盾构区间总体施工方案Word文档下载推荐.docx
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2.1工程地质
(1)工程拟建场地涉及3个工程地质层,其中第①层分为3个亚层,具体为
①1①2①3其中②层分为11个亚层,具体为②1②2②3②4②5②6②7②10②11②12②13其中③层分为11个亚层,具体为③1③2③3③4③5③6③7③9③10③11③12。
其中①1杂填土①2素填土①3杂填土②1粉土②2粉砂②3粉土②4粉质粘土②5粉质粘土②6粉质粘土②7粉土②10淤泥质粉质粘土②13粘土③1粉质粘土③2粉土③3粉质粘土③4粘土③5粉砂③6粉质粘土③7粘土③10淤泥质粉质粘土。
(2)工作站和盾构区间穿越的土层
盾构区间通过的土层为②5粉质粘土②6粉质粘土②7粉土②10淤泥质粉质粘土②11②12②13③1粉质粘土③2粉土③3粉土③4粘土③5粉砂③6粉质粘土③7粘土。
盾构井开挖的土层为①1杂填土①2素填土①3杂填土②1粉土②2粉砂②3粉土②4粉质粘土②5粉质粘土②6粉质粘土②10淤泥质粉质粘土③1粉质粘土。
(3)注意事项
①勘察范围内浅部含淤泥质土较多,其中②10淤泥质粉质粘土分布比较连续,
②11呈透镜体状分布;
中部分布有③9③10③11③12等淤泥质土,分布不连续,呈透镜体状分布,工程性质差,含水量高,孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性弱,且具有明显的触变、流变特性,在动力作用下土体结构易破坏,造成土层流动以致开挖面失稳。
②该场地存在饱和粉细砂和粉土,包括②1②2②3②7②11②12盾构在粉性土层中由于承压水的动应力作用,易产生流砂、管涌等不良地质作用,引起开完面失稳,造成工程事故;
而且由于涌水、涌砂将导致地层位移,引起场地周围地面沉降,严重时会随着地层空洞的扩大引起地面突然坍塌等灾难性事故。
故施工时尤其应防止突然性大量涌水和流砂。
③区间的不良地质现象为砂石液化,液化层有②2粉砂②7粉土和②12层细砂。
2.2水文条件
本工程南北工作站紧邻纳潮河,盾构区间下穿纳潮河。
地下水丰富。
地下水对混凝土有弱腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性,对钢结构有弱腐蚀。
2.3气候条件
唐山市曹妃甸地区地处中纬度欧亚大陆东侧,属暖温带半湿润-半干旱季风气候,夏季比较炎热,冬季比较寒冷,近10年平均气温为12.5-13.7℃。
多年平均降水量568.3mm,6-8月降水占全年的80%以上。
3始发前的准备
为了确保盾构始发时的施工安全,确保地层稳定,以防端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况,根据始发端头的工程地质、水文地质及管线状况和端头结构等综合分析与评价,对端头井进行土体加固,分别进行三轴搅拌桩加固和旋喷桩加固两种方式,详情请见《盾构始发及接收端头地层加固施工方案》。
3.1环境监测
本区间多被河流覆盖,在始发前需要对沿线进行调查确认,确保盾构施工的安全。
3.2附属设施布置
参见附图1《盾构掘进场地平面布置图》。
3.3洞门围护结构凿除
洞门凿除待盾构调试完毕推进前一天开始,首先割除六根700×
300mm“工”字钢支撑,用风镐按图1所示顺序依次从1至9凿除混凝土,至迎土面钢筋外露为止。
推进盾构机,使刀盘顶在洞门内侧钢筋后停止推进,用气割在刀盘土仓内割除钢筋,检查并保证无残余钢筋。
洞门凿除过程的应急安全预案:
发现洞门土体有坍塌预兆,如开裂、鼓肚、掉碎石块等,迅速撤退作业人员,将刀盘推向掌子面,顶住土体,确保洞门掌子面稳定,在土仓内割除残留钢筋后,开始始发掘进。
图1洞门凿除顺序图
3.4始发台安装
在洞门凿除完成之后,依据管廊设计轴线定出盾构始发姿态的空间位置,然后反推出始发台的空间位置,始发台的安装高程可根据端头地质情况适当进行抬高。
由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩,所以在盾构始发之前,必须对始发台两侧进行必要的加固。
3.5反力架安装
其结构见图2。
图2反力架结构示意图
在盾构主机组装完毕后,进行反力架的安装。
由于反力架为盾构始发时提供反推力,在安装反力架时,反力架端面应与始发台轴线垂直,以便盾构轴线与管廊设计轴线保持平行。
安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实,以保证反力架脚板有足够的抗压强度。
3.6洞门密封安装
洞门密封装置见图3。
图3洞门密封示意图
洞口密封采用帘布橡胶和折页式压板密封。
其施工分两步进行,第一步在始发端墙施工过程中,做好始发洞门预埋件的埋设工作,在埋设过程中预埋件必须与端墙结构钢筋连接在一起;
第二步在盾构正式始发之前,清理完洞口的碴土后及时安装洞口密封压板及橡胶帘布板。
4盾构机下井组装调试
由于盾构始发场地满足盾构机及后配套台车一次下井及吊装材料、出土的施工要求,所以盾构机及后配套台车组装在井下一次完成。
盾构机组装调试在始发前已经完成。
5负环管片安装
负环管片为标准环管片。
管片为350mm厚,内径为5500mm,外径为6200mm。
在盾构机内拼装好整环后利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出盾尾,由于始发支座轨道与管片外侧有130mm的空隙,为了避免负环管片全部推出盾尾后下沉,在始发台导轨上点焊圆钢,或架设管片托架,以填充始发支座轨道与管片外侧的空隙,将负环混凝土管片托起。
第二环负环以后管片将按照正常的安装方式进行安装。
随着负环管片的拼装负环钢管片将很快靠在反力架上,负环进一步拼装,盾构机快速地通过洞门进行始发掘进施工。
图4负环管片定位示意图
6始发阶段劳动力组织
项目部下设两个作业队承担始发阶段施工任务,其中安排一个掘进队,一个地面综合队。
参见下表1:
表1劳动力组织一览表
单位名称
管理人员
技术员
技术工
合计
备注
项目部
32
9
6
47
掘进队
4
28
70
102
地面综合队
1
10
21
37
86
170
7洞门的防、止水施工
7.1防、止水目的及设计
盾构机初始掘进时,由于始发井内衬墙预留孔洞直径为6800mm,盾构机前体直径为6450mm,所以当盾构机前体进入内衬墙后,将会在内衬墙与盾构机前体机壳间形成175mm的空隙。
为了防止在始发掘进时水和土体从间隙处流失,需增设临时密封装置。
根据其他工程施工经验及本工程的实际情况,洞口密封采用简便有效的橡胶密封帘布板配扇形密封压板。
帘布橡胶板是由氯丁橡胶加棉纱线、尼龙线复合而成,通过它和管片的密贴来防止盾尾过洞前的渗漏水以及盾尾过洞后管片背后注浆时的浆液外流。
扇形压板压紧帘布橡胶板,保证帘布橡胶板在注浆压力下不翻转。
7.2施工方法
7.2.1密封装置的施工分两步进行:
第一步:
在始发端墙施工工程中,做好始发洞门预埋钢环板的埋设工作。
第二步:
在盾构正式始发之前,清理完凿除的洞门碴土,修平洞圈范围内外露钢筋头及凹凸不平的混凝土面后,依次在洞圈安装橡胶帘布环状板、扇形压板等组成的密封装置(参见图3),作为盾构始发施工阶段临时的防水措施,洞门止水装置详见图5洞门防水示意图。
图5洞门防水示意图
7.2.2洞口的临时止水分为两个阶段:
第一阶段:
盾构机始发掘进时,由于盾构机机体(前中体+盾尾)长9.3米,盾尾尚未过洞期间,洞门的防水措施主要依赖于由橡胶帘、扇形压板组成的临时止水装置。
由于洞口段土体地下水发育、自稳性相对较差,同时受预埋钢环和盾构机机体安装时偏心的影响,橡胶帘与盾构机壳体圆心不重合,从而造成橡胶帘受力不均。
过大的土压力会造成橡胶帘变形,导致密封性能下降而引起水土流失,此时应将橡胶帘布重新调整,使其与盾壳密合。
第二阶段:
盾尾过洞后,及时利用盾尾的四条注浆管对管片外围空隙进行同步注浆,同步注浆后仍然存在渗漏水时应进行二次补强注浆。
二次补强注浆采用独立的双液泵进行,详见《同步注浆和二次注浆方案》。
7.2.3安装密封装置的注意事项:
①安装前应先测量预埋钢环的偏心量及圆度,其复合偏差不得超过50mm;
②盾构机外壳须保持光滑,以利于保证密封效果;
③为了避免刀盘在推进过程中割伤橡胶密封环,应在橡胶密封环的相应侧面涂黄油;
④安装密封环时注意其上凸缘的朝向。
7.3始发掘进参数控制
始发掘进参数选取控制按始发掘进控制图表进行。
为正常掘进积累可用数据,选取适宜的掘进参数。
8掘进姿态控制
8.1盾构机产生姿态偏差的原因
8.1.1滚动偏差
盾构机滚动偏差是由于刀盘切削开挖面土体产生的扭矩大于盾构机壳体与管廊洞壁之间的摩擦力矩而产生的。
在盾构机尚未进入土层时,磨擦力更小,仅靠机体自重而产生与钢轨的磨擦力;
在端头加固地段,由于土层稳定性较好,盾构机壳体与洞壁之间只有部分产生摩擦力提供摩擦力矩,当此力矩无法平衡刀盘切削土体产生的扭矩时将引起盾构本体的滚动,过大的滚动会影响管片的拼装,也会引起管廊轴线的偏斜。
8.1.2方向偏差
方向偏差产生的主要原因有:
①盾构机始发由刚性的始发基座进入相对软弱的土层时,会产生“低头”现象。
②始发段内开挖面岩、土层分界面起伏大,开挖面的地层软硬不一致会引起竖向偏差;
掌子面左右侧地层软硬不一还会引起水平偏差。
③受盾构刀盘自重的影响,盾构也有低头的现象,引起竖向偏差。
④盾构机通过竖曲线顶点进入下坡段时,易引起盾构机竖向的偏差。
⑤在曲线上掘进时,在盾构推进过程中由于不同部位推进千斤顶参数设定的偏差易引起水平方向的偏差。
⑥由于盾构主体表面与地层间的摩擦阻力不均衡,开挖掌子面上的
土压力以及切口环切削欠挖地层所引起的阻力不均衡,都会引起水平及竖直方向的偏差;
当盾构机的水平方向角或竖直方向角偏差大于规范值时,要及时进行纠正。
8.2盾构机的姿态监测方法
根据其他单位施工经验,结合本标段区间管廊的具体情况,拟采用SLS-T管廊自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。
本工程的盾构机带有自动测量激光导向系统,该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等,能够全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与管廊设计轴线的偏差以及趋势。
据此调整控制盾构机掘进方向,使其始终保持在允许的偏差范围内。
随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移,必须通过人工测量来进行精确定位,为保证推进方向的准确可靠性,拟每周进行两次人工测量,以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态。
确保盾构掘进方向的正确。
人工辅助测量进行盾构姿态监测方法如下:
8.2.1滚动角的监测
采用电子水准仪测量高程差,进行滚动圆心角计算的方法监测。
可在切口环隔墙后方对称设置两点(测量标志),使该两点的连线为一水平线并且其长度为一定值L,测量两点的高程差,即可算出滚动角。
见图7。
图7盾构机滚动测量示意图
A、B为测量标志,a、b为盾构机发生滚动后测量标志所处的新位置,Ha、Hb为测出的两点的高程,α为盾构机的滚动圆心角。
α=arcSin[(Hb-Ha)/L]如果Hb-Ha>0,那么盾构机逆时针方向滚动,如果Hb-Ha<0,那么盾构机顺时针方向滚动。
8.2.2竖直方向角、水平方向角的监测
采用全站仪测量盾构机的切口环后方隔墙及中体后方铰接处断面中心点三维座标与线路设计中线座标的变化,可得到盾构机的方向偏差。
8.3盾构机的姿态调整措施
8.3.1滚动偏差调整
由于盾构机未进入土层时,壳体与始发基座钢轨磨擦力小,考虑到反扭矩的因素,刀盘应绶慢加力,使扭矩、推力绶慢增大,并在盾构机壳体上焊接角钢与车站底板相连,以防盾体转动,并随着盾体的前进依次切除。
当盾构机滚动偏差超过0.5°
时,盾构机会报警,提示盾构机操作手必须对刀盘进行纠偏,盾构机滚动偏差采用刀盘反转的方法纠正。
8.3.2方向偏差调整
根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息,结合管廊地层情况,通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。
控制盾构机方向的主要因素是控制推进千斤顶的推度,通过调整各推进油缸的推度来调整盾构机掘进机的姿态。
为此,盾构机的推进油缸已分成四个区,油缸分区详见图8推进油缸分区示意图。
推进油缸采用一台电液比例调速泵供油,将每个区域的推进油缸编为一组,每组油缸设一个电磁比例减压阀,用来调节各组推进油缸的工作压力,借此控制或纠正掘进机的前进方向。
其中1、6、11、17位置的油缸安装有位移传感器,通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态。
12只铰接油缸连接中体及盾尾,沿圆周方向均布四只行程传感器监测四个方位油缸的行程,以了解盾构机折弯状况并提供管片选型依据。
掘进中铰接油缸处于被动状态,对于盾构机的调向没有影响通过对油缸的分区操作,达到调节推进方向的目的。
其原理如下:
在上坡段掘进时,适当加大盾构机下部油缸的推力和速度;
在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力和速度;
在左转弯曲线段掘进时,则适当加大右侧油缸推
力和速度;
在右转弯曲线掘进时,则适当加大左侧油缸的推力和速度;
在直线平坡段掘进时,则应尽量使所有油缸的推力和速度保持一致。
根据自动导向系统量测的
结果和在控制室监示器上显示出来的盾构机当前位置和设计位置以及相关的数据和图表,平缓地调整各分区千斤顶的推度,能够让盾构机尽可能靠近设计线路掘进。
图8推进油缸分区示意图
(1)盾构机竖直方向控制措施:
①为防盾构机由刚性的始发基座上进入土层时低头现象,预先将始发基座标高提高50mm,并将坡度适当增大。
②一般情况下,盾构机的竖向轴线偏差应控制在±
20mm以内,倾角应控制在±
3mm/m以内。
特殊情况下,倾角亦不宜超过±
10mm/m,否则会引起盾尾间隙过小和管片的错台破裂等问题。
③开挖面土体比较均质或软硬差别不大时,盾构机应与设计轴线保持平行。
④当盾构机遇到上硬下软的地层时,为防止盾构机机头下坠,适当加大底部千斤顶的推力。
⑤当开挖面上软下硬时,为防止机头偏上,可适当增大顶部千斤顶的推力。
⑥操作盾构机时,还应注意上部千斤顶和下部千斤顶的行程差,两者不能相差过大,一般宜保持在±
20mm内,特殊情况下不宜超过6cm,否则说明盾构机竖直方向调整过急。
⑦盾构机通过凸形竖曲线顶点进入下坡段时,后方的管片受推进千斤顶向上的分力易上浮,凹形竖曲线顶点后方的管片受向下的分力易下沉,此时盾构机刀盘应缓慢加力,使推力缓慢增大,以避免过大的推力造成管片及盾构机的竖向偏差。
⑧当开挖断面内地层上下软硬差距很大时,即使千斤顶的压力和盾构机的倾角达到很大,仍无法将盾构机的姿态调整到合理位置,此时应考虑更换刀具或者在硬岩部位使用超挖刀。
(2)盾构机水平方向的控制措施:
①在直线段,盾构机的水平偏差可控制在±
20mm以内,水平偏角可控制在±
3mm/m以内,否则会因盾构机急转引起盾尾间隙过小和管片错台破裂等问题。
②在缓和曲线段及圆曲线段,盾构机的水平偏差应控制在±
30mm以内,水平偏角应控制在±
5mm/m内,曲线半径越小控制难度越大。
③由直线段进入缓和曲线段或圆曲线段时,根据地层情况(其决定盾构机的转向难易程度),调节好各分区油缸千斤顶的行程和推力,使管片的中心轴线更好地与管廊轴线拟合。
④盾构机由曲线段进入直线段时,盾构机操作原则应同第三步的原则类似。
⑤当开挖面内的地层左右软硬相差很大而且又是处在曲线段时,盾构机的方向控制将比较困难,此时可降低掘进速度,合理调节各分区的千斤顶压力,必要时可将水平偏角放宽到±
10mm/m,以加大盾构机的调向力度。
⑥当第5条中的操作原则仍无法将盾构机的姿态调到合理位置时,将考虑在硬岩区域使用超挖刀。
8.3.3纠偏注意事项
①在转换刀盘转动方向时,应保留适当的时间间隔,切换速度应缓慢均匀。
②根据盾构机前的掌子面地层情况及时调整掘进参数、掘进方向,避免引起更大的偏差。
9同步注浆施工
9.1概念及目的
盾构机的刀盘开挖直径为6480mm,管片外径为6200mm,当管片在盾尾处安装完成后盾构机向前推进,管片与土层之间形成建筑间隙,快速采用浆液材料填充此环形间隙,此工艺即为同步注浆工艺,目前同步注浆采用单液浆液。
其目的在于:
(1)防止和减少地层沉陷,保证环境安全。
(2)保证地层压力较为均匀地径向作用于管片,限制管片位移和变形,提高结构的稳定性。
(3)作为管廊第一防水层,加强管廊防水。
9.2注浆方式
采用盾尾同步注浆方式及时注入单液浆填充环形建筑空间。
即在盾构机推进时,通过安装在盾壳的4条内置式注浆管向盾尾的环形建筑空间注入填充浆液材料。
每条管上有高压力表和阀门,该管通过软管与1台砂浆泵分别相连,砂浆泵可手动控制,也可自动控制。
同步注浆完成后,利用声波探测,对未注满处利用管片吊装孔进行二次补注单液浆(在砂质地层中应尽量一次性注满)。
9.3注浆材料及配合比选择
为保证浆液质量,施工中应根据始发时地层的实际情况选择浆液配合比,特别是和易性适宜的浆液,达到易于压送、不离析、不沉淀、不堵管。
当发现注浆不足或注浆不理想时,要采用二次补强注浆来满足工程质量要求。
二次补强注浆根据始发时地层情况选择材料和浆液配比,二次补强注浆浆液选用水玻璃双液浆。
9.4注浆设备
浆液由地面专用的浆液搅拌设备拌制,由浆液车输送至洞内储浆罐储藏备用,同步注浆采用配属于盾构机上的同步注浆设备进行注浆。
二次注浆采用配制的专用注浆泵进行注浆。
9.5注浆参数的确定
9.5.1注浆压力
注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力,同时避免浆液进入盾构机的土仓中。
最初的注浆压力是根据理论静止水土压力确定的,在实际掘进中将不断优化。
如果注浆压力过大,会导致地面隆起和管片变形,还易漏浆。
如果注浆压力过小,则浆液填充速度赶不上空隙形成速度,又会引起地面沉陷。
一般而言,注浆压力取1.1~1.2倍的静止水土压力,最大不超过3.0~4.0bar。
由于从盾尾圆周上的四个点同时注浆,考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要,各点的注浆压力将不同,并保持合适的压差,以达到最佳效果。
在最初的压力设定时,下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.5~1.0bar。
9.5.2同步注浆量
根据刀盘开挖直径和管片外径,可以按下式计算出一环管片的注浆量。
V=π×
K×
L×
(R12-R22)式中:
V——1环注浆量(m3)
L——环宽(m)
R1——开挖半径(m)
R2——管片外侧半径(m)
K——扩大系数取2.5
代入相关数据,可得:
2.5×
1.2×
(3.242-3.12)
=8.36m3/环
根据上面经验公式计算,注浆量取环形间隙理论体积的2.5倍,则每环(1.2m)注浆量Q=8.36m3。
9.5.3注浆时间和速度
在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。
做到“掘进、注浆同步,不注浆、不掘进”,通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。
注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆,否则仍需补浆。
同步注浆速度与掘进速度匹配,按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
注浆结束标准及注浆效果检查。
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准,即当注浆压力达到设定值,注浆量达到设计值的85%以上时,即可认为达到了质量要求。
注浆效果检查主要采用分析法,即根据压力-注浆量-时间曲线,结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。
对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分析进行检查,对未满足要求的部位,进行补充注浆。
10监控量测
10.1监测目的及内容
10.1.1监测目的
①初步了解盾构管廊施工中地表隆陷情况及其规律性。
②初步了解施工过程中不同深度地层的沉降和水平移位情况。
③初步了解施工过程中地下水位的变化情况。
④初步了解管片的变形情况。
⑤指导现场施工,保障施工的正常进行。
10.1.2监测内容
①地面沉降、隆陷变形机理
a、开挖时的土、水压力不均衡:
由于盾构机推进量与排土量不等,使开挖面土压力、水压力与压力仓的压力产生不均衡,导致开挖面失去平衡状态,从而发生地基变形。
当土压力+水压力<
压力仓的压力时,地基隆起;
反之下沉。
b、盾构推进时对围岩的扰动:
盾构的壳体与围岩摩檫和围岩的扰动,特别是蛇行修正和曲线推进时进行的超挖,是会产生围岩松动引起地基下沉或隆起的。
c、盾尾(建筑空间)的发生和壁后注浆不充分,使受盾壳支承的围岩朝着盾尾空隙变形(应力释放引起的弹性变形)而产生地基下沉。
粘性土地基中的壁后注浆压力过大将引起地基隆起。
d、管片螺栓紧固不足,衬砌变形、变位。
e、地下水位下降,地基的有效应力增加引起的固结沉降。
由上述可知,盾构施工引起地表变形主要可分为五种类型,各种类型沉降、隆陷产生的原因与机理见下表2。
表2盾构施工引起变形的原因与机理
沉降、隆陷类型
主要原因
应力扰动
变形机理
先期沉降
地下水位降低
孔隙水压力减少,围岩有效应力增加
压缩和压密、下
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