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        超大直徑盾構掘進姿態(tài)控制

        2021-11-26 18:25:26呂志佳
        魅力中國 2021年14期
        關鍵詞:洞門卵石刀盤

        呂志佳

        (中交隧道工程局有限公司,北京 100102)

        引言

        以某盾構工程為例,該工程地處的區(qū)域內(nèi),含有較多的卵石和地下水,并且卵石的直徑較大,在盾構施工中,如果未能有效控制掘進姿態(tài),受到卵石的影響會使掘進方向出現(xiàn)偏差。施工企業(yè)應重視掘進姿態(tài)的控制,針對施工中遇到的問題,采用有效的方法加強姿態(tài)的控制,提升盾構施工質量。

        一、工程概況

        該工程作為城市地下交通樞紐工程,會與城市地下既有交通網(wǎng)絡連接,由于施工區(qū)域上方存在大量的建筑,并且在對盾構區(qū)域地質結構進行勘測時,發(fā)現(xiàn)地質結構中含有較多的卵石,卵石的最大直徑為500 毫米,常見的卵石直徑在200-400 毫米范圍內(nèi)。整個盾構區(qū)域的施工距離超過1800 米,但是盾構區(qū)域內(nèi)含有大量的卵石,同時地下水較為豐富,使盾構區(qū)域的卵石滲透系數(shù)為每天25 米,在掘進時產(chǎn)生的最大坡度超過千分之27。針對盾構區(qū)域內(nèi)含有大量的卵石以及地下水,在施工的準備階段,施工企業(yè)根據(jù)巖土工程勘察參數(shù),設計出適應砂卵石地層的刀盤設備,用于掘進施工的同時,還能減少受到地質環(huán)境的影響,導致掘進姿態(tài)發(fā)生變化。

        二、研究內(nèi)容

        (一)地面注漿

        姿態(tài)控制研究內(nèi)容分為四項,一是加固技術,加固技術應用在始發(fā)段、洞門以及地表;二是控制技術,控制技術應用在反力架、托架以及始發(fā)姿態(tài)控制;三是封堵技術,封堵技術應用在渣土改良和洞門;四是加固技術,應用在始發(fā)段、洞門以及地表加固。

        該工程的始發(fā)地段,由于含有較多的地下水,整個施工過程受到地下水的影響,會使始發(fā)段的顆粒物含量不斷降低,導致大直徑的卵石集中在始發(fā)段,不利于盾構掘進施工正常進行。此外在進行施工時,會在始發(fā)段出現(xiàn)沉降或者塌陷等情況,嚴重影響施工質量。針對始發(fā)段施工中出現(xiàn)的問題,在始發(fā)段施工區(qū)域的20 米范圍內(nèi),會地面注漿技術,用于加固地表、洞門等,并配合使用鉆孔注漿技術,提升始發(fā)段周圍地質結構的穩(wěn)定性,有助于控制掘進姿態(tài)。

        在地面注漿加固施工期間,使用的設備為履帶式鉆機,采用垂直鉆孔注漿方法,對地面端頭進行加固施工。在始發(fā)段的左右兩端,設有100 平方米的土體作為加固區(qū)域,在加固區(qū)域內(nèi)使用直徑為48 的袖閥管,每個管的間距為2 米,將管布置成梅花型,利用管向始發(fā)段的土體進行注漿施工。在埋設管道前,施工企業(yè)會確定管線的位置,通過鉆孔施工獲取管線布置區(qū)域土體的參數(shù),用于制定盾構危險源報告的參考依據(jù),根據(jù)實際情況對管線布置做出調整。

        在進行注漿時,會配比水泥漿液,水泥漿液比控制為0.8:1,或者為1:1,將注漿壓力控制在0.3-0.5MPa 范圍內(nèi)。上述參數(shù)均會根據(jù)實際施工條件進行調整以此滿足施工需求。

        (二)洞門管棚加固

        在洞門位置設立大管棚,采用加固技術增強洞門的穩(wěn)定性,主要依賴直徑為108 毫米的管棚,將管棚上方設置為弧度為120 度的拱形,在兩側使用直徑6 毫米的無縫鋼管,采用分節(jié)安裝的方式,將管棚分節(jié)位置的長度設定為15 米。此外在洞門的端頭位置,使用28 個管棚,使用絲扣連接管棚,提升管棚的整體性。在管棚的尾部區(qū)域,要求在距離地面的20 公分位置,作為停止注漿的區(qū)域,采用后退式分段注漿方法,注漿時如果距離洞徑外側較近,將外偏角設定為1 度,可以使鋼管在設置的區(qū)域內(nèi),避免進入到掘進空間,影響掘進姿態(tài)的控制。

        (三)定位拼裝

        定位拼裝主要與負環(huán)第一環(huán)有關,在始發(fā)段根據(jù)結構的尺寸,一般會使用7 個負環(huán)用于支撐始發(fā)段的盾構設備,每個負環(huán)的控制距離為1.8米,采用錯縫拼裝方法,會提升拼裝定位的精度。以0 負環(huán)定位拼裝為例,按照正常順序進行拼裝,會在始發(fā)段出建立封閉管口,使用固定管片,在0 環(huán)與1 環(huán)之間使用L 形鋼板固定管片。在固定管片時,要求工作人員在管片的外側。提升管片的密封性,采用壓翻盾尾刷,用于控制管片與負環(huán)間的空隙,同時使用方木楔塊支撐管片與負環(huán)。

        三、機架加固姿態(tài)控制

        (一)托架和反力架加固

        在托架定位過程中,由于托架是始發(fā)段鋼結構的基礎,采用軸線放樣方法,精準定位托架的位置,確定托架的位置,在井下完成焊接操作和安裝。根據(jù)隧道的位置,將鋼軌的中心與隧道的中心重合,在相同的豎直空間。在盾體的前方,將盾構設備的高度提升20 毫米,在后端設備高度與設計高度相同,產(chǎn)生的傾角,使用鋼板進行支撐加固,支撐加固中使用焊接方法,防止盾構設備出現(xiàn)位移。在安裝中配合使用測量放樣方法,使基線吊入的位置,與井下保持相同的位置,在相同的位置,將托架與反力架產(chǎn)生的夾角誤差,控制在正負千分之2 以內(nèi)。

        在反力架加固過程中,應在加固位置埋設鋼板。埋設鋼板后應進行驗收,完成驗收后才能進行混凝土澆筑施工。在加固中進行焊接操作,要求焊接質量必須符合使用標準,并且在中板梁上安裝支撐反力架的設備,如側面抗浮設備和底部抗浮設備。反力架的基礎位置,使用地錨進行加固處理,地錨的數(shù)量與反力架的長度有關。

        (二)防載頭下沉控制

        使用刀盤進行掘進施工時,在刀盤與地質結構接觸期間,刀盤缺乏支撐結構,會在掘進中發(fā)生磕頭的情況。一般在刀盤的底部,會設有導軌,導軌與刀盤的掘進距離相同。將刀盤和導軌設置為相同的角度,并且將高度控制在相同的豎直方向,即可防止刀盤出現(xiàn)下沉的情況。

        在始發(fā)段加強掘進姿態(tài)的控制,應以載頭下沉控制為主,在載頭控制期間,將載頭的高度提升20 毫米,保持抬頭的狀態(tài),會使盾構始終保持該狀態(tài)前進。在始發(fā)段掘進期間,會出現(xiàn)較多的細顆粒物質,使整個盾構區(qū)域的穩(wěn)定性發(fā)生變化,并且受到盾構設備的影響,掘進設備的載頭會出現(xiàn)下沉情況。在載頭位置安裝防磕頭設備,會避免出現(xiàn)磕頭情況。

        由于盾構區(qū)域內(nèi)含有較多的卵石,卵石對盾構區(qū)域的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響,需要在盾構區(qū)域內(nèi)進行注漿施工,提升地質結構的穩(wěn)定性。完成上述施工過程后,應在洞門位置進行封堵作業(yè)。封堵作業(yè)期間,按照脫離盾位的設置要求,在其它負環(huán)位置進行二次注漿施工,進一步提升盾構區(qū)間的穩(wěn)定性。

        (三)掘進封堵注漿

        在掘進封堵注漿過程中,應首先完成掘進渣土改良。根據(jù)盾構區(qū)域掘進參數(shù)要求,一是設定每分鐘30-40 毫米的掘進速度,二是掘進推理設定在2000-3500kN 范圍內(nèi),三是土壓在0.8-1.4bar 范圍內(nèi);五是刀盤轉速為1.0-1.5rpm 范圍,六是刀盤扭矩為3000-5000kNm。此外將每個負環(huán)的注漿量,控制在10-12 立方米范圍內(nèi),在注漿時壓力控制在2-4bar范圍內(nèi)。在進行注漿操作期間,應嚴格控制注漿壓力,并對整個注漿過程進行嚴密的監(jiān)控,結合獲取的注漿參數(shù),對每個負環(huán)的注漿壓力進行調整,其中調整姿態(tài)偏量為每環(huán)5 毫米,地層損失率控制在1%以內(nèi),在穿過地層時,注漿壓量應為每米2.5 立方米。

        基于上述要求,施工企業(yè)按照少量多次的原則,將漿液的水灰比設定為0.9:1.0,將注漿量控制在0.5-1.5 立方米范圍內(nèi),壓力控制在0.2-0.3Mpa 范圍內(nèi)。

        由于該盾構區(qū)域內(nèi)含有較多的卵石,會使用大量的同步注漿材料,同步注漿材料配比和性能指標如下,水泥量在100-220 公斤范圍內(nèi),粉煤灰量在241-381 公斤范圍內(nèi),膨潤土量在50-60 公斤范圍內(nèi),砂量在710-800 公斤范圍內(nèi),水量在460-600 公斤范圍內(nèi),外加劑量根據(jù)試驗參數(shù)進行調整。

        在進行掘進姿態(tài)控制期間,要求在始發(fā)段內(nèi)使用渣土改良技術,改良技術中,應在推進施工區(qū)域內(nèi),將泡沫劑的添加量控制在3.5%,發(fā)泡率控制在11-16%范圍內(nèi),并且注入率應在19-22%范圍內(nèi)。在對膨潤土進行改良過程中,盾構區(qū)域內(nèi)含有較多的砂卵石,砂卵石的潤滑度較差,需要增加膨潤土的量,在每個負環(huán)膨潤土的量應達到50%,提升盾構區(qū)域土體的通透性,從而獲得良好的膨潤效果。此時使用盾構設備進行掘進時,不僅會控制掘進姿態(tài),還能使掘進的扭矩和轉速保持在穩(wěn)定狀態(tài),提升掘進施工的效率。

        在掘進中會出現(xiàn)千瓦的情況,施工企業(yè)應降低刀盤的扭矩,并且在始發(fā)段清理盾構區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的渣土,完成欠壓磨樁操作后,會使盾構區(qū)域內(nèi)土體更加穩(wěn)定。此外調整膨潤土和泡沫劑的使用量,將掘進參數(shù)設定在穩(wěn)定區(qū)間,即可控制掘進姿態(tài)。

        結語

        綜上所述,在超大直徑盾構施工中,以該工程為例,根據(jù)工程施工區(qū)域內(nèi)土體的情況,采用多種方法加強掘進姿態(tài)的控制,通過控制掘進姿態(tài),一方面會減少對地表建筑的擾動,另一方面會提升掘進效率,在規(guī)定的時間內(nèi)完成施工。

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