在城市轨道交通建设中,盾构作为隧道施工的主要工法,其施工技术广泛用于地铁工程,同时在盾构施工技术的应用过程中,工程所处环境、机械类型与操作人员等许多方面的因素都会对盾构施工带来一定的风险因素,因此需要对地铁盾构施工过程中的风险因素作出有效辨识,并采取必要的预控手段。
城市轨道交通盾构施工技术是一种使用用盾构机,在地下开展隧道暗挖施工方式和工法。盾构机作为暗挖隧道施工机械,由盾构壳体、掘进系统、注浆系统和拼装系统四部分组成;具有开挖、推进、支护、衬砌等多种作业功能,其应用原理为运用护盾掩护下进行掘进、排土和衬砌等施工,沿着隧道轴线向前推进。根据不同的施工条件选择不同类型的盾构机。比如在地质条件较好的情况下可以选用全敞开式盾构机,在软粘土层、粉砂层地质条件下应选择土压平衡式盾构机,在江、海等采用泥水盾构。盾构施工首先管片备存,并建立始发井,一般始发井位置即为地铁车站。然后开展盾构机拼装工作,在完成反力架、轨道铺设等准备工作后吊装、拼装调试;达到始发条件后始发,而后利用土压平衡或泥水平衡掘进模式进行掘进;最后进行盾构到达接收步骤。
盾构施工方法由1818年法国工程师M.I.Brunel发明设计,并在1887年由Greathed在南伦敦铁路隧道工程中对其进行了改进。我国应用盾构施工技术的时间为20世纪50年代,其中较早利用盾构法施工的隧道为1970年上海隧道工程公司所建设的黄浦江过江通道。在近二十年相关技术发展迅速的背景下,盾构施工的距离、直径、深度、施工质量与自动化程度都得到了很大程度的提升。
城市轨道交通盾构施工优势明显,一是盾构法施工具有较高的机械化程度。通过运用先进科学技术实现高效的土体开挖、拼装隧道衬砌与导向纠偏等施工操作,有利于施工效率与质量的提升。二是施工对于外界环境的影响较小。三是施工过程相对安全稳定。盾构施工的特点决定了外界环境对施工过程的影响也相对较小,比如能够有效避免气候环境的影响,有利于保持较为稳定的作业环境。
盾构施工在各个步骤都有可能因某些因素,造成一定程度的施工风险。因此,有必要对城市轨道交通盾构施工过程中存在的主要风险因素进行分析与研究,根据盾构施工的特点可以将风险因素按照施工过程分为以下几方面,更加有利于针对不同的施工过程开展合理预控。
盾构隧道施工时主要依靠盾构机开展作业,因此需要分析盾构机自身风险因素并加以控制。盾构机自身风险因素包括盾构装置选择不当、盾构机检修不合理以及供电故障等。在盾构机选型不当的情况下,容易造成盾构机的损坏以及无法正常完成掘进,从而影响正常施工质量、进度。如果盾构机检修不全面,在施工过程中也比较容易出现刀盘以及推进系统、管片拼装系统、液压和电气系统以及注浆系统方面的故障。开展盾构施工,选型不合理、拼装和调试等进行不当也会造成盾构施工的风险因素。
盾构机始发为高风险阶段,在盾构机始发过程中,盾构机处于始发架上,并且要通过反力架与管片承担自身推力,使自身完成向前推进,从始发洞门进入地层开展掘进作业。盾构机始发时的主要风险因素来源于洞前土体加固效果、封门凿除、始发基座安装、负环管片反力架安装与拆除、临时墙拆除与洞口封堵、始发推进姿态及轴线控制几方面。其中洞门加固范围、深度和加固效果检查、始发基座与反力架安装、洞口密封与始发推进是较为主要的风险因素。端头加固效果不理想,容易造成土体失稳、涌水、涌泥等风险。盾构机在始发基座安装位置不当不稳、不牢时容易造成较大安全隐患。在反力架安装不牢固的状态下,会对反力架的稳定性造成很大影响。洞口密封对于防水、防沙具有关键作用,也是进行风险预控的重要内容;同时在始发推进时一般容易出现盾构机姿态不稳定的问题。
盾构机掘进施工过程具体分为盾构掘进、出渣、管片拼装、注浆等多道工序和步骤,在掘进的不同阶段存在不同的风险因素,具体为以下几方面。
在开展掘进施工过程中,一般在初始掘进阶段以及穿越特殊地层时需要对掘进参数作出适当调整。应首先根据工程情况对掘进参数进行摸索、总结,合理作出调整,避免掘进参数调整不当造成沉降超限和冒顶等问题。如果在施工过程中需要穿越软弱土层等特殊地层,也应及时调整掘进参数,避免地表沉降、隆起、建筑物变形等风险因素[1]。
掘进过程中盾构机设备密封问题也是其中一项主要的施工风险因素,其中包括盾尾密封、铰接密封与主轴承密封。盾尾密封的风险因素包括密封装置弹性不良、密封油脂不足、油脂质量不达标以及盾尾刷毛翻卷问题,上述因素会造成盾尾的渗漏现象。在铰接密封状况不良时,会由于泥水砂土进入造成盾构机设备损坏。主轴承密封分为内密封和外密封,一是保护机内轴承齿轮、提高部件密封效果,极少磨损。二是防止渣土、地下水、砂等进入主轴承内。
注浆是掘进施工的一项重要步骤,该阶段的施工中主要风险因素包括注浆管堵塞以及注浆效果不理想。注浆管堵塞的产生原因一般是由于注浆管清理不及时、浆液含砂率过高以及双液注浆泵压力匹配不当等。注浆效果的影响因素具体包括浆液质量问题、注浆的时间、用量与均匀程度把握不当、或注浆所采用的压力过大。从而容易造成地表和建筑物变形问题。
管片工程的风险因素主要有,一是管片破损,管片在运输、存放、吊运与拼装过程中的碰撞问题,还包括片凹凸榫错位、管片本身质量问题、盾构推进过程中受力不均匀以及施工操作失误等。二是管片渗漏问题,制作管片模具、材料、工艺、养护方式等质量问题。三是管片拼装技术。
盾构机接收具体为端头加固、洞口封堵、安装接收基座、盾构机吊出与拆除龙门吊等。其风险因素与盾构机始发阶段具有一定程度的相似性。具体包括以下几方面,一是洞门防水装置安装密封问题。在上述部件密封不牢固的情况下,会造成洞门渗水、漏砂、地表沉降等风险因素;二是第二是由于盾构到站时推力较小,防止油缸卸载时管片外移等问题;三是接收架固定问题。接收架固定不良容易造成接收困难、盾构机姿态不当等风险因素。
开展盾构施工风险预控,地质补探尤为重要,在分析设计勘探报告基础上,需制定合理、精准的补勘方法和手段,采取物探与钻探相结合进行综合分析,查明地层分布情况;了解掌握盾构沿线的详细不良地质情况,采取有效的应对措施,避免施工安全风险。有必要对工程的风险因素作出正确评估,评估方法的选择上具体可以选用模糊综合评价法与三角模糊数理论等。另外还可以选择层次分析法。比如在应用层次分析法时,应首先建立相对重要度判断矩阵,然后通过识别的地铁盾构施工风险因素建立风险指标递阶层次结构,并将专家打分作为参考项目,对处于同一层次的指标赋予权重后作出两两比较,将结果运用三角模糊函数表达[2]。通过应用这一评估方法能够起到减少主观因素影响、提升准确程度的作用。
在加固完后对加固区进行钻孔取芯检查加固效果,并在盾构始发前在洞口范围内采用钻孔方式布设“米”字型”水平探孔,检查端头渗漏水情况,如不能达到设计要求,立即组织人员进行补充加固(水平钻孔注浆/垂直钻孔注浆),同时根据端头渗漏水情况及时施工降水井,进行降水处理,确保加固效果满足要求。
反力架的组成部分包括横梁、底座、立柱以及支撑等部分。为了确保反力架在盾构施工始发阶段的稳定性,需要在安装期间做好受力计算工作,并要在始发时仔细观察反力架是否发生变形问题。具体应在始发基座的安装上保证反力架左右偏差不超过±10mm,高程偏差不超过±5mm。反力架夹角、始发台水平轴线垂直方向之间的偏差应小于±2‰,盾构姿态以及设计轴线竖直趋势偏差小于2‰,水平趋势偏差小于±3‰[3]。同时,在掘进过程中减慢速度、进行反力架强度计算、保证焊接和固定牢固程度等措施也都有利于减少反力架位移及变形风险。
在盾构机刀盘、前盾、中盾与盾尾下井后,组装完成调试工作,需要分别进行空载调试与负载调试。首先在组装完成后进行空载调试,确保电力系统、液压系统、润滑系统、注浆系统等各项设备都能正常运行。最后在刀盘切入加固土体之后开展负载调试,确保机器在负载状态下也能够正常运行。
盾构偏离问题表现为盾构机在没有完全进入加固土体时出现滚动现象,造成盾构轴线与设计要求不一致。在进行控制时可以在基座与盾构机之间放置防侧滚装置,同时积极开展测量工作。在加固土体当中进行施工时可以放慢速度,通过注入泡沫等措施减少刀盘扭矩。还可以采用提高基座标高的方法,一般提升2-3cm。出加固土体之前应抬高盾构姿态。
盾构机掘进阶段应进行百环验收,对机器的各项参数进行合理设置。首先要对土压与推进力作出合理计算,使得掘进速度与出土量之间保持一致性。比如对于软土层,其主要特点为含水量比较高,掘进过程中容易发生坍塌或涌水涌沙问题,对此应在施工过程中注意地层的变化情况,并运用注浆加固的方法,由浅到深进行注浆[4]。
有效进行设备密封工作能够对盾体密封装置的泄露问题起到控制作用。其中一项具体措施为保持管片周围盾尾空隙的均匀程度,从而防止盾尾密封刷受到挤压。另一种方式为合理控制盾构的姿态,防止盾构的后退问题。并且还要采用高质量的密封油脂,及时使用密封油脂时保持均匀性与足够的用量。
首先要保证拌浆的配比及均匀程度,对注浆管定时进行清理,具体需要在每次注浆完成后都进行清理工作。同时对注浆泵的压力作出合理调整,使注浆的压力及流量保持平衡。为了保证注浆效果,要在合理选择浆液的同时合理开展隧道同步注浆,对于重点部位可以应用探测技术检测注浆效果。
对于管片损坏风险因素,一是管片拼装过程中保证盾构姿态控制,减少纠偏量是保障管片不破损的关键,在安装封顶块前,对防水密封条进行润滑处理,安装时先径向插入2/3,调整位置后缓慢纵向顶推,防止封顶块顶入时搓坏防水密封条;二是管片安装时必须运用管片安装的微调装置将待装的管片与已安装管片块的内弧面纵面调整到平顺相接以减小错台。调整时动作要平稳,避免管片碰撞破损;三是安装管片时采取有效措施避免损坏防水密封条,并保证管片拼装质量,减少错台,保证其密封止水效果。安装管片后顶出推进油缸,扭紧连接螺栓,保证防水密封条接缝紧密,防止由于相邻两片管片在盾构推进过程中发生错动,防水密封条接缝增大和错动,影响止水效果。
一是洞门防水装置安装时必须将连接螺栓栓接牢固,在推进过程中,要及时的调整洞口扇形压板的位置,确保扇形压板与洞口帘幕橡胶板密贴,防止帘幕橡胶板外翻影响防水效果;在洞口开始注浆时,要严密监测洞口密封是否有异常情况或者采取其他加固措施。二是由于盾构到站时推力较小,致洞门附近的管片环与环之间连接不够紧密,因此作好后20环管片的螺栓紧固和复紧工作;以防止油缸卸载时管片外移现象;在盾构贯通后安装的几环管片,要保证注浆饱满密实,防止引起管片下沉与错台。三是盾构推出洞门前,需认真检查导轨、接收基座等的加固情况以及盾构刀盘底部与接收小车高差等情况;确认无误后可将盾构推上接收小车。盾构推进过程中必须密切关注接收小车以及接收小车加固与支撑的情况,一但出现变形等异常情况,应及时停止推进并进行处理。
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盾构施工是城市轨道交通隧道施工的主要工法,在进行施工时需要针对常见的施工风险采取有效的预控措施。具体要在合理进行风险评估的基础上,有效控制盾构机始发阶段、掘进阶段与接收阶段的风险问题。
摘要：本文首先概述了城市轨道交通盾构施工技术及其主要特征,并分析了城市轨道交通盾构施工中存在的风险因素,在此基础上研究城市轨道交通盾构施工风险因素的预控措施。
关键词：城市轨道交通,盾构施工,风险因素
[1] 吴宗华.越江隧道盾构法施工安全风险辨识与估计研究[D].广西大学,2019.
[2] 陈铖.浅析地铁盾构施工的风险管理[J].城市建筑,2016(27):114.
[3] 周浩.盾构始发施工技术探讨[J].建筑工程技术与设计,2018(31):1405-1406.
[4] 邓梁.地铁盾构施工安全风险及预防措施[J].城镇建设,2019(06):287-297.
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