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地鐵工程土壓平衡盾構施工風險分析

文檔作者：丁振明1，廖秋林2，李從昀3 文檔來源： 1．北京安捷工程咨詢有限公司 2．北京城建集團有限責任公司土木X-程總承包部 3．北京電力經濟技術研究院		點擊數：	更新時間： 2025年05月10日
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上一篇：地鐵基坑設計風險控制

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施工技 術CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY2012年12月下第4l卷第379期地鐵工程土壓平衡盾構施工風險分析丁振明1，廖秋林2，李從昀3(1．北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037；2．北京城建集團有限責任公司土木X-程總承包部，北京 100088；3．北京電力經濟技術研究院，北京 100055)[摘要]在地鐵工程特點分析的基礎上，對應用土壓平衡式盾構施工中的渣土改良、刀盤配置、工作井加固、盾構掘進、管片安裝、注漿等一些常見的技術風險問題進行了相應的探討。指出土壓平衡式盾構施工中，應做好以下工作：①做好各階段工程風險的評估工作，提前預知風險；②施工中做好監控量測與風險管理工作，利用信息化監管手段，及時采取有效措施規避風險；③做好應急預案應對緊急情況的發生，最大限度地阻止風險擴展。[關鍵詞]地鐵工程；盾構；土壓平衡；風險[中圖分類號]TU94；U459．3 [文獻標識碼]A [文章編號】1002—8498(2012)24—0064—04Study on Risk of the Construction of Earth．．pressure．．balancedShield in Metro EngineeringDing Zhenming‘，Liao Qiulin2，Li Congyun3(1．Be蚵ng Agiletech Engineering Consultants Co．，Ltd．，Beqing 100037，China；2．Be彬ng Urban Construction Group Co．，Ltd．，BeQing 1 00088，China；3．Be講ng Electric Power Economic Research Institute，Beijing 100055，China)Abstract：Characteristics of Metro engineering are analyzed and based on that，the authors discuss someusual technical risks such as soil improvement，cutter—head selection，reinforcement of working well，shield tunnel，installation of duct piece and grouting．It is pointed out that during the construction ofearth—pressure—balanced shield，the following works should be done：1)risk evaluation should be donefor every stage；2)monitor and risk management during construction should be done SO that effectivemeasures can be taken to avoid risks；3)emergency measures should be prepared to prevent risk frompropagating．Key words：subways；shields；earth—pressure—balanced；risk近些年對于工程風險的研究取得相當大的進步，在地下工程建設中的研究也取得一系列成果。金淮等針對特定工程的安全監控體系管理也進行過探討，并建立了軌道交通安全風險技術管理體系¨。31；針對風險管理的技術研究也取得相應的進展，王鳴曉的風險評估研究為地鐵基坑的順利施工提供了指導意見H o。但是，針對盾構、暗挖等特定工法施工全過程的相關風險討論與分析則鮮見于文獻。本文基于對地鐵工程風險特點的分析，對土壓平衡盾構施工中的渣土改良、刀盤配置、工作井加固、盾構掘進、管片安裝、注漿等一些常見的風險問題進行了相應的探討。1工程特點【收稿日期]2012旬3-05[基金項目]國家“十一五”科技支撐計劃(2008BAJ06BOl一3)[作者簡介]丁振明，工程師，E-mail：zmding_2001@163．tom1．1 地下交通工程風險分析地鐵線路通常設在地下隧道內，也有的在城市中心以外地區從地下轉到地面或高架橋上怕。。在城市中心區內的地鐵大多建于地下，城市的建設環境復雜，各類地下工程建設形成的障礙，使得區間線路不可避免的鄰近建筑基坑、基礎等，需要下穿建筑物、道路、橋梁及管線等，還要面對不可預知的結構、空洞等，開挖存在巨大的風險，一旦發生工程風險將帶來較大負面作用的社會影響與環境影響。因此，地鐵工程城區隧道的開挖工作需要通過平衡由于開挖帶來的土壓損失來維持周邊土體的穩定狀態，從而保證周邊環境及建(構)筑物的安全。盾構施工方法是目前實現該目的重要技術手段之一，在我國地下交通工程中的應用也得到飛速發展。1．2盾構施工用盾構修筑隧道的暗挖施工方法，盾構是一種萬方數據丁振明等：地鐵工程土壓平衡盾構施工風險分析 65鋼制殼體內配有開挖和拼裝襯砌管片等的設備，在鋼殼體的保護下進行開挖、推進、襯砌和注漿等作業，為機電一體化的機械化施工"j。目前我國地下交通工程應用的盾構大多為密閉式的土壓平衡式盾構，包含以下幾個主要步驟：適用性分析_準備工作_+施工過程一工程總結。在不同的階段應分析風險，并在施工中做好相應的控制措施。與礦山法暗挖施工方法相比較，它具有眾多的優點：①機械化施工，節省人力，施工組織銜接緊密；②工法產生的噪聲、振動等對環境影響較??；③在保持壓力平衡的條件下，在限界的穿越工程中有獨特的優勢¨1。同時，盾構也有其自身不足與缺點：①機械設備故障導致的相關問題，需要相關的解決方案；②一旦進人施工狀態，遇到障礙存在后退施工難的特點，即“只進不退”的缺點；③針對覆土較淺的施工穩定差，減小地表沉降與盾構機姿態及隧道管片的變形是工程的關鍵；④輔助的分部工程多，需要相關的配合工作復雜。2工程風險分析盾構施工是一個系統的實瑰過程，不可避免地出現風險¨‘1“，下面從土壓平衡盾構施工的角度對主要技術風險的問題進行探討，對盾構和施工過程中的相關風險進行分析，如表1所示。此外，管片制作的相關風險控制是由生產廠家進行，并且工作井的穩定性風險是明挖基坑的圍護結構穩定性問題，在盾構頂進施工之前應對障礙物進行勘探及專項研究進行處理，本文均不做詳細探討。3盾構機械控制3．1渣土改良土壓平衡式盾構的基本原理：通過電機驅動主軸帶動刃盤旋轉，在刀盤旋轉的同時，安裝在刀盤面上的切削刀具切入土中并將土體切割撕裂；刀盤切削的渣土通過刀盤上的開口部分擠壓進入并填滿土倉，土倉內的渣土在土倉壁的加壓作用下與刀盤前方的水、土壓力保持平衡，使得開挖面保持穩定狀態；同時，利用螺旋輸送機將土倉內的部分渣土排出，并使得排出土量與盾構掘削土量維持平衡。它能適應大部分類型的土層，通過輔助添加劑等方法的作用也能適應砂礫層的掘進需要，并且針對不同的地層采取相互適應的開挖面穩定機構，能取得良好的效果，盾構宜用于以下地層：①細粒含有率在粒徑累積曲線7％之上；②礫石含有率在粒徑累積曲線70％之下；③黏性土的標準貫入值<15擊；④自然含水量砂層>18％，土層>25％；⑤滲透表1 盾構施工全過程主要風險Table 1 Risks on the processing of shield系數<5×10～cm／s。其中，針對土層的改良方式的選擇是工程重點之一，應選擇有效的方法，加強控制，以防由于土層應力流失、土壓平衡不及時或反壓過大產生工程風險，應根據地層特點輔助添加劑的方法對地層的流動性進行改良，如：針對硬塑狀態的黏性土可加水；砂礫層可加適量水、膨潤土等?？梢越Y合工程需要改良土壓平衡式盾構，應用到更加廣泛的地層范圍。3．2刀盤配置由土壓平衡式盾構削切工作原理可知：刀盤上的刀具對土層的適應能力是掘進的關鍵，根據地層條件和施工需要可以選擇不同的刀具組合，因此應具有針對性地對刀盤采用混合式設計。針對土壓平衡式盾構，多采用輻條式面板的刀盤，一般情況下配以“切刀+刮刀”的形式較為普遍，可以采用焊接或螺栓連接，往往為了便于刀具的更換，多采用螺栓連接方式，如果需要進一步保證刀盤的整體結構強度和剛度，則可采用先栓接后焊接的方式連接。合理安裝配備相應的先行刀、削切刀具滿足盾構姿態修正、削切土體等需要，同時配有注漿孔。萬方數據66 施工技術 第41卷刀盤的開口率應根據工程環境等的需要進行設計：開口率過小出土不及時，積壓形成“泥餅”，增加刀盤的扭矩；影響出土，開口率過大引起開挖面的地層損失過大，易引起坍塌。在一般的土層或砂礫層中，刀盤開口率為30％～60％，針對不同的地層特性采用添加相應膨潤土或減磨劑對土體進行流動性改良。4施工風險控制4．1工作井加固對于盾構工作井的加固區應結合實際工程情況，在含水地層中必須進行加固，非含水地層應根據地層性質選擇性地加固。加固的目的主要包含兩個方面：①防止近基坑的土體坍塌對圍護結構產生破壞，對盾構機產生破壞；②防止產生涌水，涌進工作井和隧道區間。如果盾構處于無水作業狀態，并且工作井周圍的土體工程性質較好，可滿足掘進的穩定要求，則可以不加固，土體工程性質較差則可適當對土體進行加固以增加穩定性。水下盾構時必須進行土體加固，目前大多用懸噴樁、攪拌樁的方法進行加固，加固范圍：縱向長度6～lOre、豎向與徑向以盾構機輪廓外延3m的正方形。施工中普遍出現加固樁與圍護樁之間的滲水較大的問題，可采用以下措施：加固區內的相鄰樁進行搭接，搭接寬度≤lOOmm；并且與圍護樁之間的施工搭接應在加固樁施工完成后再進行圍護樁施工，才能保證加固樁與圍護樁之間的防水效果，反之，兩樁之間必然存在滲漏通道；如無法實現先施工加固樁后施工圍護樁，則可將加固樁延長至全隔水層長度。在盾構井加固工作完成后，對洞門進行圍護結構的破除工作，并安裝好防水結構，開始盾構的始發掘進工作。4．2盾構掘進4．2．1始發施工，始發基座在盾構始發時要承受縱向、橫向推力以及約束盾構旋轉的扭矩，所以在盾構始發前，必須對始發基座兩側固定，考慮到盾構機可能叩頭的影響，始發基座的安裝高程可根據端頭地質情況進行適當抬高10～20mm。盾構始發基座具有足夠的剛度和強度，導軌必須順直。要求在盾構主機與后配套連接之前進行反力架的安裝，由于反力架為盾構始發時提供反推力，在安裝反力架時，反力架端面應與始發臺軸線垂直，以便盾構軸線與隧道設計軸線保持平行。安裝時反力架與盾構井結構連接部位間隙要墊實，以保證反力架腳板有足夠的抗壓強度。負環管片包括負環鋼管片和負環混凝土管片，負環鋼管片起到連接負環混凝土管片和反力架的作用。在盾構機內拼裝好負環混凝土管片后緩慢推出盾尾，與拼裝好的整環鋼管片用螺栓連接。在拼裝第一環負環管片時，在盾尾管片拼裝區與管片間的間隙需要進行定位，為了避免負環管片全部推出盾尾后下沉，應填充始發支座軌道與管片外側的空隙。第二環以后按照正常安裝方式進行，隨著負環管片的拼裝，負環鋼管片將靠在反力架上，通過焊接的形式連接牢固，隨著負環進一步拼裝，盾構快速地通過洞門進行始發掘進施工。4．2．2掘進施工掘進施工50～lOOm范圍內應進行試掘進，進行聯系測量，對盾構的線路進行校驗，控制推進速度，掌握最佳推進參數，嚴格控制土倉內渣土狀況、土壓力及出土量，根據地層情況設定好土壓和出土量，保持土壓平衡模式掘進。嚴格控制出土量，一般情況下，出土控制量根據拼裝管片長度(地鐵工程管片長度1．2～1．5m)進行控制，出土量不得大于每環管片內土體的體積。保持土倉內壓力，避免出現千斤頂最大和最小行程，同時注意盾尾間隙控制，盡可能保持盾尾間隙的均等。遇到特殊地段的施工應有專項的施工控制措施，工作的重點還是控制掘進參數、土倉壓力、出渣量、注漿壓力等方面，遇到障礙物時應預先進行處理。4．2．3到達施工到達前200m進行聯系測量，進行精確定位，到達lOOm前，再次對盾構軸線進行測量并作調整，保證盾構進入接收的洞門。洞門的破除工作易提前進行，并且保留結構鋼筋至到達前5環時進行割除，同時降低盾構的掘進速度，隨著盾構臨近洞門，土倉內的土體將持續減少，根據土倉土體減少情況平穩地減小土倉壓力，同時保持一定的刀盤轉速，直至盾構機進入洞門。進入洞門后刀盤可停止轉動，利用千斤頂將盾構頂出洞門。4．3管片安裝使用質量合格的管片和防水密封條，目前地鐵盾構應用預制管片包含6塊：1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標準塊。拼裝管片一般按照從下往上的次序進行安裝，最后安裝封頂塊。管片安裝完成后不允許存在貫穿的裂縫與混凝土剝落現象，螺栓孔密封膠圈不得外露，質量控制要求如表2所示。由于管片與推進千斤頂接觸平面有個夾角，管片與推進千斤頂接觸平面不重合會導致管片拉裂，萬方數據丁振明等：地鐵工程土壓平衡盾構施工風險分析 67表2管片拼裝質量控制要求Table 2 The claim of quality in setting segment拼裝時應保證兩平面的重合，拼裝時管片拼裝機一般按從下向上的次序安裝管片。待底部管片就位后，依次拼裝兩側的標準管片和鄰接管片，最后安裝封頂管片。確保千斤頂在管片安裝過程中的壓力，避免總壓力損失多，導致盾構機后退。對安裝部位收回千斤頂，管片定位后立即頂緊該管片，其余千斤頂仍然維持頂緊管片面的工作狀態。由于封頂塊是管片密閉的最后防線，為使封頂塊插入順利，可使用油脂涂抹密封止水帶來減小摩擦和保護止水帶，如間隙過小，為避免管片損壞，在封頂塊完全插入前將鄰接塊的千斤頂進行卸壓處理。管片就位后立即拼裝并擰緊管片彎曲螺栓，固定管片位置，控制接縫張角，管片拼裝成環后再次擰緊，待盾尾離開時進行二次復緊，螺栓復緊應保持均衡，以免擰緊力不均勻引起管片拉裂等。4．4注漿工作做好同步注漿、即時注漿、二次補強注漿的工作，注漿材料應滿足強度、流動性、可填充性、凝結時間、收縮率、環保等要求。同步注漿和即時注漿工作的充填系數宜為1．3～2．5，通過注漿壓力與注漿量對注漿工作進行控制，一般情況下：注漿量以理論計算量的1．5～1．8倍進行控制；注漿壓力以靜止土壓力的1．1～1．2倍進行控制。注意避免因注漿工作產生盾體與周圍土體的固結，從而對盾構的掘進產生影響。背后注漿參數則應根據周邊環境和管片變形與受力測量結果確定，不但可制定防止盾尾拖出后地層產生較大沉降進行的土體加固措施，也是對盾尾間隙的填充工作，應在注漿過程中加強管片的監控量測工作，還應對拼接縫、注漿孔等部位進行觀測，出現管片滲漿現象，避免對盾構管片產生過大壓力，使管片發生損傷與破壞。5 結語本文就土壓平衡式盾構施工中常見的技術風險問題進行了探討，可供類似工程參考。誠然，地鐵應用土壓平衡式盾構施工是一個復雜的技術過程，包含的技術重點較多，需要在工作中不斷繼續總結與提煉，以便進一步指導與加強現場施工風險管理工作，圍繞以下幾點：①做好各階段的工程風險的評估工作，提前預知風險；②施工中的做好監控量測與風險管理工作，利用信息化監管手段，及時采取有效措施規避風險；③做好應急預案應對緊急情況的發生，最大限度的阻止風險擴展。參考文獻：[1] 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200萬m1上海舊住房綜合改造工作座談會上談到，2013年將進一步加大舊住房綜合改造的力度，在2012年改造1 000萬m2的基礎上，預計增加200萬m2，總面積將達l 200萬m2，受益家庭將超過3萬戶。明年主要對涉及保障市民住房和居住功能的三類住房進行綜合改造，包括成套改造、廚衛綜合改造、住房屋面和相關設施改造。上海在完善“四位一體”住房保障體系的同時，將進一步加強舊住房綜合改造工作，把改善市民的居住條件和居住安全同樣視作重要的民生工程。(摘自《中國建設報)2012—12—14)

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