論文：盾構(gòu)小半徑施工質(zhì)量控制

1、題目： 盾構(gòu)在南京河西地區(qū)富水砂層中小半徑 施工時的隧道質(zhì)量控制 2014年 7 月20日目 錄摘要 . . 01 前言. . 1 1.1盾構(gòu)法概述. . 1 1.3主要研究內(nèi)容. 1 2工程概括 . 1 2.1盾構(gòu)姿態(tài). . 1 2.2工程地質(zhì) . 1 2.3盾構(gòu)機與管片的選取. 33盾構(gòu)在富水砂層小半徑施工時隧道質(zhì)量存在的問題. 4 3.1盾構(gòu)姿態(tài) . . 4 3.2隧道成型管片質(zhì)量. . 5 4 盾構(gòu)在富水砂層小半徑施工時隧道質(zhì)量控制措施. 6 4.1盾構(gòu)姿態(tài)控制措施 . 6 4.2隧道成型管片質(zhì)量措施. 75 結(jié)論 . . . . 13 摘 要盾構(gòu)法施工小曲率半徑隧道時，掘進施工軸線控

2、制較難，容易造成盾構(gòu)偏離軸線以及糾偏困難等問題，同時隧道整體質(zhì)量控制也較為困難。本文以南京河西地區(qū)寧和5標(biāo)隧道施工為研究對象，深入探究盾構(gòu)在富水砂層小半徑轉(zhuǎn)彎施工技術(shù)與管片成環(huán)質(zhì)量控制要點。關(guān)鍵詞：河西地區(qū), 砂層, ,小半徑，盾構(gòu)推進, 質(zhì)量控制1前言1.1 盾構(gòu)法概述盾構(gòu)法施工在國內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，被大量用于城市建設(shè)中，越江過海的項目已經(jīng)很多，黃浦江上已建成和擬建有18條左右，長江第一條隧道武漢過江隧道已經(jīng)貫通。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)大小盾構(gòu)近300臺，應(yīng)該說盾構(gòu)法目前在中國多數(shù)地層中是首選方法，今后也有很大的發(fā)展。因而盾構(gòu)法施工的質(zhì)量越來越得到人們的重視。1.2 研究內(nèi)容 盾構(gòu)管片是盾構(gòu)

3、施工的主要裝配構(gòu)件，是隧道的最外層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用。盾構(gòu)管片質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全，影響隧道的防水性能及耐久性能。在盾構(gòu)小半徑施工中，常常會遇到隧道管片碎裂，滲漏水，隧道偏離軸線等問題。此類問題除了會影響隧道軸線外，還會引起隧道整體質(zhì)量，從而給隧道的防水帶來隱患。 因此在本文中以南京寧和5標(biāo)為例主要研究盾構(gòu)在小半徑施工中隧道管片碎裂，滲漏水，隧道偏離軸線控制問題。2 工程概括2.1工程概括南京寧和5標(biāo)工程位于南京河西地區(qū)，是南京寧和城際軌道交通一期工程土建施工的重要組成部分，它由2個區(qū)間構(gòu)成，分別為天河路新梗街站，新梗街站2#盾構(gòu)井。其中天

4、河路新梗街區(qū)間右線長度為775.75m、左線長度為755.24m，區(qū)間隧道縱坡為V型坡，最大正坡度21.79，最大負(fù)坡度-18。隧道頂部埋深為9.413.14m，最小平面曲線半徑350m。本文研究對象為天河路新梗街區(qū)間的R350m小半徑施工。2.2工程地質(zhì) 地質(zhì)是影響盾構(gòu)掘進的主要因素之一，根據(jù)地勘報告，自上而下地層主要為：-1雜填土、-2素填土、-1a2黏土、-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、-2d3-4粉砂、粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、-3b4粉質(zhì)黏土夾粉砂、-3d3粉砂、-3d3-4粉砂、-4d2粉砂、-5b3粉質(zhì)黏土夾粉砂、-5d1粉砂。其中盾構(gòu)在小半徑施工是穿越的砂層主要為-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏

5、土夾粉砂、-3d3粉砂、-3b4粉質(zhì)黏土夾粉砂、-4d2粉砂。表2.3.2-1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)一覽表 層號名稱含水量重度孔隙比液限塑限塑性指數(shù)液性指數(shù)滲透性weWLWPIPIL%kN/m3%-2素填土34.918.50.99639.122.516.60.78不透水-1a2黏土32.819.00.91737.621.815.60.68不透水-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂38.818.11.10434.622.012.81.28弱透水-2d3-4粉砂、粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土28.318.90.823中等透水-3b4粉質(zhì)黏土夾粉砂41.817.51.21035.521.514.01.43弱透水-3d3

6、粉砂28.319.10.798中等透水-3d3-4粉砂26.919.30.764強透水-4d2粉砂26.719.20.787強透水-5b3粉質(zhì)黏土夾粉砂35.417.61.09233.621.412.21.16弱透水-5d1粉砂25.418.80.784強透水表2.2.1-2小半徑施工情況信息表小曲率半徑施工段線路環(huán)號土層情況建構(gòu)筑物情況R350m右線51375環(huán)-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、-3d3粉砂、-4d2粉砂無左線43367環(huán)-3d3粉砂、-3b4粉質(zhì)黏土夾粉砂、-4d2粉砂無 由表2.2.1-2與2.2.1-1 可以看出盾構(gòu)在推進時所處的砂層為良好的富水砂層和透水砂層，而盾構(gòu)機在富

7、水砂層進行小半徑施工時，容易造成管片碎裂，以及滲漏水從而加大了對隧道整體質(zhì)量的控制難度。2.3盾構(gòu)機與管片的選取2.3.1盾構(gòu)機的選取以及技術(shù)特點 本工程所采用的盾構(gòu)機為兩臺三菱土壓平衡式盾構(gòu)機，外徑為6440mm其技術(shù)特點主要有： 1、此盾構(gòu)機為土壓平衡盾構(gòu)機適用于含水的軟土、軟巖、硬巖及混合地層的隧道掘進。掘進施工可采用土壓平衡、氣壓平衡和敞開三種模式。 2、掘進操作可自動控制、也可半自動控制或手動控制。盾構(gòu)機配備了自動導(dǎo)向系統(tǒng)，可控制和穩(wěn)定掘進方向， 具有靈活轉(zhuǎn)向糾偏能力。 3、盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)能滿足不同地層的掘進速度要求。 4、盾構(gòu)配備了同步注漿系統(tǒng)，對控制隧道周圍土體沉陷及建筑物保護非常

8、有利。5、盾構(gòu)配備了泡沫及膨潤土注入系統(tǒng)，有利于碴土改良。在本工程中，盾構(gòu)鉸接在施工過程中未開啟。表2.3.11 盾構(gòu)機主要參數(shù)匯總表主部件名稱細(xì)目部件名稱參 數(shù)綜述總長約87.6m(含主機)主機和后配套總重450t刀盤開挖直徑6440mm開口率38%換刀方式背裝式刀盤驅(qū)動驅(qū)動型式變頻電驅(qū)動主軸承直徑2950mm轉(zhuǎn)速0.33.0 rpm額定扭矩5631 kNm脫困扭矩7321 kNm主軸承壽命10000 h工作壓力5bar主軸承密封形式四唇密封盾殼型式主動鉸接式前盾直徑、厚度6440mm，45mm中盾直徑、厚度6430mm，45mm盾尾直徑、厚度6420mm，45mm鋼絲刷密封數(shù)量3道盾尾間隙

9、30 mm推進系統(tǒng)最大總推力40000 kN油缸數(shù)量16根油缸行程2150 mm最大推進速度80 mm/min最大回縮速度1500 mm/min位移傳感器數(shù)量4只推進油缸分區(qū)數(shù)量4區(qū)2.3.2管片的概括本工程采用的管片為預(yù)制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝。管片全環(huán)由1塊小封頂塊（K塊）、2塊鄰接塊（B塊）、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（A塊）共6塊管片構(gòu)成。管片強度等級C50、抗?jié)B等級為P10。管片縱向和環(huán)向均采用曲螺栓連接，管片環(huán)與環(huán)之間用16根M30的縱向曲螺栓相連接，每環(huán)管片塊與塊間以12根M30的環(huán)向曲螺栓連接。管片可選型號為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)和右轉(zhuǎn)彎環(huán)（見附件圖1，圖2，圖3）。其中標(biāo)準(zhǔn)環(huán)各點的環(huán)寬為1200

10、mm，左曲、右曲管片的各點環(huán)寬見下表：表2.3.2-1左曲管片寬度表（單位：mm）位置FEDCJIHGMOPQ內(nèi)弧面1190.51191.41196.11197.11213.71213.71196.81183.81200.01183.51200.01216.5外弧面1189.51190.31195.61196.11215.51215.51196.41181.11200.01181.41200.01218.6表2.3.2-2右曲管片寬度表（單位：mm）位置FEDCJIHGMOPQ內(nèi)弧面1197.11196.11191.41190.51183.81196.81213.71213.71200.012

11、16.51200.01183.5外弧面1196.61195.61190.31189.51181.81196.41215.51215.51200.01218.61200.01181.43 盾構(gòu)在富水砂層小半徑施工時隧道質(zhì)量存在的問題3.1盾構(gòu)姿態(tài)問題一般情況下，盾構(gòu)機的方向糾偏規(guī)范要求控制在-50mm+50mm之間，在推進過程中盡量保持盾構(gòu)機軸線與設(shè)計軸線保持平行。否則，會因為姿態(tài)不好而造成盾尾間隙過小導(dǎo)致管片破裂。在推進中影響盾構(gòu)姿態(tài)的控制主要有： 1、糾偏困難。盾構(gòu)機本身為直線形剛體，不能與曲線完全擬合，曲線半徑越小則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難于控制； 2、油壓控制困難。盾構(gòu)機

12、掘進時，難免出現(xiàn)姿態(tài)偏差；由于拐彎弧度大，需要左側(cè)油缸和右側(cè)油缸形成一個很大的推力差才能滿足盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎的要求，致使左右兩側(cè)的油缸推力可調(diào)范圍很小，從而可用于姿態(tài)調(diào)整的油缸推力調(diào)整量很小，所以加大了隧道軸線控制和糾偏的難度。 3、管片選型錯誤。由于管片選型錯誤、盾構(gòu)機司機操作失誤原因?qū)е露軜?gòu)機推進方向偏離設(shè)計軸線并超過管理警戒值。3.2隧道成型管片質(zhì)量問題隧道成型管片的質(zhì)量好與壞主要體現(xiàn)在：管片的滲漏水、管片的碎裂。而盾構(gòu)機在富水砂層進行小半徑施工時往往更容易造成其管片的破裂和滲漏水。3.2.1管片滲漏水1、管片自身防水。在管片拼裝施工時因為在管片拼裝前就已存在管片裂縫或管片防水材料損壞現(xiàn)象而引

13、起成型管片漏水。2、壁后注漿。壁厚注漿分為同步注漿和二次注漿（1）同步注漿是充填土體與管片圓環(huán)間的建筑間隙和減小后期變形的主要手段，同時也是隧道防水的第一道防線。注漿量的不足會引起管片與土體之間間隙充填不密實造成隧道后期產(chǎn)生地面沉降變形而造成漏水，注漿量過多意味著土體與管片圓環(huán)間的建筑間隙充填漿量過多，造成注漿壓力過大使管片錯臺以及管片外弧面破裂從而發(fā)生滲漏水現(xiàn)象。在施工過程中由于盾構(gòu)向左轉(zhuǎn)彎往往造成左邊盾尾與管片外弧面的間隙較右邊間隙大，因次在推進時盾尾左邊的壓漿量要大于右邊的壓漿量。這加大了對注漿量控制難度。（2）二次注漿是同步注漿的補充。二次注漿未有效的進行會造成土體與管片之間的間隙未充

14、實。導(dǎo)致管片的滲漏水。3、盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)。 （1）盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)會影響到管片的拼裝質(zhì)量，造成管片間的錯位，相鄰管片止水帶不能正常吻合壓緊引起管片漏水。 （2）盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)導(dǎo)致管片在掘進過程中受力不均勻而產(chǎn)生破損最終造成管片滲漏水。 4、管片選型。對管片選型的錯誤會造成盾尾與管片間的間隙過小，使得在掘進過程中造成管片外弧面損壞導(dǎo)致管片漏水。5、盾尾與管片外弧面之間的間隙。小曲率半徑段內(nèi)的管片拼裝至關(guān)重要，而影響管片拼裝質(zhì)量的一個關(guān)鍵問題是管片與盾尾間的間隙。當(dāng)盾構(gòu)在推進過程中若間隙過小會導(dǎo)致盾尾擠壓管片造成管片外弧面出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。3.2.2管片碎裂1、管片自身質(zhì)量。管

15、片自身質(zhì)量好與壞是決定隧道成型管片質(zhì)量的根本因素。而拼裝前管片有時會出現(xiàn)以下問題： （1）管片存在缺角直接導(dǎo)致管片拼裝后破裂和管片漏水 （2）管片未達到養(yǎng)護期限會導(dǎo)致管片質(zhì)量存在隱患 （3）所拼裝的管片尺寸大小不同，從而在推進過程中管片受力不均勻?qū)е鹿芷饣∶嫫屏选?、 管片拼裝。在管片拼裝前未對盾尾進行清理干凈。使得管片夾縫存在淤泥，造成整環(huán)管片的環(huán)面不平整，掘進時會因為管片受力不均勻而使管片出現(xiàn)碎裂。圖3.2.2-1管片破損示意圖3、盾構(gòu)司機在拼裝過程中，由于操作不當(dāng)導(dǎo)致管片受力不均勻而出現(xiàn)裂紋。4盾構(gòu)在富水砂層小半徑施工時隧道質(zhì)量控制措施4.1盾構(gòu)姿態(tài)控制措施 盾構(gòu)機的姿態(tài)通過左側(cè)和右側(cè)

16、千斤頂推力的調(diào)整來控制。本次研究對象為R350的左曲可采取的方式主要為通過左右側(cè)推進油缸的推力差實現(xiàn)行程差從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。但也要控制左右油缸推力的差值，過大的推力差會導(dǎo)致水平分力過大的管片錯臺，推力差過小則不能實現(xiàn)盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎。在推進時控制盾構(gòu)姿態(tài)還要通過以下幾種情況進行有效控制。1、 盾構(gòu)糾偏量。盾構(gòu)在富水砂層小曲率半徑段推進時，盾構(gòu)機的糾偏控制尤為重要。盾構(gòu)的曲線推進實際上是處于曲線的割線上，因此推進的關(guān)鍵是確保對盾構(gòu)的頭部的控制。圖4.1-1盾構(gòu)推進方向與軸線方向示意圖 （1）在推進過程中我們把盾首的垂直姿態(tài)控制在+5mm，水平姿態(tài)控制在-20mm，一旦出現(xiàn)姿態(tài)開始偏離就及時進行糾偏，否則難

17、以保證規(guī)劃要求的軸線偏差50mm。 （2）通過調(diào)整區(qū)域油壓來進行盾構(gòu)糾偏，若盾首垂直姿態(tài)出現(xiàn)下降則相應(yīng)的調(diào)大上區(qū)油壓直到垂直姿態(tài)穩(wěn)定在+5mm。水平姿態(tài)偏離超過-20mm則相應(yīng)的調(diào)大左曲油壓。直到水平姿態(tài)穩(wěn)定在-20mm。 （3）在盾構(gòu)在向左轉(zhuǎn)彎時，我們把右側(cè)油壓控制在20mpa，左側(cè)控制在10mpa，當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)存在向右偏差大以及向右偏轉(zhuǎn)趨勢大，造成盾構(gòu)糾偏困難。此時不僅要調(diào)大右側(cè)油壓，同時將盾尾左側(cè)千斤頂即13號的千斤頂停止推動。2、 增加測量頻率。盾構(gòu)機的測量是確保隧道軸線的根本，通過測量數(shù)據(jù)來決定盾構(gòu)機的推進和糾偏。 （1）在小曲率段推進時，由于曲線推進盾構(gòu)環(huán)環(huán)都在糾偏，因此必須做到勤測

18、勤糾，適當(dāng)增加隧道測量的頻率，通過多次測量來確保盾構(gòu)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在本工程中自動測量儀每隔兩分鐘自動測量一次。 （2）由于隧道轉(zhuǎn)彎曲率半徑小，隧道內(nèi)的通視條件相對較差，因此設(shè)置新的測量點和后視點后要嚴(yán)格加以復(fù)測，確保測量點的準(zhǔn)確性。3、管片選型。在小半徑施工時，合理選擇封頂塊的位置，可以保證管片的設(shè)計楔型量，使管片于盾構(gòu)軸線同步。在本工程小半徑區(qū)段共有342環(huán)，左右的楔形量差為6.883米。由于環(huán)數(shù)過多我們選取其中20環(huán)作為說明對象。20環(huán)時左右的楔形量差為0.426米。若采取一環(huán)左曲一環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)交替拼裝時其10環(huán)左曲管片的楔形量僅為0.32米，因而我們根據(jù)左右楔形量差以及每環(huán)管片楔形量排出

19、管片拼裝順序表：表4.2.1-1管片選取及千斤頂位置環(huán)號管片類型千斤頂?shù)奈恢?50左曲16151直線2152左曲16153左曲14154直線2155左曲16156直線2157左曲16158直線2159左曲16160左曲2161直線14162左曲16163直線2164左曲16165直線2166左曲16167左曲14168直線2169左曲16170直線24、管理人員加強對盾構(gòu)司機和值班長的管理力度，做好技術(shù)交底，避免人為因素導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)不佳。4.2隧道成型管片質(zhì)量控制措施4.2.1管片滲漏水控制措施1、管片防水制作要求。為了加強管片的自身防水能力。在本工程中管片下井之前會對管片進行防水制作主要是在

20、管片接縫間之間設(shè)置一道彈性密封墊。彈性密封墊采用三元乙丙橡膠。為了進一步加強管片防水能力我們另外采取以下措施。 （1）隔環(huán)對管片增設(shè)遇水膨脹橡膠（紅色部分)其位置處于彈性密封墊上方。 （2）彈性密封墊將管片的外側(cè)全部覆蓋，這樣既可以加強管片的防水能力，又可以起到管片與管片之間在受力時的緩沖作用圖4.2.1-1管片防水制作示意圖 2、控制壁后注漿量。 （1）同步注漿本工程中盾構(gòu)推進施工時的注漿，選擇大比重單液漿進行及時、均勻、足量的壓注，確保其建筑空隙得以及時和足量的充填。每推進一環(huán)的建筑空隙為：1.2×（6.4426.22）/42.85m3(盾構(gòu)外徑：6440mm；管片外徑：6200

21、mm)。而每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的150200左右，即每推進一環(huán)同步注漿量為4.25.7m3。表3.2.11 同步注漿初定配比(重量比) kg/1m3 砂粉煤灰膨潤土石灰外摻劑水 9001100 30040050803 360左右在施工過程中由于盾構(gòu)向左轉(zhuǎn)彎往往造成左邊盾尾與管片外弧面的間隙較右邊間隙大，因次在推進時盾尾右邊的壓降量要大于邊的壓漿量。一般左邊的注漿量與右邊的注漿量控制在2:1即左邊壓漿3方，右邊壓漿1.5方左右。在推進過程中采用推進和注漿聯(lián)動的方式，注漿未達到要求時要及時增加注漿量，以防止土體變形。根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況，隨時調(diào)整注漿參數(shù)，從而有效地控制因注漿量的不足會引

22、起隧道后期產(chǎn)生地面沉降變形而造成的漏水現(xiàn)象。 （2）二次注漿是確保漿液將土體與管片之間充實一種重要手段。我們在管片脫離盾尾幾環(huán)以后就對管片進行二次注漿，壓漿量每塊管片控制在0.508m3左右一般壓力控制在0.3mpa左右，當(dāng)壓力持續(xù)上升至0.40.5時，即可停止壓漿。確保漿液將土體與管片之間的間隙充實。 3、控制盾構(gòu)姿態(tài)。（見4.1） 4、根據(jù)盾尾與管片間的間隙選擇管片。本區(qū)間管片拼裝后平均盾尾間隙約為30mm，當(dāng)一側(cè)間隙小于20mm或者大于40mm就需要及時對間隙進行調(diào)整。合理的間隙便于管片拼裝，也便于盾構(gòu)進行糾偏。盾尾與管片之前的空隙通過選取管片類型來調(diào)節(jié)盾尾與管片的間隙。在特殊情況下，盾

23、尾與管片間的間隙不好，糾偏困難，我們要根據(jù)上下左右間隙選出正確的管片： （1）在上下間隙均合理的情況一般左轉(zhuǎn)彎管片選擇純右超拼法，即管片的封頂塊應(yīng)拼在16號位置 圖4.2.1-1 圖4.2.1-2 (2)在盾尾與管片上側(cè)間隙過小時。在拼裝管片時不僅考慮到加大右邊間隙也要考慮到加大上側(cè)間隙，因此左曲管片封頂塊應(yīng)拼裝在在14號位置 圖4.2.1-3 圖4.2.1-4 (3)在盾尾與管片下側(cè)間隙過小時。在拼裝管片時不僅考慮到加大右邊間隙也要考慮到加大下側(cè)間隙，因此左曲管片封頂塊應(yīng)拼裝在在2號位置。 圖4.2.1-5 圖4.2.1-6表4.2.1-1 管片K塊不同點位時的楔形量上一環(huán)K塊位置本環(huán)K塊參

24、考位置楔形量左轉(zhuǎn)L右轉(zhuǎn)R2#千斤頂4#千斤頂右超： 0mm下超：37.2mm左超：26.3mm上超：26.3mm16#千斤頂右超：37.2mm上超： 0mm左超：26.3mm下超：26.3mm3#千斤頂14#千斤頂右超：26.3mm上超：26.3mm左超： 0mm下超：37.2mm4#千斤頂2#千斤頂右超：26.3mm下超：26.3mm左超：37.2mm上超： 0mm15#千斤頂右超：34.4mm上超：14.2mm左超：14.2mm下超：34.4mm16#千斤頂2#千斤頂右超：26.3mm下超：26.3mm左超：37.2mm上超： 0mm14#千斤頂右超：26.3mm上超：26.3mm左超： 0mm下超：37.2mm15#千斤頂4#千斤頂右超： 0mm下超：37.2mm左超：26.3mm上超：26.3mm