盾构法隧道施工的进出洞技术这是什么技术?

盾构法隧道施工的进出洞技术这是什么技术?
盾构法隧道施工的进出洞技术
这是什么技术?

盾构法隧道施工的进出洞技术这是什么技术?
一、前言
采用盾构法建造隧道或各种地下管道,一般是在预先建造好的工作井内进行盾构的安装、调试和试运转,并将其准确地搁置在符合TRANBBS设计轴线的基座上,待所有施工准备工作就绪后,开始沿设计轴线向地层内掘进施工,当盾构将要到达终点时,应准确测定盾构的现状位置,并调整和控制其的姿态,使盾构正确无误地进入预先建造安装好的接收井内的基座上.
盾构的进出洞工序是盾构法建造隧道的关键工序,该工序施工技术的优劣将直接影响到建成后隧道或管道的轴线质量、进出洞口处环境保护的成效及工程施工的成败.
盾构的进出洞施工技术必须根据工程所处地层的土质、水文、环境条件和环境保护要求的等级而制定,如何科学、合理地运用各种不同的进出洞技术,使其符合各工程的特定工况条件要求,是一项值得研究、探讨的课题.
二、盾构进出洞施工的关键技术
1建立推进施工的良好后盾系统
后盾系统由后盾管片、支撑体系及后靠等组成,其不但要稳固牢靠,同时必须有一个准确的后座支承面和适应施工的垂直与水平运输的转折通道口.
2确保洞口处土体稳定
在盾构未靠上洞口处土体前,保护洞口附近地面和地下构筑物,使盾构顺利切入土体,并支护正面土体,从而进入正常施工状态.
3洞口建筑空隙的密封技术
洞口建筑空隙的密封问题,如不妥善解决,将会引起洞口渗漏,产生不可设想的后果,但目前对进洞施工时的洞口密封技术还不够完善.
三、盾构进出洞施工中易发生的事故
1洞门处土体涌入井内
洞口封门拆除后,井外土体不能自立,井内洞圈的密封装置还不能阻挡洞外的土体,所以洞口外土体随之进入井内,造成地面沉陷,影响附近地下管线和地面建筑物的安全使用,如情况严重,则造成井下无法施工.
2洞口周圈涌泥水
由于在出洞施工时损坏了洞口密封装置,盾构出洞后没有及时做好洞口防渗漏处理,故在盾构未全部通过工作井洞圈或已经脱出洞圈时,井外泥水不断从洞圈与盾构或隧道之间的间隙涌入井内.如不及时处理,将导致地面沉陷和洞口处已建造好的隧道产生过量沉降.
3盾构出工作井洞口时上抬或下沉
盾构出工作井洞口后,就失去了基座的支撑,若在施工中对正面平衡压力值的设定和控制不当,则极易产生盾构的上抬或下沉,这将使刚建成的隧道偏离设计轴线,甚至无法正常施工.
进土部位和进土量控制不当,易使盾构上抬,于是地面也随之隆起；正面土体流失过量,超量出土,易使盾构产生下沉.
4管片产生碎裂、环面不平、内外张角严重、纵缝喇叭大、环向旋转等不良现象.
四、盾构进出洞施工技术
1稳定正面土体
要确保洞口暴露后正面土体的稳定,必须对洞口状况进行调查,然后采取有效的技术措施,使洞口处的土体不流失、不坍塌.
(1)洞口状况调查
①工作井的构造
工作井一般用沉井法施工,但在建筑密集地区或大型结构的工作井是采用地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW工法建造的,由于围护结构的不同,洞口的封门形式也不同.
用沉井法施工,在制作沉井时已预留了洞口(下沉前必须将洞口封闭),由于洞口的封闭方法与盾构进出洞口是否方便、安全、可靠关系极大,因此一般情况尽可能利用井壁厚度设置防塌方、止泥、止水密封装置,封门形式可按实际工况条件(工程埋深、洞口处土层的土质性能、水文条件等)综合考虑选定,但还必须兼顾到拆封门的方便.
②水文地质状况
了解工程洞口处所处的土质性能、地下水位的深浅,采取适当的、最合理、最经济的技术措施.
③隧道埋深和洞口直径
隧道埋深和洞口直径与洞口处土体稳定密切关联,所采用的相应措施随条件不同而不同.
④工作井洞口附近地面环境
地面环境要求的保护等级是洞口土体进行加固的依据.
⑤工作井洞口井壁的平面现状
工作井洞口井壁平面现状是曲线型还是平直线以及井壁厚度、洞圈构造等对进出洞施工技术的选定有一定关系.
⑥施工设备的性能
隧道施工所用的盾构机型是进出洞方法选定的关键因素.
(2)对洞门外土体进行加固或稳定处理
采用土体稳定措施后,洞门外土体能稳定自立相当长一段时间,可大胆拆除封门,盾构即可进出洞,但在施工时必须对加固处理后的土体实际性能作检测,确认其达到施工所规定的要求,方可拆洞口封门.当前常用的土体稳定技术有降水、地基加固、冻结法等.
①降水
降水可有效地疏干砂性土中的地下水,提高该层土的密实度,但不能大幅度提高土体的强度.如洞口敞开面积大、埋深深、敞开时间长,仍会有土体失稳坍塌的问题存在,此时降水仅能作为辅助措施；再则降水效果还受到降水深度、土质条件、周围环境条件等的限制,所以只能在许可条件下使用.
②地基加固
地基加固可采用深层搅拌、压密注浆、化学注浆等方法,目的是将洞口处一定范围内土体预先固结起来,达到进出洞时所需的强度,能使洞口封门拆除后洞口处暴露的土体自立.但地基加固后的土体强度均匀性差,特别是在软土地层中尤为突出,所以必须加强检测,使加固土体的强度及其均匀性、加固范围等,均符合加固设计的标准.
在作加固设计时要考虑到工程所用盾构的性能,如网格盾构是挤压性的正面无切削设备,则就不宜采用加固技术；对于全断面切削刀盘,要考虑加固土体的强度以及出渣输送的可能性.
③冻结法
使土体中水分冻结,整个冻结范围内土体暂时形成有相当强度的冻结固体,在这种冻结固体支护下,拆除洞口封门,待掘进设备进入洞门圈内、洞口密封装置安装完毕、洞口施工时的密封性能建立后再解冻,进入正常进出洞施工.
这种技术在煤矿建井施工中已广泛应用,国外用于隧道施工已有许多实例,我国在隧道施工中亦已开始应用.
(3)在井内或洞门口采取的措施
①外封门形式
当工作井采用沉井法施工时,洞口封门一般采用钢板柱(常用槽钢组合),一种方法是在沉井下沉施工时,将封门安装在洞口(封门板桩与沉井洞口的固定连接均设于井内的洞圈内,出洞施工时要能方便拆除),然后与沉井一起下沉到位,封门安置要牢固,不应在沉井下沉施工时遭到破坏；另一种方法是待沉井下沉到位后再紧贴井外壁打入封门板桩,但沉井在沉井下沉施工时须将预留洞口临时封闭,待洞门板桩打入后再拆除.
盾构出洞时先进入井壁洞圈内,安装好推进施工时的洞口密封装置(图1),然后拔除封门板桩进入推进施工.
外封门形式一般用于出洞施工,因其受到钢板桩长度、构造及拔桩等影响,当洞口埋深较深时不宜采用.
②内封门形式
盾构进洞的封门一般采用内封门形式.封门可用型钢组合(有竖封门及横封门两种形式),固定在井内壁洞口处(在沉井下沉施工时,洞圈内用粘土填封密实),当盾构最前端离封门50mm时停止推进施工,拆除封门,尽快将盾构推入井内的接收基座上,并及时封堵管片与洞圈之间的空隙,防止泥水从间隙处渗漏.
当洞口埋深较深、洞口处土质较好,自立性能强或洞口土体进行了加固处理,则内封门形式也可用于出洞施工,但洞圈内必须用粘土夯填密实,使洞圈内土体起到一个土塞作用,用以平衡井外土体的侧向压力.
③特殊封门(井内外封门)
当工程埋深深、井外砂性土渗透系数大、地下水位高,要平衡地下水压力较为困难,则盾构出洞时可采用另一种"外"封门形式,即在井内筑一定长度的筒套(采用钢筋混凝土结构或钢结构),内径与井壁预留洞口相同,筒套与井壁连成一体,筒套后端设有密封装置,在筒套与井壁内面间用密排竖向钢板桩封闭洞口,沉井下沉前在井壁洞圈内填粘土,盾构先进入筒套内(图3).出洞施工时,逐根拔除钢板桩,每拔除1根,须及时封住上开口.
该封门形式具有如下特点：
i盾构出洞前已建立正面平衡体系,在出洞过程中能较好地控制正面平衡压力,使洞口外土体流失能控制在允许范围内,有效地保护环境；
ii井壁洞口内及筒套内均用粘土填充,土塞效应长度大,洞口间隙密封效果好,土体不易流失；
iii洞口封门板桩由于设在井内,板桩长度略大于洞口直径,只需用推进施工用的行车即可方便、迅速拔除,不需另行配置大型设备；
iv筒套构造设计时,考虑了出洞时可能出现的问题,降低了施工难度.
④用SMW工法施工洞口封门
当工作井采用围护开挖施工工艺时,可在工作井进出洞口处用SMW工法作结构施工围护,在进出洞施工时,先拔除SMW桩内的H型钢,利用掘进设备刀盘切削SMW桩的水泥土,逐步完成进出洞施工.
2基座的设置
(1)基座设置前的准备
基座设置前不能仅以图纸为依据,必须核对实际预留洞口的位置和尺寸,洞口的内净尺寸是否满足施工所需(要考虑设备的最大尺寸),否则须加大洞口直径.
将洞口实际中心位置的水平方向引至洞口两侧井壁上,以等高表示；垂直方向引到洞口下部井壁上,以作基座前端定位的依据.对于内封门形式,由于实际洞口被掩盖住,因此最好能在未封洞口前就把中心位置引到不受封门影响的井壁上标识出来.
(2)基座轴线的测定
基座设置的条件除了洞口中心外,还必须有其坡度与平面方向符合隧道设计轴线的要求.当隧道设计轴线是平曲线时,需要事先加以计算并把标识引至后井壁上方,若有条件,可将基座精确地安装好.
(3)导向轨的设置
设在基座顶部的2根平行导轨即为导向轨,盾构搁其上面进行安装调试,其不仅要承受盾构的安装重量,而且还是盾构推进的轴线导向,因此必须使导向轨夹角中心与隧道轴线相一致,盾构的搁置方向要正确.
(4)基座形式
基座可以是钢结构、钢筋混凝土(整体现浇及预制装配)等形式.基座要有足够的强度和刚度,特别是钢结构形式的基座,还必须有整体稳定性能与局部稳定性,以免施工应力作用后产生事故.
接收基座用于接收运动着的盾构,由于在安装基座时,盾构的进洞姿态是未知的,所以只能以隧道设计轴线设置平面,且高程导轨面不能超过洞圈面.当其与盾构的实际姿态不符时,则盾构在上基座后会产生姿态突变,造成洞口处成环衬砌轴线的突变、环缝拉开、圆环变形等不良现象.如能设计一个可调节的基座,当盾构进入接收井洞口时,可按其实际姿态调整基座导轨轴线,符合盾构的实际轴线,使盾构平稳推上基座.
3后座的设置
盾构在基座上开始向前掘进施工时,其前面的顶力必须传递到后靠,因此后座在受到最大施工顶力后,首先是不能产生破坏及变形；其次是后座顶力面必须与隧道设计轴线相垂直,使盾构推进时有一个正确的方向,并把顶力良好地传递至后井壁；最后是设置的后座系统要能满足推进施工时垂直与水平运输转折通道口的要求.
(1)后靠
后靠一般借用工作井井壁或围护结构,亦有另设支撑的,或者作用在已建隧道衬砌上.设计后靠要考虑盾构入土以后的最大推进力,使其能承受正面传递过来的所有阻力,以免出现井壁破坏、工作井移位等现象,影响掘进施工.所以应针对不同的客观条件,对后靠予以完善.
(2)顶力的传递
一般采用后盾支撑体系(图5)将推进顶力传至后靠,该后盾支撑体系必须在最大顶力作用下不变形,保持后盾面垂直隧道设计轴线.
后盾支撑体系一般用隧道衬砌与钢支撑的结构,为了能在施工过程中可以垂直、水平运输,往往上半部分是开口的,这给力的传递造成了困难.为此采用上部加钢支撑作为顶力传递的途径,必须使后盾管片及钢支撑有一个良好的强度和整体稳定性来适应施工顶力的传递.
后盾支撑体系是否良好,直接关系到推进施工是否能顺利进行,亦关系着出洞起始阶段的隧道衬砌拼装质量.
4洞口间隙的密封技术
在盾构通过洞口及整过隧道施工过程中,洞口与盾构、洞口与隧道结构之间总有一个圆环间隙存在,若不作密封处理,洞口外土体及水就会从此间隙中流入工作井内,使洞口处土体流失,引起地层沉降变形、破坏环境,影响极大,所以,洞口间隙的密封技术也是进出洞施工中的一项重要技术.
(1)出洞时的间隙密封
目前,出洞时间隙密封采用的单向铰链板加"袜套"技术是较为理想的,但在施工中必须保证"袜套"不向井内翻出.该技术是依?quot;袜套"的固紧及单向铰链板的保护,阻止洞外土体向井内流失,但对泥水加压平衡盾构,还是阻止不了压力泥水的渗泥,使切口平衡压力难以建立,所以可采用多道气囊密封.
气囊环密封是在洞口的圈板面上安置气囊,当盾构进入洞口,向气囊内加充压力气体,使气囊膨胀,嵌于盾构与洞圈之间,封堵间隙,密封洞口.气囊用橡胶浇制,一块圈板上可设多道环形气囊,提高密封效果.气体的压力应根据洞口处土体侧向压力通过计算设定.当盾构脱出气囊环,则气囊环嵌于衬砌与洞圈间,成为施工间隙的临时密封设施.
(2)进洞时的间隙密封
盾构进洞时,由于洞口土体的流向与密封"袜套"同向,土体在侧向压力作用下较易向井内流失,所以当洞口处于土体性能流动性大、自立能力差和地下水位高的砂性土层中是较难封住的.
目前,各工程上采用可径向调节的"眉毛"板,用电焊固定在洞口环板与衬砌洞口环外弧面的预埋钢板间.当洞口在渗漏条件下较难封住时,只能采用埋管引流封堵,最后由引流管压入浆液完成洞口间隙的密封,但易产生地面变形的不良后果.因此可采用气囊环及洞圈填料盒进行密封.
洞圈填料盒密封是在洞口形成一个圆形盒,盒上装有填料压紧装置,用以调节止水填料的压密程度,使填入材料紧密嵌于洞圈与盾构或衬砌之间,起到洞口密封作用,阻止泥水流入井内.
五、结束语
30多年来,上海隧道工程股份有限公司运用盾构法或顶管法在复杂地层和环境条件困难的情况下,以多种类型的盾构和顶管机成功地建造了各类隧道和管道工程,大至穿越黄浦江的公路隧道、地铁隧道；小至电缆隧道、电厂进排水管道、雨污水管道,现在这些工程都在发挥着各自的重要功能.
我们的经验是：只要通过认真研究,分析客观条件,摸透工程所处地层的土性,制定相应的进出洞技术措施,就能使工程的施工顺利进展,工程质量得到保证.
本文阐述的盾构进出洞施工技术,同样适用于顶管机的施工.