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西安盾构机的地铁过站施工技术

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盾构工法已越来越广泛地被用于城市交通、地下电缆、上下水道及过江跨海隧道等建设领域,盾构工法具有安全及适应性强等特点,所以将得到更进一步的发展和利用。其中盾构机通过车站是现在隧道施工中必不可少的一部分,盾构机过站的形式和方法多种多样,但过站的主要目的都是希望盾构机能够快速、安全、顺利地通过车站结构继续掘进。

1  盾构机的概述

1. 1  盾构机的工作原理

盾构机的工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾,其对挖掘完全的隧道起着临时支撑的作用,承受周围土层的压力,有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面,挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。

1. 2  基本构造

盾构机主要由护盾、挖掘机构、推进机构、排土机构、衬砌机构及辅助机构等部分组成。护盾一般由切口环、支撑环和盾尾三部分组成;挖掘机构主要由刀头或刀盘及其支承装置组成;推进机构主要由液压设备如油泵、油马达、油压千斤顶等组成;排土机械中的泥水式主要由泥浆泵及管道组成,土压平衡式主要由螺旋输料器和皮带运输机组成;衬砌机构主要是管片自动拼装机械手;辅助机构包括壁后灌浆装置,导向测量及控制装置等。

1. 3  盾构机的国内外现状

盾构机问世至今已有近180 年的历史,其始于英国,发展于日本、德国。近30 年来,通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术,如盾构机的有效密封,确保开挖面的稳定及控制隧洞壁的隆起及地表塌陷在规定范围之内,刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换,对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决,使盾构机有了较大的发展,目前已累计生产28 000 多台。主要生产厂家有日本三菱重工、川崎重工、德国海伦克内希特公司等。这些厂家可根据不同的地质条件和工程要求,设计制造不同类型的盾构机以满足工程需要。盾构法施工也是一门成熟的地下工程施工技术,已成为大多数地下隧道工程施工所首选的常规技术。我国从20 世纪50 年代中期开始研制盾构机,从事此项研究的单位主要有上海隧道工程设计院,至今已研制使用了100 多台盾构机,累计掘进约150 多千米,平均每个工程长度近1 000 m。国产盾构机以土压平衡式为主,泥水式盾构机尚缺乏经验。土压平衡式盾构机机构设计与国外差异不大,但一些国产部件、元器件的质量、寿命、可靠性较差,有些还需从国外进口。比如上海地铁修建中使用了从国外引进的土压平衡式盾构机,上海延安路复线隧道中使用了日本三菱产的直径为11. 22 m 的泥水加压式盾构机。

2  盾构机过站的施工方法

盾构机过站一般有三种形式:1) 车站主体结构已经完成,站内净空满足盾构机过站条件的,过站后继续掘进;2) 车站结构未完成或净空不满足过站条件的,采用吊出、转场、下井组装再掘进;3) 盾构先掘进通过车站后施工车站采用“先隧后站”法。主要方法为:a. 在过站托车上安装车轮,使过站托车在路轨上前移,其优点是移动平稳可靠而且移动速度较快,缺点是过站后盾体必须重新移上始发架,工作难度较大。b. 在过站托车底部放置滚筒,滚筒的下面铺设钢板,滚筒在钢板上滚动,使过站托车前移。本文将讲述第二种方法的施工流程与技术。

2. 1  盾构机破洞前的掘进

为了使盾构机以良好的姿态准确出洞,盾构机在破洞前约30 m开始就必须谨慎控制掘进参数并加强对隧道测量监测。其目的主要是调整盾构机的姿态,使盾构机能够顺利从预埋的洞门环中破洞而出。一般情况下,破洞前盾构机允许偏差为±10 mm ,仰角允许偏差范围为2 mm/ m ,而且要避免出现俯角姿态。此外,从破洞前30 m 开始就要尽量减小对土体的扰动,使破洞时不会造成大面积土体塌方。

2. 2  洞门凿除

洞门应该在盾构机到达之前预先凿除,但要严格控制凿除围护结构后洞门掌子面的露空时间,一般情况下露空时间应不大于48 h ,否则容易造成掌子面坍塌。凿除洞门时应由上至下凿除,可保留最后一层钢筋网,待盾构机破洞时刀盘渐进刮磨钢筋网,然后停机割断钢筋,这样可以有效防止土体塌方。

2. 3  始发架定位

依据隧道高程和始发架结构尺寸,计算始发架的安装高程。测量地面及洞门的标高,对比判断需要凿低地面还是垫高始发架。

2. 4  盾构机上接收托架

将盾体推上始发架时需特别留意以下几个关键工艺:1) 盾构机破洞前应先在洞门底部铺垫碎石以防盾体离开洞门时发生头部下沉;2) 将刀盘转到合适位置,防止边刮刀碰撞始发架;3) 与始发架接触的前体耐磨层需用薄钢板衬垫,以减少摩擦力并避免磨伤始发架。

2. 5  盾体横向平移

用钢丝绳将盾体与过站拖车捆绑牢固,在过站拖车的一侧安装两个液压千斤顶,然后横向推移始发架,使始发架连同盾体达到平移的工艺要求。盾体横向平移需注意两个关键点:1) 两个千斤顶的推进速度必须一致;2) 始发架承受千斤顶推力的部位需加焊筋板补强。

2. 6  盾体纵向平移

平移到位后,拆开右边两台千斤顶,安装在始发架后部,在始发架底部放置好钢板或者滚轮,用千斤顶推动始发架前移。盾体纵向平移之前必须做好两项准备工作:1) 用钢板加工4 件活动底板,铺放在始发架前。2)在前体、中体焊临时牛腿,用于将盾体顶升。

2. 7  盾体再平移及定位

将始发架前移至洞门1 000 mm 时,始发架再次平移,对准始发状态。推进到位后,用两台千斤顶将盾体单边顶起,取出底板,同时单边放入方钢密排于始发架底部。放好千斤顶于中后部,水平将盾体移正,最后进行测量定位后固定。

总之,采用该流程与方法的盾构机过站施工技术利用纵移平台千斤顶顶推完成盾体整体纵移、改变后配套台车上部件位置使台车沿隧道中心线过站的施工技术是十分有效的方法,具有盾构机纵移时的方向易于控制、设备简单、投入少、效率高、作业简单、安全等许多优点,同时大大缩短了工期;但也有一些不足,如设备技术要求比正常始发高,始发施工难度要大一些。