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盾構機與隧道工程技術

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核心提示:經歷了這么多,我學到很多關于盾構機與隧道工程的技術,大概內容分兩類,第一類是盾構機的各系統原理,第二類是盾構機隧道施工工
      經歷了這么多,我學到很多關于盾構機與隧道工程的技術,大概內容分兩類,第一類是盾構機的各系統原理,第二類是盾構機隧道施工工法。

一、盾構機的各系統工作原理:

盾構機的掘進是靠液壓馬達驅動刀盤旋轉,同時開啟盾構機推進油缸,將盾構機向前推進,隨著推進油缸的向前推進,刀盤持續旋轉,被切削下來的碴土充滿泥土倉,此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上,后由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中,再通過豎井運至地面。

盾構機主要由9大部分組成,他們分別是盾體、刀盤、刀盤驅動、雙室氣閘、管片拼裝機、排土機構、后配套裝置、電氣系統和輔助設備。

1.盾體,盾體主要包括前盾、中盾和尾盾三部分,這三部分都是管狀簡體。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅動,同時使泥土倉與后面的工作空間相隔離,推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上,以起到支撐和穩定開挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器,可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。前盾的后邊是中盾,中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接,中盾內側的周邊位置裝有30個推進油缸,推進油缸桿上安有塑料撐靴,撐靴頂推在后面已安裝好的管片上,通過控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構機向前的掘進力,這30個千斤頂按上下左右被分成A、B、C、D四組,掘進過程中,在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力,這樣盾構機就可以實現左轉、右轉、抬頭、低頭或直行,從而可以使掘進中盾構機的軸線盡量擬合隧道設計軸線。中盾的后邊是尾盾,尾盾通過14個被動跟隨的鉸接油缸和中盾相連。這種鉸接連接可以使盾構機易于轉向。

2.刀盤,刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體,位于盾構機的最前部,用于切削土體,不同的地層刀盤的設計會有很大的區別,直徑也不會相同,它也是盾構機上直徑最大的部分,一個帶四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅動部分,刀盤上可根據被切削土質的軟硬而選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具,刀盤的外側還裝有一把超挖刀,盾構機在轉向掘進時,可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出,從而擴大開挖直徑,這樣易于實現盾構機的轉向。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接,都可以從刀盤后面的泥土倉中進行更換。法蘭板的后部安裝有一個回轉接頭,其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。

3.刀盤驅動,由螺栓牢固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上,它可以使刀盤在順時針和逆時針兩個方向上實現無級變速。刀盤驅動主要由8組傳動副和主齒輪箱組成,每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達和水冷式變速齒輪箱組成,其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置,用于制動刀盤。安裝在前盾右側承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅動主齒輪箱中的齒輪油,用來潤滑主齒輪箱,該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。

4.雙室氣閘,雙室氣閘裝在前盾上,包括前室和主室兩部分,當掘進過程中刀具磨損工作人員進入到泥土倉檢察及更換刀具時,要使用雙室氣閘。在進入泥土倉時,為了避免開挖面的坍坍,要在泥土倉中建立并保持與該地層深度土壓力與水壓力相適應的氣壓,這樣工作人員要進出泥土倉時,就存在一個適應泥土倉中壓力的問題,通過調整氣閘前室和主室的壓力,就可以使工作人員可以適應常壓和開挖倉壓力之間的變化。但要注意,只有通過高壓空氣檢查和受到相應培訓有資質的人員,才可以通過氣閘進出有壓力的泥土倉。現以工作人員從常壓的操作環境下進入有壓力的泥土倉為例,來說明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進入主室,關閉前室和主室之間的隔離門,按照規定程序給主室加壓,直到主室的壓力和泥土倉的壓力相同時,打開主室和泥土倉之間的閘閥,使兩者之間壓力平衡,這時打開主室和泥土倉之間的隔離。

5.管片拼裝機,盾構機掘進一環的距離后,拼裝機操作手操作拼裝機拼裝單層襯砌管片,使隧道—次成型。管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉架和拼裝頭組成。拼裝機大梁用法蘭連接在中盾的后支撐架上,拼裝機的支撐架通過左右各兩個滾輪安放在拼裝機大梁上的行走槽中,一個內圈為齒圈形式滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連,內圈通過法蘭與旋轉架相連,拼裝頭與旋轉支架之間用兩個伸縮油缸和一個橫梁相連接。

6. 排土機構,盾構機的排土機構主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機由斜盤式變量軸向柱塞馬達驅動,皮帶輸送機由電機驅動。碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸到皮帶輸送機上,皮帶輸送機再將碴土向后運輸至第四節臺車的尾部,落入等候的碴土車的土箱中,土箱裝滿后,由電瓶車牽引沿軌道運至豎井,龍門吊將士箱吊至地面,并倒入碴土坑中。螺旋輸送機有前后兩個閘門,前者關閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷,后者可以在停止掘進或維修時關閉,在整個盾構機斷電緊急情況下,此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關閉,以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入盾構機。

7.后配套設備,后配套設備主要由以下幾部分組成:管片運輸設備、四節后配套臺車及其上面安裝的盾構機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備、循環水設備及通風設備等。A.管片運輸設備管片運輸設備包括管片運送小車、運送管片的電動葫蘆及其連接橋軌道。管片由龍門吊從地面下至豎井的管片車上,由電瓶車牽引管片車至第一節臺車前的電動葫蘆—方,由電動葫蘆吊起管片向前運送到管片小車上,由管制、車再向前運送,供給管片拼裝機使用。 B.一號臺車及其上的設備一號臺車上裝有盾構機的操作室及注漿設備。盾構機操作室中有盾構機操作控制臺、控制電腦、盾構機PLC自動控制系統、VMT隧道掘進激光導向系統電腦及螺旋輸送機后部出土口監視器。C.二號臺車及其上的設備二號臺車上有包含液壓油箱在內的液壓泵站、膨潤土箱、膨潤土泵、盾尾密封油脂泵及潤滑油脂泵。液壓油箱及液壓泵站為刀盤驅動、推進油缸、鉸接油缸、管片拼裝機、管片運輸小車、螺旋輸送機、注漿泵等液壓設備提供壓力油。泵站上裝有液壓油過濾及冷卻回路,液壓油冷卻器是水冷式。盾尾密封油脂泵在盾構機掘進時將盾尾密封油脂由12條管路壓送到三排盾尾密封刷與管片之間形成的兩個腔室中,以防止注射到管片背后的漿液進入盾體內。潤滑油脂泵將油脂泵送到盾體中的小油脂桶中,盾構機掘進時,電機驅動的小油脂泵將油脂泵送到主驅動齒輪箱、螺旋輸送機齒輪箱及刀盤回轉接頭中。這些油脂起到兩個作用,一個作用是被注入到上述三個組件中唇形密封件之間的空間起到潤滑唇形密封件工作區域及幫助阻止臟物進入被密封區域內部的作用,對于螺旋輸送機齒輪箱還有另外一個作用,就是潤滑齒輪箱的球面軸承。D.三號臺車及其上的設備三號臺車上裝有兩臺打氣泵、一個1立方米貯氣罐、一組配電柜及一臺二次風機。打氣泵可提供8Bar的壓縮空氣并將壓縮空氣貯存在貯氣罐中,壓縮空氣可以用來驅動盾尾油脂泵、密封油脂泵和氣動污水泵,用來給人閘、開挖室加壓,用來操作膨潤土、盾尾油脂的氣動開關,用來與泡沫劑、水混合形成改良土壤的泡沫,用來使用氣動工具等。二次風機由11kW的電機驅動,將由中間井輸送至第四節臺車位置處的新鮮空氣,繼續向前泵送至盾體附近,以給盾構機提供良好的通風。E.四號臺車及其上的設備四號臺車上裝有變壓器、電纜卷筒、水管卷筒、風管盒。鋪設在隧道中的兩條內徑為100mm的水管作為盾構機的進、回水管,將豎井地面的蓄水池與水管卷筒上的水管連接起來,與蓄水池連接的一臺高壓水泵驅動盾構機用水在蓄水池和盾構機之間循環。通常情況下,進人盾構機水管卷筒水管的水壓控制在5Bar左右。正常掘進時,進人盾構機水循環系統的水有以下的用途:對掖壓油、主驅動齒輪油、空壓機、配電柜中的電器部件及刀盤驅動副變速箱具有冷卻功能,為泡沫劑的合成提供用水,提供給盾構機及隧道清潔用水。蓄水池中的水用冷卻塔進行循環冷卻。風管盒中裝有折疊式的風管,風管與豎井地面上的風肌連接,向隧道中的盾構機里提供新鮮空氣。新鮮空氣通過風管被送至第四節臺車的位置。

8.電氣設備盾構機電氣設備包括電纜卷筒、主供電電纜、變壓器、配電柜、動力電纜、控制電纜、控制系統、操作控制臺、現場控制臺、螺旋輸送機后部出土口監視器、電機、插座、照明、接地等。電器系統最小保護等級為IP5.5。主供電電纜安裝在電纜卷筒上,10kV的高壓電由地面通過高壓電纜沿隧道輸送到與之連接的主供電電纜上,接著通過變壓器轉變成400v,50Hz的低壓電進人配電柜,再通過供電電纜和控制電纜供盾構機使用。西門子S7-PLC是控制系統的關鍵部件,控制系統用于控制盾構機掘進、拼裝時的各主要功能。例如盾構機要掘進時,盾構機司機按下操作控制臺上的掘進按鈕,一個電信號就被傳到PLC控制系統,控制系統首先分析推進的條件是否具備(如推進油缸液壓油泵是否打開,潤滑脂系統是否工作正常等,.如果推進的條件不具備,就不能推進,如果條件具備,控制系統就會使推進按鈕指示燈變亮,同時控制系統也會給推進油缸控制閥的電磁閥供電,電磁閥通電打開推進油缸控制閥,盾構機開始向前推進。PLC安裝于控制室,在配電柜里裝有遠程接口,PLC系統也與操作控制臺的控制電腦及VMT公司的SLS-T隧道激光導向系統電腦相連。     盾構機操作室內的操作控制臺和盾構機某些可移動裝置旁邊的現場控制臺(如管片拼裝機、管片吊車、管片運送小車等)用來操作盾構機,實現各種功能。操作控制臺上有控制系統電腦顯示器、實現各種功能的按鈕、調整壓力和速度的旋鈕、顯示壓力或油缸伸長長度的顯示模塊及各種鑰匙開關等。  螺旋輸送機后部出土口監視器用來監視螺旋輸送機的出土情況。電機為所有液壓油泵、皮帶機、泡沫劑泵、合成泡沫用水水泵、膨潤土泵等提供動力。當電機的功率在30kW以下時,采用直接起動的方式,當電機的功率大于30kW時,為了降低起動電流,采用星形—三角形起動的方式。

9.輔助設備,輔助設備包括數據采集系統、S1S-T隧道激光導向系統、注漿裝置、泡沫裝置、膨潤土裝置。

   A.數據采集系統

數據采集系統的硬件是一臺有一定配置要求的計算機和能使該計算機與隧道中掘進的盾構機保持聯絡的調制解調器、轉換器及電話線等原件。該計算機可以放置在地面的監控室中,并始終與隧道中掘進的盾構機自動控制系統的PLC保持聯絡,這樣數據采集系統就可以和盾構機自動控制系統的PLC具有相同的各種關于盾構機當前狀態的信息。數據采集系統按掘進、管片拼裝、停止掘進三個不同運行狀態段來記錄、處理、存儲、顯示和評判盾構機運行中的所有關鍵監控參數。通過數據采集系統,地面工作人員就可以在地面監控室中實時監控盾構機各系統的運行狀況。數據采集系統還可以完成以下任務:用來查找盾構機以前掘進的檔案信息,通過與打印機相連打印各環的掘進報告,修改隧道中盾構機的PLC的程序等等。

B.隧道掘進激光導向系統

德國VMT公司的SLS-T隧道掘進激光導向系統主要作用有以下幾點:①可以在隧道激光導向系統用電腦顯示屏上隨時以圖形的形式顯示盾構機軸線相對于隧道設計軸線的準確位置,這樣在盾構機掘進時,操作者就可以依此來調整盾構機掘進的姿態,使盾構機的軸線接近隧道的設計軸線,這樣盾構機軸線和隧道設計軸線之間的偏差就可以始終保持在一個很小的數值范圍內。②推進一環結束后,隧道掘進激光導向系統從盾構機PLC自動控制系統獲得推進油缸和鉸接油缸的油缸桿伸長量的數值,并依此計算出上一環管片的管環平面,再綜合考慮被手工輸入隧道掘進激光導向系統電腦的盾尾間隙等因素,計算并選擇這—環適合拼裝的管片類型。③可以提供完整的各環掘進姿態及其他相關資料的檔案資料。④可以通過標準的隧道設計幾何元素計算出隧道的理論軸線。⑤可以通過調制解調器和電話線和地面的一臺電腦相連,這樣在地面就可以實時監控盾構機的掘進姿態。     隧道掘進激光導向系統主要部件有激光經緯儀、帶有棱鏡的激光靶、黃盒子、控制盒和隧道掘進激光導向系統用電腦。激光經緯儀臨時固定在安裝好的管片上,隨著盾構機的不斷向前掘進,激光經緯儀也要不斷地向前移動,這被稱為移站。激光靶則被固定在中盾的雙室氣閘上。激光經緯儀發射出激光束照射在激光靶上,激光靶可以判定激光的入射角及折射角,另外激光靶內還有測傾儀,用來測量盾構機的滾動和傾斜角度,再根據激光經緯儀與激光靶之間的距離及各相關點的坐標等數據,隧道掘進激光導向系統就可以計算出當前盾構機軸線的準確位置。控制盒用來組織隧道掘進激光導向系統電腦與激光經緯儀和激光靶之間的聯絡,并向黃盒子和激光靶供電。黃盒子用來向激光經緯儀供電并傳輸數據。隧道掘進激光導向系統電腦則是將該系統獲得的所有數據進行綜合、計算和評估。所得結果可以被以圖形或數字的形式顯示在顯示屏上。

   C.注漿裝置

注漿裝置主要包括兩個注漿泵、漿液箱及管線。在豎井,漿液被放入漿液車中,電瓶車牽引漿液車至盾構機漿液箱旁,漿液車將漿液泵入漿液箱中。兩個注漿泵各有兩個出口,這樣總共有四個出口,四個出口直接連至盾尾上圓周方向分布的四個注漿管上,盾構機掘進時,山注漿泵泵出的漿液被同步注入隧道管片與土層之間的環隙中,漿液凝固后就可以起到穩定管片和地層的作用。為了適應開挖速度的快慢,注漿裝置可根據壓力來控制注漿量的大小,可預先選擇最小至最大的注漿壓力,這樣可以達到兩個目的,一是盾尾密封不會被損壞,管片不會受過大的壓力,二是對周圍土層的擾動最小。注漿方式有兩種:人工方式和自動方式。人工方式可以任選四根注漿管中的一根,由操作人員在現場操作臺上操作按鈕啟動注漿系統;自動方式則是在注漿現場操作臺上預先設定好的,盾構機掘進即啟動注漿系統。

D.泡沫裝置

泡沫系統主要包括泡沫劑罐、泡沫劑泵、水泵、四個溶液計量調節閥、四個空氣劑量調節閥個液體流量計、四個氣體流量計、泡沫發生器及連接管路。泡沫裝置產生泡沫,并向盾構機開挖室中注入泡沫,用于開挖土層的改良,作為支撐介質的土在加入泡沫后,其塑型、流動性、防滲性和彈性都得到改進,盾構機掘進驅動功率就可減少,同時也可減少刀具的磨損。泡沫劑泵將泡沫劑從泡沫劑罐中泵出,并與水泵泵出的水按盾構司機操作指令的比例混合形成溶液,控制系統是通過安裝在水泵出水口處的液體流量計測量水泵泵出水的流量,并根據這一流量控制泡沫劑泵的輸出量來完成這一混合比例指令的。混合溶液向前輸送至盾體中,被分配輸送到四條管路中,經過溶液劑量調節閥和液體流量計后,又被分別輸送到四個泡沫發生器中,在泡沫發生器中與同時被輸入的壓縮空氣混合產生泡沫,壓縮空氣進入泡沫發生器前也要先經過氣體流量計和空氣劑量調節閥。泡沫劑溶液和壓縮空氣也是按盾構機司機操作指令的比例混合的,這一指令需通過盾構機控制系統接收液體流量計和氣體流量計的信息并控制空氣劑量調節閥和溶液劑量調節閥來完成。最后,泡沫沿四條管路通過刀盤旋轉接頭,再通過刀盤上的開口,注入到開挖室中。在控制室,操作人員也可以根據需要從四條管路中任意選擇,向開挖室加入泡沫。

   E.膨潤土裝置

   膨潤土裝置也是用來改良土質,以利于盾構機的掘進。膨潤土裝置主要包括膨潤土箱、膨潤土泵、九個氣動膨潤土管路控制閥及連接管路。和漿液一樣,在豎井,膨潤土被放人膨潤土車中,電瓶車牽引膨潤土車至膨潤土箱旁,膨潤土車將膨潤土泵入膨潤土箱中。     需要注入膨潤土時,膨潤土被膨潤土泵沿管路向前泵至盾體內,操作人員可根據需要,在控制室的操作控制臺上,通過控制氣動膨潤土管路控制閥的開關,將膨潤土加入到開挖室、泥土倉或螺旋輸送機中。

二、盾構機的隧道施工工法:

1.始發,目前國內各大城市為緩解交通壓力積極修建地下軌道交通,盾構施工因其安全高效的優越性被國內外地鐵界所青睞。即使使用盾構也有一定的風險。如盾構在隧道掘進時只能前進,不可后退,一旦盾構機本身出現致命的故障,可能會產生災難性的后果。在始發階段出問題的概率偏高,即使是非常有經驗的承包商也常會在始發時發生事故。

始發前期準備工作:為保證盾構機順利始發,需進行一系列的準備工作,主要包括:①端頭加固;②洞門鑿除及環板安裝;③地面相關配套設施安裝調試;④盾構機托架及反力架安裝;⑤軌道鋪設;⑥盾構機下井、組裝調試等。

端頭加固:在盾構始發前,一般要對洞口地層的穩定情況進行評價,并采取有針對性的處理措施。端頭加固一般采用攪拌樁、旋噴樁、素混凝土連續墻、凍結法、注漿法、SMW工法等。選擇哪一種方法要根據具體地層情況來定,并嚴格控制整個過程。端頭加固土體須具有良好的穩定性和防水性,確保盾構機始發時端頭土體不坍塌不滲漏。

洞門鑿除:在洞門破除前,需要在洞門范圍內梅花型打孔,深度在1.5~2.0m左右,間距約為1m,通過觀察有無滲水漏砂來辨別洞門的安全。若無明顯滲漏水洞門鑿除分區分塊自上而下人工鑿除。

地面相關配套系統:地面系統主要包括渣土、管片等運輸系統、攪拌站注漿系統、電瓶車充電系統、隧道通風系統、通信系統等。

托架安裝:盾構需以一定的坡度始發,但考慮到盾構在始發掘進過程中,由于盾構機自身重心靠前,始發掘進時容易產生向下的“磕頭”現象,托架標高需高于設計標高20~30mm,盾構機托架安裝時應根據盾構機計劃姿態進行設置,垂直于洞門方向進行擺放,托架由型鋼加工而成,現場拼裝。

反力架安裝:盾構反力架由鋼環、后盾框及鋼支撐組成,盾構向前掘進時的反向力,通過反力架傳遞至主體結構的底板和頂板上,盾構反力架應垂直于托架,即垂直于盾構機姿態擺放。

軌道鋪設:在始發階段盾構機臺車未進入隧道之前,先鋪設臨時軌道,供電瓶車和臺車使用。

  盾構機下井、組裝與調試

  盾構機下井

  盾構機由主體和后配套系統組成,主體由刀盤、前體、中體、盾尾4件組成;后置配套設備有連接橋、管片拼裝機、螺旋機、1#拖車、2#拖車、3#拖車、4#拖車、5#拖車組成。其主體設備部分大而重,需采用250t履帶式起重機作為盾構機主體的主力吊機進行吊裝,入井作業順序是先將拖車、連接橋等后配套設備吊裝入井,再將中體、前體、盾尾(拼裝機、螺旋機)、刀盤依次吊裝入井。

  盾構機調試

  盾構機調試分為空載調試和負載調試。①空載調試:盾構機拼裝和連接完畢后,即可進行空載調試,空載調試主要是檢查設備是否正常運轉。主要調試內容為:液壓系統、潤滑系統、冷卻系統、配電系統、變速系統、管片拼裝機以及各種儀表。②負載調試;通常試掘進時間即為對設備負載調試,負載調試時將采取嚴格的技術和管理措施保證工程安全、工程質量和線型精度。

  盾構始發

  始發臺兩側的加固

  由于始發臺在盾構始發時要承受縱向、橫向的推力以及約束盾構旋轉的扭矩。所以在盾構始發之前,根據實際情況對始發臺兩側進行必要的加固。

  負環管片安裝

  負環管片安裝準備

  安裝負環管片之前,為保證負環管片不破壞尾盾刷、保證負環管片在拼裝好以后能順利向后推進,在盾殼內安設厚度不小于盾尾間隙的型鋼,以使管片在盾殼內的位置得到保證。

  負環管片后移

  第一環負環管片拼裝成圓后,用4~5組油缸完成管片的后移。管片在后移過程中,要嚴格控制每組推進油缸的行程,保證每組推進油缸的行程差小于10mm。在管片的后移過程中,要注意不要使管片從盾殼內的型鋼上滑落。

  負環管片的拼裝類型

  在安裝井內的負環管片的拼裝類型通常采取通縫拼裝,通縫拼裝可以保證及時快速的拆除負環管片。還有一種就是錯縫拼接,這種拼接方式很穩固,但是卻不易拆除。

  盾構推進

  空載推進

  盾構在空載向前推進時,主要控制盾構的推進油缸行程和限制盾構每一環的推進量。在盾構向前推進的同時,檢查盾構是否與始發臺、始發洞相吻合和是否有其他異常事件的發生,檢查盾構的軸線是否與設定軸線吻合,確保盾構安全正確的向前推進。始發時盾構姿態的控制主要通過盾構機的推進油缸行程來控制姿態。

  盾構機進入洞門

  完全清除洞門砼后,確認洞門環板、活動壓板和橡膠簾板與盾構機刀盤不沖突,盾構機即可向前推進,盡快推進千斤頂使盾構機進入洞門。洞門止水裝置包括洞門環板、橡膠簾板和活動壓板,當盾構機刀盤進入洞門后,調整止水裝置的活動壓板位置并固定,不讓它妨礙到盾構機的推進。

  盾構機盾尾通過洞門密封

  當盾尾通過洞門密封后,立即調整壓板,盡量減少壓板和管片之間的間隙,并進行回填注漿,以避免洞門間隙處產生水土流失。在始發掘進過程中,當盾尾完全進入洞門后,橡膠止水布簾及壓板和管片外壁接觸時,間隙落差瞬時擴大,這時土體若不穩定,盾構掘進將會有一個新的風險點。

  洞口注漿

  在盾尾完全進入洞體后,調整洞口密封,進行洞口注漿。漿液不但要求順利注入,而且要有早期的強度,注漿壓力控制在2bar以內。

  始發風險點控制及應急措施

  盾構始發主要存在以下風險點

  (1)始發洞門處于不穩定性土層中,雖然已經進行了端頭加固,但受制于地質條件和加固方式的影響,加固土體難以達到理想效果,且土層遇水后,強度降低,容易崩塌,故人工鑿除洞門時存在一定的塌方風險;

  (2)盾構筒體完全進入之前,刀盤已經脫離加固區,在原狀土和加固區分界部位,挖掘面的壓力會有突變現象,并可能伴有端頭加固的塊狀物剝落、堵塞螺旋出土器出口、土艙壓力突變,形成較大的壓力波動,造成地表下陷,嚴重的造成頂部塌方。

  (3)筒體完全進入洞門的瞬間,洞門橡膠簾板和活動壓板和筒體之間的距離突然加大,形成了漏水漏砂通道,處理不善,會導致坍塌。

  (4)盾構機托架或反力架變形,導致盾構機無法沿軸線方向進入洞門。

  風險點控制及應對措施

  針對上述的風險點,采取以下相應的措施:

  (1)在人工鑿除洞門前,利用預埋的觀察孔,提前進行評估,并在洞門范圍內梅花型打孔,一般深度為1.5~2.0m,間距為1m,直接觀察水量和含砂量辨別洞門的安全性。如果有滲水,可直接在洞門范圍內打孔,并插入PVC管進行小導管注漿,給予正面加固。若有噴砂將在底部形成堆積,盾構在頂進時造成底部橡膠止水布簾拉壞,盾構頂進后,底部形成通道,無法形成密封空間,這種情況下可以底部做圍蔽,利用素混凝土正面封堵。

  (2)針對土壓力波動應采用以下措施:

  a調整刀盤轉速和推進速度,盡量減少大塊樁體的剝落;

  b調整螺旋出土器的轉速,控制出土速度,確保土壓的穩定。

  (3)針對筒體完全進入洞門時產生的風險,應采取以下措施:

  a筒體完全進入洞門前應安排專人在盾構機兩側觀察洞門情況,以便迅速采取有效應對措施;

  b應盡量避免盾構機在此位置長時間停留,以快速通過為宜;

  c如發現有滲水現象,可局部調整壓板位置,注意此時只能一個個進行調整,以免幾個同時調整范圍太大導致橡膠簾板反卷;

  d如盾尾完全進入簾板超過1米時,洞門處仍有水滲出,可考慮采用盾尾雙液注漿從內部進行封堵。

  (4)針對托架、反力架變形,采取如下措施:

  a采用合適的材料,確保托架和反力架自身設計剛度、強度及穩定性能夠滿足始發要求;

  b托架定位軸線和盾構機軸線一致,避免側推力過大,在盾構機吊裝時必須實時測量,確保盾構機按確定位置擺放;

  c盾構機推進時合理選擇千斤頂,控制盾構機最大推力,且使反力架均勻受力;

  d托架和反力架各連接點應采用有效的連接方式保證連接牢靠,各構件安裝要定位精確,并確保連接強度;

  e盾構機吊裝時應注意平穩放置在托架上,避免產生較大沖擊力,造成托架變形;

  f盾構始發時應安排專人在盾構機兩側隨時觀察托架及反力架受力和變形情況,如發現異常,應及時通知值班工程師停機,并對反力架或托架進行加固,以及調整推進參數。

    2.盾構機掘進技術,掘進時要隨時注意刀盤扭矩、螺旋機扭矩、推進速度、土倉壓力、鉸接的變化,渣土狀況和盾構機姿態等,根據相應的狀況及時調整掘進參數。確保刀盤和刀具不超載,掘進方向不超線。

    a 、軟硬不均地層軟硬不均地層就是指盾構機掘進斷面的地質不均,斷面的上部、中部、下部、左邊、右邊的圍巖強度變化大,如上部是軟土層,下部是硬巖層。掘進中刀盤的扭矩變化大,盾構機有較大滾動和震動現象和間斷的響聲,掘進方向很難控制,渣土中會有較大的石塊出現。在此地層中應采用低刀盤轉速、低推進速度掘進。因為掌子面地質不均,掘進時,刀盤各部位會受力不均,容易使部分刀具受力過大而不能轉動,最終導致偏磨。還有就是當推進速度太快時,刀具的切入量也很大,容易使刀盤扭矩突然上升超過設定值而卡死,甚至使刀圈崩裂脫落。

    b 、硬巖地層就是指盾構機掘進斷面的各部分圍巖強度變化小,整體強度在70MPa以上。掘進中刀盤的扭矩大,推進速度明顯減慢,盾構機有較大滾動和震動現象和連續的響聲,渣土中會有很多的石塊出現。在此地層中應采用高刀盤轉速、低推進速度掘進。掘進時要向刀盤和螺旋機多加泡沫,向土倉加水,對刀盤和螺旋機進行冷卻、潤滑,就是降低刀具和螺旋帶的磨損速度。為了防止刀具的超載,不能為了提高推進速度而盲目加大油缸推力。

    c 、粘土地層就是指土質比較粘,土的滲水性弱,與水不易混合,容易形成塊狀。掘進中容易在刀盤上形成泥餅。此種地層中掘進應向刀盤多加泡沫和水,多攪拌,改善渣土的流動性和塑性;防止在刀盤上形成泥餅,裹住刀具使刀具不能轉動而偏磨。再有就是掘進中要隨時注意刀盤扭矩和究竟速度的變化,當掘進速度明顯降低,而刀盤扭矩卻增加時,很有可能是刀盤上形成了泥餅,應立即采取措施處理,加泡沫加水攪拌除去泥餅,如地質條件允許,可開倉用水沖洗刀盤,快速除去泥餅。

    d、含砂富水地層此地層自穩性差,含有大量砂粒、礫石,遇水容易坍塌。此時應噴入膨潤土,在開挖面上形成泥膜,改善沙土的流塑性,防止涌水流砂和發生噴涌現象,并利于螺旋輸送機排土。每環掘進結束前要保證土倉相當的渣土量,讓下一環開始掘進時不會因土倉水太多而發生噴涌。掘進應采用土壓平衡模式,掘進中要嚴格控制出渣量;要加大盾尾油脂的注入量和調整好盾構姿態,防止水帶沙土從盾尾或鉸接密封處進入隧道。

    e、硬巖破碎地層此地層巖石強度較大,但整體結構性差;巖層節理裂隙發育、透水能力強,巖層中含有石英、角礫、硅化角礫。掘進時刀盤扭矩變化大,有較大的振動和響聲,對刀具的損傷較大,可能出現較大塊巖石的崩落和震斷刀圈。掘進中要適當降低刀盤轉速和掘進速度,防止刀具因超載而損壞,多加泡沫改善碴土性能,減小對刀具的磨損,提高碴土的流動性和止水性,以防失水;加強盾尾密封油脂的注入,確保盾尾密封效果;加強鉸接處的密封檢查,及時調節密封壓板螺栓,保證其密封效果。隨時觀察出渣口渣土情況。在地質條件允許的情況下,適當增加檢查刀具的頻率。

    3.盾構機的到達接收技術,構機到達施工指從盾構機到達接收井前50 m,到盾構機進入車站接收井上接收基座的整個施工過程。

    A.端頭加固,施工方法和技術與盾構始發的相似。

    B.在接收井準備潛水泵抽水。

    C.人工復核測量:在盾構推進至盾構到達范圍時,對盾構機的位置進行準確測量,在到達前200 m進行聯系測量,到達前50 m加強盾構姿態及隧道線形測量,同時對接收洞門位置進行復核測量,確定盾構機的貫通姿態及糾偏計劃。盾構貫通前25環最后一次導站時,充分利用貫通前線路復測的結果,用測量二等控制點的辦法精確測量測站、后視點的坐標和高程,每一測量點的測量不少。

   D.盾構姿態調整根據人工復核測量結果,制定盾構姿態調整方案,并逐漸將盾構姿態調整至計劃的位置。確定盾構貫通姿態時,盾構機姿態必須控制在規定范圍內(平面不大于±20 mm,高程不大于±20 mm,水平偏航角不大于±3 mm/m,垂直偏航角不大于3 mm/m),避免出現俯角姿態。根據實測洞門位置調整隧道貫通時刀盤位置,避免刀盤卡在洞口。盾構進入到達段后,以“小推力、低刀盤轉速,減小擾動”為原則,結合理論計算及經驗調整掘進。若停機時間較長,需適當推進油缸將土壓提升,以免地面發生較大的沉降;在盾構刀盤距圍護樁10 m時,將掘進速度控制在15 mm/min左右,控制出土量并逐步減小土倉壓力,在最后兩環采用趨于零土壓的掘進模式;在盾構刀盤距圍護樁5 m時,利用二次注漿孔對盾尾管片進行環箍注漿,以阻止盾構后部的水流向洞口在盾構刀盤距圍護樁2 m左右時,在洞門中心鑿一個300 mm直徑的孔以較準確確定盾構與洞門的相對位置;最后一環掘進時,要注意減少注漿量,控制在前半環推進時將砂漿注完,后半環改膨潤土單液注入,防止堵塞注漿管;進入到達段后,地面監控人員要注意跟蹤監測車站主體結構側墻及地表情況,發現異常時及時與相關人員聯系。

   E.管片拼裝: 隧道貫通后,盾構前方沒有了反推力,將造成管片之間環縫連接不緊密,易滲漏,因此將靠近洞口的10環管片用型鋼焊接連接縱向拉緊,保證管片間的防水條壓縮到位。管片安裝完畢后,用風動扳手擰緊環向及縱向螺栓,且在下一環掘進完畢后二次緊固螺栓。

   F.洞門鑿除刀盤頂樁后停止掘進,鑿除洞口圍護樁。為減小破樁振動對端頭的影響,采用人工風鎬破除。根據以往破樁經驗,采用兩端破除截斷,中間整體吊出的方法。

   G.洞門密封裝置安裝首先,對洞圈預埋鋼環上雙頭螺栓孔進行攻絲清理,上緊雙頭螺栓后,再點焊固定。其次,洞門鑿除完成后,清理渣土,一次性安裝完防水密封裝置,并穿好鋼絲繩,暫且不拉緊。密封裝置安裝順序為:簾布橡膠板→圓環板→鋼翻板→墊圈→螺母。防水裝置翻板上鋼絲繩在盾構出洞時要拉緊一次,等到盾尾拖出之后簾布橡膠板落到管片上時,再完全拉緊翻板上的鋼絲繩,以保證洞門密封效果防止水土流失造成洞門坍塌、洞門鑿完后,按照預計盾構姿態對接收基座進行初步定位, 做好加固材料準備。盾構貫通后根據盾構機實際姿態對接收基座進行準確定位,加固接收基座。盾構機標高宜高出接收架的滑軌面標高20 mm~30 mm。

H.盾構主機出洞時盾尾能容納兩環管片,當管片拼裝到設計洞門范圍內,需要利用千斤頂的推力把盾構主機推出洞口,此時在底部臨時安裝兩塊管片作為千斤頂的支點,通過導軌把盾構引上接收基座。

以上就是我在實習期間學習的技術內容,對于這些技術的學習我的方法主要是看書、看圖紙、百度相關的施工視頻和資料然后到施工工地隧道里面實地學習,不懂的就百度,百度還不明白的就和同事們討論討論,最后再問前輩們的看法。對于一個問題一個技術要從多方面去思考、從簡到繁、從局部到整體、集思廣益,讓自己的思路處在一個最佳模式。

總結:盾構機與隧道工程關鍵技術是中國未來城市地下軌道交通發展的關鍵,運用此技術的關鍵在于對工程地層情況的詳細勘測,然后根據地層設計合適的盾構機,管理人員要清楚的知道地層與盾構機的各方面數據,了解盾構機的各個系統的工作原理,做到心中有數全局掌控。 

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