地鐵談盾構(gòu)隧道施工

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1、工程概況
    廣州市軌道交通三號線[天~華]區(qū)間盾構(gòu)工程分為兩個區(qū)間（天河客運站~五山站區(qū)間以及五山站~華師站區(qū)間），主要由兩條圓形盾構(gòu)隧道為主組成，雙線長6259.615m。隧道標(biāo)稱內(nèi)徑為5400mm；埋深為11~28m；平面最小曲線半徑為350m；最小豎曲線半徑為3000 m；最大坡度為19‰；最小坡度為3‰。
    天~五區(qū)間隧道主要是在殘積層和全風(fēng)化層中穿過，頂?shù)装宀町惒淮?，在中部偶見夾有球狀微風(fēng)化巖石。近五山段頂板出現(xiàn)少量砂層。隧道洞身天然單軸抗壓強度最大值為153.40MPa。
    五~華區(qū)間隧道主要是在強風(fēng)化層中穿過，頂?shù)装鍘r土分層有一定差異，存在上軟下硬或有夾層現(xiàn)象。中部為瘦狗嶺斷層破碎帶，以北均為花崗巖、花崗片麻巖帶或風(fēng)化層，以南為白堊系紅層巖系?？拷A師站段隧道全斷面在微風(fēng)化層中穿過。地表地形地貌變化也比較大。白堊系紅層隧道上方發(fā)育有較長段含水砂層。
    2、盾構(gòu)掘進
    2.1刀具配置
    地質(zhì)情況對刀具配置起決定作用，隧道圍巖為I、II類(按《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》中隧道圍巖分類)時，一般采用刮刀(俗稱羊角刀)，而對于III~VI類圍巖則使用盤形滾刀效果較好。盤形滾刀又有單刃和雙刃之分，單刃滾刀適合較硬巖或強度不均勻的圍巖，而雙刃滾刀適合一般硬巖及強度均勻的圍巖。針對本工程的地質(zhì)情況，均配置單刃盤形滾刀。
    2.2掘進參數(shù)控制
    (1)、控制刀盤扭矩。根據(jù)保護刀具、降低刀具磨損的要求，必須將刀盤扭矩控制在某一容許范圍內(nèi)，而控制扭矩的主要依靠以下方法：                  
    ◆ 減小推力：這是最簡單、有效的方法，但同時也會降低掘進速度。
    ◆ 減小刀具的貫入度：即在保持掘進速度基本不變的情況下，提高刀盤轉(zhuǎn)速，一般達2.5~3r/m左右。當(dāng)開挖面為全斷面硬巖時，減小刀具貫入度，能顯著降低刀盤扭矩。但刀盤高轉(zhuǎn)速不適用有孤石的圍巖，因為孤石很容易造成刀具崩裂。
    ◆ 向開挖面、土倉內(nèi)加入土質(zhì)改良劑：
    常見的土質(zhì)改良劑及適用地層
    膨潤土  適用砂~砂礫地層   發(fā)泡劑  適用粘土~粗砂地層 高吸水性樹脂  適用固結(jié)粘土~砂礫地層
    其中發(fā)泡劑較為常用。
    另外，在全斷面硬巖或孤石地層，可以向開挖面、土倉內(nèi)加入冷卻水，以降低刀盤、刀具的溫度來保護刀具。
    (2)、保持適當(dāng)?shù)耐翂骸Ｈ羲淼绹鷰r能夠自立，則可以采取空倉掘進的模式；若隧道圍巖無法自立，為了保持開挖面的穩(wěn)定，則必須保持適當(dāng)?shù)耐翂阂苑€(wěn)定開挖面，控制地面沉降。土壓過低，則可能出現(xiàn)超挖；土壓過高，則有效推力降低，掘進速度降低，且地面可能隆起，造成后期沉降較大。土壓的確定與隧道埋深、地質(zhì)情況、地面建筑物情況有很大關(guān)系，可以采用庫侖或朗肯等理論估算。在實際施工中，也可以根據(jù)出土量的情況來確定適當(dāng)?shù)耐翂骸Ｔ诒竟こ叹蜻M過程中一般保持1.5~2.0bar的土壓。
    (3)、在刀盤扭矩、土壓、出土量滿足要求的情況下，盡可能加大推力，以提高掘進速度(80mm/min以上)，加快工程進度。而在掘進速度較快的情況下，則要注意控制好盾構(gòu)機的姿態(tài)、保持土壓穩(wěn)定、同步注漿量。
    2.3同步注漿及二次注漿
    由于刀盤的直徑為Φ6280mm，而管片外徑Φ6000mm，所以在管片離開盾尾后，理論上管片與圍巖之間將會有寬度為140mm的空隙，為控制地面沉降，必須用砂漿將空隙填滿。
    (1)、盾尾同步注漿。
    出現(xiàn)的主要問題：
    ◆     堵管 
    出現(xiàn)堵管的情況，其原因主要是以下幾方面：
    ① 砂漿配比不好，以致砂漿初凝時間太短、砂漿易沉淀離析、砂漿流動性差
    ② 原材料不好，如砂太粗
    ③ 盾尾漿管回砂
    ④ 長時間停注前未注射膨潤土液洗管
    ◆ 漏漿
    主要原因及處理辦法：
    ① 盾尾間隙過大?？刂坪枚軜?gòu)機姿態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)墓芷?，以保持良好的盾尾間隙。
    ② 尾刷損壞。在管片迎水面墊厚約15cm 左右的海綿或者更換尾刷。
    ③ 盾尾油脂注入量不夠。加大油脂注入量。
    (2)、二次注漿。
    當(dāng)?shù)孛娉两递^大或隧道下坡且地下水豐富時，可以進行管片背后二次注漿來穩(wěn)定地面或堵水。
    注漿材料可以用純水泥漿、砂漿或雙液漿。注漿設(shè)備可以采用注漿機或盾構(gòu)機臺車上的同步注漿泵。注漿時應(yīng)注意監(jiān)控注漿壓力，如果壓力過大可能造成管片錯臺或縱裂。
    2.4常見問題及處理辦法
    (1)、若螺旋輸送機被卡住(即扭矩超限)，無法正常出渣，可反復(fù)伸、縮螺桿并同時正、反轉(zhuǎn)，如低速正轉(zhuǎn)同時伸、縮螺桿，若超限則反轉(zhuǎn)同時伸、縮螺桿，如此反復(fù)，基本上都可以脫困。
    (2)、若啟動刀盤時刀盤被卡住，則將部分推進千斤頂收縮，使土壓力、刀具貫入度減小即可以轉(zhuǎn)動刀盤。
    (3)、在非粘性地層，如砂層，若鉸接千斤頂拉力較大，說明刀盤的擴孔能力較差，則要檢查刀盤的邊緣刀是否磨損過量而應(yīng)該更換。
    3、管片拼裝
    3.1管片型號的選擇
    一般主要根據(jù)盾尾間隙、線路特點、推進千斤頂行程來確定管片型號。選擇適當(dāng)?shù)墓芷梢杂行У卣{(diào)節(jié)盾尾間隙，保證盾尾間隙和千斤頂行程比較均勻，有利于管片的受力。若盾尾間隙過小，則可能造成管片難以安裝、管片迎水面被盾尾壓崩、盾尾尾刷損壞、千斤頂撐靴與管片嚴(yán)重錯臺導(dǎo)致管片止水條損壞和管片崩缺等問題。
    3.2常見質(zhì)量問題
    (1)、管片在拼裝前一般要先檢查管片是否完好、型號是否正確、緩沖墊和止水條是否貼牢。在拼裝過程中一定要注意對止水條的保護，若止水條損壞嚴(yán)重則很可能出現(xiàn)滲漏水的質(zhì)量問題。
    (2)、千斤頂撐靴正常情況下應(yīng)該不會同時頂在兩塊管片的角上，但如果隧道管片發(fā)生扭轉(zhuǎn)，則可能會出現(xiàn)這種情況，那么要特別注意拼管片或掘進時會管片發(fā)生崩裂。
    (3)、管片扭轉(zhuǎn)：如果拼裝管片時，盾構(gòu)機的滾動角較大而且一直朝同一個方向，則可能會發(fā)生隧道管片扭轉(zhuǎn)的情況。因此應(yīng)該通過調(diào)整刀盤的旋轉(zhuǎn)方向來減小盾構(gòu)機在拼裝時的滾動角。
    (4)、管片錯臺：在小半徑曲線(本工程最小曲線半徑R=350m)線路施工時，因推進千斤頂對管片有環(huán)向分力而造成管片環(huán)向錯臺。解決辦法是在推進后及時復(fù)緊管片連接螺栓約束管片的環(huán)向位移，或者在拼裝時人為地將管片拼成與轉(zhuǎn)彎方向一致的錯臺。
    4、專題
    4.1壓氣換刀
    主要作業(yè)步驟：
    (1)、準(zhǔn)備換刀工具、材料并檢查壓氣時要用的相關(guān)設(shè)備
    常用的換刀工具有：刀具磨損量具、手拉葫蘆、液壓千斤頂、螺桿千斤頂、分離式千斤頂、撬棒、扳手(開倉門及拆、裝刀具時用)、氣動打磨機、鐵錘
    準(zhǔn)備的材料有：刀具及其配件(拉緊塊、U型塊、螺絲等)、吊耳
    要檢查的設(shè)備有：空壓機（包括備用空壓機）、管路(水管、氣管)及接口、照明設(shè)施、人閘及土倉的壓力表、人閘與指揮室的通訊
    (2)、排出土倉內(nèi)的渣土，當(dāng)土壓降至較低時(0.5bar以下)，向土倉加入壓縮氣體，同時土倉內(nèi)加入膨潤土，轉(zhuǎn)動刀盤，繼續(xù)出渣。一段時間后停止加入膨潤土。當(dāng)螺旋機后閘門有較連續(xù)且較大壓力的氣體噴出即可停止出土，然后等待半個小時左右看土倉內(nèi)的氣壓是否能夠保持穩(wěn)定，即氣壓上下浮動不能超過0.1bar 。如果土倉內(nèi)的氣壓，無法上升到預(yù)定值，且空壓機排壓較低，或者氣壓上下浮動過大都說明土倉漏氣。檢查地面、鉸接、盾尾是否漏氣。
    (3)、土倉內(nèi)氣壓穩(wěn)定后，換刀人員進入人閘，相關(guān)材料工具也要運進去。準(zhǔn)備好后，向人閘內(nèi)加壓，加壓程序要按照有關(guān)帶壓作業(yè)規(guī)范的要求。
    (4)、當(dāng)人閘的氣壓與土倉的氣壓基本一致時，打開平衡閥，換刀人員打開土倉門進入土倉開始換刀作業(yè)。
    常見問題及處理辦法：
    (1)、若換刀時刀具不慎掉入土倉內(nèi)，而土倉內(nèi)泥渣較多很難定位刀具及打撈時，則換刀人員進倉作業(yè)時帶上鐵鍬和編織袋，將土倉內(nèi)的渣土裝袋即可。
    (2)、若作業(yè)過程中，發(fā)生氣管爆裂、空壓機故障等問題時，首先要冷靜，想辦法穩(wěn)住氣壓，同時盡快通知作業(yè)人員進入人閘以便及早減壓出來。
    (3)、要做好各項人員安全措施及災(zāi)害防治措施。對工作人員要進行全面體檢，體檢不合格的人員禁止入內(nèi)。要注意壓氣作業(yè)過程中因焊接、漏電、打磨等作業(yè)可能引起火災(zāi)。各種應(yīng)急設(shè)備如高壓氧艙、單架等應(yīng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)。
    4.2盾構(gòu)始發(fā)與到達
    (1)、到達前要做好以下工作：
    ① 校核盾構(gòu)機姿態(tài)及位置，盾構(gòu)機軸線應(yīng)較洞門軸線稍微高1~3cm
    ② 洞門臨時擋土墻鑿除
    ③ 盾構(gòu)機接收平臺的鋪設(shè)
    ④ 洞門環(huán)板、壓板的設(shè)置
    ⑤ 搶險物資設(shè)備的準(zhǔn)備
    (2)、始發(fā)時要做好以下工作：
    ① 盾構(gòu)機、始發(fā)架、反力架的安裝、測量定位
    ② 洞門臨時擋土墻鑿除
    ③ 洞門環(huán)板、壓板的設(shè)置
    ④ 搶險物資設(shè)備的準(zhǔn)備
    5、施工管理
    5.1人員配置
    以德國海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機為例：
    (1)、技術(shù)管理人員
    隧道領(lǐng)班工程師兼盾構(gòu)機操作手 1人
    機電工程師 3人(機械、電氣、液壓各1人)
    (2)、勞務(wù)工人
    崗位  班長兼管片拼裝手  配合管片拼裝  雙軌梁操作手  同步注漿  出土兼千斤頂操作  電工  機修工  合計
 
    人數(shù)            1                    3                  1                2                 1                1        3       12
 
    5.2材料、設(shè)備配置
    (1) 日常消耗材料
    主軸承密封油脂、潤滑油脂、盾尾密封油脂、發(fā)泡劑、砂漿、隧道照明材料(照明燈、電線、線架)、通信材料、循環(huán)水管、軌道、軌枕、排污水管、編織
    (2) 日常工具、設(shè)備
    電焊機、氣割、潛水泵、千斤頂、葫蘆、扳手、鐵錘。