盾構(gòu)隧道長距離硬巖地層鉆爆法開挖管片襯砌施工技術(shù)論文
摘要:盾構(gòu)法適宜在較均一的軟土、軟巖地層或砂層及其互層的地層中掘進,但在軟硬不均、軟硬交互且?guī)r石強度差異大的地層中應(yīng)用盾構(gòu)法修建城市地鐵隧道就復(fù)雜得多。以廣州地鐵三號線盾構(gòu)區(qū)間工程為實例,介紹盾構(gòu)法隧道長距離硬巖地層段采用鉆爆法開挖管片襯砌施工技術(shù)。
關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;硬巖地層;鉆爆法隧道;噴射米石
1前言
隨著城市化進程的加快,盾構(gòu)法施工技術(shù)以其安全、快速、對環(huán)境影響小等優(yōu)點得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前已應(yīng)用于上海、北京、廣州、深圳、南京、天津等地鐵工程。全世界大約采用了3000多臺盾構(gòu)機,國外發(fā)達國家盾構(gòu)技術(shù)較為先進,尤以日本最為突出。
廣州地鐵三號線某標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間隧道施工中,對于短距離硬巖及軟硬交互的復(fù)合地層,通過刀具選型和布置、螺旋輸送機改造、輔助系統(tǒng)性能改造,使盾構(gòu)機適應(yīng)了該地層。通過補充地質(zhì)勘察、刀具管理、掘進參數(shù)選擇、掘進方向控制,成功通過該地層;對于長距離硬巖地層,首次采用了鉆爆法開挖、管片襯砌工法,初期支護與管片背后的空隙用米石和注漿結(jié)合的新工藝進行回填,成功通過了該硬巖段。
2方案選定
2.1工程概況
工程位于廣州市番禺區(qū)北7km處,距廣州市約15km,由一個明挖區(qū)段、三個盾構(gòu)區(qū)段和一個鉆爆法暗挖區(qū)段構(gòu)成,全長為4008雙線延米。隧道穿越的左、右線地層所占的長度見表1。
隧道右線YDK16+708.5～+937(228.5m)、左線ZDK16+730～+929(199m)段地層主要為8Z-2、9Z-2,圍巖分類為Ⅰ、Ⅱ級,屬上元古界震旦系花崗巖片麻巖的混合體,單軸抗壓強度118MPa,鉆孔發(fā)現(xiàn)有抗壓強度達156.5MPa的硅化角礫巖,且軟硬巖層互為夾層現(xiàn)象普遍,巖層均一性差,對盾構(gòu)法施工很不利。
2.2方案選擇
長距離硬巖地層的施工,應(yīng)認真評價盾構(gòu)機的設(shè)備適應(yīng)性,辨識、評價、分析施工風(fēng)險,考慮鉆爆法施工方案的可行性,并進行進度、技術(shù)經(jīng)濟比較,選擇經(jīng)濟、合理、可行的施工方案。
�、� 補充地質(zhì)勘察,彌補初步勘察及詳細勘察階段因受地形地貌及其他條件限制導(dǎo)致鉆孔遠離線路或間距過大的不足,使鉆孔間距達到50m以內(nèi)的要求。并認真對待特殊地段,保證地質(zhì)資料的準(zhǔn)確,作為盾構(gòu)機對地質(zhì)適應(yīng)性的評價依據(jù)。
�、� 吸取廣州地鐵二號線的施工經(jīng)驗,盾構(gòu)機對廣州地區(qū)軟土及巖石單軸抗壓強度低于80MPa的硬巖地層施工是完全適應(yīng)的,但用軟巖盾構(gòu)機進行強度如此高的長距離硬巖地層施工,在國內(nèi)地鐵施工中沒有先例,也未有外國的成功經(jīng)驗資料。
③ 盾構(gòu)機在局部硬巖地層中掘進易造成刀具意外破壞和非正常磨損,不僅增加直接成本,且由于掘進速度慢,其他輔助工作費用也增大,將造成施工成本增加。
④ 硬巖中掘進時,盾構(gòu)機震動劇烈,對設(shè)備造成某種程度的損壞,影響盾構(gòu)機使用壽命。
�、� 經(jīng)研討,對該段長距離硬巖地層,采用鉆爆法開挖、盾構(gòu)機拼裝管片通過的施工方法可行,并通過科研,指導(dǎo)施工。
�、� 盾構(gòu)機拼裝管片通過已開挖硬巖段的速度比盾構(gòu)法在一般較硬巖層地段的掘進速度快,經(jīng)比較,每延米至少節(jié)省5h,能夠提前工期,節(jié)約工程費用。
2.3總體方案
對該段長距離硬巖地層,將鉆爆法與盾構(gòu)法相結(jié)合,在盾構(gòu)機到達前,通過盾構(gòu)區(qū)間的中間風(fēng)井,采用鉆爆法開挖,盾構(gòu)隧道與該段硬巖隧道貫通后,盾構(gòu)機在已施工的混凝土導(dǎo)向平臺上空載通過并拼裝管片,初期支護與管片背后的空隙用米石和注漿回填密實。
3 主要施工技術(shù)
3.1施工工藝流程
劃分不同工法施工區(qū)段→鉆爆法隧道參數(shù)選擇→隧道硬巖段鉆爆法施工→盾構(gòu)機到達→導(dǎo)向平臺順接→盾構(gòu)機推進至導(dǎo)向平臺→拼裝管片、吹填豆礫石→盾構(gòu)機空載推進、同步注漿→補充注漿。
3.2選擇鉆爆隧道參數(shù)
(1)盾構(gòu)通過段
盾構(gòu)通過段的隧道設(shè)計凈空為6400mm的圓形斷面,比盾構(gòu)機外徑大120mm。該段采用光面爆破技術(shù)開挖、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護,具體支護參數(shù)根據(jù)圍巖條件和監(jiān)控量測結(jié)果進行調(diào)整。
(2)盾構(gòu)接收段
隧道貫通后3m為盾構(gòu)接收段,斷面形式同樣采用圓型斷面,凈空為6800mm,以滿足盾構(gòu)機掘進貫通時的測量誤差要求。為便于盾構(gòu)機到達后對盾構(gòu)機進行底部處理,底部70°范圍內(nèi)半徑加大到3700mm。
(3)導(dǎo)向平臺
為保證盾構(gòu)機按設(shè)計姿態(tài)通過,隧道底部60°范圍設(shè)置半徑為3150mm、厚150mm的弧形混凝土導(dǎo)向平臺。
3.3隧道硬巖段鉆爆法施工
開挖斷面以軌面為界,分上下兩部分開挖。導(dǎo)向平臺分段澆注,長度為20m。
采用光面爆破技術(shù),直眼掏槽,周邊眼采用間隔裝藥,周邊眼間距50cm,最小抵抗線50～80cm,線裝藥密度400g/m,每次循環(huán)進尺2.2m。
3.4到達段隧道盾構(gòu)法掘進施工
盾構(gòu)隧道與鉆爆隧道貫通前25m為盾構(gòu)到達段。盾構(gòu)隧道到達段采用土壓平衡模式掘進。進入到達段時,逐步減小推力、降低推進速度,并嚴(yán)格控制出土量。因貫通面處圍巖條件較好,隧道貫通前3環(huán)采用敞開模式掘進,采用小推力、低轉(zhuǎn)速進入盾構(gòu)接收段。掘進參數(shù)見表2。
盾構(gòu)進入到達段前150m,對盾構(gòu)施工段和鉆爆段的所有測量控制點進行系統(tǒng)的控制測量復(fù)測和聯(lián)測,對所有控制點的座標(biāo)進行精密、準(zhǔn)確的平差計算。貫通前100m、50m時分別人工復(fù)測盾構(gòu)機姿態(tài),及時糾正偏差,確保盾構(gòu)機順利進入接收段。
盾構(gòu)機在到達段掘進過程中,派專人負責(zé)觀察鉆爆段貫通面巖面變化和初期支護情況。發(fā)現(xiàn)圍巖或初期支護有異常時,立即通知盾構(gòu)主司機調(diào)整掘進參數(shù),必要時采取加固措施。
隧道貫通時的碴土由人工清理,從豎井運出洞外。碴土清理完成后,用C30早強混凝土將盾構(gòu)前體下部至鉆爆隧道段已施工的導(dǎo)向平臺進行順接,確保盾構(gòu)機順利過渡到導(dǎo)向平臺。
3.5盾構(gòu)機空載推進
依據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺間的關(guān)系,調(diào)整各組油缸的行程,使盾構(gòu)姿態(tài)沿設(shè)計方向推進。開始段推進速度控制在15～40mm/min,熟練后控制在60～85mm/min,總推力約300t,下部油缸壓力略大于上部油缸。
曲線段,計算出盾構(gòu)機每進一環(huán)的偏轉(zhuǎn)角與鉸接油缸行程差和推進油缸行程差。盾構(gòu)推進前復(fù)核鉆爆隧道與盾構(gòu)機軸線誤差,并調(diào)整鉸接油缸、推進油缸,保證盾殼與鉆爆隧道間的間隙,確保盾構(gòu)按隧道軸線推進。
3.6安裝管片及變形控制
3.6.1管片選型與安裝
管片選型應(yīng)滿足隧道線形,安裝后盾尾間隙要滿足下一掘進循環(huán)限值,確保有足夠的盾尾間隙,防止盾尾直接接觸管片造成管片破損。選型時要根據(jù)盾尾間隙與油缸行程差,結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)選擇合適的管片。
管片安裝從隧道底部開始,先安裝標(biāo)準(zhǔn)塊,依次安裝相鄰塊,最后安裝封頂塊。封頂塊安裝前,對止水條進行潤滑處理,安裝時先徑向插入約6/7管片寬度,調(diào)整位置后緩慢縱向頂推。管片塊安裝到位后,及時伸出相應(yīng)位置的推進油缸頂緊管片,推進油缸的壓力設(shè)定為50bar,然后方可移開管片安裝機。
3.6.2管片防水措施
盾構(gòu)機步進時,盾殼與導(dǎo)向平臺間的摩擦力約100t,管片與盾尾尾刷間的摩擦力為20t,拖拉盾構(gòu)機后配套的拉力為75t,總反力為195t。施工時盾構(gòu)機油缸推力均在300t以上,且管片防水使用的是遇水膨脹橡膠止水條,盾構(gòu)機推力滿足管片防水的要求,沒有出現(xiàn)因止水條擠壓不緊而造成管片漏水現(xiàn)象。
為保證管片的防水效果,采取以下措施:
�、偎淼镭炌ㄇ鞍惭b管片時,每環(huán)管片用φ22鋼筋與上一環(huán)管片相連,防止因貫通時刀盤前方突然失去反力引起已安裝的管片松動;
�、谠诙軜�(gòu)機步進前方,利用導(dǎo)向平臺上的預(yù)埋鋼板焊接牛腿,安設(shè)兩個80t的千斤頂提供反力,也可直接在刀盤前方堆碴提供盾構(gòu)機步進所需的反力;
�、郯惭b管片時,在該環(huán)管片的螺栓緊固完畢后,對上環(huán)管片的螺栓進行二次緊固。
3.6.3防止管片錯臺的措施
盾構(gòu)機在掘進過程中,由于刀盤的支撐,在盾構(gòu)機前體與管片之間形成一個類似于簡支梁的結(jié)構(gòu),當(dāng)盾構(gòu)機推力不足時,在自重作用下,盾構(gòu)機主機后部懸空部分會下沉,從而導(dǎo)致管片產(chǎn)生錯臺。但當(dāng)盾構(gòu)機在導(dǎo)向平臺上向前推進時,盾構(gòu)機的前體、中體以及盾尾的盾殼與導(dǎo)臺是緊密接觸的`,只要注意管片選型與姿態(tài)調(diào)整,并嚴(yán)格控制注漿壓力,就不會產(chǎn)生大的錯臺。為防止錯臺,采取了以下措施:
�、倜�3～5環(huán)對管片姿態(tài)進行人工測量,根據(jù)測量結(jié)果結(jié)合盾尾間隙進行管片的選型;
�、诩訌娒资白{回填效果的檢查,確保管片與鉆爆隧道間充填密實;
③在安裝好的管片上增加縱向連接拉桿。
3.7背襯回填技術(shù)
由噴射米石、同步注漿、補充注漿等三部分組成。向盾殼外噴射米石,在管片脫離盾尾時對管片進行支撐,防止管片下沉產(chǎn)生錯臺,并增加盾構(gòu)向前推進的摩擦力。盾構(gòu)機步進時,管片背后同步注漿,使管片與地層緊密接觸,提高支護效果。檢查注漿后的效果,必要時補充注漿。
3.7.1噴射米石
采用5～10mm連續(xù)級配的花崗巖米石作為回填料。管片拼裝時進行噴射米石回填。噴射米石分兩次:第一次,每隔4.5～6m在盾構(gòu)機的切口四周不小于60～300°的范圍用袋裝砂石料圍成一個圍堰,防止管片背后的米石、砂漿前竄,利用混凝土噴射機從刀盤前方向盾構(gòu)后方吹米石,噴射壓力0.25～0.3MPa。當(dāng)盾殼頂部與砂袋圍堰頂部形成自然坡度時,停止噴射;第二次,管片脫出盾尾后,從管片注漿孔向管片背后吹米石,進一步填充管片與鉆爆隧道的空隙。
3.7.2同步注漿
同步注漿采用水泥砂漿,初凝8h,終凝10.5h。施工時根據(jù)漿液的流動情況,適當(dāng)調(diào)整漿液膠凝時間。同步注漿在每環(huán)管片米石回填后進行,與盾構(gòu)機步進同步,采用手動控制,根據(jù)情況隨時調(diào)整注漿流量、速度、壓力。為保證填充效果,同時防止砂漿前竄至刀盤前方,注漿壓力為0.05～0.08MPa。同步注漿時盾殼外圍是敞開的,壓力變化不大,不以壓力作為注漿結(jié)束的控制標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿量達到理論注漿量的80%以上時,即可結(jié)束注漿。在管片安裝10環(huán)后,間隔4環(huán)管片在管片注漿孔處開口檢查注漿效果。根據(jù)檢查效果,決定是否進行補充注漿。
3.7.3補充注漿
(1)第一次。目的是填充管片背后尤其是頂部的空洞。盾構(gòu)機步進過程中,每前進4環(huán)通過管片注漿孔檢查同步注漿效果。管片背后如果存在空洞,從管片上部30°或330°位置的注漿孔進行注漿。注漿時,避開封頂塊位置。漿液采用水泥單液漿。漿液配比為:水泥：水=1 ：0.8。注漿壓力為0.3～0.4MPa。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力單指標(biāo)控制。
(2)第二次。盾構(gòu)機通過鉆爆隧道后,根據(jù)滲漏水情況,采用雙液注漿泵注漿堵水。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。漿液配比為水泥:水玻璃為1：1,注漿壓力為0.2～0.3MPa,注漿速度不大于10L/min。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力單指標(biāo)控制。
3.8盾構(gòu)機姿態(tài)控制
(1)確保導(dǎo)臺精度
導(dǎo)臺是盾構(gòu)機通過鉆爆隧道時的下部支撐,導(dǎo)臺的精度直接決定著盾構(gòu)機的姿態(tài)。搞好施工測量和驗收,確保導(dǎo)臺精度0～15mm。
(2)調(diào)整好隧道貫通時盾構(gòu)機的姿態(tài)
盾構(gòu)機從盾構(gòu)隧道進入鉆爆隧道時,確保盾構(gòu)出洞時的旋轉(zhuǎn)值Roll小于±3mm/m。盾構(gòu)機在導(dǎo)臺上步進時,調(diào)整盾構(gòu)機的旋轉(zhuǎn)值Roll小于±5mm/m。
(3)做好管片的選型及安裝
考慮盾構(gòu)機姿態(tài)、盾尾間隙、油缸行程及盾構(gòu)機步進情況等因素,合理選擇管片安裝類型,使盾構(gòu)機的姿態(tài)偏差在±20mm以內(nèi),上下左右盾尾間隙均在70mm左右,最大油缸行程差在25mm以內(nèi),確保管片受到的油缸推力較平均。在管片脫出盾尾時,盾尾內(nèi)殼不擠壓管片外壁,有效防止管片產(chǎn)生錯臺、裂縫。
(4)及時人工復(fù)測管片姿態(tài)
盾構(gòu)機配備的SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)能全天候地動態(tài)顯示盾構(gòu)機當(dāng)前位置相對于隧道設(shè)計軸線的位置偏差,主司機根據(jù)顯示的偏差及時調(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)。為保證導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,確保盾構(gòu)機掘進方向,每周兩次由人工對SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行測量校核。管片安裝完成后,每3～5環(huán)人工進行一次管片姿態(tài)的復(fù)測。
4 工程效果
�、偈┕に俣瓤�、工效明顯。盾構(gòu)機拼裝管片通過鉆爆隧道達到平均每天11m的施工進度。
②經(jīng)實測,管片高程和平面偏差均小于30mm,符合《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》中允許偏差要求(±50mm),管片表面無破損,相鄰管片無明顯的錯臺,無滲漏水現(xiàn)象。
�、鄄捎迷摷夹g(shù)成功通過了硬巖地層,確保了施工的順利進行,減少了刀具在硬巖地層掘進的損耗及破壞,延長了盾構(gòu)機的使用壽命。
5結(jié)束語
�、巽@爆法與盾構(gòu)法的結(jié)合,拓展了盾構(gòu)機的適應(yīng)性,避免了因長距離硬巖地層對盾構(gòu)法應(yīng)用的限制,使盾構(gòu)機施工的城市地鐵、鐵路、公路、水工隧道等地下工程能得到進一步發(fā)展。
�、诓捎勉@爆法開挖、管片襯砌施工工法,有效地避免了盾構(gòu)機在長距離硬巖地層中掘進的施工風(fēng)險,極大地方便了城市與交通等方面的建設(shè)規(guī)劃,并能保證工程和周圍環(huán)境的安全。
參考文獻:
[1]GB50299-1999,地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,北京,1999.
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