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钻地如神龙,挖洞小盾构(三)——记城市管网小直径盾构施工进展

已有 153 次阅读 2018-4-16 23:46 |系统分类:科研笔记

 

 城市地下管网小直径盾构法施工进展与实例

图/文   陈仁全

0  引言

随着我国城市轨道交通事业的高速发展,地铁隧道盾构机市场保有量近年来呈爆发式增长,已达到了高峰期。与此相比,市政管线施工的盾构机市场应用仍处在起步阶段,截至2016年,国内专用于城市地下管网施工的3~5m直径盾构机保有数量仅20台左右。根据国家大力推进城市市政管线改造、综合管廊及海绵城市建设等相关产业政策导向[1],未来中小直径盾构机在各类市政管线及综合管廊工程施工中的推广应用前景将十分广阔。

1806年,法国工程师Marc Isambrd Brunel首次提出盾构掘进隧道设想,并主持建造了泰晤士河隧道。1866年,莫尔顿第一次使用了“盾构” (Shield)这一专业术语[2]1865年,英国人JanesHeary Geathead首次采用圆形盾构和铸铁管片,1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.18m隧道。1917年,日本开始引进盾构法施工技术,是欧美国家以外第一个引进盾构法的国家。1963年,土压平衡盾构机首先由日本SatoKogyo公司制造成功,1974年日本IHI(石川岛)公司制造了直径3.72m的土压平衡盾构。我国盾构开发与应用始于1953年的辽宁阜新煤矿。1987年,上海市隧道公司承建过江电缆隧道工程,采用了我国制造的第一台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机。1990年,上海市隧道公司采用自行制造的直径5.17m土压平衡式盾构施工上海合流污水治理工程过江隧道。2003年后,随着国内大型城市如上海、北京和广州等地的地铁建设,盾构法施工进入了技术创新和快速发展阶段。

目前,对盾构机尺寸(直径)分类尚无统一标准,一般说来直径0.2~2.0m为微型盾构机;直径2.0~4.2m为小型盾构;直径4.2~7.0m为中型盾构,直径7.0~12.0m为大型盾构,大于直径12.0m为超大型盾构[3]

目前,在日本、欧美等发达国家使用盾构机进行施工的城市隧道已占90%以上。而在我国,由于投资成本过高和安全环保重视程度等原因,仍未实现广泛应用,局限在地铁、水利等重大投资基础建设领域。城市地下管网建造施工多采用明挖法、顶管法为主,所带来的安全与环境影响也非常大。而采用中小直径盾构工法并不常见,只在广州、南京、上海、武汉等少数几座城市有应用,但由于其能应对复杂施工条件,又具更高的安全、环保和工效优势取得了良好的实践效果。

1  城市地下管网小直径隧道建设优势

以电力隧道为例,其主要功能是用来敷设电缆线,并确保检修和运行维护要求,具有必要的安全防护措施。与轨道交通隧道、公路隧道等相比,具有明显的用途和功能区别,首先在于隧道断面直径上相对小一些,通常为3~6m的隧道直径,其次隧道内侧壁上要固定电缆支架,中间留出适当空间便于人员检修通行。在防水、通风、消防方面也有单独的行业规范要求[4]

隧道内敷设电缆主要是采用空气中敷设方式。具体为在隧道侧壁上固定电缆支架,在托架上放置电缆的方式。此种敷设方式相比于电缆埋管、槽盒的好处在于可利用隧道内流动空气帮助电缆散热,以提高电缆输送容量。隧道内电缆敷设的原则是隧道由下自上,电压等级由高到底。此外,根据电缆截面尺寸的不同,电缆支架层间距应不同设计,支架层间净距对220kV电缆一般取400mm110kV电缆一般取300mm

地下管网与架空线路相比,运行更安全、辐射小、环保性好,也能极大利用城市紧张的土地资源,避免影响地面空间规划与使用,腾出更多的建设空间。集中敷设在隧道里,也便于电力部门统一管理和抢修。特别作为城市几百万千万人口的生命线,埋设地下在战时也具有一定抵抗力,有一定国防优势。

早在2014年之前,上海就已完成20多条电力隧道建设。截至2016年,北京已完成上千公里的电力隧道建设(截面有2.4m×2.6m多种)。另外,广州规划电缆地下廊道总长也达到了266.38km。内地省会城市如南京、长沙、重庆也都开始了城市电力隧道建设,加快城市既有管网和高架线改造工作,保障城市经济发展和国防安全。

2  小直径盾构机分类与适用范围

2.1 盾构法与顶管法的区别

盾构法基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前,主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用,这个钢质组件被简称为盾构。盾构另一个作用是能够承受来自地层的压力,防治地下水或流沙的入侵。盾构机掘进是依靠设在盾尾的一组千斤顶克服盾构机重和周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力,千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上,每拼装一环管片,千斤顶向前推进一个衬砌环间宽度。

顶管法,如果单纯从掘进开挖和排土装置讲定义,可能现在与盾构机发展的已比较接近。但从从整体机械装置组成的上讲,至少前进动力的推进装置还是有明显差别(图6和图7。盾构和顶管在管片和管道顶进施工环节有很大差别,但其掘进机的工作原理和施工技术基本相同[5]

这两类工法共同特点:①除竖井外,地面作业很少,对环境影响小;②隧道及管道施工费用和技术难度基本上不受覆土深浅的影响,适合建造覆土深的隧道;③穿越河底或湖底时,隧道施工不影响航道,也完全不受气候的影响;④穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时,不影响周围环境;⑤自动化程度高,劳动强度低,施工速度快、安全。

这两类工法主要区别:①盾构施工的首节管(片)位于工作坑的洞口,而顶管施工的首节管是随着顶管机向前移动(顶进),管道完成后,位于接收坑的洞口处[5];②顶管机的主顶油缸不是位于顶管机内,而是在顶进工作坑的主顶工作站。进一步解释就是:顶管的油缸产生向前的主动推力顶着前面管环前进,盾构机是通过油缸挤压后面已安装的管片所产生向前的反力推动盾构机向前行进施工;③对于小曲线转弯施工顶管法不如盾构法灵活,常因这点极大限制了顶管法的应用;④再就是管片(节)区别明显,顶管法常用管节相接,而盾构法用数个管片拼装。

当然,也有公司如江苏锐成机械公司引进日本技术对传统盾构机进行创新改进,使其同时具备顶管机和盾构机的功能,将两者优点“合二为一”,称其为“推盾机”[6],可以在始发直线段实施顶管作业,而在后续曲线段或其他条件下实施盾构作业,极大拓展了两种工法的应用范围。


2.2 盾构机分类与适用范围

市场上有很多不同种类的盾构机,划分类型的依据也有多种。按掘削地层分类:硬岩盾构(又叫TBM)、软岩盾构、软土盾构和硬岩软土盾构。按掘土出土器械机械化程度分类:人工挖掘式、半机械掘削式和机械掘削式等。按开挖面与作业室之间隔板构造的不同,又分为:全敞开式、部分敞开式和闭胸式3种。但不论怎么划分,盾构机都必须具备两大主要功能:①与围岩的主动土压和水压的平衡方式;②出土方式。盾构机的选型就是对盾构机平衡方式和出土方式的选择。

闭胸式盾构机是当前最主要盾构机类型,工作面与盾尾之间设有一道压力墙,根据所使用的平衡介质不同又将其分为:①气压平衡盾构机、②泥水平衡式盾构机和③土压平衡式盾构机等。

TBMTunnel Boring Machine)是指“隧道掘进机”,包括全断面岩石掘进机与盾构机(软土掘进机),在我国习惯性将TBM专指“全断面硬岩掘进机”,分为敞开式、护盾式(单护盾、双护盾和三护盾式)和复合式3[9]。通过盘形滚刀,将刀圈的刀刃挤压楔入岩体进行破岩,楔入式碾压破碎。与盾构的主要区别是不具备泥水压、土压等压力维护掌子面稳定的功能(复合式TBM也有土压平衡模式)。TBM进行隧道施工几乎是一个完全工业化的过程,适用于稳定性良好、中~厚埋深、中~高强度的岩层中掘进。使用滚刀进行破岩,采用皮带或者轻轨出渣,不产生其他弃土、泥水污染。早期在我国水利引水隧洞施工中引进使用,但因遇到复杂地质条件(如断层破碎带、地下水丰富等)出现过卡机等事故 [10]。中小直径TBM在重庆地区有过应用,面对较软~较硬砂岩地层,取得过较好的实践效果。

3  小直径盾构法施工关键技术

3.1 小转弯半径隧道盾构法施工

在急曲线段(≤50倍隧道直径D),由于盾构机本身为直线形刚体,不能与曲线完全拟合。曲线半径越小、盾构机身越长,则拟合难度越大。在急曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线,为了使得折线与急曲线接近吻合,掘进施工时需连续纠偏。曲线半径越小,纠偏量越大,纠偏灵敏度越低,轴线就比较难于控制。施工参数需要经过计算并结合地质条件等因素综合考虑,施工过程中可能管片受力集中,会对管片产生破坏。

盾构机最小转弯半径的大小取决于盾构机的长度、是否启用铰接、铰接的开启量、刀盘刀具的超挖量等因素,盾构机选取尺寸尽量短[9]。在小曲率半径盾构施工过程中盾构机姿态控制的原则是:调整铰接为主,千斤顶的选用为辅,尽可能全选盾构千斤顶来进行盾构推进[11~13]

一般地铁盾构法极限转弯半径在250~300m之间,最大施工极限200m左右。对于泥水平衡式顶管工艺,小于300m(或10D)转弯半径施工难度也相当大。而江苏锐成机械有限公司通过对常规小直径盾构机进行改进,采用双主动铰实现盾构机身的大幅度扭动(图14,在广州永福路220kV电力隧道项目和南京洪武路污水主干管项目均做到了80m转弯半径施工。同时在急转弯时,推进油缸对尾盾后方已施工的管片会有相当大的应力集中,所以特急弯采用采用复合钢管片,在广州环西路电力隧道实现了转弯半径30m(≤10D)急转弯,在南京科技变220kV电力隧道施工实现了转弯半径50m的急转弯。

3.2 地面沉降控制技术

盾构施工过程中出现问题最明显的环境影响便是地面沉降(塌陷),所带来的社会公共危害也最大。受盾构施工扰动引起周围地层移动和地表沉降/隆起对周围建(构)筑物和地下管线设施的损伤,出现问题的环节包括盾构进、出洞时,掘进工作面失稳坍塌(如掘进推力不够、盾构长时间停机等)、辅助施工方法(如注浆)不到位等。施工引起的地表沉降和隆起均应控制在环境条件允许的范围内,一般隆沉量宜控制在+10mm-30mm;管线等特殊构筑物的沉降控制要求应根据相关部门要求或相关专题会议确定。

减少地面沉降和地层损失的有效措施有:1、加强掘进参数管理,确保土仓压力合理,与工作面土压力保持平衡,通过优化盾构掘进参数保持开挖面的稳定,从而有效控制地层和地表变形;2、注浆措施要合理,在掘进始发和接收端头,地层条件差,往往要预先注浆防止进洞和出洞时地层损失;掘进过程中要尽快在脱出盾尾后的衬砌背面环形空隙中充填足量的浆液材料,根据地质条件和空隙大小,确定浆液配比、注浆压力、注浆量和注浆岂止时间;3、盾构在曲线上推进时,往往需要一定超挖量,土体对盾构和隧道管片的约束力差,盾构轴线难以控制,因此要减缓推进速度,纠偏幅度不要一次性过大,并及时跟进注浆,加强纠偏量工作等,以减少地层损失;4、防止从管片接头、壁后注浆孔等漏水漏砂,所引起的地层下沉,要严格按施工要求进行管片安装和防水堵漏,确保施工质量和密封条件,若出现漏水则要及时采取二次注浆,达到防水效果;

除去以上主动防控措施外,还需要结合地质与地面条件,进行被动提前防御,对容易受损的地表建筑物、构筑物和地下管线进行地基基础加固或隔离保护,并加强监测措施。

3.3 推盾工法

推盾工法是从出发井到一特定的位置采用顶管工法进行施工,而后再采用盾构法继续完成剩下掘进段到达接收井(图16。中途不需要工作井,可直接切换成盾构法继续施工,完成后续部分顶管法难以完成的施工段。这样就减少工作井数量,提高设备的使用效率和掘进速度,降低了施工成本[14]

推盾法的工艺特点是:①前盾和后盾可分体始发;②始发井小,设备占地面积小。另外,推进和盾构工法并用的优点:采用管节连接,连接强度大大增加,抗震性、耐久性更好;管节制作成本低,且基本不会出现缺口、裂缝和碎片等;管节从始发井处推进,无需拼接管片,掘进速度显著加快。

3.4 泥浓工法

泥浓工法的原理是通过往刀盘和土体间压入高比重、高粘性泥浆,与切削渣土混合,充满土仓后可以防止切削面土体松动,即使遇到切削面压力难保持的土质也能很好的保证切削面稳定,隆起等事故,提高施工精度,减少成本[14]。所排出含泥渣土形状如塌落度20mm混凝土,不需另行处理。

泥浓工法的工艺特点:①小的砂砾随泥浆通过真空管排至地面,经二次分离后,小的砂砾外运,余下的优质泥浆再循环利用;②大的砾石、块石存储于存储槽中,经台车运至工作井内,再由门架吊至地表后外运;③真空排土效率高,隧道环境整洁,气流通畅,无需通风设备。

4  小直径盾构机选型工作要点

4.1 施工风险分析

对工程地质、水文地质条件、周边环境条件、工期要求、项目经济性等充分研究的基础上,选定盾构的类型,先对敞开式、闭胸式盾构机进行必选(我国绝大部分盾构是采用闭胸式盾构机);确定选定的闭胸式盾构机后,根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保要求、辅助工法、施工安全等因素,对土压平衡盾构机和泥水平衡盾构进行比选;根据详细地勘资料,对盾构各主要功能部件进行选择和设计(如刀盘驱动形式、刀盘结构、开口率、刀具种类和搭配、螺旋输送机尺寸、沉浸墙结构设计与泥浆门形式、破碎机布置与形式、送泥管的直径等),并根据地质条件等,估算和确定盾构机掘进动力等主要技术参数。

盾构施工面对的地质风险主要存在于地层条件是否均一,地下水压力是否小,有无地下不良地质作用。当遇到软硬相间地层,透水卵石地层,灰岩地区的溶洞等,都有非常大的施工风险,极大影响施工成本、工期和安全;设备风险主要受控于外部的施工作业条件和内部的设备操作管理,日前贯通的著名美国西雅图SR99隧道(盾构直径17.48m,世界第二大直径)就因为设备问题耽误1年工期,造成过亿美元费用损失。国内的武汉、广州、上海也都有过因施工条件恶劣,造成设备停机、卡机等事故;另外,还有资金风险,盾构施工所需费用巨大,若施工单位和投资单位的资金出现问题,设备就难以正常持续性工作。

4.2 施工成本分析

根据广州市电力隧道规划投资分析(表1,分摊一切费用,直径3.5m隧道每延米综合单价为5万元/m。湖南长沙市万家丽路220kV电力隧道项目全长6.8km,隧道内径3.6m,外径4.1m,管片厚度0.25m,单块管片宽度1.00.8m0.8m管片适用于转弯半径为150m段),分块数6块,拟采用盾构法施工。设计概算中盾构掘进费用与管片安装总费用达2.7亿元,每延米综合单价4.4万元/m

一般管道施工成本比例分别是:施工费用39%,工作井施工成本35%,管材成本17%,顶进结束后收尾费用9%[5]。其中盾构掘进施工(不含工作井和地面设施)所产生的费用组成是:材料费54%,设备费33%,人工费13%。目前2m直径盾构机新机制造成本大约2000多万元,3m直径盾构机造价约3000万元,直径每增加1m制造费用增加1000万元。实际施工时,可采用租赁或者闲置既有设备进行改造利用,从而节约设备定制费用和缩减工期。同等施工条件下,盾构工法施工要是常规顶管工法施工费用约2倍以上,但是盾构工法往往能应对特殊施工条件的项目。

4.3 施工工效分析

2003年湖北宜昌市红花套镇忠武天然气穿长江中小直径盾构隧道,地下掘进施工周期为2003年6月5日~2004322,掘进1300 m,每天近5m左右。当时是在复杂地质条件下(卵石、砂岩地层),且没有施工经验下的中小直径盾构机第一次穿越长江。

如果项目管道需求特殊,市场或者企业也没有闲置的对应尺寸的盾构机,需要单独制作和生产盾构机,一般机型的制作生产周期为3~6个月。盾构工法施工包含诸多方面的时间消耗,如场地平整、工作井开挖与支护、设备吊装与试运行、地下盾构掘进等。其中工作井看地质条件下的具体施工工艺,沉井法、钢板桩支护这种可能快,具体工作时间看工作井深度和工法,可参考其他行业的类似开挖工程。除去地面临时设施和工作井的建设之外,设备进场、安装和试运行需要30天左右。盾构正常掘进工效差不多是8m~10m/天,即差不多每天掘进10环的管节(一般中小直径盾构法隧道管片1环宽度为0.8m或1m)。

小直径盾构法施工实践案例

城市市政管网建设中,目前采用盾构工法不多,普遍以明开挖法和矿山法,顶管法也有诸多应用,但限于其转弯和抗地面变形能力均较弱,常因超挖造成地面塌陷,影响城市环境、地面交通和群众生活。而对于中小直径的隧道在上海、广州、长沙、深圳、重庆等地电力(电网)公司、水务局、市政、城投等建设单位已有多个实践案例(表2

2004年,重庆市忠县至武汉的天然气输送管道(忠武线)长江盾构穿越工程位于宜昌市红花套镇至云池江段内,首次运用盾构法穿越长江,被誉为为“中国石油第一盾”。隧道直径2.4m,穿越长度1400m,埋深40m左右。穿越地段地质条件复杂,包括粘土质粉砂岩、沙砾石、卵石层、粘土层等,攻克了盾构技术工艺复杂、吊装难度大、带压更换刀盘等技术难题。

20139月,北京市首条500kV电缆线路海淀500kV输变电工程电缆隧道是继上海之后我国第2500kV电缆线路隧道,隧道全长6.41km,分4个标段。施工路段地形复杂,多次上穿地铁段、下穿多条市政管线和高压架空线走廊。采用广泛运用在地铁施工的直径6m盾构机施工,管片外径6m、厚度300mm

2014年,广州220kV航云输变电电缆隧道工程建设采用了泥浓式推进盾构机(图20,进行“小半径三维转弯”、可长距离推进施工等优势。并成功实施了220kV永福输变电工程,采用推盾机,进行多处小转弯半径(R=80m)施工。在广州环西路电力隧道施工中最小转弯半径达到了30m

2015年,上海市潘广路—逸仙路电力隧道全长约14.36km,其中顶管隧道9.27km,盾构隧道5.09km,沿线共设15座工作井。3号至4号工井之间全长788m的隧体顶管作业,隧道管材采用外径4140mm、内径3500mm的钢筋混凝土管,单管长度2.5m,平均每日推进约15m

2016年,南京市洪武路污水主干管工程盾构段位于秦淮区外秦淮河河道内,全长约700m,盾构机内径2.1m,外径2.6m 管道线路有S型连续转弯,最小转弯半径R=80m两处,最小覆土厚2.4米,隧洞穿越上软下硬的复合地层;始发井内径8m,接收井内径6m,尺寸相对小,盾构设备需分体始发,穿越地铁桥墩和和防洪桩,施工难度极大。

20174月,武汉市江夏区清水入江二期工程之八分山排水改造工程采用了两台直径4250mm盾构机(图21R=80米小半径曲线施工铰接动作。分体始发,进行下井始发推进,分体部件及后配套系统逐步进场。

2018年3月,中部地区地级市中,率先引进小直径盾构施工的十堰综合管廊项目,新造的“武当一号”盾构机已进入十堰进场施工。

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【原文写于2017年9月,有较大删节,主要因为网站编辑繁琐,图片和表格后续再补充】



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