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盾构技术与穿黄隧洞施工

1 盾构施工技术及其发展应用
盾构技术是目前国内外较为广泛采用的软土地基中隧洞机械化开挖的施工技术。由于盾构法在施工技术上的不断改进,机械化、自动化程度越来越高,对地层的适应性也越来越好,在建造城市地铁、穿越江河湖泊的公路和铁路隧道或水工隧道中,盾构法往往因其安全可靠、经济合理而得到广泛采用。

盾构法施工的概貌如图1所示。它的主要方法是:先在隧道一端建造竖井或基坑,以供盾构机安装就位,然后从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发,在地层中沿设计轴线向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中的地层阻力通过盾构千斤顶传至盾尾的预制衬砌,再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构外壳是一个能支承地层压力,又能在地层中推进的钢筒结构,其直径大于隧道衬砌直径。盾构机前部设置各种类型的支撑和开挖装置,尾部是具有一定空间的壳体,周边装有掘进所需的千斤顶。盾构每推进一环距离,就在盾尾支护下拼装一环衬砌,并及时向衬砌环外周的空隙中注浆,防止隧道及地面下沉。在推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
盾构施工适用于软土地区埋深大的隧道工程,可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管线密集区的下部。盾构隧道掘进机器人得以应用并不断地发展,除不断完善软土隧道掘进机(即盾构)及应用技术,又开发出能够适应岩石地层施工的岩石隧道掘进机及应用技术。到目前为止,隧道掘进机已经发展到比较高的水平,并且在工程应用中获得了满意效果。
随着地下空间的开发,盾构技术已广泛地应用于软土层的地铁、隧道、市政管道等工程领域。为适应不同工程的需要,盾构机的形式也越来越多,目前常用的有半机械式、机械式、土压平衡式、泥水加压式、加泥式等,并已生产了断面为圆形、矩形、双圆、三圆、球型盾构、子母盾构等,尺寸也从直径0.2m一18m。盾构机的类型较多,但其工作原理基本相同,主要由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及检测导向机构等几个部分组成。
随着高新技术的发展,盾构机控制技术的科技含量越来越高,遥控控制技术、激光制导技术以及陀螺仪定位系统已普遍应用于盾构机中,使得盾构机的操作、地表沉降的控制更趋简易,隧道的施工质量也越来越好。
我国大型隧道施工装备主要从国外引进。20世纪90年代以来,在引进的基础上我国成功研制并生产了直径3.8一6.34m的土压平衡盾构掘进机10余台,已接近国际先进水平。但由于我国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一定差距,在一些盾构掘进机中适量采用了国外的零部件。在泥水加压盾构方面,我国掌握了设计制造技术,在1997年自行设计制造了1台φ2.2m泥水加压平衡顶管机,用于上海合流二期过江倒虹管隧道工程,在高水压的砂性地层中顺利掘进1220m。目前国外主要生产盾构机的厂家有机是这种施工方法中最主要的施工机具,它是一个既能支檬地层压力又能在地层中推进的钢筒结构体。
早期的盾构,主要利用盾构机械所特有的盾壳作为支护,防止地层的坍塌,以保证在其内部安全地进行开挖和衬砌等各种作业,开挖基本上是采用人工开挖方式。随着隧道工程的不断增多,为适应不同条件下的施工要求和提高施工效率,日本三菱重工、川崎重工、日立造船、德国海瑞克(Herren-knecht AG)公司等。
南水北调中线穿黄隧洞拟采用盾构法施工,这是大型盾构机在软弱地质特别是高水压软弱土层中进行隧洞施工的一次很好的实际应用机会,在技术上也是一次勇敢的挑战,在我国水利工程施工实践中将创造先例。
2 穿黄隧洞工程的盾构施工方案
穿黄隧洞的布置为双线平行隧洞,两条隧洞轴线间距为32m。隧洞轴线长度为3.45km,内径为7.0m,外径为8.7m,衬砌厚度为0.85m。隧洞上覆土层厚约25一31m,围土主要为粉质壤土层或中砂层。根据隧洞既穿越透水砂层,又从粉质壤土中通过,尤其是在砂性土层中透水性强,开挖时自稳性差,还承受高水压力。从土层的颗粒级配、不均匀系数、孔隙率、标贯击数、含水量、渗透系数、施工场地、环境保护等因素分析,宜采用土压平衡式或泥水加压式封闭型盾构。而土压平衡式盾构不宜长距离施工,所以拟采用泥水加压式盾构施工,见图2,而选择合理的施工方案是保证施工安全、经济合理、达到预期进度的关键。

施工拟选用的盾构机外形尺寸主要是:外径8.92m,内径8.8m,长度8.5m;其推进系统、刀盘转速及扭矩、管片拼装机等的技术参数已经基本确定。
施工的主要步骤为:
(l)在隧洞北岸建造竖井;
(2)盾构机在北岸竖井安装就位;
(3)盾构从北岸竖井出发;
(4)盾构机在地层中沿设计洞线向南岸推进,在推进的同时不断安装衬砌管片;
(5)在进口处修建盾构机底座混凝土承台;
(6)盾构抵达南岸邝山输水洞进口处完成掘进施工。
施工前的地基加固措施采用高压喷射注浆法和化学注浆法,也可在条件许可时采用冷冻法。盾构推进过程中,通过控制盾构密封及泥浆的性能指标、输送指标来保持工作面稳定,同时通过盾尾的同步注浆系统进行壁后注浆。施工运输采用双线窄轨及电力机车以及门机等。盾构机的安装、拆除和井口布置方案根据道路状况与现场起吊条件,结合现场情况确定。盾构机的刀具更换拟采用气压法,该法耗时短、费用低,是目前采用较多的方法。
以上简要介绍了穿黄隧洞的施工方案。从国内外工程实践看,埋深较大、地质条件复杂,穿越松散、含水地层的河底隧道,一般采用盾构法施工。与其它方法相比,盾构法具有速度快、安全可靠、经济合理、自动化程度高、信息化施工等优点。制定严密合理的盾构施工方案并在实践中落实,对于保证工程的成功实施具有极其重要的意义。
3 穿黄隧洞工程实施应注意的几个问题
3.1 技术准备应充分可靠
目前穿黄隧道的方案已定,应结合具体方案尽早开展设备选型,先进、可靠、适用的设备是保证工程成功的核心,选择具有丰富经验的施工承包商是工程成功的关键。设备选择应充分考虑设备制造商的类似业绩、设备的细部构造和配件供应以及销后服务,承包商选择应充分考虑类似工程的施工经验,在招标文件中应细化资格条件,适当提高技术方案和业绩的评分比例,确保最优秀的承包商承担施工任务。在招标的时机上应充分考虑设备制造商和施工承包商的准备时间,确保设备的生产周期和施工技术的科学严密。
3.2 施工前的准备工作应得到保证
盾构施工前应做好施工技术准备、生产物资准备、劳动力准备、施工现场准备等工作。应主要注意以下几点:
(1)北岸竖井土建结构完成后方可进行盾构施工,井内须预留盾构出洞的洞门。
(2)根据图纸和施工组织设计的有关要求,按施工进度、材料名称、规格、数量、使用时间、消耗量编制出材料需要量计划,落实货源、运输、仓储、现场堆放及转运的组织措施,保证施工顺利进行。
(3)保证管片的预生产,并落实运输、堆放,保证按时按量供应。
(4)根据所采用的施工方案,确定施工机械的类型、数量、进场时间、运输安装方式、放置的位置等,编制施工机械的需要量计划,保证施工顺利进行。
(5)施工现场地面辅助设施配套工作:做好工程的施工测量控制网布设,保证施工质量;现场三通一平满足盾构机的进场和安装以及施工需要;盾构出土的配套及地面运输系统落实到位;相关的仓储、机修、通信等辅助设施满足开工需要。
3.3 落实进出洞关键工序保证进出洞成功
盾构的进出洞工序是盾构法建造隧道的关键工序,该工序施工技术的保证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。
盾构进出洞施工的关键在于:
(l)建立推进施工的良好后盾系统;
(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,使盾构顺利切人土体,并支护正面土体,从而进人正常施工状态;
(3)洞口建筑空隙的密封;
(4)防止出现洞门处土体涌人井内、洞口周圈涌泥水、盾构出工作井洞口时上抬或下沉、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。
3.4 做好遭遇不良地质情况的应急措施
穿黄隧洞地质资料成果较多,穿越的地层情况也基本查明,但仍然无法保证在施工中遇到孤石、古树等意外的不良地质条件。应采取一定的工程措施进行预防处理,如:设置超声波探测仪,加强施工时的超前地质预报,发现情况及时处理;设置破碎设备,当遇到孤石、古树等不良地质情况时,可将其破碎成渣块,顺泥浆管排出;若仍有尺寸相对较大的渣块,可在盾构刀盘上安装可伸缩的冲击钻,从进人舱进人盾构机前部,破碎处理前方障碍物等措施。
总之,穿黄隧洞工程规模大,施工技术复杂,设计单位通过多年的勘察研究,已有了可靠的设计方案,盾构施工在国内外已是广泛采用,并积累了丰富的经验,只要充分了解到潜在的问题并加以研究解决,就能保证施工的顺利进行,实现工程按期完工的总目标。

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