城市地铁盾构法施工技术综合介绍第一部分盾构的背景及我国的应用现状盾构法施工起源于1825年的欧洲,后来在日本得到广泛的应用。

最初主要是过江河,修建隧道施工所必需。

它的应用是解决在具有大量水域的下面修筑通道所带来的问题,这一技术的关键就是有了防护壳体,有了抵挡坍塌的各种措施。

由于这种工法的这一特性,使之在城市地下工程上得以广泛应用。

城市地铁隧道的施工特点是地上有建筑物、街道、各种管网、人口密集、环保要求高、及由此带来的交通、商业等经济影响大。

盾构法的特点,关键就是可实现对城市地面无扰动、少扰动而进行的地下作业。

盾构法施工关键设备:盾构机盾构机的工作原理这里不作介绍,强调的关键是,盾构机它有防护,在整个盾构施工过程中,有三个位置是活动密封:⑴盾体与管环之间;⑵刀盘转动轴承;⑶铰接。

由于很多地区地质条件不均一,针对不同条件的地质,不同时期的制造业技术水平,出现有了很多种不同的盾构机,例如:网格式、气压、泥水及土压平衡式等。

就是某一种具体机型又有了很多不同的配置,使用于不同地质条件。

而且很多城市地下的地质条件并不均衡,以广州为例,有从软到硬,几乎包括了各种地质条件。

盾构机本身是一种适应性施工设备组合,他的针对性很强,正常工作法是要根据1不同的地质条件,而量身定做不同的盾构机。

在国内,由于其不同的地下形成条件,大体有如下几类:一是以上海为代表的软土地层的盾构法施工,这种地层总体上来讲比较均匀是最适用盾构法的,而且盾构法应用技术比较完善,消耗较低,比较其他方法来说,盾构法具有较强的优势。

与之相类似的有苏州,无锡,杭州,天津,南京等冲、洪积形成的地层。

二是广州为代表的混合岩等不均质地层。

这种地层变化率较大,从盾构机掘不动的硬岩(或者说是用盾构机掘进代价太大),到淤泥质流塑土、砂。

要求盾构机能力较强,较全。

同时所需用辅助工法应用较多,类似的地区有深圳,武汉,南宁,长沙等。

三是以北京为代表的我国北方部分,地下水位较低,而主要以土质为主的地下结构地区。

这些地区盾构法施工比矿山法明显优势是安全和效率。

四是如成都地区的砂石卵石冲积地层。

既有硬岩地层的强磨耗特性,又有一定的软土地层特性,如整体性不好,自身稳定性不强,需要的辅助工法较多。

盾构法施工成本较高。

随着国民经济发展,国力的增强,中心城市人口、产业、经济的发展,城市地铁迅速发展,国内地铁,轻轨迅速建设也在迅速发展。

现有已在施工的城市有:上海,广州,南京,深圳,北京,成都,武汉,西安,苏州,杭州,天津,沈阳,哈尔滨,长春,正在筹建和准备开工的还有长沙,南宁,无锡。

地铁施工预计30——40年内,国内发展空间已形成共识。

市区内地下,郊区,城际之间地上,而无论哪个中心城市,市区内均以盾构法做区间施工为最优方案,为什么?来源于经济和政治两方面。

与盾构法相比较的无外乎矿山法和明挖法,后两种工法在市区内,从占地,人文,建筑物,商业等诸多方面均已无法和盾构法相比,就施工造价比较,随着盾构法应用成熟、发展也已无可争议的形成优势。

盾构法应用离不开盾构机,盾构机也的确是个具有完整系统功能的机械,但它最终还是一台机械,一套设备。

盾构机的产生原理是根据不同的隧道要求在具体的地层条件下设计,制造的机械,这样一来,就不可能有一种万能盾构机,让我们人类一劳永逸用之。

机械不可变,人是高度灵活的。

根据不同的地质条件,不同地层的差别,选用盾构机是尤为重要,而更还需有多种不同辅助工法和施工技术的介入,完善盾构法施工的能力。

第二部分集团公司应用的主要技术下面介绍的是这几年来,集团公司在城市地铁施工中采用的主要盾构法施工技术。

一、盾构机的始发和到达施工技术盾构机的始发和到达时,控制的关键为盾构机机头在洞口范围内的土体稳定。

由于机器的进、出洞,在站、井的维护结构中间形成了通道,靠机器本身的装置无法实现安全、可靠地抵抗土体的压力,因此主要靠端头加固来解决。

常用的有搅拌桩,旋喷桩,砼桩,降水、冷冻等方法。

近几年我公司分别在各种地层条件下胜利完成了32台次盾构机进、出洞施工,虽曾经历各种不同的困难,但均能保证安全和质量,有软土底层条件下,有富含水中粗砂层等等,特别是广州地铁二、八线南洛区间盾构机到达端有近一米的富含水中粗砂层,洞身上部沙层覆盖范围12~ 13m。

通过水平注普通水泥双液浆,注超细水泥双液浆、注化学浆液、通过改造盾构机在盾体周围注化学浆、注聚氨酯等特殊处理措施,保证了盾构机安全进入吊出车站,顺利完成了盾构机解体吊出。

(此种工艺在广州地铁施工领域尚属首次。

)二、盾构机掘进硬岩地层技术广地4号线仑大区间,每条线均要通过200m硬岩,采用了盾构法,岩石最大单轴抗压强度达到了100MPa,每条线消耗刀圈1.5盘。

1、长距离硬岩段掘进需克服的难题⑴硬岩掘进速度慢传统盾构刀盘上的软土刮刀破岩效率低,甚至完全不能破岩。

⑵刀具磨损快在硬岩地层条件下掘进,刀具磨损严重,且在控制不当的情况下易造成刀具非正常损坏,进一步可能对刀盘造成磨损或损坏。

⑶管片极易上浮2、长距离硬岩掘进技术要点⑴控制推进速度及刀盘转速,选择适当的刀具贯入度,以减小刀具磨损。

为延长刀具的使用寿命,在施工中向刀盘前加入水或泡沫,减小刀盘扭矩,降低刀具温度。

⑵隧道穿越微风化地层时,刀具磨损较多,因此在掘进过程中,需合理选择推力,充分利用滚刀切割硬岩,及时添加泡沫减小摩擦力。

⑶加强刀具管理,勤检查、勤更换。

⑷硬岩掘进控制管片上浮①原因分析:在硬岩地层中,管片脱出盾尾后,由于其岩层的稳定性,环形建筑空间在相对长的时间内是稳定的,如不及时充填此空间,脱出盾尾的管片便处于无约束的状态,给管片的位移提供了可能的条件。

在透水地层中盾构掘进形成的环形建筑空间在充满水的情况下,管片有上浮的趋势。

②控制措施:a.二次双液注浆和同步注浆;b.盾构机姿态控制;c.掘进速度控制;d.合理控制盾构机掘进高程。

三、盾构法过江施工技术广州地铁4号线两次过江,总计双线长度各600余米。

二八号线再次穿越珠江,过江隧道长度各500m。

盾构法过江施工关键:事先检查、检修达到设备完好,选择合适距离位置开仓换刀。

预先分析好地层条件,尽可能做到快速,连续掘进作业。

主要技术措施:1、过江过河前选择合适的换刀地点,全盘更换新刀,保证过江刀具状态良好,检查疏通泡沫系统,保证泡沫注入系统状态良好,保证渣土改良。

2、选择合适的掘进模式、加强监测,重点保护好两岸堤坝稳定。

3、加强施工的各环节组织管理,保证施工连续高效。

4、针对过江过河的地层特点,选择合理的掘进参数,软弱地层尽量采用土压平衡模式掘进。

5、盾构掘进过程中向土仓内和掘进面及螺旋输送机内注入添加材料,改善碴土性能,提高碴土的流动性和止水性,以防失水。

6、采用二次注浆,及时回填环形间隙,防止无胶结的回填土松弛而造成较大的涌水。

7、减少铰接油缸的行程差,尽量将行程差控制在30mm以内,以降低盾体铰接处漏水的可能性。

四、带压进仓作业施工技术进仓的目的:检查修理刀盘、刀具。

更换已磨损刀具。

施作地点及项目:其一是广州地铁4号线仑大区间,上软下硬地层(下部为中微风化花冈岩,上部为淤泥和泥质粉细砂并与江水连通)。

在地表通过筑岛方式施作稳定层,在隧道内掌子面通过2~3公斤气压抵抗土体压力,人员在此压力之下作业更换刀具39把,作业25天。

其二是成都砂卵石地层带压换刀。

先进行土仓膨润土浆填注做防止漏气处理,然后用大量压缩空气不断补给的方式保持土仓0.8~1公斤压力。

人员在此压力下作业,更换刀具,成功挤水实现了无水条件下的换刀作业,现已成功作业多次。

五、盾构机过站施工技术盾构机过站是盾构法通过车站的一种施工技术,我公司先后施作了三种不同方式过站施工。

第一种是广州地铁4号线过官州站施工和成都地铁1号线过骡马市车站施工,采用的是直接平移和纵移方式。

它的基本原理是利用四个垂直千斤顶升降盾构主机,两个水平千斤顶配合导轨及卷扬机纵向移动主机。

最后在站内拼装副环管片、反力架,再次始发。

第二种是解体方式过站施工。

成都地铁1号线通过文武路车站。

因车站施工进度等因素安排,造成车站内盾构机通过空间不足,则将盾构机主机解体,从一侧吊出,从另一端下井组装,台车从车站地板直接推过和主机连接,之后再始发。

第三种是先隧后站法过站施工。

广州地铁5号线通过五羊新城站,因工期等因素安排,在车站维护结构施工过程中,盾构区间施工直接先通过车站,过后再施做车站,拆除在车站区间内管片,这种工法在国内也是首次采用。

六、盾构机井下调头施工技术在成都地铁1号线天府广场站,因天府广场是成都市中心,场地使用条件限制,无地面盾构始发井,只能在区间中部设置单线始发井,因此需要在天府广场站调头施工另一条隧道。

盾构机进入车站后,平移回转掉头到另一条隧道位置站内始发,后配套设备台车在距离始发端100m外调头,再组装始发。

再始发后通过人字形轨道道岔换向,进行水平运输,利用原有升降井垂直吊装作业。

七、洞内开仓截桩施工技术广州地铁5号线和广州地铁二八号线。

因在建筑物下通过,而建筑原有基础桩在地面不具备拆除条件。

利用盾构机土仓直接将进入隧道空间内的桩进行截除。

先后共截除了97根桩。

八、围护结构条件下盾构机到达吊出施工技术。

广州地铁5号线和二八号线到达吊出时因车站施工和区间施工工期、进度安排的客观需要,先后两次分别在钻孔桩围护结构和连续墙围护结构条件下盾构机进站和吊出,开创国内施工的先例。

盾构机维护结构吊出需要克服的主要难题有三个:一是保证维护结构安全,二是维护结构存在支撑体系,使得盾构机解体吊出作业空间受到限制,使得大部分部件在起吊时要经过平移,而不是直接起吊,还有如螺旋输送机等部件的解体需要辅助结构或设备,所以维护结构吊出增加了设备解体作业难度;三是维护结构下安装洞门密封要保证其可靠性。

广州地铁施工经历的两次在维护结构吊出时,采取了拆卸刀具,减小刀盘起吊重量,盾体平移,制作辅助钢结构解体螺旋输送机等方法,在大件起吊时加强维护结构和支撑体系监测也是必须要做的工作。

九、建筑物桩基转换施工技术城市地下施工,避免不了的穿越已有建筑物,针对不同年代,不同条件的建筑,采用了多种穿越技术。

1、直接通过。

广州地铁4号线仑头村,官州村。

二八号线造船厂车间。

地面无加固处理条件,地下地质条件允许直接土压平衡方式通过,及时注浆,控制好同步注浆和二次补充注浆的压力。

2、盾构通过后跟踪注浆加固。

成都地铁1号线通过经委楼、安监局大楼、冶金宾馆,建筑物属于50——60年代条形基础,年代久远。

结构已不够牢固。

为保护建筑物,预先对通过部位上方打孔准备,待盾构机通过时及时跟踪补充注浆,由于砂卵石地层致密,先期加固效果不好,经过扰动后及时跟踪注浆效果良好,确保了建筑物的安全。

3、地下洞室法桩基转换施工。

广州地铁5号线五羊新城过街楼。