13、小半径曲线隧道盾构施工工艺工法

小半径曲线隧道盾构施工工艺工法1 前言1.1工艺工法概况小半径曲线盾构隧道是指曲线半径在250400米的曲线隧道，由于施工采用盾构法施工，盾构机的设计转弯能力直接影响到隧道的施工难易程度，目前使用较多的德国海瑞克6280mm的土压平衡盾构机的最小水平转弯半径为200米、日本小松TM625PMD盾构机最小水平转弯半径为150米，可以满足小半径曲线的施工要求。但施工过程中需采用相应的辅助措施及加强施工各个方面的控制才能有力确保小半径曲线隧道施工质量。1.2工艺原理1.2.1盾构掘进过程中通过刀盘的超挖刀，推进油缸的压力、行程差、铰接油缸的行程差使盾构机根据隧道的设计曲线前行以完成曲线段的隧道施工1.2.2通过增大每环管片的楔型量、减少环宽以增大管片转弯的能力来拟合隧道较小的设计曲线。2 工艺工法特点 有效减小了建筑物密集区等特殊条件下隧道选线的难度，适用于较小半径曲线盾构隧道的施工，施工具有安全、经济、高效的特点。3 适用范围 适用于小半径曲线盾构隧道。4 主要引用标准4.1地铁设计规范(GB50157)4.2地下铁道工程施工及验收规范(GB50299)4.3混凝土结构设计规范(GB50010)4.4混凝土结构工程施工质量验收规范(GB50204)4.5地下防水工程质量验收规范(GB50208)4.6建筑防腐蚀工程施工及验收规范(GB50212)5 施工方法小半径曲线盾构隧道施工是在土压平衡的前提下，采用VMT导向系统控制掘进方向、通过刀盘的超挖刀扩挖掌子面、推进油缸压力差使盾构机沿曲线方向前行、盾构铰接油缸行程差使盾体与盾尾有效的拟合曲线，最后通过楔型量较大的管片拼装来拟合盾构机开挖的曲线形成小半径曲线隧道。6 工艺流程及操作要点6.1施工工艺流程盾构机选型特殊管片的准备盾构掘进管片拼装管片姿态复测纠偏同步注浆二次注浆图1 施工工艺流程图6.2操作要点6.2.1施工准备工程开工前了解隧道地质情况、地面建筑物情况，做好盾构机的选型工作，确保使用盾构机满足小半径曲线的施工能力。进入小半径曲线掘进前2个月前做好施工的各项准备工作，准备工作的重点为小半径曲线使用管片的生产。6.2.2掘进控制1进入小半径曲线启用超挖刀、仿形刀，使开挖空间满足盾构机转弯的能力。掘进过程中根据掘进参数选择合适的超挖量，一般超挖量2050mm。装有超挖刀的刀盘如图2所示:2在小半径曲线隧道中盾构机每推进一环，由于推进油缸与管片受力面不垂直，在油缸的推力作用下产生一个水平分力，使管片拖出盾尾后，受到侧向分力的影响向曲线外侧偏移，因此盾构机提前进入小半径曲线掘进，盾构机水平姿态向曲线内侧偏2040mm，如图3管片受力分析图所示：刮刀超挖刀单刃齿刀双刃齿刀双刃滚刀边缘刮刀图2 装有超挖刀适应于软土地层的刀盘布置图3 管片受力分析图3采用VMT自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测，采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向，被动铰接装置在曲线掘进过程中形成油缸行程差，使盾构机有效拟合曲线，小半径（250400米）曲线段主要控制参数如下：表1 小半径曲线段掘进控制参数序号项目单位控制数值备注1掘进速度mm/min2040根据地层相应调整2总推力T10001500根据地层相应调整3推进油缸行程差mm0604推进油缸压力bar452005推进油缸压力差bar501006铰接压力bar302007铰接行程差mm5080油缸总行程140mm8刀盘转速r/min1.61.89刀盘超挖量mm205010水平姿态mm2030偏向曲线外侧11垂直姿态mm020抬头掘进12盾尾间隙mm5595曲线内侧较小4小半径曲线段掘进严格做好渣土改良，采用加注水、泡沫剂、膨胀土等混合物增加渣土的和易性、降低渣温、减少盾体与地层的摩擦力使盾构掘进平稳、顺畅的进行。6.2.3管片选型与拼装1管片选型根据小半径曲线线路选择合适的管片宽度和管片楔形量，管片的环宽越小、楔形量越大管片所适用的曲线半径也就越小。以通用管片为例可以计算管片理论上能实现的最小转弯半径：管片每环宽度为B，管片外径为D，单面楔形量为，纵向螺栓的分组数，即拼装点位总数n。采用错逢拼装，按照下列公式可计算出理论管片可满足的最小转弯半径R:R=B*D/(2(1-sin（n*）) 由上公式可知：环宽B越大、R越大，单面楔形量为越大、R越小。根据目前国内小半径曲线的施工情况一般半径为250400米可采用环宽1.2米、楔形量为41mm的管片。2管片拼装1)作业班组严格按照管片拼装操作规程执行，从管片的进场验收、下井、运输、吊运、拼装过程中严格要求。2)拼装前冲洗管片、检查止水条粘贴密实、盾尾清理干净后方可进行拼装。3)拼装过程中严格控制管片环缝、纵缝5mm。4)油缸收缩与拼装管片同步，禁止油缸过多收缩影响管片成环质量。5)K块止水条涂抹黄油，插入K块拼装机与推进油缸同时使用，严禁用力过大造成K块破损。6.2.4同步注浆及二次注浆曲线段提高同步注浆浆液强度，确保成型管片能够快速的稳固防止成型管片受不均匀推力侧移。在全断面硬岩、较软地层中同步注浆很难达到饱满、稳固成环管片的效果，及时采用二次注浆加固。表2 同步注浆浆液配比配合比水泥（kg）膨润土（kg）粉煤灰（kg）砂子（kg）250225170800注浆压力控制在（1.53.5）bar。根据开挖直径和管片外径计算：每环注浆量V=/4*K*L*（D1-D2）2=3.14/4×1.5×1.5×(6.282-6.02)2=6.1m3，因此确保注浆量大于6.1m3。6.2.5施工测量小半径曲线掘进重点做好地面沉降监测、管片姿态复测，主要监测项目见下表：表3 施工监测项目监测项目量测仪器测点布置量测频率地面沉降电子水准仪、铟钢尺每10米布一个断面，每段面7个测点开挖掌子面10米范围内4次/天； 50米范围内2次/天；50米范围外1次/天直到稳定。盾构机、管片姿态复测全站仪盾尾后50环2天/次激光靶前移全站仪30米/次7 劳动力组织盾构施工技术要求高，专业性较强，要求工种多，且施工环境特殊，现场需配备专业技术人员。作业班组24小时白、夜班作业，人员配备见表4。表4 盾构掘进所需劳动力序号作业组主要作业内容人 数技术员技工普工1技术组施工、技术指导33 2试验组各种材料试验21 3盾构队盾构现场施工830 104机修班设备维护、保养110 5地面队盾构施工辅助工作1208 主要机具设备表5 主要机械设备序号设备名称单位数量规格型号主要工作性能指标备注盾构隧道施工专用设备1盾构机及后配套台1 EPB6250P:1764KW,Tmax:5300KNm,F:34200KN2交直变频电力机车台2 JXK-45轨距：900mm，牵引力：98KN3电瓶车蓄电池组组12 540V电池D-700，480V4碴车节20 17 m3轨距：900mm，容量17m35砂浆运输车台6 8 m3轨距：900mm，容量8 m36管片车节8 15T轨距：900mm，载重：15T7充电机台10 KCA-150/380V调压：0380V，输出功率：57KW8门式起重机台2 45T额定起重量45T，p：100KW9汽车吊台2 25T额定起重量25T，p：90KW10冷却系统套2 SRM-8022KW11砂浆搅拌站套1 TS-500搅拌机:TS-50012通风机台2 SFD60-4-N010p：37×2KW13水泵台10 65LS16×4扬程：60m，p：9.8KW14潜水泵台8 Q4型扬程：60m，p：5.5KW15滤油机台1 16小型泵站台1 P：2.2KW17内燃空压机台2 BH-12/7Q：12m3/min，p：86KW18二次注浆机台2F1BY50/70P:6.5 kw19冲击钻台6TE159 质量控制9.1易出现的质量问题9.1.1管片易错台、开裂和破损管片存在一个水平方向的受力，不但会使整段隧道管片发生水平偏移，还会导致管片之间发生相对位移，形成错台。由于管片的特殊受力状态。管片与管片之间存在着斜向应力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个薄弱点如图4 管片斜向应力分析示意图所示，同时相邻两环管片产生了相对位移，使得管片螺栓对其附近处混凝土产生前倾作用，使该处的混凝土破裂。图4 管片斜向应力分析示意图9.1.2管片渗漏水1管片错台导致止水胶条衔接不紧密；2管片外侧的混凝土开裂，裂缝绕过止水胶条，具体见图5 管片裂缝破损示意图所示：图5 管片裂缝破损示意图9.1.3盾构机姿态控制困难 在小半径掘进过程中易出现盾构机姿态向曲线外侧偏离线路设计轴线，导致成型隧道与设计轴线偏差较大。9.2保证措施针对小半径曲线掘进易出现的管片错台、破损、渗漏水等问题，主要从盾构机掘进参数，盾构设备（铰接装置）、管片选型与拼装等施工方面考虑、解决。9.2.1避免管片错台和破损1做好管片点位的选择管片姿态与盾构机、盾尾姿态相符，保证盾尾间隙>55mm。2由于曲线外侧的油缸推力大，满足盾构机转弯的同时减少左右油缸压力差，一般左右油缸压力差<100bar。3控制好铰接油缸确保盾构机与地层、盾尾与管片姿态相符，铰接压力<150bar、铰接油缸行程差<100mm。4管片螺栓严格执行三次复紧，确保管片连接紧密。5加强施工人员教育培训、提高管片拼装质量，避免因拼装不到位产生的错台。9.2.2管片渗漏水1每环拼装前做好止水条的检查、冲洗，确保粘贴质量合格。2减少错台、拧紧螺栓，确保止水胶条对接紧密，达到良好的止水效果。3严格控制盾构机的姿态，确保盾尾间隙均匀，避免盾尾挤裂管片，使裂缝绕过止水条形成漏水。4如有渗漏水出现及时采用二次注浆封堵处理。9.2.3管片姿态控制措施1提高盾构机操作司机操作水平，掘进过程中通过参数、渣土分析及时进行盾构机掘进参数调整、控制。2盾构施工技术管理人员及时了解前方掘进地层控制土舱压力、优化掘进参数，达到精确控制盾构机姿态的目标。