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  2. 盾構鋼套筒始發的工序、工藝、施工控制及優缺點詳解

    2020-07-10 15:48:18 hu 3

    隨著城市化進程的加速,地鐵建設規模日益龐大,在地鐵施工中,地質情況的復雜多變, 給地鐵施工帶來巨大的難度河不確定性。盾構隧道因其安全性較高、對環境影響小等優點,在城市地鐵建設中得到廣泛應用。然而,地鐵盾構隧道施工中,盾構的始發和接收一直以來都是盾構施工風險較大的環節。

    傳統施工方法中,往往在盾構進出洞前對端頭土體進行加固。加固的目的主要有兩個方面:一方面是提高洞門擋墻后土體的強度和穩定性,防止盾構破墻后土體失穩,造成地層變形引發地面沉降甚至坍塌;另一方面是加固后的土體在洞口一定不過范圍內可以形成有效的止水帷幕,以免洞門打開后地下水從洞口滲入端頭井內,尤其是在地下水位高、滲透性較大的砂性土層中,如果土層中的地下水損失較多也會造成地面沉降。

    目前盾構始發端頭加固的形式主要包括三軸攪拌、高壓旋噴、MJS超高壓旋噴以及冷凍法加固等,但是實際工程中,地層結構往往比較復雜,目前各種加固工藝和加固體檢測手段具有一定的局限性,端頭加固的效果不能完全保證,盾構始發發現尚不能完全控制。鑒于此,鋼套筒始發應運而生,并以其安全經濟、適用性強等優勢在國內得到廣泛應用。

    一、盾構鋼套筒

    1.1工作原理

    密閉鋼套筒平衡始發依據平衡始發原理,通過鋼套筒這個密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力,使盾構機破除洞門前即已建立了水土平衡的環境,始發等同于常規掘進,從而避免了盾構機始發過程中因為欠壓或滲漏而出現塌方的情況。從直徑和長度進行設計,通過把直徑與長度設計成比盾構略長的鋼套筒與洞口密閉連接,盾構機安裝在鋼套筒內,然后在鋼套筒內填充回填物,通過鋼套筒這個密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力,盾構在鋼套筒內實現安全始發掘進進入前方土體,最終使盾構能夠正常掘進施工。

    1.2筒體各部件

    筒體部分長10m分4段,過渡環(短邊840mm,長邊1343mm),加強環(600mm),內徑6800mm。筒體材料用20mm厚的Q235A鋼板,總重量約170噸。每段筒體的外周焊接縱、環向筋板形成網狀以保證筒體剛度,筋板厚20mm,高150mm,間隔約550*600mm;每段筒體的端頭和上、下兩段圓弧接合面均焊接連接法蘭,法蘭用40mm厚的Q235A鋼,上、下兩段連接處以及兩段筒體之間均采用M30*130* 8.8級螺栓連接,中間加5mm厚橡膠墊,以保證密封效果。

    1.3施工工藝

    1.3.1安裝過度環:

    首先在開始安裝鋼套筒之前,首先在基坑里確定進洞盾體中心線,也就是鋼套筒的安裝位置,使從地面上吊下來的鋼套筒力求一次性放到位,不用再左右移動;過渡環與預埋環板通過焊接連接,如圖5-2,焊縫沿過渡環一圈內側點焊,并在內側貼遇水膨脹止水條,在過渡環與預埋環板焊接的外側涂抹聚氨酯加強防水,并加焊槽鋼進行補強。如出現過渡環與預埋環板有些地方出現較大空隙,需在這些空隙處填充鋼板并連接牢固,務必將空隙堵住。

    1.3.2鋼套筒下井安裝

    (1)吊下第一節鋼套筒的下半段,使鋼套筒的中心與事先確定好的井口盾體中心線重合;

    (2)鋼套筒連接時法蘭盤之間使用橡膠墊,以提高鋼套筒的密閉性,依次組裝傳力架1~4,使用8.8級高強度螺栓緊固連接,必須牢固可靠;

    (3)待盾構主機完成下井組裝后,依次安裝過渡環上半圓、鋼套筒受力環1~4上半圓、加強環上半圓。

    1.3.3導軌安裝

    在鋼套筒下方60°圓弧內平均分布安裝2根43公斤鋼軌,鋼軌采用壓板固定,壓板焊接在鋼套筒筒體上。

    1.3.4筒體內填料

    為確保底部砂層提供充足的防盾構機扭轉摩擦反力,在鋼套筒內分四次進行填料。

    (1)第一次在鋼套筒底部2根鋼軌之間鋪砂并壓實,每個位置的鋪砂高度高出相應鋼軌的高度15mm,待盾構機放去上后,進一步壓實;

    (2)第二次填料在盾構機主機下井安裝完鋼套筒上半圓安裝前進行,為防止砂從過渡環和加強環流出,根據砂的內摩擦角30°,回填高度從中心位置3m不高出下半圓環頂面;

    (3)第三次填料

    1)在鋼套筒試壓完成之后進行,地面布設料斗使用φ110mm的填料管從地面引至鋼套筒頂部的填料孔,填料過程中可適當加水使下料順暢并讓砂密實,在排水球閥前端安裝過濾網再進行排水。下料不暢時,可使用地泵進行輔助填料。

    2)在1#傳力架半圓前端焊一道寬30mm的弧形鋼板,與盾體有縫隙的地方加塞棉絮,以防回填的砂流至土倉,回填高度至底部的300°范圍。

    (4)第四次填料使用厚漿通過填料管將鋼套筒與盾體間的間隙以及土倉填滿。

    1.3.5反力架安裝

    根據反力架前端中心里程對反力架進行精確定位,使之與盾構機中心軸線保持垂直。為加強反力架的穩定性,對安裝好的反力架用鋼管及型鋼進行支撐,使用6根609鋼管作用于立柱進行斜撐,呈45°;上橫梁使用2根300H型鋼進行支撐,后端座落在車站主體結構梁上;下橫梁使用4個反力牛腿進行支撐。

    1.3.6洞門鑿除

    始發地連墻采用1000mm厚地下連續墻,采用水下C35P8砼,配筋:背土側主筋為Φ32@200mm普通鋼筋、迎土側為Φ32@200mm普通鋼筋,水平筋Φ16@200mm,水平筋加密Φ20@150mm。豎向受力鋼筋迎土側保護層厚度為70mm,背土側保護層厚度70mm。

    本區間始發洞門采取二次鑿除施工。洞門第一次鑿除,具體為割除地連墻內側鋼筋,鑿除內側85cm厚混凝土。

    洞門第二次鑿除:待鋼套筒與洞門連接好、鋼套筒及反力架加固完成、盾構機調試驗收完成后,進行套筒內第二次鑿除,鑿除剩余15cm厚混凝土,割除地連墻外側鋼筋,洞門破除完成后刀盤立即靠上掌子面,封閉回填鋼套筒。

    1.3.7負環拼裝

    在盾構機全部組裝調試完畢、洞門鑿除期間進行負環管片安裝。負環管片的安裝全部采用通縫拼裝,由于采用鋼套筒始發,所有負環管片正常安裝襯墊、止水條。

    1.3.8負環壁后填充注漿

    為保證負環管片與鋼套筒之前的密封效果,在盾構機刀盤貼近洞門掌子面和完成鋼套筒壓力測試后,通過靠近反力架兩環管片的吊裝孔進行壁后注漿,注漿材料采用可硬性漿液,在管片后面形成一道密封防滲環。

    二、施工控制

    盾構鋼套筒始發施工工藝對各施工環節的控制要求很高,主要體現在以下幾個方面:

    1)安裝精度控制。鋼套筒各構件在與運輸和吊裝過程中嚴禁摔、碰,以免發生變形影響安裝質量。

    2)密閉性控制。在盾構始發前,應對鋼套筒密閉區的密閉性進行檢測,保證使用過程中不發生滲漏。

    3)盾構推進控制。嚴格控制盾構推進姿態,始發進洞時盾構切口高于軸線1-2cm,呈微抬頭姿態。

    4)套筒壓力控制。在套筒內安裝壓力計,實時監測筒內壓力并與盾構土壓力設定保持一致,當壓力有偏差時,及時通過外部加壓措施進行調整。

    5)同步注漿控制。根據隧道洞身穿越地層的特點,嚴格控制同步注漿的注漿壓力與注漿量,盡早充填盾尾間隙,及時支撐管片周圍巖體,防止地層產生過大變形并保證盾尾密封效果。

    三、鋼套筒優缺點

    優點:

    1.適用性廣。適用于各種復雜地層,尤其是洞門端頭地質條件差,而且加固施工比較困難時,盾構鋼套筒進行始發,接收施工具有明顯的優勢。

    2.循環利用。盾構鋼套筒由多塊鋼結構組成,可多次組裝、拆卸,在同一盾構隧道中可以多次循環使用。雖然制造費用較高,但多次使用將分攤成本,節省大量地基加固費用,尤其是在盾構過站較多的線路上更具經濟效益。

    3.安全環保。采用鋼套筒輔助盾構始發與接收,能較好地控制施工過程中的各種風險。對周圍建筑物和地下管線影響較小,同時基本不會對周邊水土環境造成影響。

    缺點:

    1.工期較長。鋼套筒的安裝和檢測工作都在狹小的基坑里進行,拼裝接口多而且要保證組裝精度,整個安裝過程大約需20天;與常規端頭加固后盾構出洞相比,鋼套筒盾構接收時,因為需要嚴格控制盾構推進姿態,掘進速度也很緩慢,盾構出洞時間更長。

    2.儲運困難。鋼套筒直徑大于盾構,每塊尺寸及重量都較大,在運輸和儲存有一定的困難,而且鋼套筒各組件在運輸和儲存過程中要盡量避免碰撞,嚴格控制變形以保證安裝精度。

    3.出洞難度增加。由于鋼套筒的存在,要保證盾構機出洞時正好進入套筒內,給盾構出洞掘進提出很高的要求。不光要嚴格控制掘進姿態,增加測量頻率,緩慢推進,還要控制好掌子面的壓力,確保掌子面壓力與套筒內水土壓力平衡。


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