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新型盾构到达整体接收抗风险装置的研发与应用

作者:  发布:2015/6/5  浏览:
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摘 要:本文对盾构隧道始发与到达施工阶段风险进行分析与评估,在调研传统盾构始发与到达工程施工技术的基础上,总结多年来国内外盾构始发与到达施工的经验和教训,针对目前复杂环境下高风险盾构到达施工,研发了一套在复杂环境下盾构到达整体接收抗风险装置及施工工艺,并成功应用于杭州地铁2号线钱江世纪城—江南风井右线盾构到达工程中,取得了预期的效果。

1  引言

盾构法施工的隧道工程有70%以上的事故发生在盾构始发与到达过程中,是盾构法隧道工程施工的主要风险之一。盾构始发与到达阶段高发事故风险点主要为洞门凿除时工作井外土体坍塌、涌入,以及盾构在始发与到达施工过程中洞圈发生涌土、涌水风险。通常在洞门凿除前应对工作井外土体加固效果进行确认,并在洞圈间隙采取密封止水(土)措施,以避免洞门凿除及盾构始发与到达过程中发生涌土渗漏风险。传统的工作井外土体加固措施有降水法、注浆法、“旋喷桩+搅拌桩”、冻结法等,但有时受施工环境限制,工作井外往往不具备土体加固条件,或影响土体加固质量的因素较多,加固效果很难得到保证;盾构洞圈间隙密封措施主要有橡胶帘布(袜套)、环板、止水箱体、盾尾刷、海绵(带)、气囊及冻结管等,但受盾构外形和复杂的隧道施工环境影响,盾构始发与到达阶段洞圈间隙涌土(水)事故仍然时有发生。近年来盾构始发与到达施工中发生事故的照片如图1所示。

图1 盾构始发与到达阶段事故照片

针对盾构隧道始发与到达的施工风险,通过对盾构隧道施工风险进行分析或评估,并总结多年来国内外盾构始发与到达施工的经验和教训,研发了在复杂环境下盾构到达整体接收抗风险装置,形成一套主动控制盾构到达施工风险的新技术。

2  盾构到达整体接收抗风险装置研发

2.1  基本工作原理简介

盾构到达整体接收抗风险装置是基于工作井内外水土压力平衡的理念,制造一个直径比盾构略大、长度比盾构略长的密闭钢筒状结构,与洞门钢环连接形成封闭体系,通过向装置内注入水(或泥浆、土)等介质,形成平衡工作井外水土压力的环境条件,盾构由井外通过洞圈推进进入整体接收抗风险装置内,通过控制盾构推进速度、轴线与排水量(或泥浆、土)等,平衡整体抗风险装置内与洞圈外水土压力,从而完成盾构安全到达施工。盾构到达整体接收抗风险装置工作原理如图2所示。

图2 盾构到达整体接收抗风险装置工作原理

2.2  盾构到达整体接收工艺流程

根据盾构到达施工特点,制定盾构到达整体接收施工工艺流程,确保地铁盾构到达整体接收施工顺利实施。工艺流程主要分为装置安装、压力试验及到达施工三个阶段,盾构到达整体接收施工工艺流程如图3所示。

针对盾构到达整体接收抗风险装置的工作原理及盾构到达施工的特点,周密分析和研究盾构到达整体接收各关键工序的配合及风险控制点,使盾构到达施工风险在可控之中。该项技术成功地应用于杭州地铁2号线钱江世纪城—江南风井盾构的到达施工中,并取得了预期的效果。

图3 盾构到达整体接收施工主要工艺流程

3  工程应用

3.1  工程简介

杭州地铁2号线一期工程钱江世纪城—钱江路站区间盾构从钱江世纪城站始发穿越江南风井、钱塘江、江北风井至钱江路站。盾构直径6.34m,管片外径6.2m,内径5.5m,环宽1.2m。江南风井隧道纵坡为28‰,盾构到达端盾构隧道的覆土深度为18.72m,江南风井地下连续墙围护结构厚度1.2m,地基加固采用井外隔水帷幕、降水井、φ850mm三轴搅拌桩和φ1200mm旋喷桩。盾构到达端隧道所处地层主要为:③7黏质粉土夹砂质黏土、⑥2淤泥质黏土。南岸含水层厚度15.6~19.7m,南岸土层透水性中等,水量丰富。江南风井盾构到达端地基加固示意图如图4所示。

 

图4 江南风井盾构到达端地基加固示意图

根据经验,在杭州该区域砂性地层中,采用传统的搅拌桩+旋喷桩技术加固土体,质量控制难度大、加固效果很难保证,盾构始发与到达施工时常出现洞门间隙涌水、涌砂等现象,严重时导致工作井外地面大量沉降。本次地铁盾构到达整体接收技术应用于右线区间隧道江南风井中。

3.2  盾构到达整体接收装置设计

盾构到达整体式接收装置按照杭州地铁2号线钱江世纪城—钱江路站区间江南风井盾构到达工程要求0.3MPa压力设计,盾构到达整体接收装置钢套筒主体部分总长约11m,装置共分为5个筒体和1个端板,每段筒体和端板又分为上、下两部分,由高强螺栓连接。装置第一段筒体为过渡筒体,保证装置轴线与隧道轴线坡度一致,其一端与后方筒体通过圆法兰螺栓连接,另一端与洞门钢环焊接固定。另装置上安装有排气孔、排水孔、溢流阀、压力表及施工预留孔等。

为保持盾构到达整体接收装置的稳定,在装置端封板上设置4根φ609mm×16mm预应力钢管撑与4根150mm×150mm的方管钢限位支撑,中心设置φ300mm×12mm钢管撑。此外在装置两侧也施加水平支撑与斜撑,装置靠墙设置为水平支撑,另一侧采用斜撑,防止装置侧向位移。

3.3  盾构到达整体接收施工

在进行盾构刀盘靠上工作井外围护地墙的同时,实施井内盾构整体接收装置的基座安装。江南风井围护地墙厚度为1.2m,在盾构刀盘靠上地墙后,首先凿除洞门地墙厚度约为0.8m。待盾构整体接收装置安装完毕后,对洞门地墙进行第二次凿除。洞门凿通后,开始往装置里灌水。根据设计,平衡水土压力值为0.3MPa,盾构到达前整体装置内部初始压力设定为0.1MPa,随着盾构逐步进入整体接收装置,装置内压也随之升高。通过控制盾构推进速度和整体装置水位管溢排水自动平衡洞门外水土压力。盾构到达实施期间,对装置内压、变形和端部封板后靠支撑轴力数据采取自动实时监测,反馈指导盾构到达风险控制施工。

在实时监测过程中发现,盾构推进速度决定着装置内压、变形和后靠支撑轴力参数的大小变化。分别对盾构推进速度40~70mm/min时装置的各项参数监测,监测数据表明,盾构推进速度在70mm/min以内,盾构整体接收装置变形小于10mm,装置内压控制在0.3MPa以内,整体接收抗风险装置运行稳定,未出现过大变形与应力突变。最后对盾构达到极限推进速度78mm/min时接收装置的参数监测,装置的最大变形为8mm,支撑最大轴力为260kN,盾构到达接收过程处于安全和可控范围。

盾构完全进入装置后,通过洞门预留注浆管和管片注浆孔对洞门间隙进行封堵注浆,注浆封堵完成后,逐步排放装置内储水并观察水位和内压的变化情况,确认洞门间隙封堵无误,从盾尾脱出最后一环管片,并进行洞门永久封堵、接收装置和盾构拆除工作。盾构到达整体接收装置工程应用照片如图5所示。

图5 装置工程应用照片

4  结语

从应用结果来看,盾构到达整体接收抗风险装置起到了安全可控、规避施工风险的作用,验证了其在复杂环境下应对盾构到达施工及抗风险能力,具有结构简单、安装及拆卸方便、可重复使用和适用性强等优点。目前,该项技术已在国内多个类似工程中得到应用,效果十分理想。

  作者:魏林春

转自:《盾构隧道科技》

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