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        富水圓礫地層土壓平衡盾構(gòu)密閉始發(fā)技術(shù)研究

        2020-09-26 01:28:00周洋李艷
        工程建設(shè)與設(shè)計 2020年17期
        關(guān)鍵詞:洞門管片套筒

        周洋,李艷

        (1.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,南寧 530029;2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,南寧 530000)

        1 引言

        盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)法施工隧道中的重要工序之一。盾構(gòu)始發(fā)是通過反力架和負(fù)環(huán)管片等設(shè)備,將盾構(gòu)推入已加固的端頭土體中,并沿著預(yù)先設(shè)計的線路進(jìn)行掘進(jìn),直至盾構(gòu)全部進(jìn)入加固體,最后拆除相關(guān)輔助始發(fā)設(shè)施的一系列過程【1~4】。根據(jù)統(tǒng)計,盾構(gòu)隧道施工始發(fā)及接收引起的工程事故占盾構(gòu)施工總事故的1/2 以上,這些事故的產(chǎn)生往往是盾構(gòu)始發(fā)及接收輔助施工措施采用不當(dāng)引起的【5】。

        富水圓礫地層透水性強(qiáng),地下水豐富,進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)始發(fā)施工時,若加固措施不當(dāng)或未達(dá)到預(yù)期加固效果,易造成洞門涌水、涌砂的事故,導(dǎo)致地面塌陷,周邊建筑物及管線變形甚至破壞,施工風(fēng)險較大【6~8】。

        本文結(jié)合南寧市軌道交通5 號線北湖南路站—虎邱站區(qū)間段土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)工程,對鋼套筒密閉始發(fā)進(jìn)行了技術(shù)研究,并通過監(jiān)測數(shù)據(jù),驗證了該技術(shù)的應(yīng)用效果。

        2 工程概況

        南寧市軌道交通5 號線北湖南路站—虎邱站區(qū)間段(簡稱北~虎區(qū)間段)起點為北湖南路站,終點為虎邱站,左(右)線起訖里程 Z(Y)DK25+734.263~Z(Y)DK26-295.963,左線短鏈2.772m,左線長度為558.928m,右線長度為561.700m,區(qū)間總長度為1 120.628m。本區(qū)間主體工程主要由1 個盾構(gòu)區(qū)間隧道段構(gòu)成,附屬工程包括1 個聯(lián)絡(luò)通道(無廢水泵房)和4個洞門。

        2.1 始發(fā)段工程地質(zhì)與水文情況

        隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫地層,北—虎區(qū)間段內(nèi)地層主要以圓礫地層為主,占比達(dá)47.50%。圓礫地層以礫石為主,少部分卵石,顆粒不均勻系數(shù)Cu平均為21.94,屬不連續(xù)級配。磨圓度較好,以亞圓狀為主,部分滾圓狀或次棱角狀。重型動探實測擊數(shù)9~36 擊,平均14.6 擊,修正后平均擊數(shù)9.2擊。

        隧道拱頂埋深為9.86~12.32m,始發(fā)段隧道穿越圓礫地層

        2.2 襯砌管片設(shè)計

        盾構(gòu)隧道襯砌管片內(nèi)徑5.4m,外徑6.0m,管片厚度0.3m,環(huán)寬1.5m。每環(huán)襯砌由6 塊管片(3 塊標(biāo)準(zhǔn)塊,2 塊鄰接塊,1塊封頂塊)拼接而成,施工時采用錯縫拼裝。襯砌采用鋼筋混凝土管片,混凝土等級為C50。管片縱、環(huán)向接頭均采用8.8 級M24 螺栓連接。

        3 密閉始發(fā)施工工藝

        富水圓礫地層中盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時易發(fā)生洞門涌水、涌砂的事故,施工風(fēng)險較大。為減免施工風(fēng)險,北—湖南區(qū)間段盾構(gòu)始發(fā)采用鋼套筒密閉始發(fā)技術(shù)。

        3.1 端頭加固

        虎邱站接收端采用φ600mm 雙管旋噴樁,加固長度6m,深入隧道底部泥巖層1m。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、隧道洞周施作2排注漿孔并進(jìn)行注漿。外、內(nèi)排注漿孔采用孔徑φ48mm 的PVC 管。端頭加固應(yīng)在車站主體基坑土方開挖前或主體結(jié)構(gòu)封頂后進(jìn)行。在每個端頭加固區(qū)內(nèi)設(shè)1 口降水井,滿足條件開始試抽水。觀察井內(nèi)水位是否上升,不上升說明加固效果良好,否則采取注漿堵水后再次抽水,觀察水位變化;如此反復(fù)直至井內(nèi)水位不變化。

        加固完成后28d,在加固范圍的4 個角點處進(jìn)行鉆芯取樣,每個加固端取樣8 點,每點取樣3 組,檢測其抗壓強(qiáng)度。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1MPa,滲透系數(shù)小于10~8cm3/s。

        3.2 鋼套筒設(shè)計與安裝

        3.2.1 鋼套筒設(shè)計

        盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時切口水壓約為0.21MPa,鋼套筒設(shè)計耐壓0.5MPa。鋼板選擇Q235B 鋼材,板厚δ 為16mm。整個鋼套筒結(jié)構(gòu)由過渡環(huán)、筒體、反力架和左右支撐等部分組成。

        筒體部分長10 900mm,直徑(內(nèi)徑)6 500mm。分3 段,每段又分為上下兩半圓。每段筒體的端頭和上下兩半圓接合面均焊接圓法蘭,法蘭用24mm 厚的A3 板,上下兩半圓以及兩段筒體之間均采用8.8 級M24 螺栓連接,中間加3mm 厚橡膠墊。筒體底部用200mm×200mm 工字鋼按托架對應(yīng)的尺寸焊接成為整體。鋼套筒筒體如圖1 所示。

        圖1 始發(fā)鋼套筒筒體

        鋼套筒與洞門環(huán)板之間設(shè)1 個過渡連接環(huán),洞門環(huán)板與過渡連接環(huán)采用焊接,鋼套筒的法蘭端與過渡連接板采用螺栓連接。每段筒體中部設(shè)置600mm×600mm 進(jìn)料口,在每段鋼套筒底部預(yù)留3 個6.6cm 帶球閥注排漿管,共6 個等間距布置。

        3.2.2 過渡環(huán)安裝

        根據(jù)現(xiàn)場實測洞門上的預(yù)埋鋼環(huán)板實際平整度,量身定做過渡環(huán),過渡環(huán)與鋼環(huán)板焊接,焊縫沿過渡環(huán)一圈內(nèi)外側(cè)滿焊,焊縫必須飽滿。如出現(xiàn)過渡環(huán)與連接板有些地方無法與洞門環(huán)板密貼的情況,需在這些空隙處填充鋼板并連接牢固,確保鋼環(huán)和過渡環(huán)連接牢固。

        3.2.3 鋼套筒下半圓安裝

        開始安裝鋼套筒之前,首先在盾構(gòu)吊出井內(nèi)確定出盾體中心線,確保從地面上吊下來的鋼套筒力求一次性放到位,不用再左右移動。

        第1 節(jié)鋼套筒的下半部懸掛,鋼套筒的中心與預(yù)先確定好的井口盾體中心線重合,鋼套筒兩側(cè)的下半部法蘭四周用6mm 厚的橡膠墊片密封,第2 節(jié)的下半部在水平和垂直位置要一致,以保證螺栓孔對位準(zhǔn)確,且需用M24 高強(qiáng)螺栓緊固連接。

        3.2.4 鋼軌與盾構(gòu)機(jī)安裝

        在鋼套筒下方90°圓弧內(nèi)平均分布安裝2 根43kg 鋼軌,鋼軌從鋼套筒后端鋪設(shè)至洞門1m 位置,鋼軌兩側(cè)通長焊接。為保持盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時抬頭的趨勢,靠近洞門端鋼軌墊高20mm,盾尾端鋼軌不墊高,導(dǎo)軌距洞門長度較大,為避免盾構(gòu)主機(jī)出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象,在始發(fā)洞門底部安裝洞口始發(fā)導(dǎo)軌,安裝始發(fā)導(dǎo)軌時應(yīng)在導(dǎo)軌的末端預(yù)留足夠的空間,以確保導(dǎo)軌不影響刀盤旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)軌采用膨脹螺栓配合小壓板固定在洞門底部,高度略低于鋼套筒內(nèi)鋼軌面。

        在鋼套筒底部4 根鋼軌之間鋪砂并壓實,每個位置的鋪砂高度高出相應(yīng)鋼軌的高度15mm,待盾構(gòu)機(jī)放上去后,進(jìn)一步壓實,確保底部砂層提供充足的防盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)摩擦反力。此步驟為鋼套筒始發(fā)第一次填砂。

        3.2.5 鋼套筒上半圓安裝

        盾構(gòu)主機(jī)組裝完成后,安裝鋼套筒上半圓,進(jìn)行壓緊螺栓的調(diào)整。檢查各部連接處,對每一處連接安裝的地方進(jìn)行檢驗,確保其連接的完好性,尤其是對于鋼套筒的上下半圓和節(jié)與節(jié)部分之間聯(lián)結(jié)的檢查,還要檢查過渡連接板與洞門環(huán)板之間的焊接,看是否存在著點焊或浮焊,發(fā)現(xiàn)有隱患,要及時處理。

        3.2.6 反力架安裝

        在盾構(gòu)主機(jī)與后配套連接之前,開始進(jìn)行反力架安裝。在安裝反力架時,反力架端面與始發(fā)臺水平軸垂直,以便盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計軸線保持平行。反力架的結(jié)構(gòu)形式見圖2。

        圖2 反力架結(jié)構(gòu)形式安裝示意圖

        3.3 負(fù)環(huán)拼裝

        3.3.1 負(fù)環(huán)管片環(huán)數(shù)的確定

        根據(jù)始發(fā)井長度為12.7m,反力架的設(shè)置位置,確定負(fù)環(huán)管片環(huán)數(shù)為6 環(huán)。

        反力架前端中心里程D 為:

        式中,D洞門為洞門中心里程。

        3.3.2 負(fù)環(huán)拼裝

        負(fù)環(huán)管片全部采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán),負(fù)環(huán)管片采取錯縫拼裝以防止管片失圓,-6 環(huán)管片封頂塊位置定為11 點位(封頂塊向左偏移18°)。-6~-1 環(huán)管片按正常管片粘貼軟木襯墊及防水條。

        在安裝第一環(huán)負(fù)環(huán)管片時,首先在盾構(gòu)機(jī)盾尾盾殼下半圓內(nèi)部安設(shè)4 根厚度25mm,長度1 700mm 的圓鋼,等盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入洞內(nèi),洞口開始進(jìn)行同步注漿時,將圓鋼割除。

        第一負(fù)管片與反力架基準(zhǔn)環(huán)間采用特殊螺栓連接,管片利用管片拼裝機(jī)在盾尾內(nèi)整環(huán)拼裝后,利用推力千斤頂將管片推出盾尾,并與反力架基準(zhǔn)環(huán)緊密連接牢固。其他負(fù)環(huán)管片安裝與正常掘進(jìn)管片拼裝相同。負(fù)環(huán)管片布置如圖3 所示。

        圖3 負(fù)環(huán)管片布置圖

        3.4 鋼套筒第二次回填砂

        盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至刀盤面板貼近洞門掌子面后,向鋼套筒內(nèi)進(jìn)行第二次填砂,本次填砂將整個鋼套筒填充滿。在刀盤切口環(huán)后方鋼套筒內(nèi)壁設(shè)置1 道密封裝置,避免向筒體內(nèi)二次回填料的過程中填料串入土倉內(nèi),在填充的過程中適當(dāng)加水,保證砂的密實。

        為保證負(fù)環(huán)管片與鋼套筒之間的密封效果,填砂完成后,通過靠近反力架兩環(huán)管片的吊裝孔進(jìn)行壁后注漿,注漿材料采用惰性漿液,在管片后面形成1 道密封防滲環(huán),注漿壓力不大于0.3MPa。

        3.5 始發(fā)掘進(jìn)施工

        1)盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù),在保證盾構(gòu)正常推進(jìn)的情況下,掘進(jìn)參數(shù)建議選擇總推力小于8 000~10 000kN,刀盤扭矩小于3 000kN·m,掘進(jìn)速度小于30mm/min(刀盤磨地連墻時速度不大于5mm)。

        2)盾構(gòu)姿態(tài)控制,盾構(gòu)始發(fā)時其鉸接角度為零,同時由于盾構(gòu)機(jī)刀盤及前體較重,始發(fā)過程中易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)“低頭”的情況,盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)姿態(tài)宜適當(dāng)“抬頭”,其坡度比設(shè)計坡度略大。

        3)刀盤進(jìn)入地連墻200mm 后開倉檢查刀具情況,并對刀具進(jìn)行復(fù)緊。

        4)盾構(gòu)機(jī)尾部還沒有始發(fā)進(jìn)入洞門之前應(yīng)設(shè)置防堵泡沫管,并保證盾尾的油脂注入飽滿。

        5)一般在正4 環(huán)完成后封堵洞門。具體位置可通過鋼套筒長度、盾體長度、洞門寬度計算。注漿時壓力不要過大,可根據(jù)計算的注漿量分幾次注漿(一般分3 次),待下部初凝后,進(jìn)行中部注漿,中部初凝后,進(jìn)行上部注漿。注漿過程中要準(zhǔn)備好鋼板型鋼等物料,對漏漿的地方進(jìn)行封堵。

        6)盾構(gòu)始發(fā)階段施工時,對盾構(gòu)設(shè)備調(diào)試、洞門的土體穩(wěn)定、洞門可能出現(xiàn)的涌泥涌沙和地面監(jiān)測4 個方面要綜合考慮,力爭快速、安全始發(fā),盡早進(jìn)行洞門注漿。

        3.6 洞口注漿

        在盾尾完全進(jìn)入洞內(nèi)后,進(jìn)行洞口注漿,同時,利用洞門預(yù)埋注漿管和管片增加的徑向注漿孔進(jìn)行洞門密封。漿液不但要求順利注入,而且要有早期的強(qiáng)度,注漿壓力控制在0.15MPa 以內(nèi)。

        4 應(yīng)用效果評價

        富水圓礫地層盾構(gòu)施工風(fēng)險大,為確保工程安全,并保護(hù)周圍環(huán)境,需要在施工全過程進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,在施工過程中積極改進(jìn)施工方法、施工工藝和施工參數(shù),最大限度地減小周邊地表、建筑物等的變形。根據(jù)本區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)形式及周圍環(huán)境特點,現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行以下項目:

        1)沿線受施工影響的周邊建筑物沉降;

        2)沿線受影響的地表沉降;

        3)周圍地下管線變形。

        隧道襯砌前30 環(huán)位置地表、管線與周邊建筑物沉降監(jiān)測測點布置如圖4 所示。

        圖4 沉降監(jiān)測點布置圖

        4.1 地表沉降監(jiān)測

        盾構(gòu)始發(fā)前15 環(huán)施工自 2019 年 6 月9 日開始,5 月9日~5 月 12 日完成-3 環(huán)管片施工,5 月 13 日~6 月 13 日,由于刀具損壞更換刀具暫停施工,6 月14 日~6 月17 日完成-3~0環(huán)管片施工,6 月 18 日~6 月 26 日完成 0~12 環(huán)施工,6 月 27日~6 月 28 日二次注漿封堵洞門,6 月 29 日~6 月 30 日完成13~15 環(huán)施工。

        施工前,分別在 1、3、7、10、13、17、20、23、27、30 環(huán)位置處地表設(shè)置電子水準(zhǔn)儀和銦鋼尺監(jiān)測地表沉降變形。

        -3~0 環(huán)管片施工時,地表變形產(chǎn)生了一定的回彈隆起;0~12 環(huán)管片施工時地表發(fā)生沉降,沉降變化速率較小;封堵洞門時地表產(chǎn)生了較大的變形沉降,封堵完成后地表變形逐漸恢復(fù);0~12 環(huán)管片施工時,1-13 環(huán)處變形沉降增量大于17-30 環(huán)處沉降增量,1-13 環(huán)最大沉降增量為4.2mm,最大累積變形量為-3.44mm。

        4.2 周邊建筑沉降監(jiān)測

        盾構(gòu)始發(fā)階段隧道附近大型建筑主要有南寧區(qū)種雞場宿舍和大板住宅樓。由于種雞場宿舍靠近盾構(gòu)始發(fā)端,其隆起變形波動明顯大于大板住宅樓。6 月14 日~6 月30 日盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間,種雞場宿舍發(fā)生了沉降變形,平均累積隆起為2.2mm,單監(jiān)測點最大累積隆起為4.52mm,最大累積沉降為0.4mm,建筑物發(fā)生了微小的傾斜。

        4.3 管線沉降監(jiān)測

        分別在 1、3、7、10、13、17、20、23、27、30 環(huán)位置處設(shè)置管線變形監(jiān)測點。

        4.4 應(yīng)用效果評價

        通過對地表沉降、周邊建筑物沉降及管線沉降的監(jiān)測分析,發(fā)現(xiàn)沉降變形均控制在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)【9】。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時未出現(xiàn)洞門涌水、涌砂的事故,無較大施工事故出現(xiàn)。

        綜上,鋼套筒密閉始發(fā)技術(shù)在富水圓礫地層中應(yīng)用效果良好,可以為在南寧地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)施工提供技術(shù)參考和實踐經(jīng)驗。

        5 結(jié)語

        本文介紹了南寧市軌道交通5 號線北—虎區(qū)間段富水圓礫地層中密閉始發(fā)的過程,通過對地表、管線和周邊建筑變形監(jiān)測分析,確保了密閉始發(fā)施工的安全性。

        1)采用鋼套筒密閉始發(fā)工藝,通過填砂注漿等施工措施,避免了洞門涌水、涌砂的事故,降低了施工風(fēng)險。該技術(shù)應(yīng)用效果良好,研究成果可為同類工程提供技術(shù)指導(dǎo)與實踐經(jīng)驗。

        2)負(fù)環(huán)管片施工時,地表變形產(chǎn)生了一定的回彈隆起;0~12 環(huán)管片施工時地表發(fā)生沉降,沉降變化速率較??;封堵洞門時地表產(chǎn)生了較大的變形沉降,封堵完成后地表變形逐漸恢復(fù)。

        3)始發(fā)掘進(jìn)施工時,管線變形變化波動較小,管線變形比地表變形和建筑物變形小。

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