盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)

一、前言 采用盾構(gòu)法建造隧道或各種地下管道，一般是在預(yù)先建造好的工作井內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)的安裝、調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)，并將其準(zhǔn)確地?cái)R置在符合TRANBBS設(shè)計(jì)軸線的基座上，待所有施工準(zhǔn)備工作就緒后，開(kāi)始沿設(shè)計(jì)軸線向地層內(nèi)掘進(jìn)施工，當(dāng)盾構(gòu)將要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)定盾構(gòu)的現(xiàn)狀位置，并調(diào)整和控制其的姿態(tài)，使盾構(gòu)正確無(wú)誤地進(jìn)入預(yù)先建造安裝好的接收井內(nèi)的基座上。 盾構(gòu)的進(jìn)出洞工序是盾構(gòu)法建造隧道的關(guān)鍵工序，該工序施工技術(shù)的優(yōu)劣將直接影響到建成后隧道或管道的軸線質(zhì)量、進(jìn)出洞口處環(huán)境保護(hù)的成效及工程施工的成敗。 盾構(gòu)的進(jìn)出洞施工技術(shù)必須根據(jù)工程所處地層的土質(zhì)、水文、環(huán)境條件和環(huán)境保護(hù)要求的等級(jí)而制定，如何科學(xué)、合理地運(yùn)用各種不同的進(jìn)出洞技術(shù)，使其符合各工程的特定工況條件要求，是一項(xiàng)值得研究、探討的課題。 二、盾構(gòu)進(jìn)出洞施工的關(guān)鍵技術(shù) 1建立推進(jìn)施工的良好后盾系統(tǒng) 后盾系統(tǒng)由后盾管片、支撐體系及后靠等組成，其不但要穩(wěn)固牢靠，同時(shí)必須有一個(gè)準(zhǔn)確的后座支承面和適應(yīng)施工的垂直與水平運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)折通道口。 2確保洞口處土體穩(wěn)定 在盾構(gòu)未靠上洞口處土體前，保護(hù)洞口附近地面和地下構(gòu)筑物，使盾構(gòu)順利切入土體，并支護(hù)正面土體，從而進(jìn)入正常施工狀態(tài)。 3洞口建筑空隙的密封技術(shù) 洞口建筑空隙的密封問(wèn)題，如不妥善解決，將會(huì)引起洞口滲漏，產(chǎn)生不可設(shè)想的后果，但目前對(duì)進(jìn)洞施工時(shí)的洞口密封技術(shù)還不夠完善。 三、盾構(gòu)進(jìn)出洞施工中易發(fā)生的事故 1洞門(mén)處土體涌入井內(nèi) 洞口封門(mén)拆除后，井外土體不能自立，井內(nèi)洞圈的密封裝置還不能阻擋洞外的土體，所以洞口外土體隨之進(jìn)入井內(nèi)，造成地面沉陷，影響附近地下管線和地面建筑物的安全使用，如情況嚴(yán)重，則造成井下無(wú)法施工。 2洞口周圈涌泥水 由于在出洞施工時(shí)損壞了洞口密封裝置，盾構(gòu)出洞后沒(méi)有及時(shí)做好洞口防滲漏處理，故在盾構(gòu)未全部通過(guò)工作井洞圈或已經(jīng)脫出洞圈時(shí)，井外泥水不斷從洞圈與盾構(gòu)或隧道之間的間隙涌入井內(nèi)。如不及時(shí)處理，將導(dǎo)致地面沉陷和洞口處已建造好的隧道產(chǎn)生過(guò)量沉降。 3盾構(gòu)出工作井洞口時(shí)上抬或下沉 盾構(gòu)出工作井洞口后，就失去了基座的支撐，若在施工中對(duì)正面平衡壓力值的設(shè)定和控制不當(dāng)，則極易產(chǎn)生盾構(gòu)的上抬或下沉，這將使剛建成的隧道偏離設(shè)計(jì)軸線，甚至無(wú)法正常施工。 進(jìn)土部位和進(jìn)土量控制不當(dāng)，易使盾構(gòu)上抬，于是地面也隨之隆起；正面土體流失過(guò)量，超量出土，易使盾構(gòu)產(chǎn)生下沉。 4管片產(chǎn)生碎裂、環(huán)面不平、內(nèi)外張角嚴(yán)重、縱縫喇叭大、環(huán)向旋轉(zhuǎn)等不良現(xiàn)象。 四、盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù) 1穩(wěn)定正面土體 要確保洞口暴露后正面土體的穩(wěn)定，必須對(duì)洞口狀況進(jìn)行調(diào)查，然后采取有效的技術(shù)措施，使洞口處的土體不流失、不坍塌。 (1)洞口狀況調(diào)查 工作井的構(gòu)造 工作井一般用沉井法施工，但在建筑密集地區(qū)或大型結(jié)構(gòu)的工作井是采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法建造的，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同，洞口的封門(mén)形式也不同。 用沉井法施工，在制作沉井時(shí)已預(yù)留了洞口(下沉前必須將洞口封閉)，由于洞口的封閉方法與盾構(gòu)進(jìn)出洞口是否方便、安全、可靠關(guān)系極大，因此一般情況盡可能利用井壁厚度設(shè)置防塌方、止泥、止水密封裝置，封門(mén)形式可按實(shí)際工況條件(工程埋深、洞口處土層的土質(zhì)性能、水文條件等)綜合考慮選定，但還必須兼顧到拆封門(mén)的方便。 水文地質(zhì)狀況 了解工程洞口處所處的土質(zhì)性能、地下水位的深淺，采取適當(dāng)?shù)?、最合理、最?jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。 隧道埋深和洞口直徑 隧道埋深和洞口直徑與洞口處土體穩(wěn)定密切關(guān)聯(lián)，所采用的相應(yīng)措施隨條件不同而不同。 工作井洞口附近地面環(huán)境 地面環(huán)境要求的保護(hù)等級(jí)是洞口土體進(jìn)行加固的依據(jù)。 工作井洞口井壁的平面現(xiàn)狀 工作井洞口井壁平面現(xiàn)狀是曲線型還是平直線以及井壁厚度、洞圈構(gòu)造等對(duì)進(jìn)出洞施工技術(shù)的選定有一定關(guān)系。 施工設(shè)備的性能 隧道施工所用的盾構(gòu)機(jī)型是進(jìn)出洞方法選定的關(guān)鍵因素。 (2)對(duì)洞門(mén)外土體進(jìn)行加固或穩(wěn)定處理 采用土體穩(wěn)定措施后，洞門(mén)外土體能穩(wěn)定自立相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，可大膽拆除封門(mén)，盾構(gòu)即可進(jìn)出洞，但在施工時(shí)必須對(duì)加固處理后的土體實(shí)際性能作檢測(cè)，確認(rèn)其達(dá)到施工所規(guī)定的要求，方可拆洞口封門(mén)。當(dāng)前常用的土體穩(wěn)定技術(shù)有降水、地基加固、凍結(jié)法等。 降水 降水可有效地疏干砂性土中的地下水，提高該層土的密實(shí)度，但不能大幅度提高土體的強(qiáng)度。如洞口敞開(kāi)面積大、埋深深、敞開(kāi)時(shí)間長(zhǎng)，仍會(huì)有土體失穩(wěn)坍塌的問(wèn)題存在，此時(shí)降水僅能作為輔助措施；再則降水效果還受到降水深度、土質(zhì)條件、周?chē)h(huán)境條件等的限制，所以只能在許可條件下使用。 地基加固 地基加固可采用深層攪拌、壓密注漿、化學(xué)注漿等方法，目的是將洞口處一定范圍內(nèi)土體預(yù)先固結(jié)起來(lái)，達(dá)到進(jìn)出洞時(shí)所需的強(qiáng)度，能使洞口封門(mén)拆除后洞口處暴露的土體自立。但地基加固后的土體強(qiáng)度均勻性差，特別是在軟土地層中尤為突出，所以必須加強(qiáng)檢測(cè)，使加固土體的強(qiáng)度及其均勻性、加固范圍等，均符合加固設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。 在作加固設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到工程所用盾構(gòu)的性能，如網(wǎng)格盾構(gòu)是擠壓性的正面無(wú)切削設(shè)備，則就不宜采用加固技術(shù)；對(duì)于全斷面切削刀盤(pán)，要考慮加固土體的強(qiáng)度以及出渣輸送的可能性。 凍結(jié)法 使土體中水分凍結(jié)，整個(gè)凍結(jié)范圍內(nèi)土體暫時(shí)形成有相當(dāng)強(qiáng)度的凍結(jié)固體，在這種凍結(jié)固體支護(hù)下，拆除洞口封門(mén)，待掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)入洞門(mén)圈內(nèi)、洞口密封裝置安裝完畢、洞口施工時(shí)的密封性能建立后再解凍，進(jìn)入正常進(jìn)出洞施工。 這種技術(shù)在煤礦建井施工中已廣泛應(yīng)用，國(guó)外用于隧道施工已有許多實(shí)例，我國(guó)在隧道施工中亦已開(kāi)始應(yīng)用。 (3)在井內(nèi)或洞門(mén)口采取的措施 外封門(mén)形式 當(dāng)工作井采用沉井法施工時(shí)，洞口封門(mén)一般采用鋼板柱(常用槽鋼組合)，一種方法是在沉井下沉施工時(shí)，將封門(mén)安裝在洞口(封門(mén)板樁與沉井洞口的固定連接均設(shè)于井內(nèi)的洞圈內(nèi)，出洞施工時(shí)要能方便拆除)，然后與沉井一起下沉到位，封門(mén)安置要牢固，不應(yīng)在沉井下沉施工時(shí)遭到破壞；另一種方法是待沉井下沉到位后再緊貼井外壁打入封門(mén)板樁，但沉井在沉井下沉施工時(shí)須將預(yù)留洞口臨時(shí)封閉，待洞門(mén)板樁打入后再拆除。 盾構(gòu)出洞時(shí)先進(jìn)入井壁洞圈內(nèi)，安裝好推進(jìn)施工時(shí)的洞口密封裝置(圖1)，然后拔除封門(mén)板樁進(jìn)入推進(jìn)施工。 外封門(mén)形式一般用于出洞施工，因其受到鋼板樁長(zhǎng)度、構(gòu)造及拔樁等影響，當(dāng)洞口埋深較深時(shí)不宜采用。 內(nèi)封門(mén)形式 盾構(gòu)進(jìn)洞的封門(mén)一般采用內(nèi)封門(mén)形式。封門(mén)可用型鋼組合(有豎封門(mén)及橫封門(mén)兩種形式)，固定在井內(nèi)壁洞口處(在沉井下沉施工時(shí)，洞圈內(nèi)用粘土填封密實(shí))，當(dāng)盾構(gòu)最前端離封門(mén)50mm時(shí)停止推進(jìn)施工，拆除封門(mén)，盡快將盾構(gòu)推入井內(nèi)的接收基座上，并及時(shí)封堵管片與洞圈之間的空隙，防止泥水從間隙處滲漏。 當(dāng)洞口埋深較深、洞口處土質(zhì)較好，自立性能強(qiáng)或洞口土體進(jìn)行了加固處理，則內(nèi)封門(mén)形式也可用于出洞施工，但洞圈內(nèi)必須用粘土夯填密實(shí)，使洞圈內(nèi)土體起到一個(gè)土塞作用，用以平衡井外土體的側(cè)向壓力。 特殊封門(mén)(井內(nèi)外封門(mén)) 當(dāng)工程埋深深、井外砂性土滲透系數(shù)大、地下水位高，要平衡地下水壓力較為困難，則盾構(gòu)出洞時(shí)可采用另一種外封門(mén)形式，即在井內(nèi)筑一定長(zhǎng)度的筒套(采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu))，內(nèi)徑與井壁預(yù)留洞口相同，筒套與井壁連成一體，筒套后端設(shè)有密封裝置，在筒套與井壁內(nèi)面間用密排豎向鋼板樁封閉洞口，沉井下沉前在井壁洞圈內(nèi)填粘土，盾構(gòu)先進(jìn)入筒套內(nèi)(圖3)。出洞施工時(shí)，逐根拔除鋼板樁，每拔除1根，須及時(shí)封住上開(kāi)口。 該封門(mén)形式具有如下特點(diǎn)： i盾構(gòu)出洞前已建立正面平衡體系，在出洞過(guò)程中能較好地控制正面平衡壓力，使洞口外土體流失能控制在允許范圍內(nèi)，有效地保護(hù)環(huán)境； ii井壁洞口內(nèi)及筒套內(nèi)均用粘土填充，土塞效應(yīng)長(zhǎng)度大，洞口間隙密封效果好，土體不易流失； iii洞口封門(mén)板樁由于設(shè)在井內(nèi)，板樁長(zhǎng)度略大于洞口直徑，只需用推進(jìn)施工用的行車(chē)即可方便、迅速拔除，不需另行配置大型設(shè)備； iv筒套構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了出洞時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，降低了施工難度。 用SMW工法施工洞口封門(mén) 當(dāng)工作井采用圍護(hù)開(kāi)挖施工工藝時(shí)，可在工作井進(jìn)出洞口處用SMW工法作結(jié)構(gòu)施工圍護(hù)，在進(jìn)出洞施工時(shí)，先拔除SMW樁內(nèi)的H型鋼，利用掘進(jìn)設(shè)備刀盤(pán)切削SMW樁的水泥土，逐步完成進(jìn)出洞施工。 2基座的設(shè)置 (1)基座設(shè)置前的準(zhǔn)備 基座設(shè)置前不能僅以圖紙為依據(jù)，必須核對(duì)實(shí)際預(yù)留洞口的位置和尺寸，洞口的內(nèi)凈尺寸是否滿足施工所需(要考慮設(shè)備的最大尺寸)，否則須加大洞口直徑。 將洞口實(shí)際中心位置的水平方向引至洞口兩側(cè)井壁上，以等高表示；垂直方向引到洞口下部井壁上，以作基座前端定位的依據(jù)。對(duì)于內(nèi)封門(mén)形式，由于實(shí)際洞口被掩蓋住，因此最好能在未封洞口前就把中心位置引到不受封門(mén)影響的井壁上標(biāo)識(shí)出來(lái)。 (2)基座軸線的測(cè)定 基座設(shè)置的條件除了洞口中心外，還必須有其坡度與平面方向符合隧道設(shè)計(jì)軸線的要求。當(dāng)隧道設(shè)計(jì)軸線是平曲線時(shí)，需要事先加以計(jì)算并把標(biāo)識(shí)引至后井壁上方，若有條件，可將基座精確地安裝好。 (3)導(dǎo)向軌的設(shè)置 設(shè)在基座頂部的2根平行導(dǎo)軌即為導(dǎo)向軌，盾構(gòu)擱其上面進(jìn)行安裝調(diào)試，其不僅要承受盾構(gòu)的安裝重量，而且還是盾構(gòu)推進(jìn)的軸線導(dǎo)向，因此必須使導(dǎo)向軌夾角中心與隧道軸線相一致，盾構(gòu)的擱置方向要正確。 (4)基座形式 基座可以是鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土(整體現(xiàn)澆及預(yù)制裝配)等形式?；凶銐虻膹?qiáng)度和剛度，特別是鋼結(jié)構(gòu)形式的基座，還必須有整體穩(wěn)定性能與局部穩(wěn)定性，以免施工應(yīng)力作用后產(chǎn)生事故。 接收基座用于接收運(yùn)動(dòng)著的盾構(gòu)，由于在安裝基座時(shí)，盾構(gòu)的進(jìn)洞姿態(tài)是未知的，所以只能以隧道設(shè)計(jì)軸線設(shè)置平面，且高程導(dǎo)軌面不能超過(guò)洞圈面。當(dāng)其與盾構(gòu)的實(shí)際姿態(tài)不符時(shí)，則盾構(gòu)在上基座后會(huì)產(chǎn)生姿態(tài)突變，造成洞口處成環(huán)襯砌軸線的突變、環(huán)縫拉開(kāi)、圓環(huán)變形等不良現(xiàn)象。如能設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)節(jié)的基座，當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入接收井洞口時(shí)，可按其實(shí)際姿態(tài)調(diào)整基座導(dǎo)軌軸線，符合盾構(gòu)的實(shí)際軸線，使盾構(gòu)平穩(wěn)推上基座。 3后座的設(shè)置 盾構(gòu)在基座上開(kāi)始向前掘進(jìn)施工時(shí)，其前面的頂力必須傳遞到后靠，因此后座在受到最大施工頂力后，首先是不能產(chǎn)生破壞及變形；其次是后座頂力面必須與隧道設(shè)計(jì)軸線相垂直，使盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)有一個(gè)正確的方向，并把頂力良好地傳遞至后井壁；最后是設(shè)置的后座系統(tǒng)要能滿足推進(jìn)施工時(shí)垂直與水平運(yùn)輸轉(zhuǎn)折通道口的要求。 (1)后靠 后靠一般借用工作井井壁或圍護(hù)結(jié)構(gòu)，亦有另設(shè)支撐的，或者作用在已建隧道襯砌上。設(shè)計(jì)后靠要考慮盾構(gòu)入土以后的最大推進(jìn)力，使其能承受正面?zhèn)鬟f過(guò)來(lái)的所有阻力，以免出現(xiàn)井壁破壞、工作井移位等現(xiàn)象，影響掘進(jìn)施工。所以應(yīng)針對(duì)不同的客觀條件，對(duì)后靠予以完善。 (2)頂力的傳遞 一般采用后盾支撐體系(圖5)將推進(jìn)頂力傳至后靠，該后盾支撐體系必須在最大頂力作用下不變形，保持后盾面垂直隧道設(shè)計(jì)軸線。 后盾支撐體系一般用隧道襯砌與鋼支撐的結(jié)構(gòu)，為了能在施工過(guò)程中可以垂直、水平運(yùn)輸，往往上半部分是開(kāi)口的，這給力的傳遞造成了困難。為此采用上部加鋼支撐作為頂力傳遞的途徑，必須使后盾管片及鋼支撐有一個(gè)良好的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性來(lái)適應(yīng)施工頂力的傳遞。 后盾支撐體系是否良好，直接關(guān)系到推進(jìn)施工是否能順利進(jìn)行，亦關(guān)系著出洞起始階段的隧道襯砌拼裝質(zhì)量。 4洞口間隙的密封技術(shù) 在盾構(gòu)通過(guò)洞口及整過(guò)隧道施工過(guò)程中，洞口與盾構(gòu)、洞口與隧道結(jié)構(gòu)之間總有一個(gè)圓環(huán)間隙存在，若不作密封處理，洞口外土體及水就會(huì)從此間隙中流入工作井內(nèi)，使洞口處土體流失，引起地層沉降變形、破壞環(huán)境，影響極大，所以，洞口間隙的密封技術(shù)也是進(jìn)出洞施工中的一項(xiàng)重要技術(shù)。 (1)出洞時(shí)的間隙密封 目前，出洞時(shí)間隙密封采用的單向鉸鏈板加襪套技術(shù)是較為理想的，但在施工中必須保證襪套不向井內(nèi)翻出。該技術(shù)是依據(jù)“襪套的固緊及單向鉸鏈板的保護(hù)，阻止洞外土體向井內(nèi)流失，但對(duì)泥水加壓平衡盾構(gòu)，還是阻止不了壓力泥水的滲泥，使切口平衡壓力難以建立，所以可采用多道氣囊密封。 氣囊環(huán)密封是在洞口的圈板面上安置氣囊，當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入洞口，向氣囊內(nèi)加充壓力氣體，使氣囊膨脹，嵌于盾構(gòu)與洞圈之間，封堵間隙，密封洞口。氣囊用橡膠澆制，一塊圈板上可設(shè)多道環(huán)形氣囊，提高密封效果。氣體的壓力應(yīng)根據(jù)洞口處土體側(cè)向壓力通過(guò)計(jì)算設(shè)定。當(dāng)盾構(gòu)脫出氣囊環(huán)，則氣囊環(huán)嵌于襯砌與洞圈間，成為施工間隙的臨時(shí)密封設(shè)施。 (2)進(jìn)洞時(shí)的間隙密封 盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)，由于洞口土體的流向與密封襪套同向，土體在側(cè)