1 工法概要
超小型盾构工法适用于直径 1000 ~ 2000mm 的隧道,施工长度理论上没有限制,目前施工中一次性掘进最长距离达到 2340m。超小型盾构可以实现最小曲线半径 10m 的曲线施工。通过采用无螺栓 3等分管片结构,达到高强度。其中使用钢筋混凝土管片处,无需进行二次衬砌;使用钢管片处,需在内表面使用聚合物砂浆进行二次衬砌。该工法的施工概要如图 1 所示。
图 1 施工概要图
2 工法特征
超小型盾构施工因具有以下优势而备受关注。
(1)工期短·成本低
由于超小型盾构工法钢筋混凝土管片无需进行二次衬砌,可缩短施工时间、降低施工成本。
(2)适用于多种地质条件
通过选定盾构机刀盘形状,以及合适的添加剂类型、浓度和用量,能够应对软弱土、黏性土、泥沙、砂质土、砂砾层、卵石土、岩石以及以上土质的互层地质。
(3)可实现急曲线施工
可应对曲线半径 10m 的急曲线。
(4)可实现长距离施工
可应对一次性掘进长度 1000m 以上的长距离施工。
(5)可在盾构机内进行换刀
切削岩石层或砂砾土层时可在盾构机内进行换刀作业,无需换刀工作井。
(6)确保紧密的注浆层
在盾尾内填充壁后注浆液,通过注浆千斤顶保持挤压,形成紧实的、具有耐水性的注浆层。
(7)需要进行地基改良的区间较少
一般而言,仅需对始发和到达段进行地基改良。
(8)可将地面沉降控制在最小
由于能确保开挖面稳定、可形成紧实的注浆层,因此可将地面沉降控制在最小。
(9)可用作污水管道的硫化氢防范措施
由于使用的管片预先在工厂进行过防腐涂层处理,符合日本下水道的相应标准。
3 工程案例概要
日本名古屋市第 2 次山田东雨水干线下水道修建工程,位于名古屋市东区矢田 1 丁目~大幸 3 丁目,施工时间为2011年2月2日~2013年9月30日。施工内容包括采用土压式超小型盾构工法施工的管渠,全长 1244m,其中使用钢筋混凝土管片 1759环,钢管片 530 环。急曲线段有 6 处,其中转弯半径 R=15.0m 段 5 处,R=30.0m 段 1 处。
4 地质概要
施工地点自地表 1m 左右为较浅的填土层,向下 2 ~ 5m 左右为冲积层(A c 层和 A s 层),再向下为砾石层(鸟居松层)主体。根据地质调查结果制作地层预测断面图,对此进行研讨后决定在冲积层(A c 层和 A s 层)、砾石层(鸟居松层、D g 层)处进行管渠施工。工程位置、地层预测断面图如图 2所示。
图 2 地层预测断面图
5 施工概要
5.1 超小型盾构工法确定
根据工程的实际条件,以及超小型盾构的施工特征进行对比,发现该工法非常适合本工程的施工需求。本项目与超小型盾构工法适用范围的比较如表 1 所示。
表 1 本次施工与超小型盾构工法适用范围的比较
5.2 盾构机刀盘选型
对土质调查结果进行研讨得出结论,盾构机刀盘选择辐条式。刀盘选型流程如图 3 所示,辐条式超小型盾构机的刀盘如图 4 所示。
图 3 刀盘形状选定流程
图 4 盾构机刀盘(辐条式)
5.3 施工循环周期
超小型盾构工法的施工循环为:①拼装管片,②注浆,③掘进·挤压注浆,如图 5 所示。
图 5 超小型盾构工法施工循环
5.4 3 等分管片的拼装
使用管片运输台车上配备的拼装机进行盾构机主体内的管片拼装。管片以中心角120°分成3等分,达到几何学上的稳定结构。3 等分管片如图 6 所示。由于管片表面光滑,与混凝土管(顶管)具有同等摩擦系数,因此可以免去二衬。此外,管片接头采用了凹凸球铰形式的对接结构,相比一般的螺栓接头,具有更加便于施工的特点。管片拼装图如图 7所示。
图 6 3 等分管片图
图 7 管片拼装图
5.5 壁后注浆(注浆千斤顶)
管片完成拼装后,对盾尾壳体、滑动密封垫、既有注浆层以及管片所包围的空洞内进行壁后注浆(参照图 8 ②③)。不同于以往的盾构工法,超小型盾构工法一直在盾构机内部进行注浆,因此注浆液不会受地下水影响而变稀释。此外,通过注浆千斤顶对盾构机内的注浆液加压向外排出,能确保填满土体内的空隙,具有充分的安全性。
5.6 掘进·注浆脱出
掘进时确认开挖面土压力的同时,盾构油缸推进。同时注浆千斤顶顶起,将注浆液压送至盾构机壳体外(参照图 8 ④⑤)。
图 8 壁后注浆流程图
6 施工要点
6.1 地表沉降对策
本次施工为覆土厚度 3.4 ~ 4.4m 的浅覆土,必须掌握地面沉降情况以及对地下埋设物的影响。掘进过程中,需要对排土量、壁后注浆量与土体量进行比较和控制,掌握对周边地基的影响。此外,对可以直接测量的地表及地下埋设物进行定期测量管理,掌握其变动。
6.2 急曲线施工对策
由于本次施工的曲线半径为 15m,盾构机采用了铰接结构,布置仿形刀可进行超挖。铰接结构采用 V 型铰接,共有 3 处可弯曲。
7 施工成果
由于现场施工地质中砂砾土比预计更早出现,因此根据施工前调查与盾构施工实际情况进行研讨,以超过计划平均油缸速度(3.0cm/min)掘进。
盾构施工参数如表 2 所示。
表 2 盾构实际施工参数
8 结语
目前盾构施工向着长距离、大深度、浅覆土、小直径、急曲线等多样化发展。盾构施工中最重要的是规
划与设备,要求施工前进行充分的调查,施工中采用安全、合适的设备。
摘自《盾构隧道科技》