粉砂层地质中更换盾尾刷施工工法

'粉砂层地质中更换盾尾刷施工工法1.前言城市在修建地铁过程中，在砂性不良地质条件下进行盾构施工，经常会发生盾尾密封刷损坏造成密封不良的情况，由于盾尾密封损坏而引起的事故也时有发生。国内针对盾尾密封损坏的情况主要采取管片间隙填塞海绵条等填充物、增加盾尾密封油脂注入量及管片额外加贴防水材料等方法进行临时处理，此方法并不能从根本上较好的解决盾尾渗漏问题，给施工安全以及施工质量埋下隐患，带来不良影响。以前在广州、深圳等其他地铁施工过程中曾有过更换一道盾尾刷来解决盾尾密封损坏的案例，然而粉砂层这种不良的地质条件下，一次性更换两道盾尾刷的应用实践目前国内未见先例，缺少相关经验及参数。天津城建隧道股份有限公司在南京地铁一号线南延线D1S-TA08标，胜太路站~百家湖站盾构区间施工过程中，为了解决盾尾渗漏问题，使盾构施工能够安全顺利完工，在地下粉砂层地质条件下成功更换了2道盾尾刷。取得了“在粉砂层地质中更换盾尾刷技术研究与应用”这一国内领先的学术成果，同时，形成了粉砂层地质中更换盾尾刷施工工法。由于在地下水封堵隔离、盾尾刷更换施工等方面技术先进、操作简单、投入相对较少，故有较高的的社会效益和经济效益。2.工法特点2.1采用在研究地质报告的基础上，分析盾构施工所出渣土的方法确定更换盾尾刷的位置，用相对简单直观的方法满足了施工要求。2.2通过对拼装机、管片尺寸等的计算，确定出更换盾尾刷时千斤顶的推进行程，在满足了拼装、拆卸管片施工要求的同时，也确保了施工的安全、质量及施工进度。2.3在隧道内主要采用注浆止水的方法并配合土仓注膨润土浆，盾构机壳体、盾尾附近注聚氨酯等方法进行地下水封堵隔离及盾构机周围土层的加固改良，满足了盾尾刷更换施工时的止水效果和施工安全的要求，节约了成本。2.4利用盾尾刷更换施工技术能快速有效地完成盾尾刷更换，很好的解决了盾尾渗漏问题，起到保护道路、管线以及沿线既有建筑物的作用，减少了盾构施工对环境的影响。10 3.适用范围隧道区间较长、沿线建（构）筑物较多、砂性地层构造、富水条件下的盾构施工。4.工艺原理更换盾尾刷施工采用地下盾构机内直接更换的施工方法，施工经过：尾刷更换施工位置选择的确定；更换施工过程中千斤顶推进行程确定及管片拼装机臂的加长；盾构机周围地下水封堵隔离施工；更换盾尾刷施工4个步骤。其中：1)通过现场对盾构机所出渣土及地质报告的研究，确定盾尾刷更换施工位置，充分研究此位置需要水文地质情况，制定有针对性的技术措施，尽可能的满足盾尾刷更换施工的安全要求。2)为了满足盾尾刷更换施工的要求，通过精心计算与研究盾构机设计图纸后，确定千斤顶的推进行程。更换盾尾刷施工时，利用自制的拼装机加长臂拆卸管片，这样既可以暴露2道需要更换的盾尾刷，同时也不会将第3道盾尾刷暴露。3)根据粉砂层的地质情况，有针对性的采取注浆法（水泥-水玻璃双液浆）进行地下水的封堵隔离，并配合土仓注膨润土浆、盾构机机壳及盾尾附件注聚氨酯等方法，为盾尾刷的更换施工创造良好的施工条件，同时也为盾尾刷更换施工后盾构机的再次启动掘进做好了准备工作。4)在确认注浆止水封堵效果后，开始进行盾尾刷的更换施工。首先，利用拼装机加长臂拆卸掉需要盾尾刷位置的管片。其次，清除此位置盾尾刷之间密封槽内的废油脂与浆液。对盾尾刷进行检查，对磨损严重的盾尾刷分段割除并更换；对磨损较轻只是被浆液固结的盾尾刷进行清理。然后，对盾尾刷和盾尾刷之间的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂。最后，利用加长臂拼装管片，当所有管片拼装到位时，20个千斤顶同时加力,反复紧固整环所有螺栓。5.施工工艺流程及操作要点5.1盾尾刷更换位置的选择根据工程实际地质及工程条件，更换盾尾刷施工前需要重点分析盾构施工所出渣土，确定盾尾刷更换位置，主要包括以下两个方面内容：1）盾尾密封更换尽量避免在软土地层更换，因为在盾构机自重的作用下，容易发生低头，一旦发生盾构机低头就较难处理。2）盾尾刷更换位置尽量避开地下水丰富的区域。5.2盾尾刷更换时的千斤顶行程的确定及管片拼装机臂的加长5.2.1盾尾刷更换时千斤顶行程的确定10 本工法通过研究盾构机的尺寸，千斤顶的长度，3道盾尾刷的尺寸、位置，管片拼装机的作业距离及范围，来确定千斤顶推进行程及管片拆除拼装的方法。针对不同厂家型号的盾构机，其千斤顶推进行程的计算结果将不同。图5.2.1千斤顶推进位置示意图5.2.2管片拼装机臂的加长如果管片拼装机不能满足要求时，需要自制管片临时加长臂。加长臂根据设备的结构和空间尺寸的具体情况进行有针对性的设计，充分考虑加长臂受力情况、刚度、尺寸等，不但要求其能保证轻巧方便拆、装管片，还要求其能满足做够的强度要求。5.2.2拼装机加长臂示意图5.3地下水封堵隔离施工5.3.1土仓注澎润土为了防止加固的浆液流入刀盘及土仓将刀盘包裹住，从而影响盾构机的再次启动掘进施工，将盾构机土仓注入膨润土浆进行保护。1)浆液配比膨润土浆液的浆液比重为1.06，膨润土配置比例为，澎润土:水=0.4:1(重量比)，膨润土浆液的注入要充足、适量。2)注入方法从刀盘上部已有的注水孔向土仓注入膨润土浆，将土仓内水排挤出去，并在刀盘前形成保护层。注入过程中当土仓注浆压力超过土仓压力时停止注浆，待压力减小后再继续注浆直到注满为止。5.3.2盾构壳体背后注浆1盾构壳体注聚氨酯10 在盾构机前体、中体环向各开四个孔，装上球阀，注入水溶性聚氨脂。防止管片背后补充注浆时，水泥浆将盾构机壳体裹死。2盾尾背后注浆在盾尾后2环管片背后注入水溶性聚氨酯注浆材料，注浆止水。1)主要施工材料：42.5R水泥、32.5R水泥、水溶性聚氨酯注浆材料、早强剂、注浆铝管等。2)施工方法及技术要求对盾尾后2环管片进行钻孔，共布3排孔，孔位需避开管片钢筋，3排孔均采用直孔，孔深入围岩20cm，孔径32～36mm，孔距60cm，呈梅花型布孔，所有注浆孔均避开管片拼缝布置。如下图所示:图5.3.2孔位布置示意图每个注浆孔钻孔完成后，立即采用早强水泥或其他措施对该孔进行封闭埋管处理，并在注浆管口安装闭水闸阀。当钻孔遇大水时，即对该注浆孔进行水溶性聚氨酯注浆，性能见表5.3.2。注浆压力为0.5MPa，水溶性聚氨酯注浆结束后，反压进行水泥注浆。表5.3.2性能表序号性能单位指标1比重g/cm31.067~1.0882黏度25℃，No.2/60rpm50~1503与水混合比g/cm31/1~1/124硬化泡体密度g/cm30.5~15膨胀度倍数1~126混合时间与80%水混合，秒10~307硬化时间与80%水混合，秒100~1208操作温度℃10~409PH值5.0~5.510 当钻孔遇滴水、线流水时，对该注浆孔进行水泥稳定性浆液注浆。水泥注浆压力：第1、2排为0.3MPa,第3排为0.5MPa。3排首次均注入水渗性聚氨酯，若地下水压力较大，可适当补充注入水泥浆，确保封堵效果。注浆顺序：首先进行第1排注浆孔的布孔和注浆施工。结束后，再进行第2排、第3排注浆孔的布孔和注浆施工。注浆完成后,进行封孔施工，封孔采用与原注浆孔漏水堵漏相同方式进行，沿孔壁涂刷EAA环氧界面剂，埋管、用与管片同标号水泥添加速凝剂封闭，初凝后注入EAA环氧浆，待凝3～5天后拆管，进行管片饰面修复。5.3.3盾尾背后管片二次注浆盾尾刷更换施工前需对盾尾刷后部4～16环的管片进行管片壁后二次注入水泥-水玻璃双液浆，将管片与地层之间的流水通道完全封死。1二次注双液浆的施工方法施工要点:1)注浆孔应从管片设在拱顶的手孔开始注浆，然后对称逐个对环向的各个手孔注浆，直到底部管片相应位置。2)注浆孔起始位置宜设在盾尾后第4环管环处；3)浆液的凝固时间控制在10s左右；4)注浆时要控制好注浆压力和注浆量。经详细分析计算，注浆压力控制在0.2～0.5MPa。配比为水泥浆:水玻璃=10:1(体积比)，水泥浆配比为水泥:水=0.8:1～1:1(重量比)，初凝时间控制在10s左右，注浆量以无法继续注入为控制标准。2注浆操作 1)根据掘进位置的水土压设定注浆泵的终注压力优先，注浆量由该孔的可注性来确定。注浆压力小时，注浆泵自动快速注浆，当接近终注压力时，泵慢速注浆至自动停注(一般不等到自动停注前而人为停注)。 2)双液注浆的混合接头为特制加工的，如下图。10 图5.3.3双液注浆头及注浆管路 4)注浆前应将至少一环的注浆材料备足待用，注浆管路连接好后应检查其牢固性。若手孔打开后有水大量流出，需在附近另开一个手孔放水。 5)一般操作需要3人，1个制浆工，1个注浆工，1个注浆控制手。 6)每注完一个孔，必须及时清理浆液混合器的各条管道，确保管道畅通。注浆完成后，应对手孔进行认真封堵。5.4粉砂层地质中盾尾刷更换施工技术5.4.1盾尾密封刷更换施工前准备工作1)在施工前需对盾构机整体设备运转情况进行检查；对盾尾刷更换施工过程中所使用的设备进行检查。2)在注浆完成后，需对注浆止水效果进行检查,通过对倒数第2、3环管片进行开孔检查，确定无水后方可实施盾尾刷更换施工。3)在拆除管片前，对倒数第2~20环管片的螺栓必须进行复紧并确认效果。4)螺栓复紧后，倒数第2、3环管片必须做好内支撑。支撑如下图图5.4.1管片内支撑支架示意图5.4.2管片拆卸与盾尾刷更换顺序介绍10 在上述的准备工作完毕后，即可进行盾尾密封刷更换。下面以更换盾尾刷时，管片封顶块K块位于管环1点位置为例进行说明，具体更换过程见下图。此图是盾尾密封更换以封顶块K块管片位于1点为例进行说明的。另外，更换顺序可以按照K→C→B→A1→A2→A3管片顺时针方向进行,也可以按照K→C→A3→A2→A1→B管片逆时针方向进行。图5.4.2盾尾刷更换顺序示意图5.4.3盾尾密封刷更换施工1)当千斤顶推进到位后，采用拼装机加长臂将压盖在内侧两道盾尾密封刷上的管片进行拆除，拆除时先拆除封顶快，检查盾尾处是否渗漏水，如仍有漏水则需要补注浆并在渗漏处用硬质海绵填塞堵漏，必要时采用发泡聚氨酯进行堵漏。当盾尾不漏水时，再拆除相邻块，并及时检修更换盾尾密封刷。2)10 当管片拆除并确认无不良渗漏情况后，开始清除盾尾刷之间密封槽内的废油脂与浆液。对盾尾刷进行检查，对磨损严重没有使用价值的盾尾刷直接割除，并对割除区域进行磨光处理。对磨损较轻只是被浆液固结的盾尾刷进行清理，清理时采用钢筋钩梳理盾尾刷，盾尾刷清理要彻底。割除的部分要重新焊接新的盾尾刷，焊接质量要求相邻盾尾刷之间的间距不大于3mm。3)对盾尾刷和盾尾刷之间的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂。量测盾尾四周间隙并记录，制做尾盾上加焊盾尾间隙支撑钢条，钢条对管片起到支撑作用，避免管片下落到盾壳上，使管片与上一环保持相同的盾尾间隙，确保新安装环与上一环同心。4)利用加长臂增加拼装机作业距离并拼装管片，当整环管片全部拼装到位时，20个千斤顶同时加力，以便两环管片接触紧密,反复紧固整环所有螺栓。管片安装到位后，要用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密实的盾尾刷凹槽和盾尾刷。可设置盾尾油脂泵的工作压力,达到设定压力值后方可停止。恢复正常推进，焊接的支撑钢板脱出管片后，进行割除。5.4.4盾尾刷更换期间地表变形观测确保施工过程中安全的关键是全过程监测隧道及周边建（构）筑物的变化情况，及时测量各主要监测项目的动态数值，并与分析计算值进行比较，及时反馈指导设计和施工。地表沉降，建构筑物、管线沉降、拱顶沉降等在更换盾尾刷施工期间增加监测频次。6.材料与设备1)进行盾尾刷更换施工主要的施工材料包括：气割、电焊条、新的盾尾刷、聚氨酯，以及填充盾尾间隙和盾尾刷间的人工手涂盾尾密封油脂等。2)盾尾刷更换施工所使用到的设备主要包括：拼装机加长臂、螺栓扳手、电焊机、应急注聚氨酯用的注浆泵、及小风机等。采用的机具设备见下表。表6机具设备表序号设备名称设备型号单位数量用途1钻机台3开孔2手拉葫芦st台2拆卸管片3聚氨酯泵台2注聚氨酯4注浆泵台2注浆止水5小通风机台4通风6气保焊机KR-500S台2焊接盾尾刷7气割台2割除废尾刷7.质量控制盾尾刷更换施工质量按照GB50446-2008《盾构法隧道施工及验收规范》执行。10 8.安全措施8.1认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员以及工地安全用电负责人参加的安全生产管理网络，执行安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好工程的安全生产。8.2施工现场按符合防火、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。8.3制定应急预案及应急措施，建立完善的施工安全保证组织体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。9.环保措施9.1成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。9.2设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。9.3定期清运渣土及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。10.效益分析本工法通过对在粉砂地层中更换盾尾刷技术研究与应用，认真总结并分析了该项技术及其所涵盖的相关内容，将这一技术与工程实施紧密结合在一起，通过施工中采取适当的技术措施、合理确定施工参数，采取有效的施工措施，解决了盾构在长距离全断面砂层地质中盾尾刷更换难题，节约了资金投入，创造了良好的经济效益与社会效益。11.应用实例本工法应用于南京地铁一号线南延线TA08标胜太路站~百家湖站盾构区间，该TA08标土建工程位于南京市江宁区，包括胜太路站、河定桥站～胜太路站～百家湖站～盾构井三段盾构区间工程，系一站三区间。盾构区间左右线全长约4037.354单线延米，均为单圆盾构隧道。隧道管片外经6.2m，内径5.5m，长度1.2m；管片采用错缝拼装形式。10 其中胜太路站～百家湖站区间从胜太路站南端向南穿行，经西侧凤凰园广场后过渡到百家湖站北端。左右线全长约2246.872单线延米。区间线路设计有两段1500m半径曲线，区间线路纵坡设计为“V”型坡，区间最大覆土约17.3m，最小覆土约7.0m。由于胜太路站~百家湖站区间盾构施工穿越地层状况不良，粉砂层地质对盾尾刷的损坏很严重。在此区间掘进过程中频繁发生盾尾漏水、漏浆、甚至漏砂事件。考虑到此区间段后面还要遇到全断面的粉土和粉砂地层，漏水、漏砂的危险性更大；同时此区间将侧穿百家湖及穿越凤凰广场。为了更好的保证隧道施工质量，保证地面建构筑物的沉降控制到设计及规范要求范围内，保证隧道及施工人员的安全，最终在粉砂层地质条件下进行了盾尾刷的更换施工。图11盾尾刷更换施工图像资料通过对更换盾尾刷期间地表沉降值得分析，盾构机再次启动进行掘进的观察，充分表明盾尾刷更换施工期间，地下水封堵隔离方法取得理想的效果，盾尾刷更换施工安全顺利，未对地面沉降造成进一步的不良影响。并且盾尾刷更换后彻底解决了盾尾渗漏问题，为胜太路~百家湖盾构区间的顺利贯通起到良好作用。10'