盾构隧道采用钢套筒始发 下穿既有线施工技术

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盾构隧道采用钢套筒始发下穿既有线施工技术

作者:廖先江

来源:《现代城市轨道交通》2018年第01期

摘要:以深圳地铁 9 号线上梅林站—梅村站盾构隧道区间始发阶段采用钢套筒始发并近距离下穿既有地铁 4 号线为背景,系统阐述钢套筒始发技术特点、工作原理、操作流程、控制重难点等,为后续盾构法隧道采用钢套筒始发提供理论依据和技术支持。

关键词:地铁;盾构隧道;钢套筒始发;下穿既有线

中图分类号:U455.43

1 工程概况

盾构机盾尾拖出时管片和土体之间存在较大间隙,容易形成流水通道,造成始发洞门涌水涌砂。在盾构始发阶段,仅采用橡胶帘板进行洞门密封,盾构机难以保压,盾尾也无法用水泥砂浆或水泥-水玻璃双液浆密封,发生涌水涌砂后难以处理,容易引起周边构筑物沉降塌陷。

深圳地铁 9 号线梅村站—上梅林站区间左线长635.612 m,右线长 636.500 m,埋深约

9.1~16.8 m。该区间隧道采用盾构机施工,盾构机由上梅林站西端始发至梅村站东端吊出,盾构始发端头井与既有地铁4号线隧道水平距离为 16.7~19 m,与 4 号线最小垂直净距为2.5 m,下穿影响区域基本位于砾质黏性土层、全风化花岗片麻岩层(图 1)。原设计盾构始发端头井采用深层搅拌桩加108 mm 大管棚加固方案,因盾构始发井距离既有 4 号线较近,若仍采用传统的始发方案,存在洞门涌水涌砂及 4 号线运营安全风险,经多方论证确定将大管棚加固方案调整为钢套筒始发方案。

2 钢套筒始发技术

钢套筒始发技术是根据平衡原理研发的新型盾构始发技术,与传统盾构始发技术相比安全性能大幅度提高。通过在盾构机外部安装一个钢套筒,在盾体、钢套筒、负环管片、加强环梁之间形成封闭空间,并在封闭空间内用充填物填充密实,在始发前先进行保压处理。通过钢套筒这个封闭空间使盾构机在始发前创造穿越土层时的压力环境,有效防止破除洞门时涌水涌砂情况的发生,实现安全始发掘进。

2.1 钢套筒简介

(1)筒体制作。整个钢套筒结构由筒体、过渡连接环、加强环梁、反力架等部分组成。筒体部分总长9.9 m,内径为 6.5 m。筒体采用 Q235 钢材制作,按纵向分为 3 段,每段又分为上下 2 个半圆环,每段筒体的连接处均焊接法兰盘并采用螺栓连接,法兰盘间加橡胶垫以保证密封效果。在筒体底部安装基座,基座与筒体焊接成一体(图 2)。

每段筒体顶部设置 1 个 600 mm 圆形加料口,在每段筒体底部预留 3 根30 mm 带阀门注排浆管,排浆管等间距布置,盾构机有磕头趋势即可在下部注浆回顶。在钢套筒下方 90°圆弧内安装 2 根 38 kg/m 钢轨,钢轨从钢套筒后端铺设至过渡连接环处,钢轨两侧通长焊接。为保持盾构机始发时抬头的趋势,靠近洞门端钢轨垫高 20 mm。

(2)安装过渡连接环。过渡连接环根据现场实测洞门上预埋环板的实际平整度定做,洞门环板与过渡连接环采用满焊连接。

(3)安装钢套筒下半圆环和反力架。钢套筒的安装位置必须精确,过渡连接环与筒体采用螺栓连接,安装反力架时应根据始发井大小、钢套筒长度、洞门标高等确定水平位置和标高,反力架紧靠加强环梁安装,反力架斜撑与底板预埋件采用焊接连接(图 3)。

(4)第一次钢套筒内填砂。在钢套筒底部 2 根钢轨之间铺砂并压实,每个位置的铺砂高度高出相应钢轨的顶面 15 mm,待盾构机放上去后进一步压实,确保底部砂层提供充足的防盾构机扭转摩擦反力。

(5)钢套筒内安装盾构机。在钢套筒内组装盾构机主机,并与连接桥和后配套台车连接。

(6)安装钢套筒上半圆环。第二次回填砂至低于下半圆环顶 100 mm处,安装钢套筒上半圆环,并用螺栓将上、下半圆环筒体连接。

(7)预加压力。钢套筒安装完成后,安装在反力架和加强环梁之间的液压千斤顶对钢套筒施加压力,使钢套筒顶紧洞门环板,以保证钢套筒在有水土压力时洞门环板处连接螺栓不受拉力。

(8)安装负环管片。钢套筒、反力架安装完毕且盾构机调试完成后,向前推进盾构机并安装负环管片,刀盘面板贴紧洞门掌子面但不切削掌子面,通过千斤顶整体向后顶使负环管片紧贴加强环梁。

(9)第三次钢套筒内填砂。盾构机向前推进至刀盘面板贴紧洞门掌子面后,通过钢套筒顶部进料口向筒内进行第三次填砂,本次将整个钢套筒填满并适当加水让砂密实。

(10)负环管片壁后注浆。为保证负环管片与钢套筒之间的密封效果,在盾构机刀盘贴紧洞门掌子面后,通过靠近反力架两环管片的吊装孔进行壁后注浆,在管片后面形成一道密封防渗环。

2.2 钢套筒始发技术

2.2.1 施工监测

盾构下穿 4 号线时,在 4 号线隧道内距新建 9 号线隧道两侧 50 m 范围内选择若干监测断面,自动化监测隧道和轨道变形,并将变化数据实时传送到监控中心。监测断面及监测点布置见图 4,0~30 m 范围 15 m 设置 1 个监测断面;30~50 m 范围 20 m 设置 1 个监测断面;每个监测断面在拱顶、拱腰和轨道上共布置 5 个监测点,监测频率为 1 次/h。根据监测到的 4 号线变形和管片接缝张开量,及时调整盾构机掘进参数并进行二次注浆。

2.2.2 既有线洞内壁后注浆

在 4 号线的莲花北站—上梅林站区间与 9 号线交界点以外 9 m 范围,打开管片吊装孔,对壁后进行双液浆(水泥-水玻璃)注浆,以加固土体增强其稳定性(图 5)。左线、右线同期由南至北进行注浆,注浆断面纵向间距为 2.4 m。注浆压力控制在 0.3 MPa 以下(小于二次注浆压力),浆液初凝时间控制在 10 min 左右。

2.2.3 钢套筒压力测试和渗漏检测

(1)通过加水孔向钢套筒内加满水后检查压力,如果压力能够达到 300 kPa,则停止加水并维持压力稳定;如水压无法达到 300 kPa,则利用空压机向钢套筒内加压,直至压力达到300 kPa为止,并检查各个连接部位有无漏水和焊缝脱焊情况。

(2)逐级加压及稳压监测时间。0~100 kPa 每级加压时间控制在 10 min 左右,稳压监测10 min;100~200 kPa 每级加压时间控制在 15 min 左右,稳压监测 25 min;200~250 kPa 加压时间控制在 25 min 左右,稳压监测 45 min;250~300 kPa 加压时间控制在 45 min左右,稳压监测 120 min。加压监测过程中一旦有渗漏情况,马上卸压,加固处理完后再进行加压,直至压力稳定在 300 kPa 并未发现有渗漏时方可确认钢套筒的密封性。

2.2.4 钢套筒位移检测

在加压检测前,在洞门环板与钢套筒上安装应力计,以检测钢套筒的受力情况。在加压过程中,一旦发现应变或位移过大,立即卸压并采取补强措施。

2.2.5 盾构掘进参数

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