城市大直径泥水盾构始发关键技术

２０１１年第４期　西部探矿工程　ｌ５ｌ　城市大直径泥水盾构始发关键技术　黄学军　，翟志国　（中铁隧道集团二处有限公司，河北燕郊０６５２０１）　摘要：通过对北京铁路北京站至北京西站地下直径线工程采用的膨润土一气垫式泥水平衡盾构机　组成部分及始发施工技术的介绍，总结了城市繁华地段大直径盾构始发施工的一些关键技术，希望对　类似工程有借鉴作用。　关键词：城市；大直径；泥水盾构；始发　中图分类号：Ｕ４５文献标识码：Ｂ文章编号：ｌＯＯ４—５７１６（２０１１）Ｏ４～Ｏｌ５ｌ—Ｏ４　盾构法施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小　等诸多优点，已经被越来越多的人们所认可。随着科学　３ｂａｒ。　技术进步、综合国力的增强以及我国地铁、公路、铁路、　水利等基础建设的飞速发展，大断面盾构已越来越多地　应用于城市地下工程。　泥水平衡盾构是一种全新的盾构技术，在目前各类　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；然后井下安装盾构　始发基座及洞门密封，依次组装盾构后配套拖车，并将　其拖人暗挖段；盾构主机安装、反力架下半部分，待管片　安装机横梁安装完成后将反力架上半部分进行安装，随　后将主机和后配套拖车连接，并完成盾构机整机调试；　同时要完成泥水处理系统的安装调试。最后盾构达到　始发条件。　３．２盾构始发井施工　４　始发井围护结构为地下连续墙。采用盾构直接　盾构中是结构最为复杂、施工质量较好、效率较高、技术　最先进、安全可靠性最高的一种。而泥水盾构在始发阶　段的施工难度较大，如何保证泥水盾构始发成功是盾构　法施工成败的关键。　１工程简介　北京站至北京西站地下直径线２标工程为连接北　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５１７５ｍ隧道采用　盾构法施工。盾构法隧道采用一台全新的　１１．９７ｍ　膨润土一气垫式泥水加压平衡盾构机施工。　盾构由天宁寺桥北４＃竖井始发，沿天宁寺桥、西便　门桥、宣武门西大街，到达终点宣武门地铁西端。其中　设４　竖井（盾构始发井）、５　竖井（始发辅助井）。盾构　隧道管片内径　１０．５ｍ，管片外径　１１．６ｍ，环宽１．８ｍ。　管片环采用通用楔型环，每环管片由６块标准块、２块　邻接块和１块封顶块共９块组成。　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　掘削新型材料墙体的方式开洞门，开洞处的地下连续墙　钢筋笼全部换用玻璃纤维筋代替普通钢筋，混凝土采用　以石灰石为粗骨料的细石混凝土，混凝土抗压强度为　Ｃ２０，其余范围地下连续墙采用Ｃ３０混凝土。　３．３始发洞门端头加固　４＃始发井端头加固采用地面注浆加固方式，加固　范围为：东侧１２．０ｍ，隧道轮廓线上下６ｍ，左右４ｍ。由　于玻璃纤维筋与普通钢筋接头处抗拉力强度较低（只有　普通钢筋抗拉强度的１０　９／６），而在始发洞门处的地下连　续墙采用Ｃ２０混凝土，因此为保证４　竖井开挖的安全　砂为主。地质统计资料显示：最大粒径２００ｍｍ，一般粒　径２０￣６０ｍｍ，大于０．０８ｍｍ的颗粒含量约占总量的　９７　，其中大于２０ｍｍ粒径含量约占总量的６５　。　盾构隧道所在地层主要为孔隙潜水和孔隙承压水，　地层最大渗透系数Ｋ－－＿１５０ｍ／ｄ潜水，＿最大水土压力为　＊收稿日期：２０１￣０９—１０修回日期：２０１０—０９—２６　性，在始发洞门前端施做２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特别是管线下方土体，未能　进行有效加固，给盾构始发造成一定隐患。为了保证端　头土体加固的效果，保证盾构安全始发，采取在４＃竖井　内对端头土体进行水平注浆补强加固。采用水平地质　第一作者简介：黄学军（１９７８－），男（汉族），宁夏中宁人，工程师，现从事地下工程技术及施工管理工作。　１５２　西部探矿工程　２０１１年第４期　钻机前进式分段成孔注浆，最后一次注浆结束，再成孔　下　５Ｏ塑料管，进行补充注浆。　３．４始发洞门凿除　为了防止洞门破除后发生涌水涌砂现象，先将ｌｍ　所以需要始发基座在距洞门６．０５ｍ处断开０．９ｍ为盾　构护盾焊接提供必要的焊接作业空间。　３．６安装洞门密封装置　厚的地下连续墙凿除０．６ｍ，剩余０．４ｍ的保护厚度，洞　门中心鱼尾刀部位　１．４ｍ范围内多凿除０．２ｍ，并将　外露的玻璃纤维筋全部割除取出。洞门破除由人工利　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。环状钢板的内径为１２２１２ｍｍ，外　径为１２９６０ｍｍ，环向每２．４０预埋一个Ｍ２４×９０螺栓，　用风镐自上而下一次完成。洞门凿除后尽快将盾构机　前移，使刀盘紧贴掌子面，保证掌子面的稳定，由刀盘切　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，结构设计还需考虑盾构推　进时的便捷和结构受力。由于盾构机重达１０００多吨，　共计预埋螺栓１５０个。为了环板能够牢固的嵌入竖井　衬砌结构内，环板背面与盾构始发井衬砌结构钢筋连接　牢固，并且每根预埋螺栓必须与竖井衬砌钢筋连接牢　固，环板加工成型后，待竖井二次衬砌施工时及时预埋。　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　示。　所以始发基座必须具有足够的刚度、强度和稳定性。由　于盾构主机在组装过程中盾壳间还需要进行焊接作业，　成，两道密封间隔０．４ｍ。洞门临时密封装置如图１所　图１洞门密封结构示意图　为防止盾构机刀盘磨损帘布橡胶板，影响密封　效果。在盾构机进人预留洞门前，应在刀盘外围和　帘布橡胶板外侧涂抹润滑油脂。当盾构刀盘全部进　入内洞门密封后，开始向泥水仓内加压，压力仅满足　泥浆充满泥水仓。同时，在两道密封间利用预留注　脂孔向止水箱内注堵漏剂，增加洞门处的止水效果。　３．７安装反力架及支撑　反力架采用组合钢结构件，便于组装和拆卸；反　力架结构根据竖井结构进行设计；反力架提供盾构　机推进时所需的反力，因此反力架须具有足够的刚　反力架位置的确定：根据盾构主机长度、负环管片　宽度以及洞门结构宽度等综合确定反力架位置。　３．８盾构始发阶段运输轨道及管线布置　由于场地空间狭窄，在始发阶段后配套拖车完全进　入负环管片之前，盾构施工所用材料全部由５　井下洞，　经横通道运输。轨道在横通道布设为双轨，在５　竖井　底及正洞段布设单轨。管片、轨道、进排浆管、循环水　管、管片螺栓等材料全部由１６ｔ桥吊经５　竖井吊运，砂　浆从４　竖井下料。待后配套拖车完全进入负环管片　度和强度；反力架支撑系统将盾构推力传送到竖井　结构上，支撑提供的反力满足盾构推进要求，且支撑　有足够的稳定性，反力架支撑采用水平支撑加斜撑　的加固方式。　后，将反力架上面的两根支撑钢管去除，管片等材料由　４　井通过３５ｔ行吊从反力架后面的空隙垂直运输到井　底。始发阶段轨道及管线布置见图２。　３．９降水井布置　在４　井始发端两侧布置４个降水井。在端头加固　２０１１年第４期　西部探矿工程　１５３　完成后，始发洞门凿除前开始启用降水井，同时也启动　所有其他暗挖段降水井，形成区域降水，使水位降至隧　道底板以下ｌｍ，从而提高土体的自稳能力，保证洞门凿　除及盾构始发的安全。　／　、　图２始发阶段运输轨道布置图　３．１０负环管片拼装　情况，必须严格控制始发试掘进的各种参数。　４．１泥水仓压力控制　在拼装第一环负环管片前，在盾尾管片拼装区　１８０。范围内均匀安设７根长１．８ｍ、２６ｍｍ厚的钢板，考　虑到在拼装负八环管片时，管片后横断面没有支撑，管　片拼装过程中无法提供油缸推进及封顶块插入时所需　反力，所以需在负八环管片后面即盾尾适当位置焊接　盾构机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０．１ＭＰａ左右，穿过加固区后，泥水仓内压力　Ｉ２２工字钢以提供管片拼装的反力，为了防止顶部管片　不稳，在推进油缸的一侧也要焊接Ｉ２２工字钢，保证拼　装的管片在未成环前不下落。　待第一环负环管片拼装完成后，将１７个临时提供　反力的工字钢全部割除，然后在盾构机内拼装好整环管　片后利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出，为避免管　片下沉，当管片推出１２００ｍｍ后随即开始拼装下一环　管片，当负八环管片推出盾尾２００ｍｍ后，将负环管片　与始发基座导轨间的空隙用纵向型钢垫实，然后继续将　管片推出直至负环管片与反力架靠紧，然后用薄钢板将　负环管片与反力架之间的缝隙填实并将垫块焊接牢固。　负环管片按照错缝的方式进行拼装。负环管片在推出　的过程中要及时将负环管片支撑，避免负环管片失圆过　大引起管片拼装困难。支撑采用２００ｍｍ的Ｈ型钢、　２０ｂ工字钢及１６ｍｍ钢板加工，所用垫块采用２５ａ工字　钢加工。　由于第一环负环管片脱出盾尾后周围没有约束，为　减小其椭圆度，在第一环和第二环负环管片生产时需要　在每块管片端头外弧面各预埋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Ｉ　２５　逐渐调整至０．１５ＭＰａ。盾构机推进、反冲和旁通三状　态切换时的泥水仓水压偏差值均控制在±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２０ｍｍ／ｍｉｎ；　（２）开始掘进应逐步提高掘进速度，正常掘进过程　中，掘进速度值应尽量保持恒定，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是利用盾构机自带的　ＰＰＳ自动导向系统来完成的。该系统配置了导向、自动　定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在盾构机　主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏　工字钢帮焊在一起，使第一环、第二环管片成为一个整　体，其他负环管片采用　２２ｍｍ钢丝绳箍紧。　４盾构始发掘进各项参数的控制　为了确保掘进安全，根据地层情况和地面建筑物的　差以及趋势。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。　同时，采用ＰＰＳ导向系统和人工测量辅助进行盾　构姿态监测。　４．４同步注浆浆液质量及注浆量的控制　当盾尾通过两道洞门密封后开始实施同步注浆。　注浆浆液选择水泥砂浆，水泥砂浆的凝结时间控制在　６ｈ左右，浆液的强度不小于５ＭＰａ。同步浆液配合比如　表１所示。　１５４　西部探矿工程　２０１１年第４期　注浆量应满足规范要求的充盈系数。每环的理论　注浆量为：　一７【／４・（］１．９７２一ｌ１．６２）１．８—１２．３３ｍ。　由于始发端头加固后地层空隙率较小，故实际的注浆量　０．０２ｋｇ／ｃｍ　以内。加强同步注浆管理，及时充填盾尾　建筑空隙，必要时采用二次注浆，必要时采用地面注浆　加固措施来保护构筑物的稳定。　５结束语　为理论建筑空隙的１３０　～１８０　，即每环的注浆量应　控制在ｌ６．Ｏ３～２２．］９ｍ。。　注浆压力应大于泥水仓压力０．１－－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　经过精心准备和科学施工，北京站至北京西站地下　直径线２标工程泥水盾构始发已顺利完成。通过不断　总结和摸索，使大断面盾构在城市繁华地段、砂卵石地　层中的施工技术不断成熟，为类似工程地质的大断面泥　水盾构施工总结了可借鉴的经验。　参考文献：　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、粘度控制泥浆质量。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．Ｏ５左　右，泥浆粘度控制在３５－－４０ｓ。　４．６地面沉降的控制　［１］　１１．９７ｍ膨润土一气垫式泥水平衡盾构机技术操作规程　Ｉｓ］．　［２］楼如岳．最新泥水盾构施工技术ｊＲ］．上海隧道股份．　［３］刘建航，侯学渊．盾构法隧道［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，　１９９１．　采取信息反馈的施工方法，加强监控量测，进行跟　踪沉降观测，并及时反馈，为调整优化施工参数提供依　据。严格控制泥水仓泥水压，波动范围控制在　［４］张凤祥，朱合华，傅德明．盾构隧道［Ｍ］．人民交通出版社，　２００４．　［５］北京铁路地下直径线工程盾构始发施工方案［Ｒ］．　（上接第１５Ｏ页）　距掌子面２５ｍ的距离，为下穿后及时施作二次衬砌做　好准备。　（３）由于铁路运营的特殊性，施工中对既有线隧道　的监控量测尤为重要。　参考文献：　原设计方案要求采取临时要点封锁钱路，对既有线　隧道进行注浆加固，对既有线进行吊轨加固，新建隧道　通过交叉段时采用双侧壁导坑法开挖。　本施工方案对原设计方案进行了优化，减少了对既　有线隧道的注浆加固处理，减少了对既有线的吊轨加固　工作，没有封锁既有线路，在较短的时间内通过交叉段，　减少对既有线运营影响时间，取得较好的经济效益与社　会效益。　方案的不足之处是在实施前，必须在相周围岩级别　的情况下进行减震导坑超前试验，对小导坑超前的减震　［１］改建铁路贵阳至昆明线六盘水一沾益段增建第二线老房　子隧道下穿既有线隧道施工专项方案［Ｒ］．洛阳：中铁隧道　集团有限公司，２００８．　［２］改建铁路贵阳至昆明线六盘水一沾益段增建第二线方案　设计图［Ｒ］．成都：中铁二院工程集团有限责任公司，２００８．　［３］刘殿中．工程爆破实用手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，　１９９９．　效应进行测试，通过爆破震动监测调整合理的爆破参数　后方可运用。　４施工体会　（１）管棚超前支护既可以达到预加固围岩的目的，　与钢拱架组合又可起到棚架作用，从而避免拱部坍塌，　并能有效抑制地表沉降，同时增加隧道结构强度。　（２）准备施工下穿既有线隧道前，二次衬砌施工至　［４］王梦恕．隧道设计的基本原则和理念［Ｊ］．轨道交通，２００８　（５）：４５—４８．　［５］ＴＢ１０４０１．１—２Ｏ０２铁路工程施工安全技术规程Ｉｓ］．北京：　中国铁道出版社，２００２．　［６］ＴＢ１０１２１－－２００７铁路隧道监控量测技术规程　ｓ］．北京：中　国铁道出版社，２００７．