土壓平衡盾構施工中盾構機的操作與管片選型

董建剛 王 云

隨著現代城市的不斷發展和進步,地面交通已經變得越來越擁擠。盾構法施工城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設施等各種隧道具有對環境影響小、不受地表環境限制、施工時地表占地少、不受天氣條件限制、適應地層范圍寬等明顯優點。此外,在建造水下公路和鐵路隧道或水工隧道中,盾構法也往往以其經濟合理而得到采用。目前,國內有20多個大中城市正在或計劃采用盾構法施工地鐵隧道。隨著盾構施工項目的增多,越來越多的單位加入盾構隧道施工中,由于管理水平及施工經驗的差距,盾構事故也隨之增多。盾構施工“人是根本”,地質是需要人去認識的,盾構機是需要人去掌握的。由于盾構機操作手處在施工的第一現場,操作手的能力及水平高低直接決定隧道的施工管理水平。

1 盾構機的基本功能

盾構機一般由殼體、正面支撐機構、推進油缸、開挖及運輸機構、襯砌拼裝機構、液壓系統、注漿系統和盾尾密封裝置組成,是一種隧道推進的專用工程機械。盾構機的基本工作原理就是在殼體(它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時支撐的作用,承受周圍土層的壓力,有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業在殼體的掩護下進行)掩護下,刀盤開挖下來的土體過刀盤開口進入開挖倉,推進油缸的推力通過壓力擋板傳給開挖倉內土體,從而保證開挖面的穩定。開挖倉內的渣土通過螺旋輸送機輸送出去。通常使用預應力鋼筋混凝土管片進行襯砌。

2 盾構機操作者的能力及現狀

操作手應具備一定的機械電器及工程地質知識,對盾構機機械結構、電氣配置、隧道地層及線路情況有基本的了解。

盾構施工要求操作手具有專業的知識水平、豐富的施工經驗、高度的責任心和靈活應變的能力。就像熟練的司機可以根據道路及車流狀況合理駕駛車輛而不發生事故。

目前,國內操作手的學習專業背景各不相同,有的是機械電器專業、有的是土木建筑專業、有的甚至是中學畢業的工人。知識背景的不同對盾構施工認識的角度不同,有的重視機械設備,有的重視電器設備,有的只關心施工進度等,沒有把盾構施工看成一個集機械、電器、土建于一身的系統工程。

操作手的施工經驗各不相同。由于施工環境和人的思想觀念,有的單位讓中學畢業的工人操作盾構機,足見操作手的生存環境和對操作手重要性的認識還有待提高。

操作手具有良好的責任心是非常重要的。目前,在施工單位,操作手的待遇和承擔的責任還不對稱,真正有能力承擔和愿意承擔責任的操作手還太少。

靈活應變的能力。盾構施工地質情況是千變萬化的,技術部門的掘進參數是根據不可靠的資料制定的一個范圍,操作手要分析所有參數的影響,根據實際推進情況進行適當調整或改變,找出參數之間的影響以及與地質之間的聯系,根據推進情況判斷地質變化并及時調整掘進參數,使盾構機始終在一個最優的狀況中運行,讓盾構施工向著優質、高效的方向發展。

3 盾構機的操作

3.1 盾構機啟動前的注意事項

1)檢查冷卻循環水水管卷盤、高壓電纜卷盤、臺車電瓶車軌道等的延伸和連接是否正常。

2)檢查供電電壓是否正常、檢查皮帶機、皮帶是否正常、檢查出碴系統是否已準備就緒、檢查空壓機運行是否正常。

3)檢查注脂系統是否正常、檢查發泡劑液位是否正常、檢查發泡劑桶下端的開關是否處于開啟位置,推進時觀察液面下降情況。

4)檢查注漿系統是否已準備好并可以正常運行。

5)檢查盾構操作面版狀態,開機前應使螺旋輸送機前門處于開啟位,管片安裝模式應關閉,無其他報警指示。

6)檢查導向系統是否工作正常,若發現存在問題,首先處理或解決問題,然后再準備開機。

7)檢查設備有無其他異常情況,注意是否有人在進行設備的維修保養工作,確認他人的人身安全,盾構掘進無關人員撤離到安全區域。

8)熟練掌握關于本段盾構掘進所發布的掘進參數指令,如掘進模式,土倉壓力,線路數據,注漿壓力等。

3.2 掘進時的注意事項

1)根據測量系統面版上顯示的盾構目前自轉狀態選擇盾構機刀盤轉向,刀盤啟動時,要緩慢的增大刀盤轉速,嚴禁旋轉旋鈕過快,以免造成過大沖擊,損傷設備。2)緩慢開啟螺旋輸送機后門,防止開門的速度過快,發生噴涌。3)注意泡沫的注入量,尤其在剛開始掘進時,注意泡沫注入量和土倉內土壓的平衡。4)即使不需要發泡劑,都要間隙性地輪流使用發泡系統,防止泡沫管道堵塞。5)為了保證盾構的鉸接密封、盾尾密封工作良好,同時也為了保證隧道管片不受破壞,盾構在調向的過程中不能有太大的趨勢。6)根據地層的不同保持不同的土倉壓力,具體壓力值由掘進指令決定。但最大土倉壓力值一般不能大于0.3 MPa,否則有可能損壞主軸承密封系統。對于地面沉降要求比較嚴格的區域,要參照推進量雙重控制。7)當盾構處于水平線路掘進時,應使盾構保持稍向上的掘進姿態(趨勢值為1 mm/m～2 mm/m),當盾構機在軟弱地層推進時應盡可能使盾構機保持在軸線上方20 mm～30 mm推進,以糾正盾構因自重而產生的低頭、下沉現象。當盾構機在富水硬巖地層推進時應盡可能使盾構機保持在軸線上方20 mm～30 mm推進,以抵消管片脫出盾尾后的上浮,保證隧道軸線。8)為較好控制盾構機姿態并保證良好的盾尾間隙,推進油缸行程差應控制在50 mm以內。9)當盾構機為被動鉸接時,掘進過程中盡量保證各鉸接油缸的行程在適中的狀態,行程差盡量的小,一般應控制在30 mm以內。當盾構機為主動鉸接時應盡量使上下行程和與左右行程和相等。10)當盾尾密封在某一位置有滲漏時,可以在對應的方位進行手動注脂。11)堅持長期統計出土量、發泡劑比例及用量、各種油脂用量等,以便為類似地層提供參考。

3.3 盾構機停機的注意事項

1)根據刀盤扭矩、土壓力決定停止推進、停止發泡系統、停止螺旋輸送機的順序。2)確認發泡系統完全關閉,逐步降低螺旋輸送機的轉速至零。3)關閉螺旋輸送機后門、停止皮帶機。4)若刀盤扭矩較大,則應持續轉動刀盤,適當的攪拌土倉內渣土,當扭矩降低至一定程度時緩慢減小刀盤轉速至零,并停止刀盤轉動,這樣利于下次刀盤啟動時扭矩不至于太大。5)停止同步注漿后,為保證注漿管道暢通,必須清疏、維護注漿管道。

4 管片的選型

4.1 管片選型的原則

1)盾尾間隙均衡原則:管片選型最理想的是使管片安裝后,盾尾間隙達到均衡,使盾構機在掘進下一環后盾尾間隙仍然在合理范圍內。

2)推進油缸伸縮均衡原則:管片選型時在考慮盾尾間隙均衡的同時,還應考慮掘進千斤伸縮差值,并明確當前行程差和推進結束后行程差變化,根據推進油缸伸縮差值對后安裝管片的影響,應盡量減小推進油缸伸縮差值。

3)管片轉向與盾構機趨勢一致原則:管片選型時應注意考慮盾構機的趨勢,管片選型應與盾構機趨向一致,才能減少推進時引起管片錯臺。

4)根據線路轉彎半徑確定直線環、轉彎環大致比例原則:對于線路存在水平、豎直曲線的路段,管片選型前首先要根據線路情況通過擬合線路計算,確定直線環、轉彎環大致比例,在此區間選擇管片時應盡量維持此比例。

4.2 管片選型的影響因素

1)轉彎管片的設計構造。為滿足曲線模擬和施工糾偏的需要,專門設計了左、右轉彎楔形環,通過與標準環的各種組合來擬合不同的曲線。管片選型時首先要明確轉彎環的構造及最大楔形量。

2)管片拼裝點位對楔形量的影響。管片封頂塊的拼裝點不同,管片最大楔形量的方向不同。通常在施工前計算好管片封頂塊拼裝在各個點位時在水平、豎直方向上的楔形量,以便于操作手根據需要選擇。

3)線路轉彎對推進油缸行程的影響。在選擇管片時不但首先要保證拼裝后推進油缸的行程差,也要預見掘進完下一環的推進油缸的行程差。施工前可以根據不同線路轉彎半徑計算出推進一環管片長度,上、下、左、右側推進油缸的行程差。

4)線路轉彎對盾尾間隙的影響。管片選型前不但要仔細測量當前環盾尾間隙量,還要預測下一環推完后盾尾間隙變化量,以便合理選擇管片。施工前亦應根據不同線路轉彎半徑計算出推進一環管片長度,上、下、左、右側盾尾間隙的變化量。

5 結語

盾構隧道的順利施工不僅僅依賴先進機器,也要通過合理的操作、選擇合適的管片來實現。在盾構法施工中“地質是基礎,盾構機是關鍵,人(管理)是根本”?！疤岣叨軜嫴僮髡叩乃郊澳芰κ菧p少施工管理過失最直接的方法”。希望通過此文能對盾構施工單位及盾構操作者有所幫助。

[1] 竺維彬,鞠世健.論復合地層盾構施工的理論體系[J].現代隧道技術,2007(sup):1-8.

[2] 董建剛.土壓平衡盾構推進中施工管理過失的研究[D].廣州:中山大學碩士學位論文,2009.

[3] 材料設備部.盾構機操作規程[J].廣州市盾建地下工程有限公司,2005(8):96-97.