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摘要:盾构法是一种先进的现代隧道施工技术,它基于暗挖施工应用并引进全机械化模式,依赖盾构机械在地中推进,盾构外壳、管片对围岩提供支撑作用、避免坍塌,同时前方利用切削装置不断开掘,出土机械向洞外输送废弃物,整体上是一种机械系统化施工方法。考虑到盾构法应用中的疏干和地层稳定需求,“气压法”的引入至关重要,本文中结合实例探讨气压法在小直径盾构隧道施工中的应用。
关键词:气压法;小直径盾构隧道;气压法施工
1、案例介绍
某国内电力工程过海电缆隧道的施工项目,隧道长度2000米、内径3.0米、外径3.5米、环宽1.1m,其规格是目前国内“较小范畴”的盾构法隧道。同时,隧道衬砌是钢筋混凝土管片结构,采取通风拼装工艺,平面图观察隧道呈现直线形态,进洞中心标高为-22.0米,出洞中心标高为-26.5米,纵坡幅度+8‰,属于典型的“小直径盾构”特征。
该项目工程位于汕头港区附近,结合工程初期对现场地质的勘察,全长2000m的隧道基本都处于淤泥土质当中,施工前选定Φ3.54m网格式水力机械盾构机,而随着施工推进,在100环之前地质环境发生了明显变化,地层中开始涌现含量不均的砂砾,这导致网格式水力机械盾构机施工效率、质量大打折扣,进一步勘察发现,在淤泥土质中出现了砂夹层,大范围内砂粒含量从10%-30%不等,局部地区为30%-50%,且中粗砂占主要部分(50%-60%)。
盾构推进达到120环以上,前方地质中涌现出资料中不包含的花岗岩、大型贝壳等,一些块石的尺寸已经超过了网格式水力机械盾构机液压门大小,排除过程十分缓慢,对盾构机的推进稳定性、安全性也产生了影响。盾构推进140环左右,岩层障碍物进一步增加,推进阻力增大,执行方案必须进行修改。
综合分析,该项目工程主要面临的新增岩层阻力及强透水层问题,由于特殊的地理环境,导致地下水层的水压过高,如果继续采取常规盾构推进施工,极容易引发土地喷涌,届时无法清理障碍物,而采取边清理边推进的方式无疑会增加风险,基于此决定采用气压法施工,其优势在于:(1)气压法可以有效平衡正面承受的水土压力,同时气压环境下产生的应力效应,有助于清理盾构推进中的障碍物清理。(2)气压法可以满足平衡水压力的需求,规避或降低发生沙土喷涌的机率,提高盾构推进效率和质量。(3)气压法实施环境下,可选择合理方位实现人工冲砂,减小盾构推进阻力,稳定盾构施工状态,精确控制隧道轴线。
2、气压法在小直径盾构隧道施工中的应用策略
2.1 应用准备工作
第一,在地面建立空气压缩机房,现场配备3台ZA3ME型20m3空压机和1台P600SCU型17m3空压机,使用时可视实际情况选择空压机开启台数,以保证压力稳定,使工作面能连续安全地工作。
第二,空压机房内配有后冷却器、油水分离器、储气罐等设备,以保证在施工时可供给足够的新鲜压缩空气。
第三,机房四周搭设临时的围护结构,用以遮阳、挡雨、消除部分噪音,机房周围配备足够的消防器材。供气总管采用DN150管路,人行闸、材料仓和工作面分别由独立气管供气和独立放气管。随着工作面向前延伸,隧道内始终有1路DN100管路同步延伸,用于向盾构工作面送风,以保证工作面空气的新鲜。
2.2 应用具体方法
第一,盾构实际推进阶段,即气压辅助推进工艺的气压设定值一般维持在0.16MPa。
第二,先将原始气压设定在0.15MPa,气压作业人员进入工作面,然后逐步开启盾构切口环的液压闸门。发现闸门正面有渗漏,无法进行清障,于是进一步加压,以0.02MPa的幅度递增。每次加压完毕后再次开启闸门,观察正面土体是否稳定,最终确定清除障碍物阶段的最佳气压设定值为0.24MPa(有时由于水位变化、覆土厚度变化等因素,设定值会上下略做调整)。该气压值略高于水压力。
第三,气压清除障碍物阶段和辅助盾构推进阶段的气压设定值相差甚大。一方面,清除障碍物时,盾构机处于静止状态,而工作面又比较狭小,清除障碍物后土体还必须保持稳定,即工作面不能发生渗漏。因此,气压设定值应不低于地下水压力。施工证明,砂层失水后,土体可以达到一种稳定的状态;另一方面,在气压辅助盾构推进时,需通过对前方的土体进行冲刷,以减少盾构正面的阻力。此时不需要土体完全直立,以盾构推进时土体能通过闸门缓慢涌入土仓为佳,故而气压设定值可相对较低。若气压设定过高,容易造成土体失水后过硬,使盾构难以推进,影响施工进度。
2.3 施工安全维护
第一,人行闸照明采用的是安全性能较高的防爆灯;隧道内除常规的照明外,每隔一定距離还设置了应急灯,以便隧道内突然断电时,可组织施工人员从容、有序地撤离隧道。
第二,隧道内与外界联系主要通过普通电话,而在人行闸内、材料仓、空压机房和闸门操作室等重要位置,加装了对讲电话及报警器。闸门操作室、人行闸、材料仓各设置1个加减压信号箱,为加减压提供直接的声光信号。工作井及地面上另外配备对讲机。
第三,障碍物清除阶段,为了加强盾构机下部障碍物清除时对上部土体的支护,保证施工人员的安全,结合液压闸门的宽度,特别设计了一种帽檐钢板(如图)。将帽檐钢板按板1、板2、板3的顺序,依次由盾构液压闸门1和2中顶入土体,顶入深度为1.5m,依次开启闸门3、闸门4,进行盾构中下部障碍物的清除。此时,帽檐钢板可以有效提供对上部土体的支护。
第四,为应对极端的突发情况,施工现场采用自动切换的双电源供电。
3、结束语
综上所述,结合案例的气压法在小直径盾构隧道施工中的应用具有较大优势,规避了网格式水力机械盾构机在非单一淤泥土质中的缺陷,例如在大面积底下砂层施工中,其推进、清理、轴线控制等都存在很多问题,花岗岩及大型贝壳的出现进一步提升了施工难度。引入气压法施工,无论从辅助促进角度还是风险规避角度,都取得很好的效果,值得进一步研究和推广。
参考文献:
[1]竺维彬,钟长平,黄威然,贺婷,张部令,祝思然. 盾构掘进辅助气压平衡的关键技术研究[J]. 现代隧道技术,2017,54(01):1-8.
[2]张治国,白乔木,赵其华,王卫东. 考虑气压效应的浅埋隧道开挖影响解析解答[J/OL]. 岩石力学与工程学报,2017,36(03):650-664.
关键词:气压法;小直径盾构隧道;气压法施工
1、案例介绍
某国内电力工程过海电缆隧道的施工项目,隧道长度2000米、内径3.0米、外径3.5米、环宽1.1m,其规格是目前国内“较小范畴”的盾构法隧道。同时,隧道衬砌是钢筋混凝土管片结构,采取通风拼装工艺,平面图观察隧道呈现直线形态,进洞中心标高为-22.0米,出洞中心标高为-26.5米,纵坡幅度+8‰,属于典型的“小直径盾构”特征。
该项目工程位于汕头港区附近,结合工程初期对现场地质的勘察,全长2000m的隧道基本都处于淤泥土质当中,施工前选定Φ3.54m网格式水力机械盾构机,而随着施工推进,在100环之前地质环境发生了明显变化,地层中开始涌现含量不均的砂砾,这导致网格式水力机械盾构机施工效率、质量大打折扣,进一步勘察发现,在淤泥土质中出现了砂夹层,大范围内砂粒含量从10%-30%不等,局部地区为30%-50%,且中粗砂占主要部分(50%-60%)。
盾构推进达到120环以上,前方地质中涌现出资料中不包含的花岗岩、大型贝壳等,一些块石的尺寸已经超过了网格式水力机械盾构机液压门大小,排除过程十分缓慢,对盾构机的推进稳定性、安全性也产生了影响。盾构推进140环左右,岩层障碍物进一步增加,推进阻力增大,执行方案必须进行修改。
综合分析,该项目工程主要面临的新增岩层阻力及强透水层问题,由于特殊的地理环境,导致地下水层的水压过高,如果继续采取常规盾构推进施工,极容易引发土地喷涌,届时无法清理障碍物,而采取边清理边推进的方式无疑会增加风险,基于此决定采用气压法施工,其优势在于:(1)气压法可以有效平衡正面承受的水土压力,同时气压环境下产生的应力效应,有助于清理盾构推进中的障碍物清理。(2)气压法可以满足平衡水压力的需求,规避或降低发生沙土喷涌的机率,提高盾构推进效率和质量。(3)气压法实施环境下,可选择合理方位实现人工冲砂,减小盾构推进阻力,稳定盾构施工状态,精确控制隧道轴线。
2、气压法在小直径盾构隧道施工中的应用策略
2.1 应用准备工作
第一,在地面建立空气压缩机房,现场配备3台ZA3ME型20m3空压机和1台P600SCU型17m3空压机,使用时可视实际情况选择空压机开启台数,以保证压力稳定,使工作面能连续安全地工作。
第二,空压机房内配有后冷却器、油水分离器、储气罐等设备,以保证在施工时可供给足够的新鲜压缩空气。
第三,机房四周搭设临时的围护结构,用以遮阳、挡雨、消除部分噪音,机房周围配备足够的消防器材。供气总管采用DN150管路,人行闸、材料仓和工作面分别由独立气管供气和独立放气管。随着工作面向前延伸,隧道内始终有1路DN100管路同步延伸,用于向盾构工作面送风,以保证工作面空气的新鲜。
2.2 应用具体方法
第一,盾构实际推进阶段,即气压辅助推进工艺的气压设定值一般维持在0.16MPa。
第二,先将原始气压设定在0.15MPa,气压作业人员进入工作面,然后逐步开启盾构切口环的液压闸门。发现闸门正面有渗漏,无法进行清障,于是进一步加压,以0.02MPa的幅度递增。每次加压完毕后再次开启闸门,观察正面土体是否稳定,最终确定清除障碍物阶段的最佳气压设定值为0.24MPa(有时由于水位变化、覆土厚度变化等因素,设定值会上下略做调整)。该气压值略高于水压力。
第三,气压清除障碍物阶段和辅助盾构推进阶段的气压设定值相差甚大。一方面,清除障碍物时,盾构机处于静止状态,而工作面又比较狭小,清除障碍物后土体还必须保持稳定,即工作面不能发生渗漏。因此,气压设定值应不低于地下水压力。施工证明,砂层失水后,土体可以达到一种稳定的状态;另一方面,在气压辅助盾构推进时,需通过对前方的土体进行冲刷,以减少盾构正面的阻力。此时不需要土体完全直立,以盾构推进时土体能通过闸门缓慢涌入土仓为佳,故而气压设定值可相对较低。若气压设定过高,容易造成土体失水后过硬,使盾构难以推进,影响施工进度。
2.3 施工安全维护
第一,人行闸照明采用的是安全性能较高的防爆灯;隧道内除常规的照明外,每隔一定距離还设置了应急灯,以便隧道内突然断电时,可组织施工人员从容、有序地撤离隧道。
第二,隧道内与外界联系主要通过普通电话,而在人行闸内、材料仓、空压机房和闸门操作室等重要位置,加装了对讲电话及报警器。闸门操作室、人行闸、材料仓各设置1个加减压信号箱,为加减压提供直接的声光信号。工作井及地面上另外配备对讲机。
第三,障碍物清除阶段,为了加强盾构机下部障碍物清除时对上部土体的支护,保证施工人员的安全,结合液压闸门的宽度,特别设计了一种帽檐钢板(如图)。将帽檐钢板按板1、板2、板3的顺序,依次由盾构液压闸门1和2中顶入土体,顶入深度为1.5m,依次开启闸门3、闸门4,进行盾构中下部障碍物的清除。此时,帽檐钢板可以有效提供对上部土体的支护。
第四,为应对极端的突发情况,施工现场采用自动切换的双电源供电。
3、结束语
综上所述,结合案例的气压法在小直径盾构隧道施工中的应用具有较大优势,规避了网格式水力机械盾构机在非单一淤泥土质中的缺陷,例如在大面积底下砂层施工中,其推进、清理、轴线控制等都存在很多问题,花岗岩及大型贝壳的出现进一步提升了施工难度。引入气压法施工,无论从辅助促进角度还是风险规避角度,都取得很好的效果,值得进一步研究和推广。
参考文献:
[1]竺维彬,钟长平,黄威然,贺婷,张部令,祝思然. 盾构掘进辅助气压平衡的关键技术研究[J]. 现代隧道技术,2017,54(01):1-8.
[2]张治国,白乔木,赵其华,王卫东. 考虑气压效应的浅埋隧道开挖影响解析解答[J/OL]. 岩石力学与工程学报,2017,36(03):650-664.