盾构法隧道施工各阶段监理工作要点综述

张 信,侯林峰

(1.华中科技大学土木工程与力学学院,武汉 430074;2.长江工程职业技术学院 ,武汉 430212)

我国自从1988年开始推行建设监理制度以来,工程建设监理在理论和实践上都取得了显著的成绩。随着近年来工程技术的发展,一些新技术、新工艺也逐渐应用到了工程建设过程当中,针对这些新的施工技术和施工方法所开展的监理工作由于经验不够充分,在实际工作当中容易出现疏漏,现就采用盾构法进行隧道工程施工的监理工作要点进行一些探讨。

1 盾构法简介

盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法,在现代城市隧道工程施工中应用日益普遍。现代城市建筑、公用设施和各种交通日益繁杂,而在市区采用明挖隧道施工,对城市生活的干扰问题日趋严重,特别在市区中心遇到隧道埋深较大,地质条件复杂时,采用明挖法建造隧道极其不便甚至于很难实现,采用盾构法则具有很显著的优点。此外,在建造穿越水域、沼泽地和山地的公路和铁路隧道或水工隧道时,盾构法也往往因它在特定条件下的经济合理性及技术方面的优势而得到采用。

盾构实际上是盾构机的简称。它是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大,内藏挖土、排土机具,自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。以盾构为核心的一整套完整的隧道施工方法称为盾构法。构成盾构法施工的主要内容是:先在隧道某段的一端建造竖井或基坑,以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发,在地层中沿着设计轴线,向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力,通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构,再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构每推进一环距离,就在盾尾支护下拼装一环衬砌,并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体,以防止隧道及地面下沉。

2 盾构法施工监理要点

2.1 盾构始发阶段

2.1.1 盾构始发井

盾构始发阶段是控制盾构掘进施工的首要环节,盾构掘进前,必须先建好两座工作井,分别称为始发井和接收井。两座工作井结构基本相同,用来拼装盾构及附属设备,盾构掘进时出渣、运料,人员进出。接收井的作用是进行盾构机拆卸或调头。拼装好的盾构机从始发井开始掘进,在始发井内需设置临时支承结构,为盾构的推进提供必要的反力。

盾构始发井的监理工作要点:

(1)审查承包商提交的施工组织设计,内容包括:①主要操作人员盾构工作经历;②进度计划;③施工工艺;④质量保证措施;⑤防水措施;⑥安全措施;⑦监测方案;⑧地层加固方案;⑨应急预案等。

(2)盾构始发井是用于组装、调试盾构,隧道施工期间作为管片、其他施工材料、设备、出渣的垂直运输及作业人员的出入通道。井的平面尺寸必须满足上述各项的要求。

(3)由于盾构机的安装、拆卸作业、洞口与隧道的接头处理作业等需要,始发(接收)井的井底板宜低于净、出封门底标高700mm。

(4)洞口封门及其他预埋件等应在盾构始发或接收前按要求完成,并符合质量要求。

2.1.2 始发端土体加固

由于盾构机的掘进,会对土体的整体性造成一定破坏,所以在盾构施工的过程中,土体的加固也非常重要。

盾构始发前应对土体的加固质量进行检查,包括土体加固范围、加固土体的止水效果和强度,技术指标应达到设计要求。盾构进出工作后50m是隧道用盾构法施工最困难的地段之一,当盾构工作井周围地层为自稳能力差、透水性强的松散沙土或饱和含水黏土时,如不对其进行加固处理,则在凿除封门后,必将会有大量土体和地下水向工作井内坍塌,导致洞周大面积地表下沉,危及地下管线和附近建筑物。加固方案可根据洞口附近隧道埋深、工程地质和水位地质条件、盾构内型、盾构外径、地面环境等外界条件确定,目前常用的加固方法有:注浆、旋喷、搅拌桩、冻结法、降水法等。加固的主要目的是提高土体强度,并形成防渗止水幕。加固后的土体应有一定的强度,一般以单轴无限侧抗压强度为0.3～1.0M Pa为宜,但也不能太高,否则,刀盘切土困难,易引发机器故障。加固的深度和范围可根据土体种类、工程规模及环境要求等确定。

始发端土体加固的监理工作要点:

(1)围岩的加固方法,可根据地质状况、周围环境及盾构的特点确定,近年来多采用高压喷射搅拌法,这种方法强度较高,能长时间稳定,且与连续墙能充分粘结。监理在审查土体加固专项方案时应审查承包方是否在方案中有相应的措施。

(2)当洞口处于砂性土或有承压水地层时,应采用降水、堵漏等防止涌水、涌砂措施。

(3)采用多排搅拌桩加固土体,应确保桩体成三角形互相搭接。打桩前应先探查地下管线。监理人员在掘进前一定要采取钻芯取样检测的方式,对洞口段土体现场取芯做强度、抗渗和土工试验对加固效果加以验证,并对钻芯取样进行见证,确保取样工作的真实性。如不能满足设计要求,应分析原因并采取补强措施,以保证盾构始发和接收的安全。

(4)监理人员应对加固土体的均匀性进行检查。检查加固土体的均匀性目前尚无相应的工具、手段,可通过打探孔方式进行观察。但是监理人员应监督承包方在洞口割除维护结构背土面钢筋及凿除混凝土后,合理布置探孔(选择有代表性部位、数量一般不少于5个),现场观察探孔有无渗漏或流砂等异常情况,作为判断土体加固效果的辅助手段。

(5)掘进前应钻孔检验开挖面土体的稳定效果,对洞口段土体现场取芯做强度、抗渗和土工试验验证加固效果,如不能满足设计要求,应分析原因并采取补强措施,以保证盾构始发和接收的安全。

2.2 盾构始发掘进阶段

盾构始发段施工一般为50～100m,始发段是掌握、摸索、了解,验证盾构适应性能及施工规律的过程。这个阶段施工中应根据控制地表变形和环保要求,沿隧道轴线和与轴线垂直的横断面,布设地表变形测量点,施工时跟踪测地表的沉隆变形,防止变形过大,引起地表建筑物开裂。盾构起始阶段施工中还应随时分析调查盾构掘进推力、掘进速度、盾构正面土压力及壁后注浆量和压力等掘进参数,为盾构后续掘进阶段取得优化的施工参数和施工操作经验。

盾构出井始发是盾构法施工中技术难度较大,施工工艺较复杂的阶段。出井时若处理不当,会造成土体塌方以及盾构机态势不良,为一步推进带来不良的影响。针对可能出现的问题,要重点对以下几个方面实施监理:

(1)始发前应对盾构机定位,反力安装,洞口橡胶密封条和断墙凿除,临时管片固定方式,盾构机操作方式,同步和背衬注浆方式进行检查。

(2)应检查洞门位置尺寸检查验收基座的反力装置是否符合设计。按照检查验收内容对盾构机进行井下验收。

(3)始发掘进前,应对洞门经改良后的土体进行质量检查,合格后方可进行掘进;应制定封门维护结构破除方案,采取适当的密封措施,保证始发安全。

(4)始发掘进时应对盾构机的出井位置和角度进行复核。开始掘进前,监理人员要确认盾构机的姿态位置正确无误,为防止盾构出井后出现“栽头”现象,可根据地质状况,预留1～3cm沉降量。

(5)洞门钢筋割除工作从最后一层钢筋割除,应自下而上进行,才比较安全。钢筋割除后,监理人员和质检人员到掌子面确定盾构机进洞的范围内有没有残余的钢筋后,盾构机方可始发。

(6)始发掘进过程中,应保护盾构的各种管线,及时跟进后配套车台,并对管片拼装,壁后注浆,出土材料运输等作用工序进行妥善管理。

(7)应重点对洞门密封措施检查,对帘布橡胶板上螺栓孔位置、尺寸进行复核,对出洞装置安装的牢固情况进行检查,确保帘布橡胶板能紧贴洞门,防止盾构出洞后同步注浆液泄漏。

(8)始发掘进过程中应严格控制盾构的姿态和推力,并加强监测,根据监测结果调整掘进参数。

2.3 盾构正常掘进阶段

2.3.1 盾构机姿态控制

盾构施工的质量与盾构机的掘进姿态有很大的关系。

盾构机在掘进时,受不同地质条件的影响,掘进姿态较难控制,容易出现推进曲线偏离原设计线。一旦隧道轴线出现偏移,就可能造成一系列问题。

引起盾构推进轴线偏差的原因有:①盾构前进遇到的阻力不均衡;②盾构制作安装误差;③已拼装好的管片质量差;④测量精度不高。

盾构机姿态控制的监理工作要点:

(1)根据盾构姿态测量数据进行监理控制。姿态测量数据包括自动测量数据和人工测量复核数据,监理人员可对两类数据综合分析、比较,动态掌握数据变化情况,正确指导盾构正确、安全的推进。

(2)尽可能采用调整盾构推力大小及合力作用位置的方式来控制盾构的推进轴线,即合理的编定千斤顶组数及其油压值。控制盾构纵坡达到调整盾构高程,控制两侧对称千斤顶伸出差值调整盾构的平面位置。

(3)盾构每环的纠偏幅度应从小到大到小的规律控制,以免造成管片开裂和影响下一环管片的拼装。

(4)盾构轴线控制纠偏必须要按“及时、连续”的原则,在施工时发现盾构轴线偏移应及时采取措施进行纠正,决不能到量大时再处理。

(5)当施工产生过大偏移时,其纠偏要合理,逐步纠正,使盾构纠偏轴线和顺。

(6)盾构掘进中实行旁站监理,当发现下列问题之一时,即令停止掘进,并会同施工单位分析原因,采取对策。①盾构前方坍塌;②盾构自转角度过大;③盾构位置偏离过大;④盾构推力较预计增大较多;⑤可能危及管片防水机注浆遇到事故等。

2.3.2 掘进速度

盾构掘进的速度主要受盾构设备进、出土速度的限制,若进出土速度不协调,极易出现正面土体失稳和地表沉降等不良现象。因此,监理应重点督促承包方均衡连续组织掘进作业,当出现异常情况时(如遇到阻碍、遇到不良地质、盾构姿态偏离较大等),应及时停止掘进,封闭正面土体,查明原因后采取相应的措施处理。

2.4 盾构接收阶段

盾构接收(进洞)阶段掘进是盾构法隧道施工最后一个关键环节。盾构能否顺利进洞关系到整个隧道掘进施工的成败。在盾构进洞前后监理需监督承包单位做好充分的盾构接收的准备工作,确保盾构以良好的姿态进洞,就位在盾构接收基座上。

盾构接收阶段监理工作要点:

(1)盾构机在到接受井之前,应提前考虑与承包商的施工接口要求,以便及时解决。

(2)盾构在到接受井之前,监理人员应审查承包商提交的盾构机到站的进度计划和接收方案,包括:接收掘进;管片拼装;壁后注浆;洞门外土体的加固;洞门维护破除;洞口钢圈密封等。

(3)审查承包单位提供的对盾构机接受过程产生的不良后果的补救方案,如管片破裂、隧道漏水、地面沉陷等。

(4)在周线控制方面由于进井时往往会产生盾构“上飘”现象,因此要进行动态控制,相应调节土压力设定值、推进速度、进出土量等,保证周线的正常。盾构到达接收井100m之前,必须对盾构周线进行测量并做调整,保证盾构准确进入接收洞门。

(5)盾构距接收井10m内,应控制盾构掘进速度,开挖面压力等,当切口离洞门0.3～0.5m时盾构应停止掘进,并使切口正面土压力降到最低值,确保洞门破除施工安全。

(6)接收井到达面井壁的安全。由于土压力平衡或盾构密封土舱内充满土体,故在进洞口处将有一个较大的力作用于接收井到达面的挡土墙上,因此在进井前应根据隧道掘进情况对井壁(封门)进行强度验算,决定是否需要补强措施。

(7)盾构主机进入接收井后,应及时密封管片环与洞门间隙。

(8)盾构到达接收井前,应采取适当措施,使拼装管片环缝挤压密实,确保密封防水效果。

(9)洞门钢筋割除后,监理人员和质检人员到掌子面确认盾构机出站的范围内没有残余钢筋后,盾构机慢速进站,直到盾构安全上到托架。

(10)进行地面构筑物变形监测。

3 结束语

盾构法隧道工程是一项综合性施工技术,包括盾构机械技术、隧道测量技术、地下防水技术、盾构施工安全技术等,通过多年来前人的不断摸索和实践已经形成了一套比较成熟的施工技术,尤其是近年来在各大城市地铁建设中得到了广泛的应用,盾构法施工技术也在原有的基础上不断地完善,而且国产盾构机的制造及施工技术也取得了可喜的成绩。这些都对监理人员的素质提出了更高的要求,更需要监理人员通过不断学习和实践,熟悉这些相关的施工技术,掌握盾构法隧道施工质量监控重点及相应的对策,才能为今后盾构法隧道施工质量、施工安全提供有力的监督管理。

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[3]阮景章.苏州地铁1号线盾构隧道施工质量监理控制重点[J].现代城市轨道交通,2008,18(4).