土壓平衡盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機(jī)的操作與管片選型

董建剛 王 云

隨著現(xiàn)代城市的不斷發(fā)展和進(jìn)步,地面交通已經(jīng)變得越來越擁擠。盾構(gòu)法施工城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設(shè)施等各種隧道具有對環(huán)境影響小、不受地表環(huán)境限制、施工時(shí)地表占地少、不受天氣條件限制、適應(yīng)地層范圍寬等明顯優(yōu)點(diǎn)。此外,在建造水下公路和鐵路隧道或水工隧道中,盾構(gòu)法也往往以其經(jīng)濟(jì)合理而得到采用。目前,國內(nèi)有20多個(gè)大中城市正在或計(jì)劃采用盾構(gòu)法施工地鐵隧道。隨著盾構(gòu)施工項(xiàng)目的增多,越來越多的單位加入盾構(gòu)隧道施工中,由于管理水平及施工經(jīng)驗(yàn)的差距,盾構(gòu)事故也隨之增多。盾構(gòu)施工“人是根本”,地質(zhì)是需要人去認(rèn)識(shí)的,盾構(gòu)機(jī)是需要人去掌握的。由于盾構(gòu)機(jī)操作手處在施工的第一現(xiàn)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(gòu)機(jī)的基本功能

盾構(gòu)機(jī)一般由殼體、正面支撐機(jī)構(gòu)、推進(jìn)油缸、開挖及運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、襯砌拼裝機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和盾尾密封裝置組成,是一種隧道推進(jìn)的專用工程機(jī)械。盾構(gòu)機(jī)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(shí)支撐的作用,承受周圍土層的壓力,有時(shí)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(yè)在殼體的掩護(hù)下進(jìn)行)掩護(hù)下,刀盤開挖下來的土體過刀盤開口進(jìn)入開挖倉,推進(jìn)油缸的推力通過壓力擋板傳給開挖倉內(nèi)土體,從而保證開挖面的穩(wěn)定。開挖倉內(nèi)的渣土通過螺旋輸送機(jī)輸送出去。通常使用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管片進(jìn)行襯砌。

2 盾構(gòu)機(jī)操作者的能力及現(xiàn)狀

操作手應(yīng)具備一定的機(jī)械電器及工程地質(zhì)知識(shí),對盾構(gòu)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣配置、隧道地層及線路情況有基本的了解。

盾構(gòu)施工要求操作手具有專業(yè)的知識(shí)水平、豐富的施工經(jīng)驗(yàn)、高度的責(zé)任心和靈活應(yīng)變的能力。就像熟練的司機(jī)可以根據(jù)道路及車流狀況合理駕駛車輛而不發(fā)生事故。

目前,國內(nèi)操作手的學(xué)習(xí)專業(yè)背景各不相同,有的是機(jī)械電器專業(yè)、有的是土木建筑專業(yè)、有的甚至是中學(xué)畢業(yè)的工人。知識(shí)背景的不同對盾構(gòu)施工認(rèn)識(shí)的角度不同,有的重視機(jī)械設(shè)備,有的重視電器設(shè)備,有的只關(guān)心施工進(jìn)度等,沒有把盾構(gòu)施工看成一個(gè)集機(jī)械、電器、土建于一身的系統(tǒng)工程。

操作手的施工經(jīng)驗(yàn)各不相同。由于施工環(huán)境和人的思想觀念,有的單位讓中學(xué)畢業(yè)的工人操作盾構(gòu)機(jī),足見操作手的生存環(huán)境和對操作手重要性的認(rèn)識(shí)還有待提高。

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

靈活應(yīng)變的能力。盾構(gòu)施工地質(zhì)情況是千變?nèi)f化的,技術(shù)部門的掘進(jìn)參數(shù)是根據(jù)不可靠的資料制定的一個(gè)范圍,操作手要分析所有參數(shù)的影響,根據(jù)實(shí)際推進(jìn)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或改變,找出參數(shù)之間的影響以及與地質(zhì)之間的聯(lián)系,根據(jù)推進(jìn)情況判斷地質(zhì)變化并及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),使盾構(gòu)機(jī)始終在一個(gè)最優(yōu)的狀況中運(yùn)行,讓盾構(gòu)施工向著優(yōu)質(zhì)、高效的方向發(fā)展。

3 盾構(gòu)機(jī)的操作

3.1 盾構(gòu)機(jī)啟動(dòng)前的注意事項(xiàng)

1)檢查冷卻循環(huán)水水管卷盤、高壓電纜卷盤、臺(tái)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(jī)、皮帶是否正常、檢查出碴系統(tǒng)是否已準(zhǔn)備就緒、檢查空壓機(jī)運(yùn)行是否正常。

3)檢查注脂系統(tǒng)是否正常、檢查發(fā)泡劑液位是否正常、檢查發(fā)泡劑桶下端的開關(guān)是否處于開啟位置,推進(jìn)時(shí)觀察液面下降情況。

4)檢查注漿系統(tǒng)是否已準(zhǔn)備好并可以正常運(yùn)行。

5)檢查盾構(gòu)操作面版狀態(tài),開機(jī)前應(yīng)使螺旋輸送機(jī)前門處于開啟位,管片安裝模式應(yīng)關(guān)閉,無其他報(bào)警指示。

6)檢查導(dǎo)向系統(tǒng)是否工作正常,若發(fā)現(xiàn)存在問題,首先處理或解決問題,然后再準(zhǔn)備開機(jī)。

7)檢查設(shè)備有無其他異常情況,注意是否有人在進(jìn)行設(shè)備的維修保養(yǎng)工作,確認(rèn)他人的人身安全,盾構(gòu)掘進(jìn)無關(guān)人員撤離到安全區(qū)域。

8)熟練掌握關(guān)于本段盾構(gòu)掘進(jìn)所發(fā)布的掘進(jìn)參數(shù)指令,如掘進(jìn)模式,土倉壓力,線路數(shù)據(jù),注漿壓力等。

3.2 掘進(jìn)時(shí)的注意事項(xiàng)

1)根據(jù)測量系統(tǒng)面版上顯示的盾構(gòu)目前自轉(zhuǎn)狀態(tài)選擇盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)向,刀盤啟動(dòng)時(shí),要緩慢的增大刀盤轉(zhuǎn)速,嚴(yán)禁旋轉(zhuǎn)旋鈕過快,以免造成過大沖擊,損傷設(shè)備。2)緩慢開啟螺旋輸送機(jī)后門,防止開門的速度過快,發(fā)生噴涌。3)注意泡沫的注入量,尤其在剛開始掘進(jìn)時(shí),注意泡沫注入量和土倉內(nèi)土壓的平衡。4)即使不需要發(fā)泡劑,都要間隙性地輪流使用發(fā)泡系統(tǒng),防止泡沫管道堵塞。5)為了保證盾構(gòu)的鉸接密封、盾尾密封工作良好,同時(shí)也為了保證隧道管片不受破壞,盾構(gòu)在調(diào)向的過程中不能有太大的趨勢。6)根據(jù)地層的不同保持不同的土倉壓力,具體壓力值由掘進(jìn)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(tǒng)。對于地面沉降要求比較嚴(yán)格的區(qū)域,要參照推進(jìn)量雙重控制。7)當(dāng)盾構(gòu)處于水平線路掘進(jìn)時(shí),應(yīng)使盾構(gòu)保持稍向上的掘進(jìn)姿態(tài)(趨勢值為1 mm/m～2 mm/m),當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在軟弱地層推進(jìn)時(shí)應(yīng)盡可能使盾構(gòu)機(jī)保持在軸線上方20 mm～30 mm推進(jìn),以糾正盾構(gòu)因自重而產(chǎn)生的低頭、下沉現(xiàn)象。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在富水硬巖地層推進(jìn)時(shí)應(yīng)盡可能使盾構(gòu)機(jī)保持在軸線上方20 mm～30 mm推進(jìn),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(gòu)機(jī)姿態(tài)并保證良好的盾尾間隙,推進(jìn)油缸行程差應(yīng)控制在50 mm以內(nèi)。9)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)為被動(dòng)鉸接時(shí),掘進(jìn)過程中盡量保證各鉸接油缸的行程在適中的狀態(tài),行程差盡量的小,一般應(yīng)控制在30 mm以內(nèi)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)為主動(dòng)鉸接時(shí)應(yīng)盡量使上下行程和與左右行程和相等。10)當(dāng)盾尾密封在某一位置有滲漏時(shí),可以在對應(yīng)的方位進(jìn)行手動(dòng)注脂。11)堅(jiān)持長期統(tǒng)計(jì)出土量、發(fā)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(gòu)機(jī)停機(jī)的注意事項(xiàng)

1)根據(jù)刀盤扭矩、土壓力決定停止推進(jìn)、停止發(fā)泡系統(tǒng)、停止螺旋輸送機(jī)的順序。2)確認(rèn)發(fā)泡系統(tǒng)完全關(guān)閉,逐步降低螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速至零。3)關(guān)閉螺旋輸送機(jī)后門、停止皮帶機(jī)。4)若刀盤扭矩較大,則應(yīng)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,適當(dāng)?shù)臄嚢柰羵}內(nèi)渣土,當(dāng)扭矩降低至一定程度時(shí)緩慢減小刀盤轉(zhuǎn)速至零,并停止刀盤轉(zhuǎn)動(dòng),這樣利于下次刀盤啟動(dòng)時(shí)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(hù)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(dá)到均衡,使盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)下一環(huán)后盾尾間隙仍然在合理范圍內(nèi)。

2)推進(jìn)油缸伸縮均衡原則:管片選型時(shí)在考慮盾尾間隙均衡的同時(shí),還應(yīng)考慮掘進(jìn)千斤伸縮差值,并明確當(dāng)前行程差和推進(jìn)結(jié)束后行程差變化,根據(jù)推進(jìn)油缸伸縮差值對后安裝管片的影響,應(yīng)盡量減小推進(jìn)油缸伸縮差值。

3)管片轉(zhuǎn)向與盾構(gòu)機(jī)趨勢一致原則:管片選型時(shí)應(yīng)注意考慮盾構(gòu)機(jī)的趨勢,管片選型應(yīng)與盾構(gòu)機(jī)趨向一致,才能減少推進(jìn)時(shí)引起管片錯(cuò)臺(tái)。

4)根據(jù)線路轉(zhuǎn)彎半徑確定直線環(huán)、轉(zhuǎn)彎環(huán)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(jù)線路情況通過擬合線路計(jì)算,確定直線環(huán)、轉(zhuǎn)彎環(huán)大致比例,在此區(qū)間選擇管片時(shí)應(yīng)盡量維持此比例。

4.2 管片選型的影響因素

1)轉(zhuǎn)彎管片的設(shè)計(jì)構(gòu)造。為滿足曲線模擬和施工糾偏的需要,專門設(shè)計(jì)了左、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán),通過與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的各種組合來擬合不同的曲線。管片選型時(shí)首先要明確轉(zhuǎn)彎環(huán)的構(gòu)造及最大楔形量。

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

3)線路轉(zhuǎn)彎對推進(jìn)油缸行程的影響。在選擇管片時(shí)不但首先要保證拼裝后推進(jìn)油缸的行程差,也要預(yù)見掘進(jìn)完下一環(huán)的推進(jìn)油缸的行程差。施工前可以根據(jù)不同線路轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算出推進(jìn)一環(huán)管片長度,上、下、左、右側(cè)推進(jìn)油缸的行程差。

4)線路轉(zhuǎn)彎對盾尾間隙的影響。管片選型前不但要仔細(xì)測量當(dāng)前環(huán)盾尾間隙量,還要預(yù)測下一環(huán)推完后盾尾間隙變化量,以便合理選擇管片。施工前亦應(yīng)根據(jù)不同線路轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算出推進(jìn)一環(huán)管片長度,上、下、左、右側(cè)盾尾間隙的變化量。

5 結(jié)語

盾構(gòu)隧道的順利施工不僅僅依賴先進(jìn)機(jī)器,也要通過合理的操作、選擇合適的管片來實(shí)現(xiàn)。在盾構(gòu)法施工中“地質(zhì)是基礎(chǔ),盾構(gòu)機(jī)是關(guān)鍵,人(管理)是根本”。“提高盾構(gòu)操作者的水平及能力是減少施工管理過失最直接的方法”。希望通過此文能對盾構(gòu)施工單位及盾構(gòu)操作者有所幫助。

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

[2] 董建剛.土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)中施工管理過失的研究[D].廣州:中山大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[3] 材料設(shè)備部.盾構(gòu)機(jī)操作規(guī)程[J].廣州市盾建地下工程有限公司,2005(8):96-97.