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地铁区间隧道超薄覆土下 大直径盾构始发与接收技术

摘 要:针对超薄覆土条件下大直径盾构始发与接收对土体扰动大、盾构机掘进参数及姿态难控制、地面沉降坍塌等施工安全风险问题,提出了采取地面袖阀管注浆加固、端头地层素混凝土换填、洞门大管棚超前加固和盾构掘进参数控制的措施,建立了地铁区间隧道超薄覆土下大直径盾构始发与接收技术。该技术成功应用于成都地铁 18 号线天 ~ 龙区间的始发与接收,地表沉降最大值仅为 2. 9 mm,确保了施工安全。
0 引 言
  在城市地铁区间隧道施工中盾构始发与接收存在涌水突泥甚至盾构机沉陷的安全风险,如 2007 年11 月 20 日,南京地铁二号线中和村站 ~ 元通站区间元通站右线南端头盾构接收时发生渗漏事件,导致盾构机被埋于地面塌陷的土体中。为了稳定开挖面和确保周边环境安全,盾构始发与接收都必须做好端头加固工作。目前加固方法较多,有旋喷桩、深层搅拌桩、地表袖阀管注浆、素混凝土桩及水平注浆加固法和冻结法等,常采用多种加固方法、选择合理的加固范围以及控制好盾构掘进的参数,方能保证盾构始发与接收的安全。
  随着我国城市地铁的不断发展,遇到了特殊条件的盾构施工技术难题,如富水砂层地铁区间隧道盾构掘进、城市地铁区间盾构隧道超净距下穿市政公路隧道的施工安全影响、盾构下穿运营隧道、重叠隧道盾构下穿高铁轨道群沉降控制、深井下泥水盾构始发与接收、富水砂层因极易发生涌水涌砂风险采用钢套筒辅助以及曲线区间盾构始发与接收等。郭艺真以穗莞深城际铁路太平隧道为依托,研究了浅覆土软弱地层中曲线条件下土压平衡盾构机的始发技术,提出了在浅覆土土加载措施,控制了管片的上浮量,确保了始发安全。
  成都地铁 18 号线工程土建 4 标天 ~ 龙区间大直径盾构始发与接收段埋深浅,盾构机直径为8. 65 m、覆土厚度仅为 4. 1 ~ 6. 8 m,盾构始发与接收对土体扰动大、盾构机掘进参数及姿态难控制、地面沉降坍塌等问题,超薄覆土条件下大直径盾构始发与接收安全风险高,故开展“地铁区间隧道超薄覆土下大直径盾构始发与接收技术”的开发具有重要意义。图 1 超薄覆土断面示意( 单位: m)
1 依托工程概况
  成都地铁 18 号线工程土建 4 标天府新站 ~ 龙泉山隧道进口段盾构区间沿线依次下穿东风渠河道、森瑞公司,含合江车辆段出入线两个区间。左线起讫里 程 为 YDK 39 + 628. 570 ~ YDK40 + 345. 000、ZDK 39 + 841. 000 ~ ZDK40 + 345. 500,左 线 全 长504. 500 m。右线起讫里程为 YDK 39 + 628. 570 ~YDK40 + 345. 000、YDK 39 + 841. 000 ~ YDK40 +345. 500,右线长链为 19. 539 m,右线全长 735. 969m。区间端头覆土在 4. 1 ~ 6. 8 m,如图 1 所示。区间两侧主要为现状农田、林地,山头较多,地形起伏大。
  区间场地覆盖层均为第四系( Q) ,地表多为人工填土( Q4ml ) 覆盖,其下为全新统冲积( Q4al ) 黏土、粉质黏土、粉土、砂土及卵石土,上更新统冰水沉积、冲积( Q3fgl + al ) 砂土及卵石土,下伏基岩为白垩系上统灌口组( K2g ) 泥岩、砂岩,白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组( K1t-J3p ) 泥岩、砂岩、砾岩。
  区间设计时速 140 km /h,区间隧道内径 7 500mm,隧道外径 8 300 mm,管片厚度 400 mm,管片宽度 1 500 /1 800 mm。采用中国铁建重工集团有限公司研制的 ZTE8600 土压平衡盾构机施工,其刀盘直径 8. 65 m,主机不包含螺旋机长度为 10. 5 m、包含螺 旋 机 长 约 16. 5 m,盾构机及其后配套全长114 m。
2 超薄覆土盾构始发与接收技术
2. 1 地面袖阀管注浆加固
  在始发与接收端头从地面采用 ¢ 50 袖阀管对土体进行注浆加固,加固范围为左右线始发井端头10 m × 10 m、深度为 16 ~ 19 m( 要求到隧道底部以下 3 m 以上) ,袖阀管间距 2 m × 2 m、梅花型布置。采用水泥浆液,水灰比 0. 8∶1 ~ 1∶1,注浆压力 0. 3 ~0. 5 MPa。采取分段式注浆,每段注浆长度为注浆步距。开口钢管长度为注浆步距长度,这样可以有效地减少地层不均一性对注浆效果的影响。注浆过程中,每段注浆完成后,向上或向下移动一个步距的芯管长度,宜采用提升设备移动或人工采用 2 个管钳对称夹住芯管,两侧同时均匀用力,将芯管移动,每完成 3 ~ 4 m 注浆长度,要拆掉一节注浆芯管。注浆结束后,在注浆管上口盖上闷盖,以便于复注施工。加固 28 d 后对地层进行取芯抗压试验,其无侧限抗压强度应不小于 1 MPa 方满足加固要求,若不满足应进行补注浆。
2. 2 端头地层换填
  盾构始发与接收影响范围内端头采用 C15 素混凝土换填,其上面部分地层采用掺 6% 水泥的砂卵石回填并分层夯实,如图 2 所示,回填需满足盾构始发与接收机械设备对地层承载力的要求。
2. 3 洞门大管棚超前加固
  通过对始发与接收段地层分析后提出端头洞门大管棚加固方案,如图 3 所示。采用直径为 108 mm的大管棚,长度为 15 m,环向间距为 350 mm,布置在拱部 120°范围,每个洞门共布设 28 根。洞门大管棚施工过程中严格把控施工质量,确保采用大管棚加固端口洞门的效果达到预期要求,现场施工照片如图 4 所示。
2. 4 盾构掘进参数控制
  盾构掘进参数控制值列于表 1 中,保证掘进施工中姿态正常、盾构机可控,平稳完成始发与施工。盾构掘进速度控制在 10 ~ 20 mm /min,并根据监测结果和出土情况进行调整。盾构机水平姿态控制在± 20 mm,垂直姿态控制在前点 - 20 ~ - 10 mm,后点 - 25 ~ - 45 mm。采用泡沫剂进行渣土改良,原液比例为 2% ,流量调整至 450 ~ 500 mL /min,刀盘加水和土舱加水相结合,确保渣土和易性。实际出土体积与理论体积误差量应控制在 ± 3% 以内,在掘进过程中,严格控制每环的出土量,并作好记录。
  同步注浆量每环至少在 8. 4 m3 以上,注浆点位以上部 1 点和 6 点为主,中间 2 点和 5 点为辅,下部 3 点和 4 点少量注浆。每 m3 同步注浆材料配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶ 砂∶ 水 = 230 kg∶ 320 kg∶ 90 kg∶ 1000 kg∶480 kg,注浆压力 0. 1 ~ 0. 2 MPa。
  二次注浆每两环注一次,根据管片姿态、监控
量测结果和同步注浆量来确定注浆量和选择注浆点位。二次注浆选择双液浆,其中水泥浆液的水灰比1∶1、水玻璃与水混合液的配比 1∶ 1,水泥浆液和水玻璃与水混合液的配比为 1∶ 1( 体积比) 。二次注浆如图 5 所示,压力控制在 0. 2 ~ 0. 3 MPa,其凝结时间 25 ~ 40 s。盾构机掘进至盾尾进入洞门约 5 m 时,及时进行洞内管片壁后注浆,壁后注浆直至上部管片开孔有浆液冒出后,封闭管片开孔,保证隧道内壁后浆液填充饱满,防止洞门漏水、渗水。
3 技术应用效果分析
3. 1 地面监测结果
  采用电子水准仪对始发及接收端头地面进行了实时监测,最大沉降为 2. 9 mm,确保盾构机在穿越浅覆土时地面沉降在可控范围以内,保证盾构机顺利始发与接收。
3. 2 经济效益分析
  该技术减少洞门破除施工工序,每个洞门破除需 3 天,每天 18 人,共 8 个洞门,节省人工费 8 ×3 × 18 × 300 元/天 = 12. 96 万元,节省机械费 3 × 8 ×3 000 元/天 = 7. 2 万元。每个洞门提前 1 天时间完成洞门封堵,每天盾构平均掘进 10. 8 m,节省盾构租赁费 8 × 11 000 元/m × 10. 8 = 95. 04 万元。消耗材料费用 17 万元,则总的经济效益为 98. 2 万元。
4 结 语
  针对超薄覆土下大直径盾构始发与接收时地面沉降和盾构机自身姿态控制困难、风险高、易发生安全事故,为保证始发与接收的顺利进行,确保施工进度、质量与安全可控,提出了采取地面袖阀管注浆加固、端头地层换填、洞门大管棚超前加固和盾构掘进参数控制的措施,建立了地铁区间隧道超薄覆土下大直径盾构始发与接收技术。该技术有效地解决了地表沉降甚至坍塌的技术难题,加快了盾构施工速度,缩短了施工工期,降低了工程造价。同时,避免了人工破除洞门产生的安全隐患,保证隧道管片壁后浆液饱满,确保了施工安全,为今后类似工程提供技术指导。

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