[分享]南水北调中线穿黄隧洞盾构始发技术

发表于2018-09-25     706人浏览     1人跟帖     总热度:134  

1引言
    盾构掘进施工中始发是最容易产生事故的工序,也是最关键的一道工序。为保证掌子面自稳,常用的工法有:降水法、压气法、注浆加固地层法、高压喷浆法和冻结法等。穿黄工程盾构始发施工以高压旋喷桩加固为主,结合适当降水和补充冷冻施工,并做好洞门的密封,制定严密合理的工序。本文对盾构始发的关键环节进行介绍。
2工程简介
2.1工程概况
    南水北调中线穿黄隧洞位于郑州市西约30km处,两岸分别连接南水北调总干渠道,设计流量265m3/s,采用两条结构相同的圆形隧洞穿越黄河,两洞中心相距28m,单洞长4250m。隧洞内径7m,外径8.7m,双层衬砌,外衬为厚40cm的预制管片,随盾构掘进完成管片拼装;内衬为厚45cm的混凝土预应力环锚,现浇施工。隧洞最大埋深35m,最小埋深23m,河床砂土震动液化深度16m。整条洞为“北竖南斜”型式,北岸竖井为盾构始发井,深48.1m,内径16.4m,竖井施工采用1.5m厚地下连续墙进行外围支护,“逆作法”进行内衬(0.8m厚)浇筑。(穿黄隧洞布置见图1)
南水北调中线穿黄隧洞盾构始发技术_1
     北岸竖井地层条件:表层为砂壤土,厚5m左右,竖井底部有一薄层黏土,厚2m左右,其余均为中细砂层,盾构始发位于地下40多m深,盾构机完全包裹在中砂层中,地下水位最大45m,盾构始发属典型的大埋深饱和水全砂层始发。
    盾构始发采用先下主机,后配套置于地面,通过延长管线连接的分段始发方案。始发前的准备工作主要有:始发区的地基加固和检查,井内安装始发台、反力支座等,盾构主机的吊装,洞门防水密封的安装,洞门混凝土的预凿除,盾构机调试等。所有准备工作完成后,开始盾构始发,这时要快速凿除洞门,盾构机向前推进,同时安装负环管片,随后建立泥水循环。
2.2始发风险
    (1)洞门凿除风险。盾构始发前需对始发洞门的混凝土进行凿除,由于凿险需一定的时间,因此洞口土体暴露时间过长会引起土体的塌落,影响盾构始发。本工程盾构机直径达9m,始发区处于全砂层中,始发深度大,地下水位高,盾构始发时的涌水涌砂风险很大,必须采取可靠的地基加固措施,提高地基的整体稳定性和防渗能力,加固体与井壁的密封不能出现缺陷点,始发前要认真检查地基加固效果。穿黄工程两条隧洞始发区均是先采用桩基加固,经检查,发现有渗水,为确保安全,又进行了冷冻补充加固。
    (2)洞门防水密封。为了防止盾构始发掘进时泥土、地下水及循环泥浆从盾壳和洞门的间隙处流失,以及盾尾通过洞门后壁后注浆浆液的流失,在盾构始发前需安装可靠的洞门密封装置。本工程下游线隧洞盾构进入洞门后,在外部水土压力作用下,洞口密封产生缝隙,出现喷浆。后经加固和灌注聚氨酯后,才封住渗漏,盾构得以正常推进。
3地基加固
3.1高喷地基加固
    为保证始发安全,对盾构始发区采用高压旋喷桩进行加固,为提供反力支撑,对背洞口侧地基也进行高喷加固。始发区布置了666根高压旋喷桩,一排C10塑性混凝土墙。背洞口侧布置了285根高压旋喷桩(见图2)。
南水北调中线穿黄隧洞盾构始发技术_2
     高压旋喷桩采用双高压三重管施工方法,始发区钻孔深度50.1m,灌浆高程81.5~55.5m(隧洞中心高程67m)。背洞口侧钻孔深度50.1m,灌浆高程75.5~55.5m。在地下连续墙外侧洞门位置还设置一道C10塑性混凝土墙,高程101~55.5m,墙厚0.8m,墙顶以上采用黏土回填。
    始发地基加固完成后,在始发洞门水平钻孔,检查加固效果,要求渗水量≤5m3/d,共布置12个水平孔,孔深不穿透塑性墙,若加固效果不理想,采用水平加密注浆进行补充加固。
3.2冷冻施工
    冷冻孔位于塑性墙外侧,双排布置,排距1m,孔距0.8m,冻结孔39个,测温孔2个。冻结孔深度48m,其中冻结段长度为18m(高程75.5~57.5m),要求冻结板块有效厚度1.5m。经计算总需冷量:Q=23万kcal/h。采用隔板和底锥分隔冷冻区和非冷冻区,进行局部冻结,冻结时间控制在30d。盾构在出洞之前,必须具备如下条件:冻土墙厚度≥1.5m;冻土的平均温度≤-10℃;盐水温度-28℃~-30℃;盐水去回路温度差≤3℃。
    在盾构始发前,所有位于盾构推进轮廓内的冻结管需拔除,利用热盐水在冻结器里循环,使冻结管周围的冻土融化达到50~80mm时,开始拔管,24h内将冷冻管全部拔出。
4井下准备
4.1主机吊装
    本工程采用分段始发方案,先吊装主机,在井下对主机完成组装,采用150m延长管线连接地面后配套台车。主机包括刀盘、盾体、主驱动组件、盾尾、管片安装机等。按吊装的先后顺序将大件依次摆放,起吊设备为450t履带吊和150t履带吊配合使用,最大吊件为刀盘,重96t。吊装顺序如下。
    (1)前体下部。包括前盾下部,前盾左侧,管片安装机支撑梁,前盾右侧。以上部件依次下井,前盾3块连接后,安装盾体底部相关管线。(2)主驱。主驱在地面翻转,下井后与前盾连接。(3)前体上部。前体上部下井后,与前体下部主轴承连接。前盾4块结合缝进行焊接。(4)刀盘。刀盘在地面完成拼装焊接,并对法兰清洗后,整体吊入。(5)前体向前推进,吊入盾尾2块下半部。(6)吊入管片拼装机。(7)吊入盾尾上半部,并定位调圆焊接。(8)将盾体往后移,接近反力支座位置,然后焊接盾尾各片,再焊接盾尾与盾体间环向焊缝。
4.2始发台及反力支座安装
    始发基础为长12m、宽2m、高0.5m的钢筋混凝土条形基础,距洞门0.5m处浇筑,顶部预埋钢板。始发台采用钢结构型式,根据盾构姿态进行精确定位,然后与始发基础焊接,在盾构机组装时,始发基座轨道上涂润滑油,以减小盾构机向前推进时的阻力。
    盾构机刀盘进洞切削掌子面时会产生巨大的扭矩,为防止盾壳在始发导轨上发生偏转,在始发导轨两侧的盾壳上焊接工字钢,随着盾构机前行,当接近洞门密封时,再将之割除(见图3)。
南水北调中线穿黄隧洞盾构始发技术_3
     反力支座为钢筋混凝土结构,为负环管片提供反力,与竖井内衬同时浇注完成,顶面预埋10mm厚钢板,以保证反力支座端面平整(见图4)。
南水北调中线穿黄隧洞盾构始发技术_4
 4.3洞门防水密封
    洞门密封装置与洞门预埋的钢环通过螺栓连接在一起,预埋钢环内径9.4m,钢环外侧沿周边均匀布置注浆孔。洞门密封由三道钢丝刷和两道橡胶板组成(见图5),其中每道橡胶板密封由帘布橡胶、圆形板、翻板及连接螺栓等组成,两道橡胶板密封间隔440mm。盾构机始发前对钢丝刷、帘布橡胶、以及盾壳表面涂满油脂,以降低摩擦系数。当盾构刀盘全部通过第三道钢丝刷后,泥水仓开始加压,这时通过预留孔向钢丝刷及橡胶板之间加注油脂,以阻止泥水流向竖井。当盾构机持续前进时,及时向孔内补充油脂,保持油脂压力始终低于泥水压力0.01MPa左右,以达到防水效果。
南水北调中线穿黄隧洞盾构始发技术_5
 4.4洞门凿除
    洞门凿除是始发施工重大风险点之一。本工程始发竖井外侧15m设有一道环形灰浆墙,可起到防渗帷幕的作用,因此提前对始发区域连续抽水,地下水位尽量降低,并打水平孔观察正前方土体加固效果,必要时进行补充加固。洞门凿除分两期,凿除顺序:先上后下,先内后外。采用风镐首先凿除洞圈内的三道横梁,并割除整个掌子面的第一排钢筋,对地下连续墙(墙厚1.5m)从上至下分层凿除,第一层凿除后,作为施工平台,依次向下施工。第一期将地下连续墙凿除深度控制在1m,剩余的0.5m厚的墙壁待始发时再行实施,第一期完工后,盾构机立即前靠。
4.5盾构机调试
    盾构机组装完毕后,连装后配套系统及延伸管线,对液压和电气等关键部件进行压力设定,功能检测。调试内容如下。
    (1)推进系统测试推进速度、油缸压力检测。(2)刀盘驱动系统测试正转、反转功能、最大速度、速度调节、压力等是否正常。(3)液压泵站测试检查液压油过滤、循环系统。(4)管片安装系统测试。各自由度功能检测、真空吸盘功能检测。(5)超挖刀功能测试。(6)浆泵系统测试各个功能是否达到性能要求,换向和调速是否正常。(7)其他辅助液压系统测试。(8)管片吊机功能测试。(9)岩石破碎系统测试。动作、工作压力、破碎能力等。(10)齿轮油循环系统测试。是否正常,液位报警功能等。(11)尾油脂注入系统测试。工作压力是否正常,自动工作情况是否合理。(12)主轴承HBW系统测试:工作压力是否正常,并将刀盘前部油脂注满。(13)脂密封系统是否正常并且将油脂注满主轴承,直至溢出,测量压力是否到达要求,控制部分功能是否正常,小油脂桶液位连锁功能是否正常。(14)测试空气加压系统的控制部分是否正常,压力是否正常。(15)水处理系统循环工况是否正常,压力、速度自动调节是否满足要求。(16)循环系统能否工作,主驱动部分流速是否达标,压力是否正常。(17)盾构机联动控制是否正常,各个环节在控制室的控制情况是否正常。(18)盾构机故障显示测试。
5盾构始发施工
5.1始发步骤
    盾构机调试完毕后,进入始发状态,盾构始发的步骤如下:剩余洞门混凝土凿除→安装超前导轨→负7环管片拼装→调整洞门止水装置→负6环管片拼装→建立泥水循环→回填注浆→进入正常掘进状态。
5.2剩余洞门凿除
    盾构始发一切准备完成以后,以最快速度凿除洞门剩余0.5m厚的混凝土,并拆除脚手架,清理干净场地。
5.3安装超前导轨
    盾构机进入洞门时,由于前方还有近1.4m的空隙,可以在洞门密封内侧架设长约1.2m的两根导轨,以防止盾构机进洞后刀盘下沉,导轨高度略低于始发支座导轨,导轨与盾构基座焊接牢固,导轨上涂抹黄油。推进时左右千斤顶对称加力,确保盾构机在导轨上均匀滑行,使基座的受力合理。
5.4负7环管片安装
    洞门凿除后,盾构机将盾尾内预存的负7环管片推出,使盾构机在短时间内通过导轨进入洞门。
    负环采用钢管片,环宽1.6m,厚度0.4m。其中负1至负7环为开环拼装,每环5片,开口量4.925m。负环第8环为整环拼装,共7片。在拼装第一环负环前,在盾尾管片拼装区安装10根长2m、厚4cm的槽钢。在盾构机内将管片拼装好后,利用千斤顶将整环钢管片缓慢推出,当管片推出1.8m后开始拼第二环,以次类推。对安装到位的负环及时进行支撑,避免负环管片失圆过大引起管片拼装困难。
5.5调整洞门止水装置
    当盾构机刀盘进入洞门后,调整止水装置的活动压板位置并固定,扇形压板与盾壳一般预留5mm左右的间隙。当盾构机的鱼尾刀尖碰壁后,及时调整活动压板与盾构筒体的间隙,一般为5~10mm。其中间隙大小要根据盾构姿态的需要进行调整。
5.6负6环管片安装
    止水装置调整好后,开始拼装负6环,钢管片从负7环开口处吊入,放置于盾构机内预先设置的滑轨上,通过滑轨滑动到拼装机下部开始拼装。
5.7建立泥水循环
    负6环拼好后,盾构机向前掘进,负5环掘进1.2m左右后,开始建立泥水循环。此时泥水压力按下限值设定,只要满足运输要求即可,初步设定值为0.1MPa左右。
5.8回填注浆
    当盾尾通过洞门密封后,立即将压板与洞口负环钢管片焊接固定,并进行回填注浆,以避免洞门间隙处产生水土流失。在始发掘进过程中,当盾尾完全进入洞门后,橡胶止水布帘及压板和管片外壁接触时,间隙落差瞬时扩大至350mm(管片外径8700mm,盾尾外径9870mm),所以为了保证切口水压的稳定必须加大泥水量。
5.9正常掘进
    回填注浆后,即可进入正常掘进状态。盾构姿态按管片的配置,沿轴线的上沿掘进。
6结语
    穿黄隧洞下游线盾构机2007年7月始发,上游线盾构机2008年3月始发,采用基本相同的始发方案。不同之处在于,下游线始发区采取的是高压旋喷桩加密施工,只在洞门补钻了一排冷冻孔;上游线始发区增加了一道塑性混凝土墙并进行了两排辅助冷冻加固。两台盾构机均成功顺利始发。

来源:于澎涛
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张琦0001

中国  | 岩土工程

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