土压平衡盾构在北京地铁

土压平衡盾构在北京地铁施工中的应用报告人：北京城建集团有限责任公司王良主要内容1、北京地铁五号线盾构试验段概况2、地铁盾构工程关键技术问题的解决方案3、北京地铁盾构工程应注意几个问题1、北京地铁盾构工程概况北京地铁五号线宋家庄站～刘家窑区间，东单站～和平里北街站共有七个区间采用盾构法施工，盾构区间总长度5.928km，占区间总长的21.5％，其中北新桥站～雍和宫站区间左线全长约688m，作为北京地铁五号线盾构试验段工程，于2000年9月25日先期开工建设。北京地铁五号线盾构试验段平面图该工程是在北京市首次采用盾构法进行地铁隧道工程的施工，实施盾构试验段的目的是通过工程实践，结合北京工程地质、水文地质及地面多危旧房屋的情况，全面掌握地铁工程中的盾构施工技术，为在北京全面推广盾构施工技术奠定的基础，提高北京地铁隧道的施工水平和工程质量，加快北京地铁的建设速度。本工程地面环境条件比较恶劣，现状地表主要为雍和宫大街和两侧密集的构筑物，道路宽度仅12m，南北向交通繁忙，车流不畅。隧道线路主要在现况危旧平房下穿过，沿线还有雍和宫、成贤街等重点文化保护建筑物。隧道沿线的地质条件变化范围较大，穿越了三种非常具有代表性的北京地层：粉质粘土地层、砂性地层及砂卵石地层，地质条件复杂，部分地段地下水位较高，施工难度较大。此外，本工程施工场地狭小，使得盾构施工生产组织具有一定的特殊性，需要精心组织，合理协调，才能保证施工的顺利进行。2、地铁盾构工程关键技术问题的解决方案2.1盾构机的始发施工该工程在前期施工中，由于受拆迁条件的限制，包括施工用房在内，施工场地总面积只有2000m2。根据工程整体筹划，必须采用盾构主机和后配套台车分离的方式进行始发施工，也就是说，盾构主机先在竖井内完成组装，而后配套台车必须在地面完成组装，盾构主机和后配套台车之间通过相关的液压、电信管线进行连接，见下图在盾构主机与后配套车架分离的条件下进行盾构掘进施工，由于管片输送机无法使用，就要采用其它机械设备来实现这些功能，为此，该工程中研究制造了专门的管片输送车，可以安全、准确的把管片输送到管片拼装机作用区域，解决了始发阶段洞内管片运输问题。后配套车架放在地面始发施工，要解决的另外一个关键问题是：如何确保连接盾构主机和后配套车架之间的一百多条液压和电信管线的安全及时的随盾构主机前移？在工程开始是我们是把各种管线悬挂在隧道壁上，盾构推进一定距离后，靠工人一段一段的向前移动管线，这样不但费时，也存在一定的安全隐患。在施工过程中，采用了在隧道两侧安装滑轨的方法，实现了各种管线的半自动前移，提高了工作效率，保证了工程安全。盾构机掘进60m后，对后配套车架进行了二次组装，把后配套车架全部放入已完成的隧道内，实现了皮带输送机直接出土，同时把洞内的单线运输改为双线运输，进一步提高施工运输效率。2.2端头土体加固施工方案进洞隧道口主要埋置于④-2中粗砂透镜体，含潜水,⑤-1夹粉质粘土重粉质粘土,⑥中粗砂，含承压水,⑧粉质粘土粘质粉土,其中，在⑥中粗砂承压水层对竖井施工及水平隧道开挖时有较大的影响，施工时须降水，且该层对盾构始发端头旋喷加固施工增加了难度。因在打开隧道洞门，盾构机靠拢之前，洞门土体处于无支撑状态，经过对端头土体自稳能力的分析判定，为了保证开洞门时土体能自稳及保证盾构机进洞过程中不让泥、水等涌入隧道内，需对端头土体进行加固处理。加固体范围为盾构隧道周边各3m，沿隧道长度方向6m，加固体强度和稳定性必需达到设计要求，同时加固体的完整性必须满足下述条件：1）端墙与加固体之间没有明显的空隙。2）加固体内渗漏出水和泥砂混合物的最大允许值为九孔总和不大于30L/小时。考虑到雍和宫始发井距北二环护城河较近，地下水位较高，井点降水效果又不是太理想，所以首先考虑了静压注浆加固的方案，注浆材料采用水泥—水玻璃。注浆加固完成后，我们对加固体进行了检验，发现加固基本达到了止水效果，土体强度也有了提高，但强度未能达到设计要求（现在看来要求指标偏高了），为慎重起见，我们又采用旋喷加固的方法对设计加固范围内的土体进行了加固，使土体强度也达到了稳定要求，保证了始发安全。2.3加压开舱操作程序在盾构的掘进过程中，为了检查刀盘前的土层情况、刀具磨损情况等，作业人员要进入到盾构前部的土舱。为了保持盾构前土体的稳定，加压开舱是有效的措施。为此，我们对作业人员进行了专门的加压、减压及有压状态下的操作培训，在需要加压开舱时，我们按下列操作程序进行。2.3.1开挖面土体的地层处理为加强地层的稳定和减少加气压过程中的气体漏失，在停机前半环至1环时停止加注泡沫，改为全部加注膨润土浆液，膨润土的配比按水灰比7：3配制。提高掘进时的土压，使膨润土浆液能较深地渗入地层中，在开挖面形成一层比较厚的优质泥皮。2.3.2对人闸、料闸及土舱进行试压首先要在人闸、料闸及土舱内无人的情况下进行试压，试压目的在于：1）检查盾构人闸、阀控元件是否处于能正常工作的状态；2）检查开挖面地层的漏气量，确定空压机的工作能力。3）检验人员安排的合理性，同时让各岗位人员提前适应各自岗位的工作，提高各岗位人员工作及相互配合的熟练程度。并对舱内作业人员的主观感受，进行调查，给出综合评价。4）在刀具检查前对人闸及土舱加压设备的试运行，并对所用设备进行适当的保养，以便设备可以正常运转。2.3.3作人员进入人闸1）加压前的准备工作检查人闸的进气减压阀的压力设定是否正常，管路是否漏气，进排气控制阀、联络电话、压力显示仪表、排气流量记录仪、各舱室压力记录仪、人闸外的供气空压机是否工作正常，照明系统是否连接完毕，各舱门密封是否良好。人闸外的相关人员（包括土舱闸板处空气阀组监控人员、后配套空压机控制联络人员、紧急医疗救助人员）就位完毕。检查相关人员进入人闸，关闭舱门准备加压。由人闸外的阀控人员填写人闸加压前设备检查表格。2）人闸加压人闸外的控制人员用电话通知人闸内人员作好加压准备工作。打开盾构机中体内向人闸供气的控制球阀，向人闸提供气源，同时人闸内的工作控制人员打开进气阀，开始加压。在0.03Mpa以下时，升压速度要缓慢，以适应人闸内工作人员咽鼓管的调压。在0.03Mpa以上时，升压速度可适当加快。3）人闸内稳压当加压到预定的压力,待人闸内的压力与土舱的压力相同后，关闭进气阀，进入稳压阶段。人闸内的工作人员打开人闸内与土舱舱之间压力平衡阀，使土舱与人闸内的压力相同。之后，开启人闸门，转动刀盘，工作人员即可进行刀具的检查工作。4）洗舱洗舱是指对人闸进行换气的操作。操作人员在土舱及在人闸内进行作业的过程中，会呼出废气，地层内也有可能散发有害气体，因此在稳压过程中，必须进行“洗舱”，以提供足够清洁的空气。在稳压过程中，实行稳压换气，以稀释人闸内工作人员呼出的废气并提高人闸内的氧气浓度。在其过程中，人闸内的工作人员要通过联络电话与人闸外的工作人员进行电话联系。具体稳压换气的方法是：人闸外的阀控人员同时打开土舱闸板上的球阀或人闸外的进排气阀，时刻观察土舱或人闸内的压力显示仪，确保其压力动态平衡。5）人闸内的减压人员出人闸，需进行减压。目前根据不同的工况，我国有五种安全减压法：匀速减压法、阶段减压法、水面减压法、氧气减压法、不减压潜水法。由于盾构机检查氮气ATA安全系数为1.6，小于1.8，故人闸减压可采用不减压潜水法。2.4刀具的检查与更换方案北京地铁五号线盾构机要在砂卵石中掘进，地层对盾构刀具的磨损较严重，为了保证盾构刀具的正常使用，同时也为了积累相关的施工经验，采用了加压进入土舱进行刀具检查和刀具更换。加压操作应严格按照加压操作规程进行，确保施工人员的安全。刀具检查的同时，对刀具进行编号，记录刀具的磨损量，并提供刀具检查报告。刀具磨损更换的标准是：周边刀磨损量为5～10mm，齿刀磨损量为12～20mm。在刀具更换的同时，工作人员必须检查一下螺栓是否完好。每次更换时，工作人员先将刀具周围的泥土清掉，保证有一定的工作空间。由刀盘外侧向内逐个检查刀具的磨损情况，确定需要更换时，用对应标号的刀具进行替换。用套筒及加力杆卸下固定螺栓，将拆下的螺栓及附件放入随身携带的工具袋内，以防丢失。将换下的刀具递到人闸内，同时将固定螺栓和固定座用水清洗干净，并检查一下是否有裂纹，如有裂纹必须更换新螺栓，以确保新装刀具有足够的固定强度。将新的刀具按原来的位置安装好，并将固定螺栓拧紧。每次带一批刀具和螺栓进舱，每批刀具换完后，把废刀具和没有安装的新刀放进料闸内。与此同时操作手转动刀盘。工作人员通过料闸把下一批刀具送入土舱内，再继续更换下一组刀具。每换完一批后，由值班机械工程师检查一遍安装质量，并检查是否有漏掉的或者没有固定好的。机械工程师确认无误后方可继续作业。2.5隧道壁后注浆在盾构隧道施工过程中，随着盾构机的掘进脱离盾尾，在隧道管片外皮与周围土体之间存在一个环状间隙，需及时进行注浆充填。达到有效控制地层沉降、约束隧道结构的变形、提高隧道的防水性等目的。壁后注浆是盾构施工的关键技术之一。针对北京地铁五号线的工程及水文地质条件，结合盾构施工工艺，我们采用隧道壁后同步注浆。同步注浆是在盾构推进过程中，保持一定注浆压力（综合考虑注入量）并不间断地从盾尾直接向壁后注浆，即在环形空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式。壁后注浆量理论注浆量Q，通常可按下式估算：Q=πdδb式中，Q—每环理论注浆量；d—盾构机刀盘直径；δ—盾构刀盘直径与衬砌管片外径的差值；b—衬砌管片环宽；北京地铁五号线采用的土压平衡盾构机刀盘直径6.20m，衬砌管片外径为6.00m，管片环宽长1.20m。则理论上每掘进一环，盾构掘削土体形成的空间与管片外壁之间的空隙的理论体积为：Q=π×6.20（6.20-6.00）×1.20=2.26m3实际注入注浆量随地层情况、超挖情况、注浆压力等而变化，通常为理论注浆量的1.3～2.0倍，在砂卵石地层甚至可达2.5倍以上。注浆压力的计算：北京地铁五号线土压平衡盾构机在盾尾处设有四个浆液注入点，盾尾同步注浆的压力设定要考虑注浆口处的水土压力、泵送时在管路和盾尾中损失的压力以及地层的阻力等所需的压力。在盾构掘进过程中进行同步注浆，后配套台车上的注浆泵有手动和自动两种模式可供选择。通常盾尾注浆采用自动模式，此时注浆泵根据事先设定的压力范围进行工作。注浆泵开始工作以后，当设置在盾尾注浆管入口处的传感器检测到的压力值超过设定的最大注入压力时，泵暂停工作，而当传感器检测到的压力值低于设定的最小注入压力时，泵启动，继续注入浆液。这样注浆泵能始终维持注入压力在设定范围内，从而保证盾尾注浆量。根据施工经验，最小注入压力一般设定值要低于计算压力值25%，而最高注入压力设定值要高于计算压力值25%，用以克服浆液与管路、浆液与地层的摩擦力并提供一定的安全系数。此外，将最大注入压力设定得高于理论计算值25%，可以保证浆液能充分填充地层空隙。实际操作过程中，盾尾上部的注浆点的注浆压力通常设定为2～3.5bar，下部注浆点的注浆压力通常设定为2.5～4bar。注入压力要考虑不同地层的不同情况，注入压力一般是2～4bar，由于考虑在砂质或砂卵石地层中浆液的扩散因素，所以在这两类地层的注入压力要比在粘土中的注入压力小一些。在壁后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，我们采取的是以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法。从对注浆层的取样分析结果和地面沉降的监测结果综合来看，这种注浆参数的控制方法效果比较理想。在本工程中采用了主要由砂、粉煤灰、膨润土及石灰等组成的无水泥的惰性浆液，即避免了由于堵管而延误工程进度，同时又取得了很好的沉降控制效果。2.6地面沉降观测本工程沿线危旧房屋密集、地下管线多，同时又有较多的文物，所以在施工过程中的地表沉降观测尤为重要。根据隧道埋深和地层情况，我们确定隧道轴线左右各22m为沉降观测范围，沿隧道轴线30m左右设一个观测断面，每个观测断面设7个观测点（隧道中线上方1个，左右各3个）。由于隧道多在密集的危旧房屋下通过，观测断面多沿房屋间的胡同设置，观测点的位置也会根据地面情况