深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术.docx
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深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术
深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术
深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术
第32卷第9期
建筑施工BUILDINGC0NSTRUCTION
深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术
ConstructionTechnologyofComing-Out-of-Tunnelfor
ShieldMachineunderDeepCovering
口郭士峰梁真.刘风华
(1,宏润建设集团股份有限公司上海200235;2,上海市青草沙投资建设发展有限公司20215o)
【摘要】盾构出洞一直是隧道施工最主要风险点之一,如何确保盾构出洞施工的安全和质量,是广大业内人士追求和探索
的目标.以上海市青草沙水源地原水工程长兴岛域输水管线工程深覆土情况下盾构出洞施工为例,介绍了盾构出洞的施工工
艺,技术措施和质量控制.
【关键词】盾构出洞地基加固洞门防水冻结法降压井
【中图分类号】U455.43/文献标识码B【文章编号】1004—1001(2010)09—0981—04
1工程概况
青草沙水源地原水工程长兴岛域输水管线工程位于长
兴岛中部,是连接青草沙水库和长江原水过江管工程的重要
设施.输水管线为2条盾构隧道,起自青草沙水库出水输水
闸井,止于长江原水过江管工作井.
本工程共使用两台土压平衡式盾构机进行隧道掘进施
工.根据施工筹划,原水过江管工作井将作为始发场地,先后
两次实施盾构出洞施工,根据施工风险情况,本文将重点介
绍西线隧道出洞施工.
原水过江管工作井位于长兴岛南端,整个工作井平面尺
寸为:
30mx30i11(地下连续墙外包),工作井内由中隔墙分
道出洞处的地面标高为+3.3Om,隧道中心标高为
一
29.495m,隧道中心埋深约32.8m,如此深覆土下进行盾构
出洞施工,在国内隧道施工领域极为少见.
盾构出洞段隧道基本处于⑤层粉质黏土中.承压水层
⑦砂质粉土顶标高为一47.5m,距离隧道底部约14.6m,隧
道施工部位距离承压水层较近,出洞过程中需重点防范承压
水贯穿风险.
出洞工作井结构制作阶段曾发生渗漏情况.抢险堵漏过
程中,曾于本次出洞端压注聚氯酯,双液浆等,对出洞加固产
生一定的影响.
2施工难点及风险点分析
(1)本次盾构处于深覆土施工,土压力值随着覆土深度
的增加而增大,由此导致出洞段盾构前进所需推力过大,对
【作者简介】郭士峰(1979一),男,本科,工程师.联系地址:
上
海市龙漕路200弄28号宏润大厦(200235).
【收稿日期】2010—09—12
瓣轴
后盾支撑的受力及整体稳定性要求提高.
(2)原水过江管工作井盾构超深埋实施出洞施工,外界
水土压力大,加之承压水层距离隧道底部较近,如果措施不
力,极易发生渗漏,并造成承压水贯通,从而导致大量水土流
失,造成重大工程事故.因此,该工作井出洞对地基加固,出
洞相关防水处理等各方面提出了更高的要求.
(3)盾构出洞受基座摆放位置,加固区等限制,轴线调
整幅度较小,出洞前及盾构穿越加固区过程中轴线控制难度
较高.另外,盾构穿越加固区过程中土压力设定偏低,同步注
浆的滞后均会引起沉降,如何控制好水土流失,进而控制沉
降,是出洞施工的一个重点要素.
3地基加固
3.1地基加固工艺比选
深覆土隧道出洞施工,地基加固难度增加,按设计要求,
加固深度需超过隧道底部以下3m,深达39m.加之出洞处
压注过聚氨酯,聚氨酯遇水发泡成团,形成一隔水整体,影响
加固效果.现对几种加固工艺分别加以分析:
深层搅拌桩:
可穿透聚氨酯隔水体,但因加固范围过深,
垂直度无法保证,下部难以保证有效搭接,无法满足隔水要
求,不予采用:
高压旋喷桩:
通过调整气压及浆液压力,可保证有效搭
接,但其浆液无法渗透入聚氨酯隔水体,且高压旋喷受加固
深度影响较大,本次加固超深,加固区下部成桩直径难以保
证,无法保证有效止水,不予采用;
冻结法:
冻结施工将受聚氨酯隔水体影响,隔水体起到
一
定的保温效果,其内部无法冻结,但如加大冻结范围,可将
聚氨酯隔水体包裹于冻结加固体范围内,可有效止水.加之
吸取东线冻结加固盾构出洞施工的成功经验,故最终采用冻
结法进行地基加固.
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981?
第9期郭士峰,梁真,刘风华:
深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术9/2010
3_2冻结加固参数优化
受洞门处聚氯酯发泡体影响,冻结设计以增加范围,缩
小冻结管孔距为原则.原抢险聚氨酯压注深度为4Om,本次
冻结管打设深度超过聚氨酯压注区2_5m,相比东线出洞,
无论从冻结设备,冻结区域范围及冻结时间均有所加强.
表1冻结加固参数
冻结孔冻土墙冻土墙冻结孔积极冻结冷冻机
数量(个)厚度(m)宽度(n)深度(m)时间(天)数量(台)
西线62520148425504
3.3冻结加固重点控制项目
(1)控制冻结孔垂直度
本次属超深加固,冻结孔垂直度控制至关重要,直接影
响到冻结壁交接,更因第一排冻结管距离地下连续墙较近,
孔位偏斜易导致钻头卡在地培混凝土内无法拔出,给盾构出
洞带来较大隐患.
(2)冻结管焊接
冻结管焊接质量至关重要,直接影响到盐水密封效果及
后期拔管施工.如冻结管焊接质量差,造成盐水外泄,将直接
影响到冻结加固区的形成,对其密封效果检查主要依靠打压
试验,于已下放到位的冻结管上部安装去,回路球阀,通过注
水保压试验来确定冻结管密封性,如有渗漏,需拔出补焊.
(3)盐水主管坡度控制
安装盐水干管时要确保设计坡度,以免管内聚积空气影
响盐水的流动.盐水系统应设置放空阀.
(4)温控措施
积极冻结期间,加强对冻结温度的监测,并绘制温度变
化曲线,根据温度变化及时调整盐水流量及盐水配比.
(5)现场实体判断
注意对现场冻结管路及洞圈内混凝土壁进行观察,随着
积极冻结时间的增加,冻结管与地面交界处及洞圈混凝土壁
会形成冻霜,如有化冰现象,则说明冻结站制冷能力未达到
要求,需及时调整盐水配比及冷冻机开启功率.
(6)冻结管拔除
积极冻结完成,盾构机头部进入洞圈后,停机解冻,开始
拔除冻结管.重点控制热盐水化冻时问,根据以往经验,粘性
土化冻周期不宜过长,化冻理想状态为冻结管与土体脱离,
如化冻时间过长引起管周土体融化,冻结管受土体粘聚力影
响,难以拔除.常规化冻时间以2h~3h为宜,现场实际操
作中应以两根作为试拔管,调整化冻周期.
4出洞施工各关键工序控制
4.1盾构基座安装
盾构基座需具备牢固性和定位精准性.其牢固性直接关
系到盾构机是否能平稳出洞;其定位准确性决定盾构机是否
能按设计轴线前行.
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982?
常见基座有两种,一种为钢结构,~种为混凝土结构.大
直径隧道因数量较少,考虑到周转次数较少,预制钢结构基
座费用高,故常采用现浇混凝±基座.中小型隧道,尤其是地
铁项目,因盾构直径基本一致,多采用钢结构预制基座,该种
基座可反复周转使用,摊销后成本较低.
本工程采用钢结构预制基座.对于该种基座的牢固性,
主要控制钢结构的焊接质量,基座顶面钢轨的平直度以及钢
轨两侧压板的牢固性.
对于基座定位的准确性,重点控制测量放样与实际安放
出洞段设计轴线为直线段,则基座按照直线对中洞门摆放,
如为曲线段,应走割线,以确保盾构出洞过程中轴线偏差不
超规范要求.基座高程应确保盾构机出洞时略高于设计标
高,基座坡度一般按设计轴线坡度摆放.盾构基座实际安放
过程中,应尽可能调整对应设计中轴线摆放,并调整基座底
部垫材,重点控制左右两侧轨面水平,避免因两侧高差过大,
造成出洞过程中基座轨道单边受力而受损.
4.2后靠支撑布设
后靠支撑体系为盾构出洞段向前推进提供反力支撑,主
要由负环,后靠钢支架,钢管支撑等组成.
(1)负环拼装
负环仍由预制管片构成,因其不构成隧道永久性结构,
后期需拆除,故称之为负环.负环拼装共两种方式,一种为开
口环,即只拼装下半圆管片(通常为三块):
~种为闭口环,即
拼装整环管片.
开口环管片由于上部敞开,便于井上下垂直运输,弊端
在于整体性不好,且盾构刚出洞,千斤顶仅能支撑于下半圆
管片,盾构总推力受较大限制,推进速度较慢;盾构高程控制
难度大,易产生盾构抛高.需待支撑安装后,才能保持整圆受
力,控制盾构高程.
闭口环管片使用整体性好,在后部后靠及钢管支撑足够
牢固前提下,可发挥盾构最大推力.但该种负环上部封闭,故
仅应用于负环后部存在垂直吊装空间的盾构出洞施工中.
本次盾构出洞,由于超深覆土,所需盾构总推力较大,故
采用闭口负环形式,共8环负环管片拼装而成.利用负环后
部约13m作为垂直运输空间.
(2)后靠支架安装
负环管片后部设型钢后靠,钢后靠通常为双榀7OH型
钢加工而成,其尺寸需配合负环管片尺寸,使负环管片端面
基本可均匀受力于后靠平面上部.后靠加工前,需根据理论
最大出洞反力对其结构受力进行计算,按计算结果进行调整
和补强.尤其针对后部钢管支撑部位需增加肋板,以增强承
载能力.后靠一般垂直安装,对于盾构出洞坡度较小的工作
井,后靠底部无需于底板固结;对于盾构出洞坡度较大的工
作井,因盾构反力不垂直作用于后靠平面,产生向上分力,故
后靠底部需与底板利用预埋件固定连接,避免后靠倾覆.
9/2010郭士峰,梁真,刘风华:
深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术第9期
(3)钢管支撑安装
上海地区常用609钢管作为最后一道支撑体系.该支撑
主要有两种形式,一种为水平支撑,一种为斜撑.
因地铁工程中盾构出洞时,车站标准段结构已部分施工
完成,故多采用斜向支撑于标准段底板上部,并与预埋件满
焊固定连接.斜撑形式受倾角影响,所提供的水平分力有限.
且斜向支撑安装难度大,整体稳定性差.
水平支撑形式最为理想,不存在分力,可最有效的利用
钢管承载能力;安装固定方便,无需大量焊接工作量,且受力
均衡.
本工程出洞施工采用水平支撑形式,609钢管支撑于工
作井内壁,根据理论最大推力,共布置11根钢管支撑.对于
钢管支撑的安装,关键控制钢管与后靠的垂直度及短钢管间
连接螺栓的复紧等方面.
4.3洞口防水装置安装
洞口防水装置主要由铰链板,帘布橡胶板组成密封环,
利用高强度螺栓安装于洞圈上部.在盾构进入土体后,包裹
于盾构壳体或管片外壁,起到阻止水土流失作用.地铁工程
常采用单道帘布橡胶板加铰链板止水,大直径隧道盾构出洞
常采用双道帘布橡胶板加铰链板组成止水箱体进行出洞防
水.本工程中考虑到超深埋出洞风险大,外界水土压力大,故
选用双道止水箱体作为洞门防水装置.帘布橡胶板为柔性材
料,少量安装及制作公差对防水效果影响不大i铰链板作为
钢制结构,采取分块安装,另为防止铰链板外翻,需在其背部
焊接短钢筋或小钢板作为限位,铰链板的安装偏差要求较
高.需严格按照盾构机与洞中心偏差来调整每块铰链板安装
位置,以免盾构进入防水箱体时与铰链板固定端相切,引起
铰链板局部损坏,从而影响整体防水效果,在盾构机向前推
进开始进入止水箱体时,加强盾构四周的观察,对可能与盾
构刀盘相碰的铰链板及时调整位置.洞口防水装置如图l.
图】洞门防水装置示意图
4.4打设降压井
进出洞施工中,难免发生渗漏水,如遇到承压水层贯通,
受水压影响,不但会引起大量水土流失,而且难以进行有效
封堵.为避免该风险,一般在出洞前打设降水井作为应急措
施.考虑到本次属深覆土盾构出洞,且存在承压水贯穿风险,
故在隧道两侧打设了4口降压井,深度70m,井下端深入至
④z粉细砂层,一旦出洞过程中发生渗漏水,则立即开启降压
的
井,降低承压水头压力,减少贯通风险.
由于本次采用冻结法进行地基加固,地下水流动影响冻
结效果,甚至引起化冻,故在冻结法地基加固情况下进行出
洞施工,降水井或降压井仅能作为紧急处理措施,不宜提前
开启,一旦影响冻结效果将适得其反.
4.5洞门凿除
分两次进行洞门凿除,首先剥离最外排钢筋并自上至下
凿除素混凝土,保留约20cm-30cm混凝土加外排钢筋作
为最后一道挡土屏障.
洞门凿除需具备以下前提:
(1)盾构调试完成,运转状态良好;
(2)地基加固已达到设计指标(对于搅拌桩或旋喷桩加
固需满足加固强度及抗渗指标;对于冻结法加固需确保冻土
交圈且达到设计平均冻结温度),洞门内样洞无渗漏水;
(3)洞门密封防水装置已安装完成,具备立即出洞顶进
条件.
在所有准备工作及应急措施已到位的前提下,开始凿除
剩余部分钢筋混凝土.
最内侧钢筋混凝土凿除目前共有两种方法,一种为分块
凿除,即将洞门内混凝土划分为8~9块,利用风镐将接缝处
混凝土凿除,并割断钢筋,利用吊车和钢丝绳分块吊除混凝
土板块.该种方法特点为混凝土凿除量较小,但起吊板块过
程中风险较大,作业人员人身安全存在较大隐患.
另一种方式为粉碎性凿除,利用风镐将钢筋分别挑出
并割除,钢筋剥除后,用风镐将最外侧混凝土保护层粉碎性
凿除.该种方法特点为凿除时间偏长,但不存在大型重物起
吊作业,对作业人员安全有保障.本工程即采用粉碎性凿除
方式破除最后~层钢筋混凝土.
4.6出洞推进段控制要点
(1)洞门凿除完成后,盾构开始向前推进,负环逐渐脱
离盾尾进入基座轨道上方,该过程中盾构机左右两侧派专人
负责锤击楔形木块垫入管片与轨道间空挡,避免管片脱出盾
尾后下落.另由于深覆土风险,需协调好各工序,加快拼装速
度,缩短后续管片供应时间,减少洞门暴露时间
(2)盾构进入防水箱体前,复核刀盘鼻尖至加固区土体
里程,鼻尖遇到土体,立即开启刀盘,避免刀盘卡入加固土体
被冻结不能运转:
(3)盾构机刀盘进入加固区后,推进速度控制在
10mm/m1n以内,因冻土影响,挤装过程中仍保持刀盘连续
运转;冻土自立性较好,起推时土压力控制在理论计算土压
力的1/4即可,注意观察土样温度变化,并对出土量进行统
计,避免超挖,因覆土较深,地面变形反应严重滞后,一旦超
挖过大加之后期融沉,易产生严重土体变形.当盾构机刀盘
距离加固区外边界1.5m时,该阶段需逐步提升土压力,在刀
盘出加固区前,恢复正常设定值.盾构推进加固区阶段需密
切注意刀盘扭矩和土仓土样采集工作,一旦发现扭矩降低,
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第9期郭士峰,梁真,刘凤华:
深覆土隧道施工中盾构出洞施工技术9/2010
土样温度升高,需及时调高土压力:
(4)出洞段覆土过深,且该阶段后支撑反力完全依赖后
靠及钢管支撑,需严格控制总推力,降低推进速度,均匀使用
千斤项,避免单边受力,影响反力支撑体系稳定:
(5)盾尾进入防水箱体过程中注意观察整圈铰链板,避
免局部问隙过大造成铰链板外翻,影响防水效果,如有必要
及时加长铰链板
(6)由于本次属深覆土出洞施工,为降低出洞风险,除
按照止水箱体外,于洞圈内壁焊接~圈花纹钢板作为第一道
挡土屏障,并于洞口预留三道注浆管.第一道注浆孔对应两
道帘布橡胶板之间;第二道注浆孔处于帘布橡胶板与花纹钢
板圆环之间:
第三道注浆孔设置于花纹钢板圆环外端.盾构
机向前推进过程中,一旦发生渗漏,可分别于三道注浆管压
注双液浆或聚氨酯进行紧急止水,加之防水箱体和花纹钢
板,可形成三道屏障,确保本次出洞无大量水土流失.
盾尾脱离第二道帘布橡胶板后,为尽快封闭建筑空隙,
在双道帘布橡胶板间立即压注高稠度缓凝浆液,既起到密封
作用,又不会损伤盾尾:
推进至盾尾即将出加固区时,开始同步注浆,考虑渗漏
风险,井口开始压注水泥浆封闭洞门.
4.7应急物资储备
出洞前,根据所存在风险点,配备完善的应急材料,设备
及专业队伍.本工程中,最大风险点即为深覆土出洞的渗漏
处理.需从加快施工进度,减少设备故障发生率,堵漏物资配
备等方面重点准备.
首先,对人员进行详细分工,做到各工序有条不紊的进
行,各岗位设专人主管.
其次,设立专门的设备备件仓库,尤其是针对易发故障
的盾构机各阀件,油路密封等备品配件配套完整;
最后,针对最大的风险点——洞门渗漏,特准备了聚氨
酯,水玻璃,水泥等材料,并配备了阿特拉斯钻机,聚氨酯注
浆机等设备,并外请专业注浆队伍现场跟踪,保障出洞安全.
另外,降压井作业人员24h待命,一旦发生险情,立即开启
降水作业.
5结语
相对于常规出洞施工,深覆土盾构出洞主要面临承压水
贯通风险.出洞前,需将各种风险考虑周全,如何能做到更有
效的止水,如何能减少土体流失,如何能做到工序衔接流畅
等等,均是出洞风险控制的关键点.事先做好技术,物资,人
员等充分准备,遇到险情方可及时有效的进行处理,才能更
好的控制出洞的安全,质量和进度.
(上接第9"73页)
(2)按照预留孔洞尺寸裁截一块尺寸相同的聚苯板并
打磨其边缘部分,使其能严密封填于孔洞处.
(3)将上述预裁好的聚苯板背面涂上胶粘剂,将其镶
入孔内.
(4)涂抹底层抹面胶浆,切一块网格布(其面积大小应
能与周边已施工好的网格布搭接≥80mm),埋入网格布,并
涂抹面层抹面胶浆与周边平整.
4外墙内保温系统冷桥处理
保温系统中冷桥的施工是关键部位之~,此部位处理是
否到位关系到保温节能效果,也是可能与非保温处墙面粉刷
层接槎处产生裂缝等质量通病的地方.根据以往施工经验,
结合遇到的实际情况,对保温冷桥处应按以下步骤施工:
4.1基层控制
内墙粉刷时在与外墙交接处留≥300mm宽不粉刷,但此
处粉刷层收口上下必须平直,误差应≤4mm.300mm宽不
粉刷范围基层应平整,垂直,误差应≤5mm.在粘贴冷桥保
温板前要对基层进行清理,浮浆,油垢应去除,螺杆洞应按规
范要求填补完.
4.2材料准备
根据规范及设计要求,结合最近施工的工程,厨卫间保
温冷桥部位为1Omm厚挤塑板(XPS板),其余房间保温冷桥
部位为15mm厚聚苯板(EPS板),粘结材料为保温专用粘结
剂,面层为保温专用抹面抗裂胶浆,耐碱玻纤网格布为
130g/m.
4.3冷桥处保温板施工
按照工程设计规定的冷桥部位所用保温板材用专用粘
结剂粘贴,粘结剂厚度控制在3mm-5mm,粘结面积≥40%,
并应与外墙30mm厚聚苯板拼接严密.与外墙同步抹第一
遍抹面胶浆,厚度控制在1mm-2mm,不得漏抹.在保温板
表面均匀涂抹一层抹面胶浆后,应立即将网格布压入湿润的
抹面胶浆上,在阴角处必须沿两边墙身,将网格布双向绕角,
相互搭接,搭接宽度不得<200mm,在冷桥处网格布应铺至
过冷桥到墙面粉刷层内≥100mm,以后压入墙面腻子内,这
样就解决了与粉刷墙面接口处裂缝的质量通病.压网格布时
用抹子由中间向四周把网格布压入胶浆表面层,铺设应平整
严实,严禁网格布皱折,网格布不得压得过深,表面以刚好露
在抹面胶浆外为好.抹完底层抹面胶浆并压入网格布后,待
胶浆凝固至表面基本干燥,不粘手时,开始抹面层抹面胶
浆,抹面厚度以盖住网格布且不出现网格布痕迹为准,同时
控制抹面胶浆总厚度在3mm-5mm左右.
5结语
通过近十个工程的外墙内保温施工,很好的解决了墙面
平整度差和板缝阴,阳角交接处易出现裂缝以及冷桥处理不
到位等现象,确保外墙内保温施工质量,使墙体保温效果达
到设计和规范要求.
鞫
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