,以增加渣土的流动性,

利于渣土的排出。

3.6 环形间隙同步注浆

为控制地层变形, 稳定管片结构, 控制盾构掘进方向, 并有利于加强管片

隧道结构的防水能力, 管片背后环向间隙采用同步注浆。同步注浆的材料、

配比、参数及工艺等可依据本工程具体地质水文和环境条件,并参照国内盾

构施工同步注浆的成功经验确定。

3.6.1 注浆材料及配比设计

⑴ 注浆材料

采用水泥浆作为主要的同步注浆材料,该浆材具有结石率高、结石体强

度高、耐久性好和好的特点。

在软土地层或渗水量大的地层,为减少管片安装后的变形或使注入浆液

在较短的时间内起到止水的效果,也使用水泥水玻璃浆液。

⑵ 浆液配比及主要物理力学指标

水泥浆:本工程同步注浆拟采用表4所示的配比。在施工中,根据地层

条件、地下水情况及周边条件等,通过现场试验优化确定。同步注浆浆液的

主要物理力学性能应满足下列指标:

表4 同步注浆材料配比

① 胶凝时间:一般为8h 左右,根据地层条件和掘进速度,通过现场试

验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供

较高的早期强度的地段,可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂,进

一步缩短胶凝时间,获得早期强度,保证良好的注浆效果。

② 固结体强度:一天不小于0.2MPa (相当于软质岩层无侧限抗压强度),

28天不小于1.2MPa (略大于强风化岩天然抗压强度)。

③ 浆液结石率:>95%,即固结收缩率

④ 浆液稠度:8~12cm

⑤ 浆液稳定性:倾析率(静置沉淀上浮水体积与总体积之比)小于5%。

水泥水玻璃浆液:

① 胶凝时间:15~50s 。

② 固结体强度:终凝强度不小于0.2MPa (相当于软质岩层无侧限抗压

强度),28天不小于1.5MPa (略大于强风化岩天然抗压强度)。

③ 浆液结石率:>90%,即固结收缩率

④ 水玻璃掺入比:5~30%。

⑤ 水泥浆比重:1.3~1.5。

使用该浆液注浆前,一定要根据实际的需要进行试配,以达到既能顺利

注入,又在较短的时间内达到预期的注浆效果。

3.6.2 同步注浆主要技术参数

⑴ 注浆压力

保证达到对环向空隙的有效充填,同时又能确保管片结构不因注浆产生

过大的变形和损坏,根据计算和经验,注浆压力取值为:0.2~0.5MPa 。

⑵ 注浆量

同步注浆量根据盾构施工背衬注浆量经验计算公式:Q =V ·λ 其中:λ„注浆率(一般取大于120%)

V „盾构施工引起的空隙(m 3)V=π(D 2-d 2)L/4

L „回填注浆段长即预制管片每环长度(预制管片每环长1.5m )

将实际数据代入得:Q =3.14×(6.282-62) ×1.5/4×1.2,得出每环注浆

量大于4.9m 3/环(1.5m ),一般情况下为5.0m 3左右。

在同步注浆不足的情况下,掘进结束后需进行二次注浆,注浆量由现场

试验确定(以压力控制为主,依照管片的抗剪切强度和隧道工况、安全度推

断,原则上瞬时不超过1.0MPa ,)。

⑶ 注浆速度

同步注浆速度与掘进速度相匹配,即

V=10πV 0(D 2-d 2)/4

其中:V 0„掘进速度(cm/min)

以次估算,同步注浆的注浆速度为30~200L/min。

根据经验二次注浆的注入速度可控制在10~25L/min以内,以获得对岩

层较为均匀的渗透。

⑷ 注浆结束标准

① 注浆压力达到设计压力,注浆量达到设计注浆量的80%以上。

② 注浆效果检查主要采用分析法,即根据P-Q-t 曲线,结合衬砌、地

表及周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断。

③ 在可能或需要的情况下,对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分

析进行检查,或根据同步注浆量和管片的变形情况分析,对未满足要求的部

位,及时进行二次补充注浆。

3.6.3 同步注浆方法、工艺与配套设备

⑴ 同步注浆方法与工艺

同步注浆与盾构掘进同时进行,通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆

管,在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行,采用双泵四管路(四注入点)

对称同时注浆。

注浆可根据需要采用自动控制或手动控制方式,自动控制方式即预先设定注浆压力,由控制程序自动调整注浆速度,当注浆压力达到设定值时,自行停止注浆。手动控制方式则由人工根据掘进情况随时调整注浆流量,以防注浆速度过快,而影响注浆效果。注浆工艺流程见图3。

图3 壁后同步注浆工艺流程图

⑵ 设备配置

同步注浆系统:配备SWING KSP12液压注浆泵2台,注浆能力2×12 m 3/h,4个盾尾注入管口及其配套管路。二次注浆单独的注浆系统,位于3#台车上。

运输系统:自生产的砂浆罐车(6m 3),带有自搅拌功能和砂浆输送泵。随编组列车一起运输。

3.6.4 注浆效果检查

⑴ 注浆效果检查主要采用分析法,即根据P-Q-t 曲线,结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断,尤其是实际注入量与理论计算量的比较。

⑵ 必要时采用无损探测法进行效果检查。

3.6.5 管片壁后同步注浆质量保证措施

⑴ 在开工前制定详细的注浆作业指导书,并进行详细的浆材配比试验,选定合适的注浆材料及浆液配比。

⑵ 制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序,严格按要求实施注浆、检查、记录、分析,及时做出P (注浆压力)—Q (注浆量)—t (时间)曲线,分析注浆速度与掘进速度的关系,评价注浆效果,反馈指导下次注浆。

⑶ 成立专业注浆作业组,由富有经验的注浆工程师负责现场注浆技术和管理工作。

⑷ 根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果,及时进行信息反馈,修正注浆参数设计和施工方法,发现情况及时解决。

⑸ 做好注浆设备的维修保养,注浆材料供应,定时对注浆管路及设备进行清洗, 保证注浆作业顺利连续不中断进行。

⑹ 环形间隙充填不够、结构与地层变形不能得到有效控制或变形危及地面建筑物安全时、或存在地下水渗漏区段,必需通过吊装孔对管片背后进行补充注浆。

3.7 管片安装

为提高隧道总体刚度,改善管片受力状态,管片的安装采用错缝拼装方式,采用小封顶块,径向先搭接2/3,再纵向推入1/3方法施工。

管片拼装质量的好坏直接影响到隧道的防水、安全以及隧道的外观,因此,在施工中应从各个方面抓好管片拼装工作。

3.7.1管片安装精度要求

根据施工图纸的要求,隧道管片安装的精度要求为:

⑴ 整环拼装的允许误差,相邻环的环面间隙为1.0~1.5mm ,纵缝相邻块的间隙为1.5~2.0mm ,纵向螺栓孔孔径、孔位分别为±1mm ,衬砌外径为

±3mm 。

⑵ 错缝拼装时,单块管片的制作误差,其宽度为±0.3mm ,整环拼装相邻环面间隙为0.6~0.8mm ,其余标准同上。

3.7.2管片安装程序

管片拼装的程序如图4所示。

3.7.3 管片安装方法

⑴ 管片选型是以满足隧道线型为前提,重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值,确保有足够的盾尾间隙,以防盾尾直接接触管片。一般情况下,管片选型与安装位置根据推进指令先行决定,使管片环安装后推进油缸行程差较小。

⑵ 管片安装必须从隧道底部开始,然后依次安装相邻块,最后安装封顶块。

⑶ 封顶块安装前,应对止水条进行润滑处理,润滑剂应为水性润滑剂;安装时先径向插入,调整位置后缓慢纵向顶推到位。

⑷ 管片块安装到位后,应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片,其顶推力应大于稳定管片所需力,然后方可移开管片安装机。

⑸ 在管片环脱离盾尾后要对管片连接螺栓进行二次紧固。

图4 管片安装程序框图

⑹ 管片安装时非管片安装人员不得进入管片安装区。

3.7.4 安装管片质量保证措施

⑴ 严格进场管片的检查,破损、裂缝的管片不用。下井吊装管片和运送管片时应注意保护管片和止水条,以免损坏。

⑵ 止水条及软木衬垫粘贴前,应将管片进行彻底清洁,以确保其粘贴稳定牢固。施工现场管片堆放区应有防雨淋设施。

⑶ 在盾构机内管片安装前应对管片安装区进行清理,清除如污泥、污水,保证安装区及管片相接面的清洁。

⑷ 严禁非管片安装位置的推进油缸与管片安装位置的推进油缸同时收缩。

⑸ 负环管片安装采用错缝拼装。

⑹ 在特殊管片安装之前,预先调整好盾构间隙与推进油缸行程差,以确保特殊管片能按设计类型顺利安装。

⑺ 管片安装时必须运用管片安装微调装置将待装的管片块与已安装管片块的内弧面纵面调整到平顺相接以减小错台。调整时动作要平稳,避免管片碰撞破损。

⑻ 同步注浆压力必须得到有效控制,注浆压力不得超过限值。

⑼ 管片安装质量应以满足设计要求的隧道轴线偏差和有关规范要求的椭圆度及环、纵缝错台标准进行控制。

⑽ 在管片环脱离盾尾后要及时对管片连接螺栓进行二次紧固,以免因管片脱出后受力情况改变而产生较大的变形,同时,对于施工同步注浆中没有达到理论注浆量的环,要及时进行二次注浆。

3.8 盾构隧道管片防水

3.8.1 盾构隧道防水施工措施

根据设计要求,盾构隧道防水等级为二级,要求隧道顶部不允许滴漏,其它不允许漏水,结构表面可以有少量湿渍。总湿渍面积不应大于总防水面积的6/1000,任意100m 防水面积上的湿渍不超过4处,单个湿渍的最大面积不大于0.2m 。渗漏水量小于0.1L/m·d。防水设计为:管片砼抗渗等级S12;拼装缝采用高弹性三元乙丙橡胶密封条防水;螺栓孔及管片吊装孔采用遇水膨胀橡胶圈密封防水,环形间隙注浆体作为隧道防水的加强层。为达

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到设计的防水标准,在施工中应着重作好以下工作:

⑴ 管片自防水

① 选择合适的原材料、设计科学合理的配比、采取严格的生产过程控制措施、按照规定加强检测,保证管片成品的抗渗等级、强度和各项质量指标符合设计要求。

② 加强管片堆放、运输中的管理和检查,防止管片开裂或在运输中碰掉边角。

③ 管片进场和下井前应作外观检查,保证有缺陷的管片不得进工地和下井。

⑵ 管片拼装缝的防水

管片拼装缝的防水是非常关键的环节,施工中主要作好以下几方面工作:

① 选购专业厂商生产的性能优良的防水密封条、粘结剂,并对进场的防水材料进行严格的检验,确保其质量的合格。

② 止水条采用粘贴安装,在现场地面堆放场粘贴施工,每环管片止水条的粘贴应在安装前12~24h 内完成。在粘贴止水条时同时进行管片衬垫的粘贴。待粘基面必须无尘、无油、无污、干燥,以保证粘贴质量。

③ 粘贴步骤:按管片选型选择止水条→基面清理→槽内涂粘结剂→密封条涂粘结剂→粘贴→用木锤或橡胶锤打压密贴。

④ 对粘贴好止水条的管片,在装拼前应采取措施防止雨淋、水浸;在运输和装拼中应避免擦碰、剥离、脱落或损伤。

⑤ 安装管片时采取有效措施避免损坏止水条,并应保证管片拼装质量,减少错台,保证其密封止水效果。

⑥ 管片角部为防水的薄弱环节,角部密封垫应铺设到位,并在管片角部设加强密封薄片,以加强防水密封效果。

⑶ 螺栓孔、吊装孔防水

① 螺栓孔的密封圈采用遇水膨胀橡胶材料,利用压密和膨胀双重作用加强防水。

② 如要通过吊装孔进行注浆,注浆结束后将活动端头部分拆除,清除预留孔内残余物,填入腻子型遇水膨胀止水密封材料,然后用防水砂浆封固

孔口。

③ 吊装孔螺栓套管外侧采用遇水膨胀橡胶环形密封圈加强防水,在管片生产时预置。

3.8.2 隧道结构防腐蚀施工措施

根据地质资料显示,区间隧道通过的地层地下水对混凝土无腐蚀性,对钢筋无腐蚀性,但考虑到地下工程的特殊性,仍考虑以下防腐蚀措施:

⑴ 管片混凝土防腐蚀措施

根据管片工厂化生产的特点,管片混凝土防蚀按二级防护等级考虑,原材料上采用普通硅酸盐水泥,铝酸三钙C3A 含量小于8%,水胶比不大于0.5,迎水面钢筋保护层厚度50mm 。

⑵ 连接螺栓防腐防锈措施

采用镀锌进行防锈防腐蚀处理,镀层厚度不小于6μm 。

3.8.3 质量保证措施

⑴ 各项防水作业分项工作由专业防水工程师进行指导,并进行检查合格后才能进入下道工序。

⑵ 成立防水QC 小组,针对工程防水工艺、技术问题开展防水施工质量攻关活动,以优良的工序质量来保证达到优良的工程防水质量。

四、特殊地段盾构施工技术措施

本工程特殊地段有:盾构到达井处加固;盾构过广深铁路桥和军专线铁路桥;盾构过禺东西路高架桥桩;盾构过瘦狗岭断裂带等。

4.1 盾构过到达井技术措施

盾构到达井掘进采取土压平衡掘进模式。掘进过程中除有效的渣土改良外,对其它掘进参数的控制也是保证盾构机顺利掘进的关键因素,尤其是对土仓压力、千斤顶推力与刀盘转速、出土量控制、同步注浆等的控制。

⑴ 土仓压力的控制

选择合理的参数对土仓压力的控制。

⑵ 千斤顶推力与刀盘转速

刀具布置采用破岩刀具,推力不宜大于12000KN 。刀盘转速控制在1.5rpm 以上,以便有较快的速度转动破岩,并与其它参数如刀盘扭矩、泡沫注入、推进速度等有机结合起来,才能取得理想的结果。

⑶ 出土量控制

出土量是前方地层稳定与否的直观反映,在泡沫与水注入正常的情况下,每环的出土量一般为52~57m 。

⑷ 同步注浆

严格控制注浆压力,为确保注浆量及注浆效果,注浆压力控制在0.2~0.35Mpa 。当隧道后部来水比较大时,采取双液注浆和连续多环注入等。

4.2 盾构下穿铁路桥技术措施

4.2.1 盾构穿越铁路段地质情况

由地质图可知,铁路桥基础下部地层为、、、、

地层。隧道顶部为地层,中部为地层,底部为 地层。隧道顶以上地层厚10.9m 左右。

从地层情况得知,本段上覆层较厚且透水差;盾构掘进时,防止土体失水沉降是控制沉降的关键点;路基底为砂层,如地层如失水较大,则造成地面沉降。

4.2.2控制地面沉降的主要措施

⑴ 采用土压平衡模式掘进。对切削面建立一定的土压力,抑制释放的应力,减少土层中地下水流失,减少地表沉降。

⑵ 控制盾构机通过后岩层与管片空隙的沉降。盾构机在掘进时对岩层与管片间的145㎜的空隙,采用同步注入浆液回填空隙。为了控制地表沉降,将采用快速凝固而产生强度的双液混合型同步注入浆液进行填充空隙,以有效控制盾构机后续沉降。

⑶ 在掘进前,检查刀具的磨损情况并及时更换。

⑷ 在掘进前,收集铁路桥的原始监测数据,掘进过程中连续监测桥墩及地面,及时调整盾构机的推力和速度或进行超前注浆。

⑸ 控制好土仓压力,保持土压平衡,匀速掘进,尽量减少盾构掘进对地层扰动,快速回填注浆,防止岩层应力释放造成基础下沉。

4.2.3 盾构穿越铁路监测措施

盾构在穿越铁路期间,由铁路有关部门对铁轨进行监测,我项目部有关人员与铁路监测单位密切联系,随时掌握监测情况,对盾构推力、土仓压力、姿态进行调整,确保盾构快速通过广深铁路。

3

4.3 盾构过禺东西高架桥的技术措施

按现有线路情况,盾构隧道距禺东西路立交桥桩的最小净距离为0.76m ,掘进过程中必须采取技术措施,确保建筑物安全。盾构通过此地段采用以下掘进技术措施:

⑴ 在隧道掘近至桩位100米处, 先行对盾构姿态进行一次调整, 对地下导线控制点进行严密复测;

⑵ 在隧道掘近至桩位10米处, 对盾构姿态进行全方位检查调整, 对地下导线控制点再进行严密复测,严格平差,对盾构机SLS-T APD导向系统重新进行调试,以确保盾构机掘进至桩位时,以正确的姿态,按隧道设计轴线方向顺利掘进。

4.4 盾构过瘦狗岭断裂带技术措施

隧道要从瘦狗岭断裂带穿过。根据补充地质勘察,区间隧道地质与招标文件的地质报告相符,断裂带中含有大量地下水。

⑴ 采用土压平衡模式掘进,注入高分子材料改良渣土防止喷涌。

⑵ 加强对地层含水量和排土量的监测,指导掘进参数优化,控制地表沉降。 ⑶ 当涌水量较大难以控制时,安装保压泵渣装置,确保盾构机安全,提高施工效率。预备好钻机、压水泵和双液注浆泵,一旦出现因地层严重失水引起地表沉降较大,立即采取相应措施从地表向地层补充注水,以保证正常的地下水位,从而减小地表沉降。

⑷ 盾构穿越断裂带过程中,土层强度将出现较频繁的软硬变化,必须特别注意盾构正面土压力控制,盾构处于土压力平衡状态进行掘进施工时,严密注意盾构前方土压力、出水量和土性变化,适当加大设定土压力,确保掌子面稳定和防止涌水,同时要防止出现严重的轴线偏差。

⑸ 加强同步注浆的管理,保证断裂带处足够的注浆量,使断层中的水不要跟着管片向前走,必要时通过管片的注浆孔进行二次注浆,封住盾尾后面的来水,减少土仓内的进水量。

⑹ 将要进入断裂带之前对设备进行一次修整,特别是刀盘、刀具等,同时备足盾壳内清理用的排污泵和编织袋以确保设备能快速推进,尽快通过。

五、掘进过程中的变形控制

5.1 合理确定土仓压力

根据地质条件和地下水状况,确定各地段土仓压力值,以保证工作面的稳定,并在掘进中根据反馈信息进行及时调整。土仓压力值的确定对于不同地层可以根据太沙基公式计算,根据以往的施工经验,只要保证土仓压力值大于盾构中心水压力值即P ≥γWH ,则地下水不会流失,地层稳定。

5.2 保证同步注浆质量

环形间隙是盾构施工中引起地层变形的主要因素,盾构施工中严格执行“掘进与注浆同步,不注浆不掘进”的原则,加强设备管理,确保同步注浆不间断进行。同时要根据信息反馈及时调整注浆压力、浆液配比,必要时进行二次补充注浆。

5.3 防止地下水流失

施工过程中如发生喷涌等现象,应采取措施控制地下水的流失,关闭出料口掘进使土仓充满土体、启用保压泵渣设备出土,必要时注入聚合物使土仓内的水土迅速凝成凝胶状渣土以便止水,若为盾构后方来水或岩层裂隙水等,要及时进行二次注浆以截断水源。

5.4 加强施工监控及信息反馈

施工过程中对地表沉降进行全程监控量测,并及时对监测数据进分析,分析引起沉降的主要原因,并根据分析结果及时将信息反馈到施工,及时调整施工参数,如土仓压力、注浆量、注浆压力、掘进速度等。在盾构施工过程中施工监控量测对控制地表沉降具有重要的指导作用。加强信息化施工组织管理,确保信息渠道畅通和信息反馈的及时性。施工监测量测和信息反馈的详细内容参见:测量与监测方案。

六、施工运输

6.1 洞内水平运输

洞内采用43公斤钢轨铺设单线,在始发井铺设双线,在洞口设置道岔。受始发井长度限制,洞内运输采用两列编组列车,左右线各配备两列编组。一列列车由40T 变频电机车牵引1节15m 3矿车、1节6 m3砂浆车和1节管片车组成,另一列由40T 变频电机车牵引2节15m 3矿车组成。

6.2 洞口垂直运输

因场地限制,本标段在盾构机始发90m 负环管片拆除后,左右线均有一个出土口和一个进料口。进出料均使用45T 龙门吊,主要负责出渣。15t 龙

门吊布置在始发洞口处,负责管片的装卸、倒运、轨排和其他材料的装卸等。

6.3 渣土场外运输

渣场设在出土口的北侧,南侧作为管片堆放场地。渣场PC200型履带式挖掘机一台,于夜间将渣土从渣坑挖出装入自卸汽车,由自卸汽车运到弃土场。

6.4 运输安全措施

⑴ 设置洞内渣土运输班,专门负责轨道辅设和维护工作,严格按照轨线铺设技术规范作业。

⑵ 运输设备操作司机及调车员,经培训熟练掌握运输设备操作技术和安全操作规程,并取得上岗证后才能上岗。

⑶ 制定编组列车的维修与保养制度,运输设备维修与保养,由专人进行,确保列车的安全运行,做好防止溜车的安全技术措施,严格管理,防止溜车事故的发生。

⑷ 垂直吊运设专人指挥,专人操作,作到口令准确无误,操作到位,安全运行。

七、洞内管线布置

7.1 洞内施工通风

根据我单位隧洞施工经验,结合广州市气候条件和盾构施工特点,为满足防尘、降温及人员、设备所需要新空气的要求,洞内施工通风采用轴流风机和φ1000拉链式软风管进行压入式通风。

7.2 洞内管线布置

盾构隧道内布置“三管、三线、一走道”三管即φ125的冷却水管、排水管和φ1000的通风管。三线即10KV 高压电缆、380/220V照明线和轨道运输线。

八、建(构)筑物、管线保护

8.1 建筑物保护措施

对沿线建(构)筑物的保护,主要从以下几个方面进行:

⑴ 在盾构始发阶段,加密地层及建筑物变形监测,详细掌握盾构掘进参数对地层变形的影响规律,以便设定更合理的掘进参数来保护建筑物的安全。

⑵ 以建筑物调查和量测结果为基准,对施工前和施工初期引起的地层沉降及对建筑物的影响进行预估。施工前设置变形观测点,及时观测,对预估变形严重的部位还要加密观测。

⑶ 加强盾构设备的保养与维修,尽量避免盾构在建筑物下部的非正常停机,做到“安全、连续、快速”的施工。

⑷ 严格操作,确保盾构时刻处于良好的掘进姿态,避免盾构大幅度纠偏,减少因盾构纠偏而造成对建筑物基础地层的扰动。

⑸ 盾构掘进时及时调整掘进速度和出土量以控制土仓压力,严格控制每一掘进循环的渣土数量,从而减少地表的沉降和隆起。在掘进过程中,密切关注渣土的物理状况,防止地层异常失水,避免地层因失水过多造成地表不均匀沉降。控制盾构掘进推进速度和刀盘转速,减少盾构推进对土体的挤压和扰动影响。

⑹ 在掘进过程中,通过控制同步注浆压力和注浆数量双重标准保证同步注浆质量,做到“掘进、注浆同步,不注浆、不掘进”。如地层或建筑物的变形较大时,及时采取必要的措施,如加快施工进度、地面跟踪注浆等。

8.2 管线及路面保护

地下管线是城市地铁施工应重点保护的对象之一,本标段区间隧道沿线通过城市道路、民用建筑较多,对地下管线的保护应引起足够的重视。同时,道路路面的保护直接影响到正常的交通秩序。施工过程中应注意以下几点:

⑴ 施工前必须对区间隧道沿线地下管线进行详细的调查,调查并掌握所有管线的用途、结构尺寸、接口形式、材料、所处的位置及周边环境等。根据调查结果,对所有管线布设监测点位;

⑵ 施工时,加强地下管线沉降监测,根据监测结果确定观测的重点和频率,并根据监测结果提前预警管线的变形情况,当监测表明管线发生有害的沉降时,及时采取基地注浆加固的方法对管线进行加固保护;

⑶ 加强盾构施工控制,减小施工对地层的扰动,减小地层损失,及时足量注浆回填管片壁后空隙,控制地表沉降。对顶部液化砂层比较厚的地段,还要及时跟踪注浆,以填补因液化沉降产生的地下空隙,避免管线沟槽、混凝土路面沉降、破坏。

九、设备管理

9.1管理制度

⑴ 根据盾构施工的特点,我公司已经制定以下制度,包括:

①《盾构机综合管理制度》

②《盾构机使用安全操作规程》

③《盾构机维修保养制度》

④《盾构机油水管理制度》

⑤《盾构机状态检测制度》

⑥《盾构机配件管理制度》

⑵ 对盾构机的使用及维修保养人员进行培训,经考试合格后持证上岗,实行岗位责任制,实行“二定三包”,即:定人、定岗;包保管、包使用、包维修保养。

⑶ 建立盾构机履历簿、运转记录、状态监测记录、维修保养记录,实行盾构机的表格化管理。

⑷ 对盾构机进行成本管理,详细记录和考核油料消耗、配件消耗、电力消耗、设备完好率考核、设备利用率考核等工作,总结和积累盾构机的使用成本分析。

9.2 设备管理人员培训

⑴ 派盾构机管理、操作人员赴盾构制造商处进行理论和技术培训。 ⑵ 对盾构机操作、维修、保养人员进行培训,使其做到“三懂四会”(懂构造、懂原理、懂性能;会使用、会保养、会检查、会排除故障)。

⑶ 对盾构机操作司机,使用具有资格技术人员担任。

⑷ 项目部定期对施工中出现的问题、取得的经验以学习、培训的方式灌输到每一个人,使施工人员的工作能力不断提高。

9.3 维修保养及监督

⑴ 除施工特别原因外,每日都有一定时间对盾构掘进机进行维修保养工作,主要是检查、清洁、润滑。

⑵ 实行日常保养及定期保养相结合的维修保养体系。

⑶ 依据盾构制造商提供的盾构机维修保养说明书进行维修保养。

⑷ 每月对盾构机各系统进行评审,对设备的管、用、养、修各环节的

状态进行充分评审,总结当月设备管理状况,提出相应措施,将下月维修计划和生产计划一并下达。

十、盾构施工安全措施

10.1 穿过建筑物时使建筑物失稳

⑴ 盾构隧道施工前应对建筑物所处的工程地质条件进行详细勘察,以便及早发现可能出现的不稳因素;

⑵ 施工时采取稳压慢进,同步注浆后对渗漏点及时进行二次注浆; ⑶ 加强施工监测及监控,密切注意楼房的沉降变形以及盾构隧道的偏离情况。

10.2 吊出洞门土体软弱,推进失稳、洞门坍塌

⑴ 吊出井洞门加固,即在盾构到达前对洞门一定范围内进行固化,采用的方法为高压旋喷注浆法,以便提高洞门一定范围内的地基土强度和降低其地下水的渗透性。

⑵ 加强轴线测量控制,防止出现大的偏差。

⑶ 即将到达前,要使盾构机稳压慢速推进。

⑷ 加强施工监控,密切注意洞口周围岩土体的变化情况。

10.3 掘进过程开挖面坍塌,地面沉降

⑴ 加强岗位管理和岗位培训,不熟悉本岗位工作不得上岗;

⑵ 操作人员要熟知本标段的地质情况;

⑶ 对盾构机每次掘进前的检查及定期的维护、大检查。进入软弱土层前应及时检查或更换刀盘,及时变换掘进模式。

⑷ 采取向土仓内注入泡沫剂或优质泥浆以提高碴土的流动性和止水性,同时在螺旋输送机出口栓接保压泵碴装置建立土压平衡状态。

⑸ 加强地面的沉降、变形监测。

⑹ 加强洞内外的通信联络,当在监控过程中发现问题,马上通知洞内的操作手停止作业。

⑺ 对洞顶软弱的联络通道的开挖,采取超前小导管注浆的办法预先加固地层和防水。通道的开挖采用正台阶法开挖时,开挖步距不宜太大,台阶长度2~3m 。开挖采用风镐人工开挖,在风镐开挖困难时使用静态破碎剂辅助施工。每开挖出来一个分段,要及时挂网、喷射混凝土衬砌。

10.4 地层软硬不均地段掘进偏移

⑴ 操作手要通过地质资料和掘进出渣情况提前了解前方地层的变化,以便及时采取相应的掘进参数。

⑵ 通过推进系统推进油缸的压力调整,调节推进油缸的速度及压力,保证掘进的方向。

⑶ 加强掘进轴线的监控,发现问题及时报告。

10.5 机械事故

⑴ 盾构机操作人员必须经过岗前培训,确保熟练掌握机械设备操作技能和技巧后才能上岗。

⑵ 建立机械设备定期保养制度,确保施工过程机械设备的正常运转。 ⑶ 储备充足的易损件,对带病运转的零部件及时更换。

⑷ 有至少两名以上专业修理工现场值班。

10.6 隧道内有害气体中毒

⑴ 开工前设计有效的通风系统,满足洞内通风要求。

⑵ 定时测定洞内有害气体的含量及洞内温度,控制温度在37℃以下,并根据该数据确定通风量及通入适当的冷气。

⑶ 洞内施工人员需戴口罩,减小有害气体、粉尘对人体的伤害。 ⑷ 施工前建立通风系统的检查和维修制度。

10.7 触电事故

⑴ 施工准备阶段必须编制《施工用电方案》,严格按设计进行施工及布线作业。

⑵ 电工需熟悉《施工现场临时用电安全技术规范》,且均应持证上岗。必须经劳动部门技术合格后持有效的特种作业证上岗操作。从事电气作业的难易程度,需符合电工的等级要求。对难度较大、较复杂的电气工程,不得由低级电工完成。

⑶ 施工现场用电采用三相五线制用电。

⑷ 施工用电的接地与接零不得混用, 施工现场用电采用接零保护制式。 ⑸ 所有的漏电保护开关与融断器必须完好使用。

⑹ 由于盾构机为高压用电设施,变电房需采用封闭式,专人才可进入,非工作人员需经许可方可进入。

⑺ 洞内的高压线路需和人行道部分有一定的距离,并注意防水及防腐。 ⑻ 符合“一机一闸一漏”的用电规定,加强对日常用电的检查。 10.8 易坍塌地层刀盘更换

⑴ 做好安全教育和安全交底,操作人员必须有良好的心理和生理素质,操作技术娴熟。

⑵ 换刀前对前方地层做充分的研究,通过地质勘察报告和出土情况估计地层的稳定性、地下水情况。

⑶ 人员入仓前,必须认真检查所需的工具、零部件是否带齐。

⑷ 人员进入压力仓后,必须严格按照加压、减压的操作规程操作,严禁违规作业,确保入仓人员的安全。

⑸ 换刀过程中,禁止进行机械设备任何运转操作,并且对刀盘周围情况做密切监视。

⑹ 必要时,预估换刀位置,从地面对换刀位置一定范围内的软弱土层进行加固。加固的方法有加密注浆法、高压旋喷注浆法、深层水泥土搅拌法等。

10.9 事故应急处理

突发事故发生前一般事前没有征兆,比较突然,往往造成的危害大,施工前针对本工程的施工特点制定相关应急预案,并对所有人员进行交底,有必要还要进行演练,使项目部所有成员做到心中有数,遇突发事故后快速有序的按照事故处理流程进行处理。


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