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        盾構隧洞冷凍法施工難點分析

        2021-09-10 06:46:58常孔磊
        機電工程技術 2021年3期
        關鍵詞:施工難點盾構

        常孔磊

        摘要:針對盾構隧洞冷凍法施工出現(xiàn)的施工難點,為了解決盾構刀盤和盾殼在盾構始發(fā)、接收和掘進過程中由于操作、設備故障、施工組織、人為因素等原因被凍結的問題,根據某城市地鐵項目盾構隧洞冷凍法施工經驗,通過對不同的凍結現(xiàn)象進行深入分析,查找盾構隧洞冷凍法施工刀盤和盾殼被凍結的原因,并提出了蒸汽加熱、注射熱融鹽水等針對性的解決措施和穩(wěn)掘進、保出渣、強設備、重管理、控生產等施工注意事項,以期為盾構隧洞冷凍法施工提供一定的指導與借鑒。

        關鍵詞:盾構;冷凍法;施工難點

        中圖分類號:U455.3 文獻標志碼:A 文章編號:1009—9492(2021)03—0264—03

        0引言

        近年來,隨著城市地下空間綜合利用的提升,越來越多的城市對地下空間進行了綜合開發(fā),其中以地鐵、城市綜合管廊、電力飲水隧洞為主要開發(fā)項目。而盾構法施工以其施工干擾小、施工周期短、安全系數高等諸多優(yōu)點迅速被城市地下空間開發(fā)采用。我國盾構法施工發(fā)展迅速,據不完全統(tǒng)計,全國盾構機保有量達到了3000臺以上,每年還以500臺左右的速度遞增,盾構法施工已然成為我國城市地下空間開發(fā)的主要手段。

        盾構法隧洞施工過程中有兩個階段具有較大的安全隱患,即始發(fā)階段和接收階段,特別對于始發(fā)接收位置地質情況復雜多變,各種土體交雜融合的情況,危險系數更高。近年來在盾構始發(fā)和接收的施工階段開發(fā)了冷凍法施工工法,其以安全系數高、施工效率好、操作簡單等諸多優(yōu)點在盾構始發(fā)和接收過程中被迅速采用,但由于使用過程中施工人員技能參差不齊,各種施工組織和操作不規(guī)范等問題造成冷凍法施工問題頻發(fā)。為了解決盾構隧洞冷凍法施工產生的問題,針對冷凍法施工的難點進行分析,提出相關問題的解決方案,梳理施工過程中需要注意的事項,為盾構隧洞冷凍法施工提供參考。

        1洞門冷凍加固及注意事項

        1.1冷凍法施工使用范圍及加固參數

        盾構始發(fā)和接收過程為了保持周圍土體的相關參數,保證盾構施工過程中對土體的擾動不對土體產生顛覆性危害,保證地面構筑物及附著物的安全,在始發(fā)和接收過程中遇到地層條件復雜的情況下(特別是始發(fā)接收地層為粉砂、粉質黏土、黏質粉土、雜填土等地質,或其幾種融合),需要采用冷凍法對始發(fā)和接收地帶進行加固。根據現(xiàn)場施工經驗,凍結加固區(qū)為杯形效果較好,加固杯體為杯底厚度3.5 m,杯壁厚度2m,杯長8m。經加固的土體無側限抗壓強度不小于3.6MPa,抗拉強度不小于2MPa,凍結效果需保障至盾構完全進出站時間段。進行冷凍法施工,冷凍孔位置布局分為外圈和內圈,以開挖直徑6.25m盾構為例,外圈凍結管布局直徑3.5m左右,冷凍管長度不低于9m(進入土體8m),中圈凍結管布局直徑2m左右,冷凍管長度不低于6m(進入土體5m),內圈凍結管布局直徑1m左右,冷凍管長度不低于4.5m(進入土體3.5m),外圈凍結孔32個,中圈凍結孔16個,內圈凍結孔8個,中心孔1個,共計57個冷凍孔。

        1.2掘進風險及控制措施

        在進入或掘出冷凍區(qū)域時,存在刀盤或盾體被冷凍區(qū)凍結的風險,刀盤或盾體凍結后應立即采取解凍措施,在盾構機內采用蒸汽機加熱或向刀盤注入50~70℃熱鹽水,進行解凍,鹽水比例為1:350(水:鹽),以解決刀盤或盾體被凍結的問題。在冷凍區(qū)進行掘進的過程中,還應采取以下措施,以防止刀盤或盾體被凍結。

        (1)進入冷凍加固體時,刀盤持續(xù)轉動,嚴禁停轉刀盤。

        (2)在進入凍結體(杯底)0~2.5 m采取空倉掘進模式,進入凍結體(杯底)2.5~3.5 m時開始建壓。

        (3)小推力掘進,且掘進速度嚴格控制在10 mm/min以內。

        (4)確保盾構施工雙電源,盾尾進入簾布橡膠板后開始同步注漿作業(yè)。

        2冷凍區(qū)刀盤被凍原因分析及解決措施

        2.1原因分析

        盾構在掘進過程中發(fā)生刀盤被凍現(xiàn)象,其主要存在以下幾種現(xiàn)象及原因。

        (1)低溫造成電氣元器件故障

        盾構在冷凍區(qū)進行掘進過程中,由于冷凍區(qū)土體溫度較低,基本維持在20℃以下,在與盾體鋼結構接觸的電氣元-器件中,部分元件使用環(huán)境要求不能低于20℃,從而造成元器件失效,進而發(fā)生故障,造成刀盤無法啟動,停機時間超過一定時限(根據現(xiàn)場使用經驗,停機時間不能超過30 min)會造成土體凍結刀盤或盾體,從而增大刀盤的扭矩,超過刀盤設計的脫困扭矩,造成被凍結現(xiàn)象。

        (2)掘進速度過快,出渣不及時

        在冷凍區(qū)掘進過程中,土倉內的渣土很少能夠改良成為理想的“牙膏狀”,在渣土改良不太理想的情況下,螺機出渣能力會相應地降低,當盾構在冷凍區(qū)進行掘進過程中,掘進速度過快,螺機無法及時將土倉內的渣土進行排出,會造成土倉內的渣土逐步積多,在渣土積累到一定量之后(根據現(xiàn)場施工經驗,盾構在冷凍法區(qū)域掘進時,土倉內渣土存量超過土倉容量40%時易產生刀盤被卡現(xiàn)象)由于攪拌阻力增大,刀盤扭矩大于正常掘進時的扭矩,會出現(xiàn)“跳到盤”現(xiàn)象,刀盤啟動困難或直接被卡死。

        (3)螺機被凍結

        在冷凍法施工過程中,渣土改良受限,渣土改良質量變差,在使用螺機進行出渣的過程中,因為冷凍之后的渣土易存在大顆粒物質,從而造成螺機旋轉時扭矩較大,當螺機出渣扭矩大于設計扭矩時,螺機會出現(xiàn)“跳?!爆F(xiàn)象,當反向轉動螺機不能解決螺機被卡現(xiàn)象時,盾構會因螺機無法出渣而造成停機,當盾構停機超過一定時限時(根據現(xiàn)場施工經驗,當盾構在冷凍區(qū)掘進過程中停機超過15 min,容易發(fā)生刀盤或盾體被凍結現(xiàn)象),即刀盤或盾體就會被凍結。

        (4)出渣不及時而造成停機

        盾構在冷凍區(qū)進行掘進施工過程中,要保持盾構機持續(xù)掘進,在施工過程中由于施工組織、出渣受限、設備故障等諸多問題而產生的出渣困難現(xiàn)象,造成盾構機不得不停機,當停機時間超過一定時限(根據現(xiàn)場施工經驗,當盾構在冷凍區(qū)掘進過程中停機超過15 min,容易發(fā)生刀盤或盾體被凍結現(xiàn)象),即易發(fā)生盾構刀盤或盾體被凍結現(xiàn)象。

        (5)刀盤開口率小

        盾構在冷凍區(qū)進行掘進施工時,當刀盤開口率較小時,由于渣土流塑性降低,且刀盤在掘進過程中與冷凍土體接觸本身溫度較低,渣土容易在刀盤開口處發(fā)生凍結現(xiàn)象,進而造成扭矩增大,刀盤被凍,發(fā)生刀盤被凍結現(xiàn)象。

        (6)施工參數不合理

        盾構在冷凍區(qū)進行掘進施工過程中,刀具的貫入度大,刀盤轉速小,造成施工時刀盤扭矩增大,極易產生“跳刀盤”現(xiàn)象,當產生“跳刀盤”現(xiàn)象時,若處理不及時,則極易演變?yōu)榈侗P凍結現(xiàn)象。

        (7)其他原因

        在盾構掘進過程當中,由于人為誤操作或設備故障等原因(誤觸碰急停開關、電瓶車溜車、液壓油管拉斷、通訊干擾等現(xiàn)象),產生盾構停機現(xiàn)象,當停機時間超過一定時限(根據現(xiàn)場施工經驗,當盾構在冷凍區(qū)掘進過程中停機超過15min,容易發(fā)生刀盤或盾體被凍結現(xiàn)象),即易發(fā)生盾構刀盤或盾體被凍結現(xiàn)象。

        2.2解決措施

        當盾構在冷凍區(qū)進行掘進作業(yè)時發(fā)生刀盤或盾體被凍結的現(xiàn)象,可以采取以下措施進行處理。

        (1)使用蒸汽機通過土倉隔板左右兩邊預留孔向土倉內加注蒸汽。根據施工經驗,蒸汽機的總功率應大于100 kW。

        (2)使用膨潤土擠壓泵,通過刀盤噴孔向掌子面注入50~70℃熱鹽水進行解凍,鹽水比例為1:350(水:鹽),通過降低冷凍溫度和提高凍結溫度點對刀盤、土倉進行解凍。

        (3)在盾體兩側焊接防扭塊,使盾體與周圍土體固定,左右換向轉動刀盤,直至刀盤正常運轉。

        (4)若通過注入蒸汽和熱鹽水左右轉動刀盤,刀盤還是沒有啟動,可以采用3根100 t油缸使主機后退15 cm左右,同時注入蒸汽和熱鹽水,刀盤正常啟動,扭矩降至合理區(qū)間,對損壞的盾尾刷進行更換,完成尾刷更換繼續(xù)掘進。

        2.3冷凍區(qū)盾構掘進注意事項

        冷凍區(qū)盾構掘進注意事項如下。

        (1)盾構在冷凍區(qū)施工前應詳細檢查設備狀況,保證設備處于較優(yōu)的狀態(tài),盡量避免在掘進過程中因設備故障而造成停機。

        (2)盾構在冷凍區(qū)施工前應做好相關施工設計,外界條件應能保證盾構持續(xù)施工。

        (3)盾構在冷凍區(qū)施工過程中,應該保持連續(xù)的、低速的掘進,盡量降低刀盤切削扭矩,土倉內渣土保持在較低水平。

        (4)當盾構在冷凍區(qū)施工過程中停機時,應及時向土倉內注入熱鹽水,并保持盾體內溫度水平在電氣元器件工作水平。

        掘進參數控制如表1所示。

        3結束語

        本文針對盾構隧洞冷凍法施工產生的故障現(xiàn)象進行了詳細分析,并提出了相應的解決措施。根據現(xiàn)場施工經驗,提出冷凍法盾構隧洞施工的注意事項和相關的應對措施,為盾構隧洞冷凍法施工提供相關參考。

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