1 饱和含水砂层中的长距离掘进技术
从日本的经验看,在饱和含水砂层中实现盾构机的较长距离推进,首先应解决盾构机的设计制造,开挖面稳定及刀具耐磨性与更换问题。
1.1 盾构机的设计制造
从日本已建成的实例看,在砂层中进行大断面、长距离推进时,大多数采用泥水加压式盾构机,具体工程实例见表1。据统计,日本自1979年以来已经或正在制造的直径大于10m的盾构机共39台,其中泥水加压式盾构机为35台,约占90。
泥水加压式盾构机除在控制开挖面稳定以减少地表沉降方面较为有利外,还在适应长距离推进、减少刀头磨损方面显示出优越性。日本川崎重工、三菱重工、日立造船及石川岛播磨重工等厂商在盾构机的设计、制造方面均具有较丰富的经验和较高的技术水平,依托日本在加工工艺与电子自动控制等方面的优势,使盾构机的产品质量得以保证。从已完成的东京湾隧道(2.8km)来看,在盾构机的轴承土砂密封、盾尾密封、液压系统及自动化控制系统等方面能满足长距离掘进的要求;特别是由于提高加工精度和对密封材料及密封措施的研究开发,使泥水加压式盾构机在适应高外水压力条件下的安全性方面取得了成功,表1的工程中,外水压力大都为3~6kg/cm2,而现有盾构机均可承受10kg/cm2以下的外水压力。为适应长距离、高速度推进的需要,日本开发了可在推进的同时进行管片拼装的盾构机。另外,在砂土层中采用泥水式盾构机施工,可适应水力出土的要求,当粉粘粒含量较小时,可方便泥水的处理与循环使用。
1.2 开挖工作面的稳定问题
采用泥水式盾构机有利于控制开挖工作面稳定,特别是通过加强泥水特性的研究和泥水系统管理,使砂层中开挖面稳定的问题得到了解决。
从考察的几个砂土地层中泥水式盾构机施工实例看,日本在解决砂层中的开挖面稳定方面主要有以下措施。
(1)在盾构机中设置开挖面崩坍测定和加固装置(必要时)。
(2)在刀盘开口部位设置可伸缩挡板,以增加盾构机停止推进时大刀盘对开挖面的支撑力。
(3)控制泥水压力,对泥水供应、输送及排出实现计算机动态监控和管理。
(4)改善泥水特性,提高泥水的护壁效果。日本各施工企业对泥水式盾构机所使用的泥水主要采用高质量的膨润土配置,为提高其适粘性,常添加CMC等化学助剂,泥水比重一般在1.05~1.15左右,以适应砂层推进的要求。
日本在砂层中用盾构法施工还未发生因开挖面失稳而导致的事故,这一方面与所穿越砂层较密实(大多数砂层N值大于50)有关,同时,也与盾构机设计制造中已开发了较完善的泥水控制与管理系统有关。
1.3 刀具的耐磨性与更换问题
在砂层中进行连续的长距离推进,日本的实例不超过2.6km(小机千若雨水干线下水道,ɸ10m)。虽然在刀具的耐磨性方面进行了研究与开发,如采用在刀具上镶嵌超硬合金刀头和高低差刀头布置等技术,但对其成果还有待实践检验。
在刀具上镶嵌超硬合金刀头,对刀头磨损有明显的减轻,但对砾石层因其易折断而不能完全适应。但当砂的石英含量超过50%时,刀头的磨损程度如何,还需进行试验与实际施工的检验。按日本盾构机设计人员介绍,对于石英含量高的砂层,一般推进lkm就需更换刀具。
为解决长距离推进中的刀具更换问题,日本厂商着力研制掘进过程中可在常压下随时能够安全、快速进行刀具更换的盾构机。三菱重工与石川岛播磨重工已联合制造了一台用于横滨新羽干线下水道工程(长4435m)的泥水式盾构机(ɸ9.45m),其刀盘采用“球体”技术,可旋转180°后在大气压下更换刀具,该盾构机已完成工厂内的试运转,即将投入运行。据了解,更换一次刀具约需1个月时间,这种盾构机的价格约为相同直径同类型盾构机的1.6倍,虽然其更换刀具相对采用地层加固法更为安全、方便,但还需进一步进行经济比较。
2 隧洞始发与到达段的布置与推进
在日本盾构法施工的隧道中,应用最多的是地铁,其次是市政下水道管线(共同沟)、公路隧道以及河川排贮水隧道等。公路隧道及部分地铁隧道,需按一定坡度与地面相接,但纵坡坡度最大不超过8%(东京湾隧道为4%)。其它隧道均没有与地面缓坡衔接的要求,大多数隧道的始发与到达段均设置工作井,工作井深度从10~60m不等。
盾构工作井根据始发与到达的不同要求确定平面尺寸。在日本始发工作井考虑盾构机安装、井内运输系统布置以及地面状况等,一般尺寸较大;而到达工作井则因盾壳不拆除而尺寸较小。盾构工作井主要采用地下连续墙工法施工,深度不大的也有采用钢板桩或H型钢支护的工法。地下连续墙最深可达100余米(如东京湾川崎人工岛竖井),墙体厚度可达2.8m。墙体施工设备根据墙体结构要求使用冲击反循环钻机或双轮铣掘削机等,墙体为钢筋混凝土,可根据需要分段分序施工。地连墙完成后,辅之以井内钢支撑、深井降水等措施,浇筑工作井内衬。
盾构机进洞段推进均需在对地基改良后进行,地基加固范围径向一般为1.5~2倍盾构机外径,轴向为盾构机长度加1~3m。地基改良工法依地质条件、隧道埋深及施工环境状况确定。但从参观的几个工程看,使用较多的是旋喷、深层搅拌与冷冻法。对于埋深较大的砂层中的隧道,冷冻法使用较多,但其费用相对较高。盾构机出洞段推进在对邻近到达工作井壁部位地基改良后进行,地基改良范围比进洞段推进稍小一些,如川崎江川雨水贮水管工程(盾构外径10.1m)进洞段加固范围为径向14.7m×17.4m(B×h),轴向11.2m,而出洞段相应加固范围则为14.1m×14.6m(B×H)和5m。盾构机抵近到达工作井壁后,机械凿除井壁并拆除盾构机部件后浇筑混凝土衬砌。
石川岛播磨重工生产的球体盾构机,可以取代传统的始发工作井及其相应地基改良工序,以适应大深度工作井及隧道的施工,缩短工期并减少对地面设施的影响。球体盾构机实际上是一种“母子型”机体,大直径盾构机(ɸ5.82m)的前部密封舱内暗藏一个球体,球体内装有直径稍小的盾构机(ɸ2.89m)。大直径盾构机在反力支撑装置作用下垂直向下掘进至预定位置后,球体旋转90°,安装小直径盾构机盾壳及后座并对工作井底部加固处理后,再由小直径盾构机直接推进。这种球体盾构机因大直径盾构机仅用于竖井推进,除非是在隧道埋深很大、地面场地狭小或其它有特殊要求的场合才宜采用。
3 盾构机的斜坡段掘进
斜坡隧道采用盾构机推进,当坡度较大且为上坡时,对洞内运输及人员工作均不方便;当地层软弱时,埋深小于一倍盾构机直径则需进行地层改良方可推进,否则易产生冒顶等事故。上坡推进时,为保持工作面稳定,有必要对刀盘的支撑进行改进;下坡时要加设防滑装置。目前正在施工中的直径为4.43m盾构机的最大爬坡能力为15%,正在制造中的直径为4.08m的盾构机最大爬坡能力为20%。而横滨市港北变电所附近在泥岩和洪积细砂中开挖的斜坡隧道长134.7m,下坡坡度为27%。
另外,球体盾构机也可用于斜坡隧道或在隧道的任何部位分出叉道,修建另一条直径稍小的隧道。
4 盾构施工中的其它技术问题
4.1 泥水处理系统
当采用泥水加压式盾构机,均需配置一套较为复杂和造价较高的泥水处理系统。泥水处理系统主要包括泥水的配备、输送、控制及分离等几个部分,不仅占地面积较大,而且设备投资及其运行维护费用均较高。在日本,由于施工主要在市区,土地使用方面较为困难,且对环境要求高,因而在泥水分离中采用3次处理较多,但有些工程也有采用2次处理,如营团8号线冰川台2工区工程,在用振动筛除去粒径大于3mm的砂粒和用旋流器除去粒径大于74μm的粉粘粒后,大部分泥水在循环槽中经调配后送至开挖面,废弃泥水则用密封罐车运走。
泥水输送在长距离推进中是需要高度重视的,压力泵间距一般约为200m,日本对泵的控制、电器系统等进行了专门的研究与开发,泵的寿命、可靠性及安全性方面采用了许多新技术。
4.2 盾构推进月进尺与盾构机设计推进速度
日本的盾构法隧道主要在城市施工,地面建筑物和地下构造物较为密集,施工场地狭小,对地面沉降的控制极为严格,且因土地所有权问题而使隧道的曲线段很多且转弯半径小,因而总体上月平均进尺不高,一般为50~100m左右。
就盾构机的设计推进速度而言,目前日本生产的盾构机大都为30~40mm/min,计划中将要求达到100mm/min,以满足长距离隧道的快速施工。最近由石川岛播磨重工设计制造的ɸ5.81m推进与管片拼装同时进行的泥水加压式盾构机,利用改进后的真园保持装置提供辅助推力,使整个掘进与管片安装时间缩短至40min(管片环宽1.2m,盾构机设计推进速度50mm/min)。与当前常用的盾构机比较,一环总推进安装时间缩短了30min,这台盾构机将用于建设省霞浦导水工程。
4.3 管片拼装系统
管片拼装有人工拼装和自动拼装两种方式。日本的盾构法隧道施工中,绝大部分采用自动化拼装系统。对于长距离、高速度的盾构推进施工,必须有自动化的管片拼装系统与之配套。自动拼装系统一般包括管片存储系统、竖井升降系统、输送系统、分配系统,管片供给、提升、定位及安装系统等组成,可实现管片从地面开始直至衬砌完成的自动化作业。在管片自动拼装系统中,以管片螺栓的安放、拧紧装置最为昂贵,其相当于一台机器人。根据我国的国情,穿黄工程没有必要选用高度自动化的拼装系统。但应从强化施工管理入手,提高管片的制作精度和拼装精度,满足结构和防水要求。
4.4 盾构机的分件制造与运输
对于大直径盾构机,在陆地运输时需满足道路的限制要求。在日本,公路运输时要求盾构机的分块尺寸规格为高度小于4.3m,宽度小于3.5m,单件重量不大于25t。因此,由石川岛播磨制作的ɸ14.18m盾构机共切割成91块,其中仅刀盘就分割成13块。据日方介绍,现场组装主要采用焊接,一般没有特殊的设备与工艺要求。对于直径10m的盾构机,刀盘轴承直径约4.7m,重量为15t,一般可不分割运输,但如道路限制而需要分割也是可以的。
5 结语
盾构技术在日本已进入成熟的使用阶段,软土隧道工程中盾构机的使用相当普遍,制造厂商可以根据不同的工程地质条件与用户的具体要求设计制造不同类型、尺寸或断面的盾构机。因此,借鉴国外的先进技术与经验,应用盾构法在我国进行砂层中的长距离掘进施工是可行的,也是完全可以成功实施的。
来源:中天重工