盾构论文
越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技术
发布:2008-05-20    浏览:2944    来源:    【

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  摘 要:盾构进出洞施工是上海复兴东路越江隧道工程圆形断而隧适施工的重要环节,其技术的成功与否,将直接影响隧道盾构的正常推进。复兴东路越江隧道工程盾构进出洞段施工难点主要是浅覆土中泥水平衡系统的建立和控制,其进出口段地层的冻结加固处理、洞口的止水设计、盾构轴线控制及泥水平衡控制等都是大型泥水盾构进出洞掘进施工的关键技术。
  关键词:越江隧道;泥水盾构;冻结加固
  中图分类号:U 455. 44    文献标识码:A
 
  1 前言
    上海复兴东路越江隧道设计为双管双层六车道,工程自浦西光启路至浦东崂山东路,线路总长2 785m。江中隧道段南线长1 214. 342m,北线长1 212 963m。隧道外径φ11 000mm,内径为φ10 040mm,隧道衬砌为单层钢筋混凝土管片,厚度为480 mm,宽度为1 500mm,采用错缝拼装,每环由1块封顶块、2块邻接块、5块标准块组成。衬砌设计强度为CSQ抗渗标号为 S10。根据施工方案设计,采用工作井盾构进出洞法施工,两台盾构先后从浦东工作井出洞,从浦西工作井进洞。
    根据地质勘察资料,盾构出洞时将穿越的土层有:③2灰色淤泥质粉质黏土、④淤泥质粉质黏土层、⑤1-1灰色黏土层;盾构进洞时将穿越的土层有②3砂质粉土夹淤泥质黏土、④淤泥质粉质黏土层;⑤1-1灰色黏土层。在隧道浦东出口段和浦西进口段,由于软土地层的变化较为复杂,各处土质条件不一样,周围市政设施的分布不同,管线和房屋建筑环境保护的要求也不一样,在实施盾构进出口施工时,采用新型冻结法进行地基加固处理,取得了成功。
  2 盾构进出洞施工特点及难点
  (1)设计道路坡度大,浦东出洞段设计道路纵坡坡度为41%,浦西进洞段设计道路纵坡坡度为475%。盾构在大坡坡的工况条件下出洞,存在道隧道轴线控制和地面沉降控制等方面的困难。
  (2)管片设计为薄皮超宽(厚480mm,宽1 500mm)型,采用错缝拼装新技术,拼装精度要求高。
  (3)隧道沿线建筑物和地下管线分布错综复杂,环境保护难度大。
  (4)在隧道浦东出口段和浦西进口段,上覆土层厚度较浅,浦东出洞口顶部埋深8 03m,浦西进洞口顶部埋深9. 79m,土体的稳定性控制难度大。
  (5)盾构直径较大(11.22m),目前国内外正在施工中采用的盾构型号中,复兴东路隧道采用的泥水盾构排在第三位。因此,隧道断面面积较大,在盾构进出洞掘进时,泥水平衡的控制技术和洞口的止水技术要求较高。
  3 盾构进出洞段地基加固方案设计
  3.1 盾构进出口段加固土体设计
  根据浦西、浦东盾构进出口段工程地质条件、大型盾构穿越路径、掘进断面尺寸和泥水平衡盾构工作原理,对隧道盾构进出口段的土层采用冻结加固法进行处理。要求冻结后,加固区的平均温度达到-10℃左右,冻结土体抗剪强度为1.5MPa抗弯拉强度为L 8MPa。加固范围为沿轴线从工作井连续墙向外12m,宽为16.6m,加固体高度为16.6m(即深4.942~21.542m)。在盾构进出洞穿越加固体时,形成一个顶厚为2.5m,两侧支脚厚度为15m的拱形土体,利用该拱形土体本身的强度和上覆土层的压力维持盾构的泥水平衡。其加固模型如图1所示。
图1 盾构进出洞冻结加固模型
  3.2 盾构进出口断面稳定性验算
  采用的冻结加固模式,在盾构进出洞破壁时可起到抵御水土压力、防止土层坍落和泥水涌入工作井的作用。按照图上隧道进出洞口断面最大水土压力在其底缘部位,冻结加固体井壁将承受的荷载按经验公式计算,浦西进洞段断面中心埋深线h0,为15 299m,开洞直径为11.60m,开洞的底缘深度为21.099 m,计算得水土压力为0.274MPa加固体厚度为2.87m。浦东出洞段断面,中心线埋深为13.242m,开洞直径为11.60m,开洞口的底缘埋深为18.852m,则计算得出的水土压力为0.245MPa加固体厚度为3.05m。
  假定冻结加固体为受力板,该板承受水土压力,验算结果表明,冻结体平均温度为-10℃,浦东出洞段采用3.05m的加固体厚度是稳定的,浦西进洞段采用2.87m的加固体厚度满足稳定性要求。
  4 盾构进出洞止水设计和施工准备
  4.1 盾构基座施工
  为保证盾构准确地按照设计轴线进出洞,在盾构安装和拆卸过程中,基座应处于4.19%的设计出洞坡度和4.75%的进洞坡度,设计为水平钢筋混凝土预制基础加设斜坡轨枕和盾构轨道基座,基座设计总载重为1 000 t。在盾构出洞工作井,盾构基座钢筋混凝土构件与型钢材料组合而形成框架结构,该结构构件由吊车吊入井下就位。为了进行负环管片拼装和后座钢筋混凝土的浇筑,在混凝土基座和井壁之间加设一榀钢制基座,其基座在井下现场制作。基座纵向和横向的支撑与工作井中的预埋件焊接加固。
  在盾构进洞工作井,盾构基座主要采用钢筋混凝土现场浇筑,基座结构和承载力与出洞工作井相同。
  4.2 止水装置设计
  盾构在进出洞过程中,洞日与盾构壳体将形成环形的建筑空隙,本工程盾构出洞的建筑空隙将达到220mm。为防止盾构出洞时泥水大量从洞门通过此建筑空隙串入井内,影响开挖面土体的稳定和盾构掘进施工,必须在洞圈预埋钢板上布置一个箱体结构,使其形成一个良好的密封止水装置,该箱体结构按照实测盾构外形进行设计和安装,在此箱体内设置两道止水橡胶带和铰链板,并在洞圈预埋钢板上安装2道钢丝刷(图2),根据实际情况调节铰链板与盾构壳体的距离。
图2 盾构出洞止水设计示意
  4.3 盾构出洞工作井负环管片拼装
  为了使盾构推进得到一定的推力保证,击要拼装盾构后座竹片即负环竹片,工作井内负环共12环,均为直线环竹片。为确保后座负环的整体刚性、提高竹片拼装的平整度诚少竹片破碎现象、充分发挥错缝拼装结构好及变形小的优越性,所有负环管片全部设置为闭口环拼装。在闭口环和工作井之间用素混凝土填筑,并在混凝土强度达到要求后,进行余下负环管片的安装及盾构出洞准备。
  4.4 盾构定位、安装和调试
  盾构定位的准确程度主要取决于盾构基座的安装和调节,故在安装基座预制钢筋混凝土构件时,必须保证其位置与设计轴线方向一致。
  在盾构机安装结束后,即对送排泥水竹路的状态、泥水加压系统及泥水处理设备的运转状态进行系统的运行调试,以检测整个泥水系统的工作状态是否符合推进需要,并及时反馈相关的参数和技术指标,指导出洞段推进施工。同时,开启壁后注浆系统,检测双液注浆管是否畅通、注浆管管位的设置是否准确、整个系统的工作状态是否符合推进需要,并对所压注浆液的具体参数进行试验和分析,达到工艺和设计要求并经过验收合格后,方可进行出洞施工。
  5 进出洞段盾构掘进施工技术
  5.1 盾构出洞段掘进施工
  在完成出洞段地基加固处理、工作井盾构基座安装后,如盾构安装调试正常,进行洞口混凝土凿除作业,并在井下车架段预存4环闭口环衬砌管片。当洞口混凝土凿除清理完毕,经检查洞口无杂物后,将导向轨道接长,盾构可立即进行推进和拼装施工。此时应以较快的施工速度将盾构切口推进到出洞段土体。同时检查盾构是否运转正常,确定大刀盘运转状况良好后即可暂停推进。出洞过程中应保证洞口止水装置不被损坏。
  盾构推进时应根据高程和平面的跟踪测量报表和管片间隙,及时调整盾构掘进和管片拼装的姿态。考虑到双层隧道结构的特殊性,应严格控制管片的旋转方向及旋转量,防止牛腿管片偏差过大。管片拼装好后,应及时调整千斤顶的顶力,以防止盾构姿态发生突变。
  考虑到本工程盾构出洞推进的坡度较大(为419%), 盾构在切入土体时,为了发挥上部千斤顶的顶力,后座衬砌环全部设置为闭口环,邻近洞口设置外弧面板特殊闭口环。盾尾脱出工作井内壁后,立即用钢板与洞口环的预埋铁焊接,若洞口漏水现象严重则应由预设压浆管向洞圈内周围压注化学浆液。盾构正:面切入土体后,分别开启各扇闸门,以确保泥水系统畅通。
  5.2 盾构进洞段施工
  在盾构进洞阶段施工中,为使盾构进洞的姿态与接收基座配合良好,必须对隧道轴线和盾构姿态加以严格控制,并调整好竹片与盾壳之间的间隙,使其尽量均匀,在接近洞圈的3环可将上部空隙略微调大。在盾构靠近井壁时,关闭MV1,MV3,MV2阀,用清水通过小旁路来进行清洗竹路。盾构靠上洞门槽壁即停止推进,复紧成环竹片连接件,用清水置换切口泥仓内的泥浆,清洗泥水管路。在完成洞门凿除和清理、确认盾构的姿态和方位后,以最快的速度进行盾构的推进和管片的拼装作业,并随时修正基座、轨道和支撑,使其处于最佳位置。
  在洞口环拼装完成后,为使洞口环脱出盾尾,首先在B3,B4块的相应位置上等距均布6根长为15m的钢管支撑,以传递千斤顶的推力,然后再继续拼装3环管片,每环仅拼装下部2块。在洞口环脱出盾尾后,即可进行洞口环环面钢板洞门封堵钢板与洞圈预埋钢板的焊接作业。
  5.3 主要施工技术参数控制
  盾构在进出口段掘进施工过程中,由于进行了土体地基加固,泥水平衡所要求的各项技术参数与正常推进段有些不同,盾构进洞段,泥水比重和粘度可以降到最低,并可用清水代替,但浆液的配备和推进速度相差不大。
    泥水压力:设定值为0.97~2.0kg/cm2,在盾构进洞段,距洞门10m时,将泥水压力降到最低。
    推进速度:控制在5~8mm/min左右。
    泥水比重:1.15~1.25,在冰冻加固区内比重控制在1.05左右。
    泥水粘度:应保持在20~30 Pa·s,出洞加固区后为18~24 Pa· s。
    同步壁后注浆理论注浆量:V=π/4(11.242-11.002)×1.5= 6 29m3
    实际的注浆量为理论建筑空隙的14%~25%,即8.806~13.1m3
  6 盾构进出洞信息化施工效果分析
  由于盾构在推进过程中,将不可避免地对进出洞段周围土体造成扰动,为了确保隧道沿线地面建筑及地下管线的安全,需要对地面沉降情况进行严密、及时而科学的监测。在出洞段的监测中,还要摸索沉降规律数据,为正常段的推进积累经验。本工程采取水准仪进行跟踪监测,通过对每环推进前后的地面沉降变化的监测,及时地将监测信息反馈给施工人员,对施工参数进行调整和控制。图3和图4是复兴东路隧道工程大型泥水盾构进出洞时,加固土体沉降变化的同步跟踪监测结果。监测结果表明,盾构推进时加固土体比较平稳,沉降值较小,最大值为6.15mm,而盾构推进到加固土体外时,土体沉降变化大,隆起值和沉降值最大可达39.93mm。
图3 盾构出洞段沉降曲线
图4 盾构进洞段沉降曲线
  7 结语
   综上所述,得出如下认识:
  (1)通过冻结加固土体,成功地解决了盾构进出洞段覆土浅、两条隧道相距近及周围管线保护等问题。
    (2)通过大型盾构的安装调试,保证了盾构沿设计轴线推进,满足道路纵坡坡度大的设计要求。
    (3)盾构进洞段的推进试验,为后续大型泥水盾构正常掘进施工管理积累了经验。
    (4)通过进洞段的泥水平衡调整和同步注浆配比,为正常段盾构推进提供了技术参数。
    (5)从盾构进出口段的信息化施工效果分析,其最大沉降量在控制的范围内,与未加固的地段相比,冻结法加固处理的效果显著,从而保证了大型泥水盾构进出洞施工效果。
 
  参考文献
  [1]项兆池,楼如岳,傅德明. 最新泥水盾构施工技术[R].上海隧道工程股份公司,2001,12.
  [2]杨太华,邹长中,周松. 上海复兴东路隧道工程大型泥水盾构施工技术[J].上海建设科技,2004(1).
 
杨太华
(腾达建设集团股份有限公司  上海  200122)
 
盾构概貌

上海隧道工程有限公司(以下简称“上海隧道”)成立于1965年,1993年改制成为国内施工行业首家上市股份制公司,是上海第一家通过ISO9001质量体系认证和ISO1400...

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