地铁隧道盾构施工地表变形规律及其控制技术探究

发表时间:2018/5/8   来源:《建筑学研究前沿》2017年第35期   作者:张育坪
[导读] 文章介绍盾构法施工的特点、原理和施工过程,分析在隧道施工中引起地表变形的主要因素并总结其规律。

中铁十二局集团第四工程有限公司  陕西省西安市  710021
摘要:文章介绍盾构法施工的特点、原理和施工过程,分析在隧道施工中引起地表变形的主要因素并总结其规律,最后提出地铁隧道盾构施工中的注意事项以及地表变形控制技术,供同行参考。
关键词:地铁隧道盾构施工;地表变形规律;控制技术

 
        1引言
        为了缓解城市交通堵塞问题,而且解决在有限的城市可利用空间中进行交通设施建设的问题,所以我国近年来大力发展以地铁为代表的城市轨道交通,其占用土地少,且基本上不会对地面景观和建筑进行破坏,并具有运输量大、安全可靠等优点。在地铁隧道施工中,目前采用盾构法进行施工的技术逐渐成熟,但是在隧道盾构施工的过程中仍然存在对土体产生扰动而引起地表变形的问题,严重时会对周围的建筑以及人们的生命财产造成危害,需要对地铁隧道盾构施工引起地表变形的规律进行分析和总结,并寻找解决此问题的控制技术。
        2盾构法施工技术与原理
        2.1盾构法施工的特点
        盾构法隧道施工适用于工程规模较大且工程量和埋深较大的工程,是属于暗挖法的一种。即采用盾构机在地下进行土壤切削,其前进的动力是由衬砌后的隧道壁上起到支撑作用的千斤顶等设备对其进行加压而提供的,在盾构机进行掘进的过程中,施工人员在盾构的机壳内进行隧道壁的衬砌施工作业,从而实现隧道掘进和衬砌作业同时进行的隧道施工方式。隧道盾构法施工具有非常高的自动化程度,大大减轻了施工人员的劳动强度,并提高了隧道施工效率,而且具有衬砌作业较为方便的特点。在隧道盾构法施工中,其施工开展不受地面环境和天气的影响,并具有对地面道路和建筑物较小的扰动。
        2.2盾构法施工原理及过程
        使用盾构法进行隧道施工需要经历以下几个过程:首先是盾构机的出发和到达,首先需要在竖井内进行临时管片的安装,千斤顶支撑这些管片进行施力并推动盾构机前进,盾构机利用刀盘上的滚刀对岩体进行切削和破坏,岩体碎片会通过刀盘上的预留孔进入土舱内,在添加剂的作用下岩体碎片成为流塑状态并经过螺旋输土机传输出隧道。随着切削和衬砌作业的进行,整个盾构机进行丢曾,并沿着设计路线安全推进到竖井的到达面。其次盾构机在千斤顶的推力下,保持开挖面的稳定和衬砌结构的完整,不断向前推进;在此在开挖过程中还应使用气压施工对地基进行稳定来避免涌水和坍塌事故的发生,且使用气压对前方土体进行稳定并进行滚刀的更换;最后在推进完成之后,在盾尾处将多块预制混凝土管片拼接成环状,当随着盾构机推进而管片脱离时则通过注浆口进行注浆,并对背后的建筑空隙进行填充衬砌,在预制混凝土管片上设置防水部件确保接缝处保持密封状态。



        3隧道施工引起地表变形的主要因素及规律
        3.1隧道施工中的施工因素
        引起隧道盾构施工中出现地表变形的施工因素主要有盾构刀盘超挖、改变掘进方向引起的超挖以及注浆和盾构后退等,一是由于盾构机的设计是盾构刀盘半径比盾体的半径大,导致刀盘后的盾体周围产生超挖间隙,盾体周围的土体会在自重作用下发生径向位移而引起地表变形;二是采用超挖刀进行曲线施工时,容易出现超挖现场而引起地表变形,而且在开挖过程中难以保证中心线与设计保持一致,需要进行纠偏。此外,盾构机在姿态变化时会在周围土层中形成挤压区和空洞区,因此造成较大的扰动加之在注浆时难以将此空洞区填满而留有空隙,因此容易出现塌陷而引起地表沉降;三是注浆不及时或注浆量不足会造成土体产生位移。此外,在长时间的推进停止或拼装管片阶段,千斤顶因漏油等而缩回,导致盾构机后退而出现土体开挖面失衡,从而出现地表变形。
        3.2隧道施工中的非施工因素
        影响隧道盾构施工中出现地表变形的非施工因素主要是施工所用的注浆材料、土质、设计轴线以及管片变形等因素。一是对于单液型和双液型注浆材料来说,前者在凝固的过程中会产生体积收缩,即便是添加了发泡剂也会在气泡消失后体积缩小而引起土体的沉降。双液型注浆材料在注浆时容易流入盾壳内部或松软的地层中而造成流失,因此无法将空隙填满而留有空隙,此外,还会在地下水丰富的地区被水稀释而降低其填充效果;二是土质因素。卵石层土质由于透水性好而吸收浆液造成填充效果不佳从而引起沉降,还会对刀盘掘进产生较大的扭矩而影响其作业稳定性从而引起沉降。此外,大直径的砂砾也会增加盾构掘进所需的推力和刀盘扭矩,也容易引发土体扰动;三是隧道深度以及隧道上方的覆土厚度会对土体沉降产生较大的影响,近地表的浅埋隧道则容易出现地表沉降变形的问题;四是土层中的土压和水压作用下发生管片变形会引起土体移动,此外,上覆土压力不足会导致管片上浮而发生变形甚至破损,都会导致出现地表沉降的问题。
        4地铁隧道盾构施工地表变形控制技术分析
        在地铁隧道盾构施工中,为了对地表变形问题进行有效控制,需要采取以下控制技术:一是对土压力进行合理设置。根据对盾构施工中参数数据的监测而对土压力值进行调整,使之与推进速度等参数相匹配,防止出现超挖现象;二是在盾构机上覆土的厚度较小或地下水含量较高时,需控制其推进速度与正面土舱压力、千斤顶推力以及土体性质等相适应,并严格控制推进方向,减少纠偏,在出土时将出土量保持与车斗上沿持平;三是做好穿越期间的同步注浆工作,并控制好注浆量,确保浆液符合设计标准要求;此外,在管片脱离盾尾后对管片进行多次补浆,并且控制好盾构姿态,保持盾构推进轴线与设计轴线相吻合,盾尾四周间隙保持均匀,加强对施工过程的管理,确保盾构连续穿越。
        5结语
        地铁隧道盾构施工中由于盾构机的刀盘设计引起的超挖、改变掘进方向引起的超挖以及注浆和盾构后退等施工因素引起地表变形,以及注浆材料、土质、设计轴线和管片变形等非施工因素引起的地表变形问题,需要在盾构施工中合理设置土压力、盾构推进速度、注浆量,做好注浆工作并进行多次补浆操作,保持盾构推进轴线与设计轴线相吻合,盾尾四周间隙保持均匀,加强对施工过程的管理等措施,对地铁隧道盾构施工中的地表变形问题进行有效控制。
参考文献
[1]陈小亮,刘彬.探讨地铁隧道盾构施工地表变形规律及控制技术的应用[J].建筑知识:学术刊,2014(2):391-391.

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