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地铁车站盾构法与矿山法联合施工技术

1.工程概况

珠海市区至珠海机场城际轨道交通工程拱北至横琴段横琴站~4#工作井区间左线暗挖里程起止DK14+592~DK14+709,全长117m;右线暗挖起止里程YDK14+635.155~YDK14+727.155,全长89m。原设计工法为盾构法,现场补勘DK14+592~DK14+709及YDK14+635.155~YDK14+727.155区间隧道范围内硬岩局部强度大于120MPa,采用盾构法施工将大大增加盾构机停机时间及换刀频率,降低掘进施工效率和经济效益。为确保工期目标的实现,采用矿山法开挖盾构空推法施工。
2.盾构过矿山法隧道施工重难点
(1)导台与导轨定位精确度要求比较高。
在矿山法隧道工程施工过程中,隧道底部已经完成混凝土导向台的施工,并通过导向台为盾构机提供精确导向,保证盾构机可以维持良好的推进姿态,提高管片的防水效果和拼装质量。所以预埋导轨和混凝土导向台的精确施工是盾构空推顺利的一个施工重点。
(2)保证盾构机安全到达。
在盾构机抵达矿山法隧道之前,剩余岩体长度不断减小下,对盾构机隧道结合位置和掘进方向造成的影响会逐步增加,通过布置合理的掘进参数,特别是推进参数和推力参数是确保盾构安全和盾构稳定的关键,同时也是盾构作业的重点。
(3)提供盾构机足够的推进反力。
盾构推进过程中,前方缺少岩体阻力,很容易导致橡胶止水条的压力无法满足设计要求,进而影响隧道的密封性,导致管片接缝位置出现渗漏。刀盘前方采取足够的顶推反力也是盾构施工中的一个重点。
(4)管片壁后豆砾石充填密实和防止浆液前窜。
管片和初期支护之间的孔隙比较大,而且不够均匀,豆砾石吹填密实度差,特别对于下坡段来说注浆浆液和豆砾石很容易窜流到刀盘前方,对壁后填充效果造成影响。减少浆液窜流、保证填充效果也是施工的重点。
3.地铁车站盾构法与矿山法联合施工
3.1 施工流程
地铁车站盾构法与矿山法联合施工流程如下:
加固矿山法和盾构法分界出封端→测量准备工作→矿山法隧道弧形导台施工→豆砾石堆放至隧道内→盾构机上导台→盾构顶推豆砾石掘进(空载推进)→壁后吹填豆砾石→管片的拼装→进行同步注浆和二次注浆→对上一循环已经拼装以及拖出的盾尾管片进行紧固→继续步进。
3.2 测量准备
3.2.1 复测贯通里程
在盾构机进入到空推段前,需要复测矿山法隧道端头里程。在进行复测的过程中,要从地面业主移交平面控制点和水准点移动到井下实施复测,并将复测结果作为盾构贯通前达到段掘进的参考依据。
3.2.2 矿山法段隧道净空复测
矿山法隧道初支施工完成后设计断面高为9300mm、宽9000mm,盾构机外径为8860mm。盾构机空推过矿山法段前,对矿山法隧道断面净空进行复测,断面间隔原则1m布置一组(与周围结构明显凸起处加测一组),每组布置8个测点,上下左右各一个、左上右上各一个、左下右下各一个,以检查欠挖尺寸,做好复测记录的同时并及时进行处理,保证矿山法隧道的圆顺。
3.2.3 导台复测
盾构机的姿态受盾构空推时施工精度影响比较大,本工程设计导轨的半径为4480mm,导台设计半径为4500mm,盾构机刀盘半径为4430mm,在进行复测时,需要核对导台两端的标高、导台底部标高、导台弦长、导台弧长、导台中心点、导轨和隧道中线存在的偏差,以保证导台的圆顺性。导台平台标高施工精度要保持在0~+20mm以内,导台中心和导轨的偏差要保持在0~+20mm。
4.盾构空推施工
4.1 盾构接收前13m施工措施
盾构法隧道右线里程为YDK14+628.115~YDK14+641.115(盾构矿山分界里程)左线DK14+582~DK14+595,左右线各共13m,对洞内进行全断面注浆加固。加固范围为盾构隧道拱顶上3m,两侧各3m及隧道底3m。YDK14+625.115至YDK14+655.115及DK14+579~DK14+619采用108洞身大管棚进行支护(图1)。
4.2 进暗挖段隧道前的盾构掘进机姿态控制
当盾构机在进入到隧道前的150~200m,要复测暗挖隧道洞中的测量点以及盾构开挖隧道中的测量点,准确地计算各控制点的坐标。在盾构机抵至隧道前100m,人工对盾构机姿态进行复测,并对出现的偏差进行纠正,保证盾构机姿态保持水平,垂直要高于设计轴线20mm,使其顺利进入到达段。对盾构机的掘进参数,如土压、推力、出土量等进行调整,以降低盾构机临近洞门掘进对洞门结构的影响。
盾构机进入暗挖段隧道前的13m作为盾构机到达段,盾构机进入到到达段时,要逐渐降低推进速度,并降低推力,并提高地面沉降和出土量的监控频率,将刀盘的转动速度保持在0.8~1.6r/min,盾构机设计推力小于8000kN,推进速度要求控制在10mm/min。盾构机在进入暗挖段隧道导台前,对能接触到混凝土导台的刀盘外周刀具进行拆除,避免刀具与导台接触。在盾构机进入空推段前,要将最后3环的推进力保持在800t内,掘进施工速度保持在15mm/min。
4.3 导台施工
本工程设计导台长度为5540mm,导台底部与初支平面为60°夹角。导台分为导台底基座和上部导向台。导台混凝土强度等级C30,下部底基座部分为素混凝土,导向台厚150mm,导向台底部纵向单层布设φ8@200钢筋,环向箍筋φ10@200布设。导台底部两侧与隧道中心夹角45°铺设43钢轨,钢轨下方预埋2cm钢板垫块为后续安装导轨和焊接挡板为盾构机提供反力。钢板下方焊接长15cmφ22钢筋锚入导台底基座,钢轨高于导台混凝土2~3cm。导台断面圆弧与隧道中心夹角60°。
4.4 豆砾石备料及堆填
在暗挖隧道段进行掘进施工时,因为盾构机周边以及前方收到的阻力非常小,为了提高摩擦力,需要采用豆砾石喷到管片和盾体四周,给盾构机提供足够的反力,致使管片水平连接螺栓牢固,止水条挤压密实,达到抑制成型管片错台漏水的效果。豆砾石选择φ5~10mm。并在盾构机进入矿山法隧道之前将需要的豆砾石准备好,从矿山法隧道竖井位置将豆砾石溜放至井下,然后对豆砾石进行均匀摊铺。
4.5 空推施工
4.5.1 盾构机步进
根据导台和刀盘之间的位置关系,需要对推进油缸的油压进行调整(下部油缸压力略大于上部油缸压力),使得盾构姿态拟合设计轴线。初期施工速度保持在15~30mm/min,工艺熟练后将推进速度保持在30~50mm/min。盾构推进时,派专人在盾构机前方检查、监测盾构机推进情况。观测暗挖段隧道与盾构刀盘轮廓之间的间隔距离、导台和盾构前体下部结合情况等,盾构主司机要和监测人员配合好,保证盾构机可以顺着导台中心位置向前推进。盾构机推进过程中导台轨道涂抹油脂润滑,尽量减少摩擦阻力。
4.5.2 拼装管片
在选择拼装管片时,需要根据油缸和盾尾间隙之间的形成差,盾构的姿态选择拼装点位,保证管片拼装成型后质量可以达到设计要求。每拼装一片管片,需要人工对螺栓进行紧固,每一环按照完成后需要利用气动扳手紧固所有的管片螺栓,推进一车后二次紧固管片螺栓。管片从盾尾离开后,再次使用扳手紧固。
4.5.3 同步注浆施工
在各环片喷射豆砾石回填完成后即可进行同步注浆施工。注浆施工过程中要采用手动控制的方法来进行控制,然后根据施工现场的实际情况对压力、流速和注浆量进行调整。为了可以充分填充管片后的孔隙,避免砂浆窜流到刀盘前部,需要将注浆压力保持在0.05~0.15MPa。注浆量大于理论注浆量80%时停止注浆。在注浆过程中,要对盾壳外部围堰变形情况以及盾构机四周的情况进行观测,如果发现出现浆液泄漏的情况,要立即终止注浆(图2)。
4.6 管片外侧二次注浆
管片顶部豆砾石往往很难一次注浆充填密实,留有少量空洞,当管片脱出盾尾等第一次注浆凝固后,每隔2环打穿拱腰以上管片吊装孔,检查第一次注浆效果,盾构每推进4~5环,通过隧道上部的管片注浆孔进行洞内注浆。注浆材料采用施工组织设计已经审批的水泥浆和水玻璃溶液配比,注浆压力控制在0.3~0.4MPa,水灰比为0.5~1。
5.结束语

综上所述,文章以实际工程为例,对地铁车站盾构法和矿山法联合施工技术进行了分析和探讨,通过采用上述方法进行施工,取得了良好的施工效果,隧道施工的稳定性和防水性都得到了保证,提高了地铁车站的施工质量和施工安全。

作者:贾向斌,中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司

文章来源:中国知网

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