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隧道施工法之盾構(gòu)法介紹

新聞時間:2017-09-12 文章來源: 文章作者:ztcjjt
      盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)進行隧道開挖,襯砌等作業(yè)的施工方法,是用盾構(gòu)在軟質(zhì)地基或破碎巖層中掘進隧道的施工方法。盾構(gòu)是一種帶有護罩的專用設(shè)備,利用尾部已裝好的襯砌決作為支點向前推進,用刀盤切割土體,同時排土和拼裝后面的預(yù)制混凝土襯砌塊。盾構(gòu)最初用的是氣壓盾構(gòu),用于開挖英國倫敦泰晤士河水底隧道。盾構(gòu)機掘進的出碴方式有機威式和水力式,以水力式居多。水力盾構(gòu)在工作面處有一個注滿膨潤土液的密封室。膨潤土液既用于平衡土壓力和地下水壓力,又用作輸送排出土體的介質(zhì)。
       盾構(gòu)法施工具有施工速度快、洞體質(zhì)量比較穩(wěn)定、對周圍建筑物影響較小等特點,適合在軟土地基段施工。
       盾構(gòu)既是一種施工機具,也是一種強有力的臨時支撐結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)機外形是一個大的鋼管機,較隧道部分略大,是用來抵擋外向水壓和地層壓力的。它包括三部分:前部的切口環(huán)、中部的支撐環(huán)以及后部的盾尾。大多數(shù)盾構(gòu)的形狀為圓形,也有橢圓形、半圓形、馬蹄形及箱形等其他形式。
      盾構(gòu)法修建隧道已有150余年的歷史。最早進行研究的是法國工程師M.I.布律內(nèi)爾,他由觀察船蛆在船的木頭中鉆洞,并從體內(nèi)排出一種黏液加固洞穴的現(xiàn)象得到啟發(fā),在1818年開始研究盾構(gòu)法施工,并于1825年在英國倫敦泰晤士河下,用一個矩形盾構(gòu)建造世界上第一條水底隧道(寬11. 4m、高6.8m)。在修建過程中遇到很大的困難,兩次被河水淹沒,直至1835年,使用了改良后的盾構(gòu),才于1843年完工。
      施工工序
      用盾構(gòu)法施工時,首先要在隧道的始端和終端開挖基坑或建造豎井,用作盾構(gòu)及其設(shè)備的拼裝井(室)和拆卸井(室),特別長的隧道,還應(yīng)設(shè)置中間檢修工作井(室)。拼裝和拆卸用的工作井,其建筑尺寸應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)裝拆的施工要求來確定。拼裝井的井壁上有盾構(gòu)出洞口,井內(nèi)設(shè)有盾構(gòu)基座和盾構(gòu)推進的后座。井的寬度一般應(yīng)比盾構(gòu)直徑大1.6 -2. 0m,以滿足鉚、焊等操作的要求。當(dāng)采用整體吊裝的小盾構(gòu)時,則井寬可酌量減小。井的長度,除了滿足盾構(gòu)內(nèi)安裝設(shè)備的要求外,還要考慮盾構(gòu)推進出洞時,拆除洞門才板和在盾構(gòu)后面設(shè)置后座,以及垂直運輸所需的空間。中、小型盾構(gòu)的拼裝井長度,還考慮設(shè)備車架轉(zhuǎn)換的方便。盾構(gòu)在拼裝井內(nèi)拼裝就緒,經(jīng)運轉(zhuǎn)調(diào)試后,就可拆除洞口封板,盾構(gòu)推出工作井后即開始隧道掘進施工。盾構(gòu)拆卸井設(shè)有盾構(gòu)進口,井的大小只要便于盾構(gòu)的起吊和拆卸即可。
其他施工主要有土層開挖、盾構(gòu)推進操縱與糾偏、襯砌拼裝、襯砌壓注等。這些工序均應(yīng)及時而迅速進行,決不能長時間停頓,以免增加地層的擾動和對地面、地下構(gòu)筑物的影響。
      1.土層開挖
      盾構(gòu)開挖土層的過程中,為了安全并減少對地層的擾動,一般先將盾構(gòu)前面的切口貫入土體,然后在切口內(nèi)進行土層開挖,開挖方式有:①敞開式開挖。適用于地質(zhì)條件較好、掘進時能保持開挖面穩(wěn)定的地層。由頂部開始逐層向下開挖,可按每環(huán)襯砌的寬度分?jǐn)?shù)次完成。②機械切削式開挖。用裝有全斷面切削大)9盤的機械化盾構(gòu)開挖土層。大刀盤可分為)9架間無封板的和有封板的兩種,分別在土質(zhì)較好的和較差的條件下使用。在不穩(wěn)定的含水地層中,可采用泥水加壓盾構(gòu)和土壓平衡式盾構(gòu)進行開挖。③擠壓式開挖。使用土,對地層有較大的擾動,使地表隆起變形,因此隧道位置應(yīng)擠壓式盾構(gòu)的開挖方式,又有全擠壓和局部擠壓之分。前者由于掘進時不出土或部分出,對地層有較大的擾動,使地表隆起變形,因此隧道位置應(yīng)盡量避開地下管線和地面建筑物。此種盾構(gòu)不適用于城市道路及城區(qū)地下的施工,僅能用于江河、湖底或郊外空曠地區(qū)。在用局部擠壓方式施工時,要根據(jù)地表變形情況,嚴(yán)格控制出土量,務(wù)必使地層的擾和地表的變形減少到最低限度。④網(wǎng)格式開挖。使用網(wǎng)格式盾構(gòu)開挖時,要掌握網(wǎng)格的開孔面積。格子過大會喪失支撐作用,過小會產(chǎn)生對地層的擠壓擾動等不利影響。在飽和含水的軟塑土層中,這種掘進方式具有出土效率高、勞動強度低、安全性好等優(yōu)點。
      2.推進操縱與糾偏
      推進過程中,主要采取編組調(diào)整千斤頂?shù)耐屏?、調(diào)整開挖面壓力以及控制盾構(gòu)推進的縱坡等方法,來操縱盾構(gòu)位置和頂進方向。一般按照測量結(jié)果提供的偏離設(shè)計軸線的高程和平面位置,確定下一次推進時需要多少千斤頂開動及推力的大小,用以糾正方向。此外,調(diào)整的方法也隨盾構(gòu)開挖方式有所不同:如敞開式開挖,可用超挖或欠挖來調(diào)整;機械切削開挖,可用超挖刀進行局部超挖來糾正;擠壓式開挖,可用改變進土孔位置和開孔率來調(diào)整。
      3.襯砌拼裝
      常用液壓傳動的拼裝機進行襯砌(管片或砌塊)拼裝。拼裝方法根據(jù)結(jié)構(gòu)受力要求,可分為通縫拼裝和錯縫拼裝。通縫拼裝是使管片的縱縫環(huán)環(huán)對齊,拼裝較為方便,容易定位,襯砌圓環(huán)的施工應(yīng)力較小,但其缺點是環(huán)面不平整的誤差容易積累。錯縫拼裝是使相鄰襯砌圓環(huán)的縱縫錯開管片長度的1/2 -1/3 。錯縫拼裝的襯砌整體性好,但當(dāng)環(huán)面不平整時,容易引起較大的施工應(yīng)力。襯砌拼裝方法按拼裝順序,又可分為先環(huán)后縱和先縱后環(huán)兩種。先環(huán)后縱法是先將管片(或砌塊)拼成圓環(huán),然后用盾構(gòu)千斤頂將襯砌圓環(huán)縱向頂緊。先縱后環(huán)法是將管片逐塊先與上一環(huán)管片拼接好,最后封頂成環(huán)。這種拼裝順序,可輪流縮回和伸出千斤頂活塞桿以防止盾構(gòu)后退,減少開挖面土體的走動。而先環(huán)后縱的拼裝順序,在拼裝時需使千斤頂活塞桿全部縮回,極易產(chǎn)生盾構(gòu)后退,故不宜采用。
      4.襯砌壓注
      為了防止地表沉降,必須將盾尾和襯砌之間的空隙及時壓注充填。壓注后還可改善襯砌受力狀態(tài),并增強襯砌的防水效果。壓注方法有二次壓注和一次壓注。二次壓注是在盾構(gòu)推進一環(huán)后,立即用風(fēng)動壓注機通過襯砌上的預(yù)留孑L,向襯砌背后的空隙內(nèi)壓入豆粒砂,以防止地層坍塌;在繼續(xù)推進數(shù)環(huán)后,再用壓漿泵將水泥類漿體壓入砂之間的空隙,使之凝固。因壓注豆粒砂不易密實,壓漿也難充滿砂間空隙,不能防止地表沉降,已趨于淘汰。一次壓注是隨著盾構(gòu)推進,當(dāng)盾尾和襯砌之間出現(xiàn)空隙時,立即通過預(yù)留孔壓注水類砂漿,并保持一定的壓力,使之充滿空隙。壓漿時要對稱進行,并盡量避免單點超壓注漿,以減少對襯砌的不均勻施工荷載;一旦壓漿出現(xiàn)故障,應(yīng)立即暫停盾構(gòu)的推進。盾構(gòu)法施工時,還須配合進行垂直運輸和水平運輸,以及配備通風(fēng)、供電、給水和排水等輔功設(shè)施,以保證工程質(zhì)量和施工進度,同時還須準(zhǔn)備安全設(shè)施與相應(yīng)的設(shè)備。
      適用條件及優(yōu)缺點
      1.適用條件
      在松軟含水地層,或地下線路等設(shè)施埋深達(dá)到10m或更深時,可以采用盾構(gòu)法:
      (1)線位上允許建造用于盾構(gòu)進出洞和出碴進料的工作井:
      (2)隧道要有足夠的埋深,覆土深度宜不小于6m且不小于盾構(gòu)直徑;
      (3)相對均質(zhì)的地質(zhì)條件;
      (4)如果是單洞則要有足夠的線間距,洞與洞及洞與其他建(構(gòu))筑物之間所夾土(巖)體加固處理的最小厚度為水平方向1.0m,豎直方向1.5m;
      (5)從經(jīng)濟角度講,連續(xù)的施工長度不小于300m。
      2.優(yōu)點及缺點
      (1)盾構(gòu)法施工的優(yōu)點:①安全開挖和襯砌,掘進速度快;②盾構(gòu)的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現(xiàn)自動化作業(yè),施工勞動強度低;③不影響地面交通與設(shè)施,同時不影響地下管線等設(shè)施;④穿越河道時不影響航運,施工中不受季節(jié)、風(fēng)雨等氣候條件影響,施工中沒有噪音和擾動;⑤在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術(shù)和經(jīng)濟方面的優(yōu)越性。
      (2)盾構(gòu)法施工的缺點:①斷面尺寸多變的區(qū)段適應(yīng)能力差;②新型盾構(gòu)購置費昂貴,對施工區(qū)段短的工程不太經(jīng)濟;③工人的工作環(huán)境差,工作危險性高。

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