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三连体泥水盾构施工实例万芳

发布时间:2020-02-14 11:35:37 阅读: 来源:调节阀厂家

三连体泥水盾构施工实例

三连体泥水加压式盾构是泥水加压平衡盾构的新发展,当今已有把泥水加压平衡理论运用于三圆盾构来施工埋深较大地铁车站的施工实例,见照片36、照片37。本章主要叙述三连体泥水加压式盾构首次在地铁车站中施工的有关技术。

照片36 三圆盾构掘进机建设地铁车站示意照片37 三圆盾构车站建成后运营模式

第一节 三连体盾构及其管片

1、 日本大阪商街公园地铁车站工程概况日本大阪商街公园地铁车站(Osaka Business Park)是大阪市地铁7号线工程中施工难度最大的一个车站,处在地下32m左右,因此也是大阪市地铁中最深的一个车站。这座车站总长155m,位于IMP摩天大楼及盾构法施工的大断面下水道隧道(弁天下水道干线)的正下方,处在深度大、水压高的易塌方地层中,见图255。该车站采用了世界上首次在实际工程中应用的三连体泥水加压式MF盾构施工法。车站的结构形式分为两大部分,即工作井及隧道部分。该工区的地质条件为冲积层和洪积层(粘土与砂土的大阪层互层),隧道覆土27m,水头压力0.15MPa,盾构拱顶部为洪积砂土(均匀系数3~5左右),下半部分为粘土层。

图255 商务停车场车站平面图和断面图2、 三连体泥水加压盾构掘进机盾构由三个圆形横向搭接叠合而成,正好构成横向三连圆断面的结构体,见照片38、照片39、图256。该盾构为泥水加压式体系,每个圆形体的大刀盘为独立体系的转动机构。中心圆大刀盘比两侧刀盘圆体超前1.4m,三个大刀盘的支承方式均为中心轴支承方式,三个泥水室及三个举重臂也是三个独立体。因此被称为“3刀、3室、3臂、3孔盾构”。盾构的送排泥水处理系统见图257。

照片38商街公园地铁车站使用的三圆盾构掘进机

照片39 三圆盾构掘进机结构示意图(模型)

图256 三连体泥水加压平衡盾构基本构造图

图257盾构送排泥水处理系统

3、 三连体泥水加压盾构管片形式及拼装顺序

图258三连体盾构管片拼装顺序

车站范围内的盾构法施工长度107m,DC管片共计105环(105m),一次衬砌均采用球墨铸铁管片。除站台的拱顶部外,其余部分原则上不予考虑二次衬砌,日后仅作内部装修处理。管片圆环接点处的轴向力垂直分力由站台立柱承担。立柱间距为4.0m,管片的环宽为1.0m,立柱间隔中间部分的管片圆环连接点处的轴向力合力由纵向梁(工字钢劲性钢筋混凝土梁)向立柱端部传递。每一整环由14块管片拼装而成,14块管片的分块形式为:8A+A2+A3+2K1+2K2,环间拼装形式为错缝式,搭接长度为14.1°圆心角弧长。管片的断面形状为(外弧侧)凹形,为解决盾尾与外弧间的连续密封性,铸铁管片的外弧面凹槽内由混凝土预先充填密实,构成类似于复合管片的形式。管片拼装的顺序见图258。第二节 三连体盾构出洞和进洞处理技术1、 盾构出洞处理(1) 洞口土体处理盾构出洞处上部正好是松下IMP (International Market Place)大楼,出洞时的沉降控制要求很高,洞口保护的处理工作在大楼的地下室中进行,纵向6.5m范围内的地基采用满堂高压喷射桩(CJG)处理,桩径为1.6m。考虑到盾构刚进入土体时,盾构工作面超越CJG处理区后,有可能会产生涌水,因此在CJG处理区的前方6m左右采用了冻结法(管间隔为1m)作隔水处理,以确保盾构出洞的安全性。(2) 工作井洞口密封套圈处理盾构出洞用密封套圈采用的是日本近年来常用的橡胶板+翻板的密封形式。该形式的橡胶板起到套圈密封作用,翻板可防止橡胶板从盾构与洞口夹档间隙内外翻,橡胶板为10mm厚的纤维加强板。三连盾构外弧圆形接点处为30cm左右的凹槽,施工部门在预先实体模型试验中,发现该处是密封的薄弱点。因此在实际盾构出洞时,密封套圈采用了局部气囊充气的形式。该气囊可使凹槽局部的密封套圈与盾构外壳板强迫密贴,达到了理想的密封效果。2、 盾构进洞处理盾构进洞时要求对相关区域的土体进行改良加固,该工程中将采用的方法是:分别在A、B、C三个区域内进行处理。(1) A区域CJG处理在离盾构接收井井壁4.4m范围内,采用CJG方法作地基改良,CJG处理后的土体在拆除洞口连续墙后,具备自立和挡土条件。(2) B区域化学注浆在离井壁4.4~7.4m的范围内,对洪积砂层化学注浆处理,化学注浆处理的目的是:使砂土层在化学材料的凝固和充填条件下可防止土体产生流砂和涌水现象,以达到盾构进洞时洞口土体稳定的目的。(3) C区域砂浆回填在预定洞口部的连续墙拆去后,在该孔口部2.0m厚度内,以及在井内侧附加2m厚(共计4m)范围内回填低强度砂浆,使盾构工作面能在常压条件下进入接收井,待盾构尾部空隙注浆处理结束后,抽除泥水室内的泥水,然后拆除低强度砂浆浇灌时的支撑模板,凿除低强度砂浆,使盾构外壳与井壁固定。最后拆除盾构内部设施,在盾构外壳内侧浇捣钢筋混凝土衬砌。第三节 三连体盾构泥水管理技术三连体盾构掘进机掘进中的开挖面稳定与原来的单圆形盾构掘进机的相同,要求对泥水压力和泥水物理性质(粘度、比重)进行适当管理。本盾构掘进机中的三个土仓,在分别对干砂量及偏差流量进行管理同时,还安装了复数连通孔,以消除各土仓间的差压。1、 三个独立土仓中的泥水管理在泥水方面,设一路(φ300mm)总进泥水管道经分岔管分成三路(φ200mm),再送往各土仓,排泥水管设三路管道,在各个土仓上分别设置开挖面水压计、电磁流量计及γ密度计,见图259。

图259 泥水流体输送路径及平衡

送泥水泵P1,具有即使泥水浓度产生了变化也能保持一定

照片 40连通孔

流速的功能。为了控制土仓间产生的压力差,不仅设置了连接各仓室的连通管,还在隔壁上配置了复数连通孔,见照片40。本盾构掘进机管理系统的特征是,能分别设定开挖面水压和进排泥流量等,能对掘进中的干砂量及偏差流量进行土仓的整体或分别管理。2、 泥水的物理性管理泥水的粘度,其漏斗粘度在25s以上,为了防止排泥管堵塞,将上限50s以下作为目标值进行管理,在出洞防护的地基改良区间,可看到泥水中混入水泥成份后泥水粘度呈上升趋势。一进入自然土层后,尽管掘进结束,因土体粘土成份的影响,而使泥水粘度有若干的上升,但能维持在目标值范围内,此时的密度为1.2± 0.05g/cm3,见图260。

图260 泥水的物理性管理(密度·粘度)

3、 开挖面泥水压力自然地基区间的泥水压力为水压+0.3~0.4kgf/cm2。它是以水压+上半部洪积砂层的主动土压力所设定的值为基础的。为了确认泥水的加压效果,在接圆部上部的1.4m处(36环)埋设了孔隙水压计。孔隙水压在盾构掘进中上升,一旦停止掘进就回复原状。该状况可在盾构开挖面靠近孔隙水压计15m的时刻就可观察,在最大孔隙水压力上升至0.15kgf/cm2左右,尽管与开挖面水压保持0.2kgf/cm2以上的压力差,但至少能从孔隙水压计上判断在外侧是否稳定,见图261。

图261 盾构掘进机通过土体时的孔隙水压变化

4、 干砂量与偏差流量各个土仓的开挖面水压在2~4%左右范围内变动,各土仓间的差压纳入仪器的误差范围内。三个土仓的干砂量和掘进量的相互关系都被纳入±5%的管理界限内,只要对进排泥系统进行调整,各土仓都能处于充分的管理状态。左右土仓相比,偏差流量来自中央土仓的逸水略多些,并引起泥水从中央到左右土仓的流动,但该情况属于在实用中不受到影响的范围。通过复数排泥系统,连通管及连通孔的组合,不仅能控制开挖面水压在仓室之间的差压,还可以分别进行干砂量的管理。作为掘削对象的上部洪积层,其粒度组成差,渗透系数为2×10-2

图262 偏差流量及干砂量管理

cm/s,因而难以产生逸泥,见图262。第四节 壁后注浆与地基稳定技术在壁后注浆方面,开发了四处同步壁后注浆方法。在注浆材料上,采用了双液急凝性加气砂浆(仿凝固性)。1、 注浆材料在注浆材料方面,从拌浆设备开始压送到充填盾尾孔隙止,要求具有优越的压送性、难于硬化性和注入后不久兼有流动性和粘性的可塑性胶凝,并在充填后能具有足够的强度及不产生压密脱水性质的材料。为此采用了加气系双液壁后注浆材料,见表76。1m3 标准配比壁后注浆材料 表762、 同步壁后注浆同步壁后注浆,其注浆管根数和设置位置很重要,要求对可能发生土体坍方的上方接圆部进行迅速注浆。当掘进速度为20mm以下,或注浆率为150%以下时,根据初步试验的讨论结果也是当超过四个注浆处注浆时,相当于一个注浆处的注浆量是少的,其主要原因是注浆管堵塞。因此注浆管位置设四处,外加两处备用注浆管,共在六处设置了注浆管,见图263。

图263 后背注浆压力的降低曲线

3、 壁后注浆的管理对于壁后注浆的管理,其注浆率为120%以上,自动阀装置压力计的注浆压力为3~4kgf/cm2(上限值5kgf/cm2),并以上下方接圆部为主从四处进行了注浆。由于本盾构掘进机外周长度较长,通过用初期实验计算的移动注浆压力的压力损失和由设置在同步注浆管前端的土压计测定实际施工时的注浆压力,解析周围注浆压力的分布状态,并通过反馈上述情况,进行了注浆压力的设定。在此,注浆材料流动时的压力损失为0.125kgf/cm2左右。注浆量和注浆压力的分布,在初期注浆阶段和将要到达时,注浆量有些不均,但在通常掘进时呈较稳定的注浆状态,注浆压力大致管理在3.0~5.0kgf/cm2内。注浆率,根据大气压力换算为140%左右,而加压后的实际注浆率为125%,见图264。

图264 壁面注浆量和注浆压力的分布

4、 壁后注浆的充填性由于三连体盾构的盾尾孔隙大,良好的注浆材料对于盾尾的充填性是很重要的。因此就注浆材料充填状况的确认方法,主要有从注浆孔进行直接调查的方法和新开发的采用无损调查的方法,如新的超声波法充填管理方法,并对其有效性进行确认。第五节 盾构掘进机姿态控制盾构掘进机姿态的前倾、平面偏移通过盾构千斤顶操作盘的编组是可以充分控制的。由于盾构掘进机尾部是用略偏左上姿态开始推进的,根据姿态控制的模型实验结果的三个面板都试着用右旋转来控制,但是偏转非但没能消除,还呈进一步加剧的趋势。作为消除偏转对策,通过盾构千斤顶对角编组控制以及仿形刀的使用,进行偏转角的修正。但作为今后的课题,仍需要确立一个强有力的偏转控制方法。此外,盾构掘进机的蛇行,控制在管理值(±5%)范围以内,见图265。

图265 盾构姿态控制

第六节 地层变形和对邻近构筑物影响1、 地层变形和对IMP大楼的影响随着盾构掘进机的靠近,其沉降从盾构掘进机前端的开挖面到达距测点约3.3m时开始,当盾构掘进机在通过测点时,沉降在进行;当盾构掘进机通过后沉降倾向还在缓慢地持续。大概至沉降结束止的总沉降量为极其微小的数毫米左右。随着盾构掘进机的掘进而产生的地基沉降,大致可分为开挖面前方的早期沉降、盾构通过时的初期沉降及通过后的后续沉降,见图266、表77。

图266 盾构通过时初期沉降和通过后的后期沉降

不同时期的沉降及比率

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