摘 要 文章簡要地介紹了盾構法施工的基本概念和工法要點,對廣州軌道 交通 三號線客-大區間盾構施工的技術方案做了初步 總結 與評價,並根據施工過程中的實際體會,深入 研究 了技術要點和管理 方法 ,可為今後進一步提高盾構法施工技術水平作 參考 。
關鍵詞 盾構隧道 盾構機 施工技術
1 工程概況
客-大(客村至大塘)區間為兩條平行的分離式單線圓形盾構隧道,左右線總長為3076.93m(其中盾構隧道長3016.93m),共設3個聯絡通道、1個泵房、1個中間風井及左右線擴大段礦山法隧道、8個接口洞門。
線路最大坡度為30‰,曲線半徑為1000m,隧道覆土厚度9.6～24m。
客-大區間圓形隧道外徑6.0m,內徑5.4m,管片厚度300mm,管片寬度1.5m,分塊數為6塊,採用錯縫拼裝。環間採用三元乙丙橡膠止水條止水,同步注漿填充管片與地層空隙。管片混凝土強度等級為C50,抗滲等級不小於S12。
該區間隧道沿線建築物密集,有170多棟樓房,其中確定房屋樁基底到隧道頂面之距小於3m的共有14座。
區間YCK7+130.408至YCK8+230段圍岩主要為強風化和中等風化岩石,圍岩級別為Ⅲ～Ⅳ級,岩質較均一,岩性強度較高,自穩能力較好,但節理裂隙較發育,局部易碎裂坍塌。
區間YCK8+230至YCK8+668.4段圍岩主要為全風化和可塑至硬塑狀殘積層,圍岩級別為Ⅰ～Ⅱ級,土層自穩能力較好,但強度較低,且隧道埋深較淺,整體穩定性相對較差。
盾構隧道採用一台海瑞克Φ6.25m復合式土壓平衡盾構機從大塘站北端頭右線盾構工作井下井拼裝始發,向北掘進,在客-大區間暗挖段洞室內調頭後,返迴向南掘進左線,在大塘站北端頭盾構工作井解體吊出。盾構隧道掘進過程示意見圖1。
本工程的主要特點和難點是盾構在密集建築群下的推進和盾構機在暗挖地下洞室內的調頭。
客-大區間盾構施工場地分為兩個階段,右線施工為第一個階段,施工場地在大塘站北部;左線施工為減小軌道運輸的運距和便於附屬結構施工,將盾構場地轉至客-大暗挖區間的施工豎井場地。
盾構機於2003年4月18日進場,經組裝、調試,採用軟岩刀具於5月26日始發,推進480m後於8月9日至8月15日更換硬岩刀具繼續推進至609m,於8月31日到達已完工的礦山法隧道和中間風井。9月16日由風井二次始發,推進898m,於2004年元月2日貫通右線。2004年元月至2月完成在地下洞室內的調頭,2月26日左線始發,在8月19日貫通左線,到達大塘站,符合實施性施工組織設計進度安排。施工過程中未發生坍塌現象,隆降控制良好,隧道上方受 影響 範圍內的170幢房屋安全無恙。總體講基本順利,雖未創出高的掘進水平,但基本掌握了盾構法施工技術。工程進度、安全、質量、施工技術與管理得到業主、監理的充分肯定,被廣州地鐵總公司評為優秀項目經理部,創出良好的信譽。
2 客-大區間盾構施工的總結與探討
在客-大區間盾構施工過程中,針對工程的特點、地質情況和現有的施工技術水平,借鑑兄弟單位的成功經驗,認真研究優化,提出並實施了不少的成功的方案。
2.1 盾構機
2.1.1 盾構機的選型原則
盾構機是盾構施工的關鍵,一般的選型原則是要適合隧道設計的特點、地質特點、環境特點,選型要有針對性。但是一台盾構機價值幾千萬元人民幣,又有10km的壽命,對施工區域廣闊的 企業 ,在選型時不能僅看到眼前的項目,還要應對可能出現變化的條件(尤其是地質變化),所以,盾構機的主要技術參數選擇要考慮一定的通用性。
2.1.2 盾構機的使用情況與 問題
海瑞克盾構機在廣州軌道交通二號線工作良好,成為首選。客-大區間盾構經過2.5km的掘進,其主要技術性能、參數基本滿足施工要求,但對付硬岩很困難。隨著施工中的體會和廣泛了解,海瑞克盾構機還存在許多需改進的地方。
(1)盾構機的推力和刀盤的扭矩
盾構機的設計總推力為34210kN,但在實際使用中未超過12000kN。軟土地層一般採用土壓平衡模式,推力為5000～6000kN;在其他岩石單軸抗壓強度超過100MPa的地段,總推力也未超過15000kN,海瑞克現場指導人員也不主張採用超過12000kN以上的推力。推力的設計首先要保證能夠使刀具按設定貫入量(刀盤每轉刀具貫入岩石的深度)貫入一定強度的岩石,但盾構機破岩機理是刀盤旋轉帶動滾刀滾動擠壓破岩,所以扭矩必須足夠。
刀盤的扭矩設計為4500kN·m,脫困扭矩為5300kN·m。實際使用中,在軟岩、軟硬不均地層中,常有超過設定扭矩值而自動停機的問題。尤其在採用土壓平衡模式粘性土層中掘進時,扭矩也很大,經常超過設定值。
從 目前 使用情況來看,推力與扭矩的設置是不匹配的,即推力可減小,扭矩還應適當增加,應詳細地 計算 驗證,修正設計。
(2)刀盤的轉速
按海瑞克的設計,刀盤的轉速設定為兩檔,低檔為0～3r/min,高檔為3～6r/min。使用高檔(3～6r/min)是通過加大液壓油流量來實現的,從而影響了機械壽命和設計強度。實踐證明,刀盤轉速只需要3r/min以下就可以滿足施工要求。
(3)刀盤與刀具
①刀盤的開口率
客-大盾構機刀盤的開口率不能變化,且中心區開口率小,不適應有粘性軟土地層的需要,易形成泥餅。拉瓦特、海瑞克都已製造了開口率可調的盾構機,不僅能適應各種地層的掘進,而且為在不良地層下換刀提供了一定的安全保障。
②單刃滾刀、雙刃滾刀及刀間距
海瑞克的雙刃滾刀設計從實踐看來對付40MPa以上的岩石已十分困難。雙刃滾刀要同時破200mm左右範圍的岩石,肯定不如單刃滾刀破100mm範圍岩石的效果好。在軟硬不均的岩層中,應採用單刃滾刀及相應的刀盤設計,刀間距應取85mm左右。
(4)變頻電機直接傳動和液壓傳動
海瑞克採用液壓傳動,但隨著變頻技術的日益完善,採用變頻電機直接傳動比液壓傳動優點多,首先是變頻電機直接傳動的機械效率高;其次可以減少發熱環節,減少冷卻水用量,減小噪音,且使用維護相對簡單,所以應選擇變頻電機直接傳動。
(5)便於操作維修的人性化設計
威爾特、小松盾構機在通道、管片拼裝工作檯的設計上大大優於海瑞克,人員可以直接在通道上從操作室到盾體前部。
(6)注漿系統
注漿系統要保持同步,二次注漿設備也應設計在後拖台車上,並要求在不影響正常掘進的情況下,可以進行二次注漿施工。
以上僅就盾構機的一些問題進行 分析 ,結論是:海瑞克應做出設計理念的清理和設計方案的改進。
2.1.3 盾構機的國產化與零部件的代用
盾構機應有大量的結構部件可國產化,現已國產化的絕大部分是鋼結構件,對於許多泵(如泡沫泵、膨潤土泵等)及液壓管路、空壓機、皮帶輸送機,國內已有成熟的電器設備、零部件可直接代用,但國產刀具還需進一步研究。輔助性的螺栓、擋板進口一件動輒幾百元,而代用自製產品僅幾十元。
2.1.4 盾構機的保養與維修
做好盾構機的保養與維修是保證盾構機正常工作,尤其是保證盾構機使用壽命的關鍵。建立強制保養制度十分重要,但根本的保證是要培養一班穩定的熟練維修保養人員,包括技術幹部和技術工人。
2.2盾構施工的主要配套設備
2.2.1施工平面設計是配套設備選型的前提
關鍵設備龍門吊的起重能力、跨距、提升高度、卸土方向及方式是決定龍門吊設計和造價的重要參數。客-大盾構始發井洞口大且長,周圍還有風亭和出入口,平面布置給龍門吊設計和造價帶來很大的影響,功能複雜、造價高、故障率也高。管片擺放、下井的位置也影響管片龍門吊或汽車吊的配置。
管片進場擺放既要便於管片運輸車的進場卸貨,又要便於及時選擇管片的點位和下井。
實踐證明,平面布置應以儘量減小提升土斗龍門吊的壓力為原則,由此才能保證掘進進度。
2.2.2 運輸方案的選擇與機車車輛的配置
採用一列車將一環碴土運完,並足量供應同步注漿漿液等輔助材料,有利於快速掘進。但要求盾構機後配套,即皮帶運輸機要足夠長,機車牽引力足夠(因為地鐵線路縱坡一般較大),機車、車輛制動性能良好。
實踐證明,採用兩列車裝完一環碴土的方案只要安排合理,各項工作穿插進行,總體講不會影響進度。這樣,可以選擇小噸位的機車,能減少投資。機車、碴車編組,還有許多方案可設計,如保證不間斷掘進「雙機車分部牽引方案」等,應進一步研究。
關鍵詞 盾構隧道 盾構機 施工技術
1 工程概況
客-大(客村至大塘)區間為兩條平行的分離式單線圓形盾構隧道,左右線總長為3076.93m(其中盾構隧道長3016.93m),共設3個聯絡通道、1個泵房、1個中間風井及左右線擴大段礦山法隧道、8個接口洞門。
線路最大坡度為30‰,曲線半徑為1000m,隧道覆土厚度9.6～24m。
客-大區間圓形隧道外徑6.0m,內徑5.4m,管片厚度300mm,管片寬度1.5m,分塊數為6塊,採用錯縫拼裝。環間採用三元乙丙橡膠止水條止水,同步注漿填充管片與地層空隙。管片混凝土強度等級為C50,抗滲等級不小於S12。
該區間隧道沿線建築物密集,有170多棟樓房,其中確定房屋樁基底到隧道頂面之距小於3m的共有14座。
區間YCK7+130.408至YCK8+230段圍岩主要為強風化和中等風化岩石,圍岩級別為Ⅲ～Ⅳ級,岩質較均一,岩性強度較高,自穩能力較好,但節理裂隙較發育,局部易碎裂坍塌。
區間YCK8+230至YCK8+668.4段圍岩主要為全風化和可塑至硬塑狀殘積層,圍岩級別為Ⅰ～Ⅱ級,土層自穩能力較好,但強度較低,且隧道埋深較淺,整體穩定性相對較差。
盾構隧道採用一台海瑞克Φ6.25m復合式土壓平衡盾構機從大塘站北端頭右線盾構工作井下井拼裝始發,向北掘進,在客-大區間暗挖段洞室內調頭後,返迴向南掘進左線,在大塘站北端頭盾構工作井解體吊出。盾構隧道掘進過程示意見圖1。
本工程的主要特點和難點是盾構在密集建築群下的推進和盾構機在暗挖地下洞室內的調頭。
客-大區間盾構施工場地分為兩個階段,右線施工為第一個階段,施工場地在大塘站北部;左線施工為減小軌道運輸的運距和便於附屬結構施工,將盾構場地轉至客-大暗挖區間的施工豎井場地。
盾構機於2003年4月18日進場,經組裝、調試,採用軟岩刀具於5月26日始發,推進480m後於8月9日至8月15日更換硬岩刀具繼續推進至609m,於8月31日到達已完工的礦山法隧道和中間風井。9月16日由風井二次始發,推進898m,於2004年元月2日貫通右線。2004年元月至2月完成在地下洞室內的調頭,2月26日左線始發,在8月19日貫通左線,到達大塘站,符合實施性施工組織設計進度安排。施工過程中未發生坍塌現象,隆降控制良好,隧道上方受 影響 範圍內的170幢房屋安全無恙。總體講基本順利,雖未創出高的掘進水平,但基本掌握了盾構法施工技術。工程進度、安全、質量、施工技術與管理得到業主、監理的充分肯定,被廣州地鐵總公司評為優秀項目經理部,創出良好的信譽。
2 客-大區間盾構施工的總結與探討
在客-大區間盾構施工過程中,針對工程的特點、地質情況和現有的施工技術水平,借鑑兄弟單位的成功經驗,認真研究優化,提出並實施了不少的成功的方案。
2.1 盾構機
2.1.1 盾構機的選型原則
盾構機是盾構施工的關鍵,一般的選型原則是要適合隧道設計的特點、地質特點、環境特點,選型要有針對性。但是一台盾構機價值幾千萬元人民幣,又有10km的壽命,對施工區域廣闊的 企業 ,在選型時不能僅看到眼前的項目,還要應對可能出現變化的條件(尤其是地質變化),所以,盾構機的主要技術參數選擇要考慮一定的通用性。
2.1.2 盾構機的使用情況與 問題
海瑞克盾構機在廣州軌道交通二號線工作良好,成為首選。客-大區間盾構經過2.5km的掘進,其主要技術性能、參數基本滿足施工要求,但對付硬岩很困難。隨著施工中的體會和廣泛了解,海瑞克盾構機還存在許多需改進的地方。
(1)盾構機的推力和刀盤的扭矩
盾構機的設計總推力為34210kN,但在實際使用中未超過12000kN。軟土地層一般採用土壓平衡模式,推力為5000～6000kN;在其他岩石單軸抗壓強度超過100MPa的地段,總推力也未超過15000kN,海瑞克現場指導人員也不主張採用超過12000kN以上的推力。推力的設計首先要保證能夠使刀具按設定貫入量(刀盤每轉刀具貫入岩石的深度)貫入一定強度的岩石,但盾構機破岩機理是刀盤旋轉帶動滾刀滾動擠壓破岩,所以扭矩必須足夠。
刀盤的扭矩設計為4500kN·m,脫困扭矩為5300kN·m。實際使用中,在軟岩、軟硬不均地層中,常有超過設定扭矩值而自動停機的問題。尤其在採用土壓平衡模式粘性土層中掘進時,扭矩也很大,經常超過設定值。
從 目前 使用情況來看,推力與扭矩的設置是不匹配的,即推力可減小,扭矩還應適當增加,應詳細地 計算 驗證,修正設計。
(2)刀盤的轉速
按海瑞克的設計,刀盤的轉速設定為兩檔,低檔為0～3r/min,高檔為3～6r/min。使用高檔(3～6r/min)是通過加大液壓油流量來實現的,從而影響了機械壽命和設計強度。實踐證明,刀盤轉速只需要3r/min以下就可以滿足施工要求。
(3)刀盤與刀具
①刀盤的開口率
客-大盾構機刀盤的開口率不能變化,且中心區開口率小,不適應有粘性軟土地層的需要,易形成泥餅。拉瓦特、海瑞克都已製造了開口率可調的盾構機,不僅能適應各種地層的掘進,而且為在不良地層下換刀提供了一定的安全保障。
②單刃滾刀、雙刃滾刀及刀間距
海瑞克的雙刃滾刀設計從實踐看來對付40MPa以上的岩石已十分困難。雙刃滾刀要同時破200mm左右範圍的岩石,肯定不如單刃滾刀破100mm範圍岩石的效果好。在軟硬不均的岩層中,應採用單刃滾刀及相應的刀盤設計,刀間距應取85mm左右。
(4)變頻電機直接傳動和液壓傳動
海瑞克採用液壓傳動,但隨著變頻技術的日益完善,採用變頻電機直接傳動比液壓傳動優點多,首先是變頻電機直接傳動的機械效率高;其次可以減少發熱環節,減少冷卻水用量,減小噪音,且使用維護相對簡單,所以應選擇變頻電機直接傳動。
(5)便於操作維修的人性化設計
威爾特、小松盾構機在通道、管片拼裝工作檯的設計上大大優於海瑞克,人員可以直接在通道上從操作室到盾體前部。
(6)注漿系統
注漿系統要保持同步,二次注漿設備也應設計在後拖台車上,並要求在不影響正常掘進的情況下,可以進行二次注漿施工。
以上僅就盾構機的一些問題進行 分析 ,結論是:海瑞克應做出設計理念的清理和設計方案的改進。
2.1.3 盾構機的國產化與零部件的代用
盾構機應有大量的結構部件可國產化,現已國產化的絕大部分是鋼結構件,對於許多泵(如泡沫泵、膨潤土泵等)及液壓管路、空壓機、皮帶輸送機,國內已有成熟的電器設備、零部件可直接代用,但國產刀具還需進一步研究。輔助性的螺栓、擋板進口一件動輒幾百元,而代用自製產品僅幾十元。
2.1.4 盾構機的保養與維修
做好盾構機的保養與維修是保證盾構機正常工作,尤其是保證盾構機使用壽命的關鍵。建立強制保養制度十分重要,但根本的保證是要培養一班穩定的熟練維修保養人員,包括技術幹部和技術工人。
2.2盾構施工的主要配套設備
2.2.1施工平面設計是配套設備選型的前提
關鍵設備龍門吊的起重能力、跨距、提升高度、卸土方向及方式是決定龍門吊設計和造價的重要參數。客-大盾構始發井洞口大且長,周圍還有風亭和出入口,平面布置給龍門吊設計和造價帶來很大的影響,功能複雜、造價高、故障率也高。管片擺放、下井的位置也影響管片龍門吊或汽車吊的配置。
管片進場擺放既要便於管片運輸車的進場卸貨,又要便於及時選擇管片的點位和下井。
實踐證明,平面布置應以儘量減小提升土斗龍門吊的壓力為原則,由此才能保證掘進進度。
2.2.2 運輸方案的選擇與機車車輛的配置
採用一列車將一環碴土運完,並足量供應同步注漿漿液等輔助材料,有利於快速掘進。但要求盾構機後配套,即皮帶運輸機要足夠長,機車牽引力足夠(因為地鐵線路縱坡一般較大),機車、車輛制動性能良好。
實踐證明,採用兩列車裝完一環碴土的方案只要安排合理,各項工作穿插進行,總體講不會影響進度。這樣,可以選擇小噸位的機車,能減少投資。機車、碴車編組,還有許多方案可設計,如保證不間斷掘進「雙機車分部牽引方案」等,應進一步研究。
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