北京地铁盾构法施工技术

2007年第6期

铁 道 建 筑RailwayEngineering

35

文章编号:1003 1995(2007)06 0035 03

北京地铁盾构法施工技术

张立新,邱明轩

1

2

(1 北京科技大学土木与环境学院,北京 100083;2.中铁建工集团,北京 100872)

摘要:文章介绍北京地铁5号线17标段区间隧道盾构施工方案、施工主要工艺、施工存在问题及所采取的相应措施。盾构法施工的实践证明了在地铁站区间施工引进盾构法的合理性和实用性。

关键词:隧道 地铁站 盾构法中图分类号:U455 43 文献标识码:B

本工程处于北京市的繁华闹市区,地理位置十分重要,地面交通繁忙,地下管线纵横交错,地面为东城区重要的商业街区,临街多为商业店铺,基本为1~3层的房屋建筑,虽层数低,但建筑物的结构形式及状况较差,建设年代早,这类建筑物对地面沉降尤其是不均匀沉降较为敏感。管线路年代久远,易破损开裂,对土体沉降敏感。这就要求在施工中要有效地控制地面沉降,保证沿线建(构)筑物的安全。

1 盾构法隧道概述

盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法。特别在市区中心遇到隧道埋深较大,地质复杂的情况,若用明挖法建造隧道则很难实现。在这种条件下采用盾构法对城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道建设具有明显优点。

盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工,从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。为了达到这一目的,除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外,使用压力仓内泥土或泥水的压力来平衡开挖面上的作用土压力和水压力;使用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙,主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。

盾构法的主要优点有: 除竖井施工外,施工作业均在地下进行,既不影响地面交通,又可减少对附近居民的噪声和振动影响; 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行,施工易于管理,施工人员也较少;土方量较少;!穿越河道时不影响航运;施工不受风雨等气候条件影响;∀在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道,有较高的技术经济优越性。

3 施工方法

3 1东单站#灯市口站盾构区间施工部署和施工方案

东#灯盾构区间采用1台土压平衡盾构机进行施工。根据招标文件节点时间要求,先进行区间左线隧道施工,后进行右线隧道施工。盾构机从东单站北端头井下井组装,进行区间左线隧道掘进,进入灯市口站南端头井后调头,进行区间右线隧道掘进施工,到达东单站北端头井,盾构机解体转场,完成该区间盾构隧道

施工。盾构区间掘进完成后,进行联络通道、洞门及轨道拆除等施工,同时进行隧道修补和清理工作。

盾构机始发前,对洞门进行土体加固,针对各部位地质条件和作业环境选择适宜的土体加固方案。3 2 盾构法隧道施工流程

盾构法隧道施工流程见图1。3 3 隧道施工主要工艺3 3 1 盾构始发

在现场及井内设备布置完成及盾构机调试完后,依靠反力架和负环管片进行左线盾构始发(见图2)。开始安装临时管片。最初安装的三环负环管片(靠近始发反力架一侧)采用特制的钢管片。此三环钢管片安装后可在负环管片上方打开一个4m∃2 4m的出土口,用于砟土的运出及其它材料的吊入。 2 工程概述

北京地铁5号线17标段东单站#灯市口站区间隧道(K7+876 764~K8+642 400),区间全长765 636m(双线),其中在左线K8+190 527处有一短链长0 073m。本区间线型比较简单,左线转弯半径为R=1500m,右线转弯半径为R=1200m;线路最大坡度1 6%,最小坡度0 3%,采用盾构法施工;在区间隧道的中部即K8+268 000设一区间防灾联络通道,

36 铁 道 建 筑June,2007

1)盾构初始掘进

洞门加固 盾构机下井洞门混凝土凿除

盾构机就位

盾构机调头

各千斤顶工作油压。此时大刀盘切削土体,盾构前进。盾构机根据设定的正面土压力自动控制出土速度或掘进速度。盾构机的行程、上下左右四个区域千斤顶压

力、螺旋机转速、盾构扭转、俯仰等参数,将显示在显示屏上,盾构司机及时做好参数记录,并参照仪表显示以及其它人工测量和总结的施工经验调整盾构机姿态和各项参数,使盾构始终按设计的轴线推进。!盾构直线段推进和地层变形的控制。区间采用土压平衡式盾

洞门密封圈安装

反力架安装初始掘进参数调整正常掘进

盾构机托架安装盾构机到达

洞门处车站围护墙凿除盾构机解体

洞门施工

保养场

构掘进机,利用土仓内的土压力来平衡开挖面的土体,达到对盾构正前方开挖面支护的目的。因此平衡压力的设定是土压平衡式盾构施工的关键,维持和调节设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节,这里面包含着推力、推进速度和出土量三者的相互关系,对盾构施工的轴线和地层变形量的控制起主导作用,所以在盾构施工中要根据不同土层和覆土深度,地面建筑物、配合监测信息的分析及时调整土压力值的设定。同时要求推进坡度保持相对稳定,控制一次偏量,减少对土体的扰动,并为管片拼装创造良好的条件。在这基础上再根据推进速度,出土量和地层变形的信息、数据的反馈及时调整初始设定的土压力值和注浆量,进而达到对轴线和地层变形在最佳状态下的控制。∀曲线段推进和地面变形的控制。曲线段盾构推进时,根据推进速度、出土量和地层变形的信息数据,及时调整各种施工参数,以期在尽量短的时间内将土压平衡值和注浆量调至曲线推进的最佳状态。

加强对推进轴线的控制,是确保隧道满足设计并顺利进洞贯通的重要环节。盾构的曲线推进实际上是将处于曲线的切线位置上的管片进行折线拟合。因此推进的关键是确保对盾构的头部的控制,由于曲线推进盾构环环都在纠偏,因此必须做到勤纠,而每次的纠偏量应尽量减少,确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向平面内,同时为控制管片的位移量,管片纠偏的楔子采用软木楔子,以减少位移,从而达到有效地控

图1 盾构法隧道施工流程图

在盾构出洞初始掘进阶段,盾构机的出土及运输管片、浆液等材料利用1台特制的轨道平板车。轨道车行使在以1 2m短钢轨(24kg)连接而成的轨道上,随盾构机的推进,轨道不断向前延伸。轨道车的外部尺寸为2m∃1 5m∃0 3m,用于放置土箱、运输其它材料。在轨道车上放置一个2m∃1 5m∃0 7m的小土箱用于盾构机出土。砟土由螺旋输送器直接落入小土箱中。在盾构机反力架位置安装1台5t卷扬机来牵引轨道平板车。

图2 盾构始发示意图

制轴线和地层变形的目的,使隧道轴线始终控制在允许偏差范围内。

2)盾构正常掘进

在完成初始掘进段后,根据试验反馈参数,将对始发设备进行调整,为其后的正常掘进准备条件。 盾构掘进由操作司机在中央控制室内进行,由工地技术人员经计算初设正面土压力值。土压力值根据隧道埋深、土层性质和地面荷载计算。设定值约为计算值的1 05~1 1倍。开始施工时,在盾构机的正面及盾构体的上下方设置土、水压传感器监控平衡系统,在盾构机前面安装岩土勘探系统。打开出土闸门,依次开,,4 施工中存在问题及采取主要措施

4.1 地表下沉的原因

盾构施工时,导致地表下沉的主要原因可以分为以下几点: 开挖面上的土水压力不平衡导致开挖面失去稳定性。此时,压力仓压力大于开挖面土压力和水压力时,出现地基隆起,相反会出现地基沉降。 盾构推进对围岩的扰动。盾构壳板和围岩的摩擦、以及围岩的扰动会引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修,

2007年第6期北京地铁盾构法施工技术 37

大加大地基的沉降量。!盾尾空隙的发生和壁后注浆的不足。盾构施工必然产生盾尾空隙,这一空隙会引起地基的应力释放而产生弹塑性变形。∀管片的变形

和变位。管片从盾尾脱出后,受到围岩荷载作用发生一些变形或变位,造成地基沉降,但其量一般较小。%地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。4 2 地表沉降的监测与控制

盾构施工期间由于上述各种原因引起的地表沉降对周围环境有一定影响,为了保护周围环境的地表建筑、地下设施的安全,必须要进行施工监测,在监测的基础上提出控制地表沉降的措施和保护周围环境的处理方法。

4 3 地表沉降的监测

1)监测地下水位的变化 应在隧道中心线和隧道两侧设置水位观测井进行观测。还应监测井点降水效果和监测隧道开挖面等渗水处渗流情况。

2)监测土体变形 在控制地表沉降要求较高的地区,往往在盾构推出竖井的起始阶段进行以土体变形为主的监测,以合理确定和调整盾构的施工参数。4 4 地表沉降的控制

1)减少对开挖面地层的扰动

施工中采取灵活合理的正面支撑或适当的气压值来防止土体坍塌,土仓压力与地面沉降观测结果相对照,建立合理的土仓压力并保持土压平衡。 在盾构掘进时,严格控制开挖面的出土量,防止超挖。!控制盾构推进一环时的纠偏量,以减少盾构在地层中的摆动和对土层的扰动。同时尽量减少纠偏需要的开挖面的局部超挖。∀施工中根据地层情况采用注入添加材料(如泡沫、膨润土等)对砂性土体及不均匀地层进行改良。%通过对盾构掘进时地面变形曲线进行实测反馈,不断调整、优化掘进参数,以验证选择施工参数的合理性,并能保持盾构开挖面的稳定。

2)盾构推进时的同步注浆与二次注浆

为了减小和防止地面沉降,在盾构掘进中,要尽快在脱出盾构后的衬砌背面的环形建筑空隙中充填足量的浆液材料。根据地质条件,确定浆液配比、注浆压力、注浆量及注浆起讫时间,对同步注浆能否达到预期效果起关键作用。

二次(或多次)压浆是弥补同步注浆的不足,减少地表沉降的有效辅助手段,可使盾构在穿越建筑物、地下管线时,大大降低地面沉降。

4.5 隧道沉降

当隧道穿越饱和软粘土采用盾构法施工时,会产生隧道沉降,引起隧道沉降的主要原因是掘进时对下为避免由于隧道沉降使竣工后的隧道轴线往下偏离设计位置,通常按经验确定一个沉降值,抬高盾构施工轴线,使沉降后的隧道接近设计轴线。4 6 盾构机始发状态的控制

1)始发前对洞门土体采取素混凝土桩加固。2)托架整体略微抬高,并调整一定坡度。3)盾构机在完全进入隧道前,沿始发托架在盾壳外部焊接6块10mm∃200mm∃30mm的钢板,随盾构机的推进逐次割除,以防止盾构机自身发生旋转。4)盾构机始发推进拼装负环管片时,在盾尾内壁焊接3根负环管片支撑钢筋,以保证负环管片与盾尾间隙,便于盾构机调节姿态。在盾构机完全进入隧道后再割除掉。

5)盾构机完全进入隧道后,沿负环管片纵向布置3根200mm∃200mm的工字钢,以保证负环管片在受到盾构机千斤顶的侧向推力时,负环管片不会发生变形。

6)负环管片在脱出盾尾时,为填充负环管片与托架间的空隙,在负环管片与托架导轨间打入钢楔子,并将钢楔子与托架导轨焊接在一起。

5 结论

1)区间采用土压平衡式盾构掘进机,利用土仓内的土压力来平衡开挖面的土体,达到对盾构正前方开挖面支护的目的。因此平衡压力的设定是土压平衡式盾构施工的关键。

2)曲线段盾构推进时,根据推进速度、出土量和地层变形的信息数据,及时调整各种施工参数,以期在尽量短的时间内将土压平衡值和注浆量调至曲线推进的最佳状态,从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的,使隧道轴线始终控制在允许偏差范围内。3)为了减小和防止地面沉降,盾构推进时要同步注浆与二次注浆。

4)对于施工中的重点部位,加强监测和确保实现信息化施工,是达到预期目标的重要手段。

参

1991.

[2]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3]王良.盾构法施工在北京地铁5号线的应用[J].都市快速交通,2004,17(5):33 37.

[4]张荣国.盾构法施工的几点问题及其发展方向[J].国外建材科技,2004,25(4):123 124.

修回日期:2007-03-08

考文献

[1]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,

)