城市电缆隧道盾构长距离掘进施工工艺

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　　摘要：对长距离隧道，在掘进前对地质情况的分析、盾构的选型将是决定工程成功与否的关键，对运输系统的设置、通风和水电等配套设施的选用，将决定工程的经济和进度指标。因此，只有选用合适的设备、合理的施工方案，才能获取技术和经济上的双丰收
　　关键词：长距离 盾构施工 运输系统 盾构选型
　　
　　前言
　　随着现代化的不断推进，城内林立的高压架空线越来越影响城市的规划和发展，为此广州、深圳等重要城市已经迈开了高压电缆下地工程的步伐。盾构工艺在我国地铁的高速发展和骄人成绩，使得盾构隧道成为打造电缆地下走廊的首选，在2010年进行的广州亚运会中，盾构电缆隧道已做出了杰出的贡献。
　　1 主要内容
　　本文主要从盾构选型、隧道运输、管片设计、长距离掘进风险分析四个方面来阐述浅覆土、长距离、小半径的电缆隧道施工中的普遍特性，具体施工工艺还需根据各工程特点进行调整。
　　2 电缆隧道特点
　　 由于使用功能区别于地铁隧道，电缆隧道的服务客体为电缆线，电缆的转弯能力大大强于地铁列车，因此电缆隧道对盾构的转弯提出新的考验和挑战，对施工的线路控制要求更加苛刻；同时作为电缆隧道，其人行要求低，因此它还具有始发及接收竖井小、施工场地小、隧道埋深浅、线路长等特点。
　　3 长距离掘进盾构选型
　　3.1 地质条件的分析
　　 电缆隧道具有埋深浅的特点，这决定了其位于人工堆积层、冲击（洪积、残积）层、强风化层等地层中，根据各地层特点，盾构掘进技术重难点分析如下：
　　(1)粘性土及粉土层。
　　盾构机在此地层中施工时，较容易控制，但有发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞的可能，因此选择盾构机时应注重选用合适的刀盘形式、开口率、刀具及加泥位置。
　　(2)砂性土层
　　砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好。（土压平衡）掘进中若水分挤压流失，砂土强度提高，则会有盾构机刀盘扭矩和推力不足的情况发生；地下水丰富时，容易发生喷涌；另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至不能保证土压平衡而引起隧道上方局部坍塌。例如，北京地区砂性土中石英含量较大，刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。该类地层中盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。
　　(3)砂卵石地层。
　　砂卵石地层一般级配良好，含砂率在25％ ～40％之间．盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难：首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；再次是刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。因此盾构机选型时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘支撑方式、刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等方面认真研究，保证所选机型适应砂卵石地层的施工。
　　(4)粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层。
　　对于此类地层，盾构机施工比较容易，有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。
　　(5)中砂、粉质粘土、砂卵石互层。
　　对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。
　　3．2 工程水文条件分析
　　对于采用密闭式盾构机技术施工，除工作井施工需要考虑降水外，区间隧道盾构机施工时对地下水只需稍加注意即可(对于密封0．6MPa以下的水压力，就目前盾构机技术水平已很容易)。对于城市特殊水，因其产生原因和作用于土体的状况复杂多变，不易一概而论。有些情况其对地层土体物理力学性能的影响较大，如土体被特殊水长期浸泡变软或由于管道渗漏其周围土体不断被水带走后形成不规则空穴等等，给盾构施工沉降控制造成很大困难。因此盾构机选型肘对城市特殊水的影响需特别加以考虑。
　　3.3 盾构机机型选择
　　盾构机型有土压平衡式、泥水平衡式、复合式等几种形式，盾构机的选型应根据工程水文地质、施工范围内地上地下构筑物、管线埋深等要求，经技术经济比较后确定，盾构机的选型应满足以下要求。
　　（1） 盾构机必须满足施工范围内各种土层的掘进
　　设计的刀盘应能适应复杂土层，包括漂砾及岩石；掘进中刀盘上的各种刀具均可从刀盘内部进行拆卸及更换；具备软弱地层可能需要的气压设备。
　　（2） 盾构机必须满足施工过程需要的安全保障要求
　　长距离隧道施工工期紧、运输时间长，盾构必须具备快速掘进、快速拼装的能力； 为适应300mm的最小转弯半径，盾构需要有铰接装置。
　　（3）盾构机强度与刚度应符合设计要求
　　（4） 盾构机的推进力，液压油缸推进速度输土能力、刀盘切削的切削扭矩等应匹配，密封系统应严密符合设计要求刀盘驱动轴承直径尽可能大，以保证有足够的扭矩；大轴承使用寿命不小于正常掘进时间的2倍；盾构掘进机所有设备的使用寿命必须能够保证施工要求；由于土层磨损性很强，刀盘、刀具和螺旋机都必须有特殊钢材耐磨层；盾尾密封必须满足最深覆土1.5倍系数的水头压力，并能在施工过程中更换。
　　（5） 盾构机的转弯能力要求大于地铁盾构，在较小直径，机体长的盾构机生产中，应考虑设置多道铰接来实现小半径的转弯。
　　4 水平运输系统配置
　　电力隧道具有单次掘进洞内运输线路长、转弯半径小、吊出井长度短等运输环境特点，快速的运输通道是隧道按期完工，减少运输停机间隙掌子面失稳风险的重要保障之一。
　　4.1车辆转弯能力调整
　　传统设备（以地铁为例）转弯能力只须要达到200米转弯半径即可，而在某在建4.1米直径电力隧道中其最小转弯半径小至120米，最大转弯半径也不过200米，隧道单次掘进长度长达4 000米，隧道运输形式相当严峻。工程应当考虑减小运输车辆轮距，减小土车单节长度，将土斗与土车合为一体（适应竖井小的特点，可拆除列车，以使隧道内列车可以吊出，与之配合的是在洞门以内设置道岔来满足列车的停车会车要求）等措施来定购列车，以适应电力隧道的特殊运输环境。
　　4．2 轨道的优化设置
　　 根据全国范围盾构施工的情况来看，隧道内电瓶车运输平均速度为6KM/h,管片拼装速度为30min/环，如此，在线路长度超过1.5km时，单线运输的情况将导致盾构停机等待土车和浆车到达。一般情况下当线路长度超过2.0km时，需要在里程每千米处设置两个道岔（具体设置数量和位置根据工程列车的运输速度，和实际里程情况进行确定），变单线轨道为双线轨道，使运输管片和浆液的车辆能在隧道内候车，用以减少盾构机等待时间。
　　 为了适应隧道小转弯半径的要求，当转弯半径小于250米时，设置8~15mm外轨超高（《铁路轨道设计规范》TB10082-2005），如此可减少电瓶车脱轨频率，提高弯道行驶速度，减少运输时间。
　　4.3 现场操作及养护维修。长距离盾构正常掘进中，运输速度成为控制工期的关键点之一，因此，应当选择稳定性好，安全性高的轨枕形式，同时保证轨道与轨枕、轨枕与管片间的连接稳定性，使得列车运行重心最大限度的与轨道重心重合，减少列车磨耗，减少脱轨事故的发生；同时道岔和急转弯位置出轨概率较大，电机车在这些地方运行时一定要减缓速度。
　　施工中，需要每天对轨道和道岔进行例行检查和维修，对于列车运行异响大，震动或不稳定的路段，需要严格检查，通过测量手段，确定规矩、轨高和平顺性。道岔和弯道是特别检查部位，其螺栓紧固等例行检查频率应当高于直线段。

　　5管片设计
　　 管片是隧道衬砌的主体，对结构强度和防水性均有很高的要求，管片如何保证在满足二者的前提下，同时满足在小转弯半径隧道管片安装过程和掘进中不破损、不错台来保证隧道的防水功能是小转弯半径盾构隧道的一个重要课题，目前，台湾等地已经完成了转弯半径小至80米的4米盾构施工，并已投入使用。
　　根据盾构管片转弯的原理和特点，小转弯管片需要缩短其幅宽，增大楔形量来满足其转弯要求，在地质要求盾构推力较大的地段，还需要加强结构配筋，增加管片强度，甚至配备钢管片。特殊设计的管片，配合多道铰接的盾构机，减小油缸行程差，足以实现超小转弯半径隧道的盾构掘进。
　　6 长距离盾构施工风险的控制
　　长距离盾构施工除具有一般盾构施工的风险外，还有其特有的施工风险，主要有如下几种：
　　6.1 刀具更换
　　在长距离掘进过程中，刀具正常磨损和非正常磨损必不可少的将会增加刀具更换频率，并且往往不在预先设计好的刀具更换位置进行换刀，必然将会发生多次的常压或带压换刀现象。而城市电缆隧道往往多处于砂层或软土层中，密封舱内换刀作业是电力隧道作业中风险较大的一项工作，因此制定合理掘进方案选择合适的换刀地点，勤检查、勤更换，是长距离盾构施工的重点。
　　
　　中心滚刀偏磨
　　6.2 刀盘变形
　　刀盘是与开挖面地层直接接触的结构件，刀盘在推进过程中承受着巨大的抗力，刀盘的结构除满足强度条件外，还必须具有足够的刚度，以免在施工过程中变形而影响掘进。但在设计时，设计人员往往能依据地质资料和以往经验进行设计，强度与刚度虽然有一定的储备，但是欠缺考虑出现不明地质或是困难地层变长时的安全系数，同时施工单位的技术水平和自身管理水平也将导致长距离掘进中刀盘变形几率加大。因此刀盘设计时应考虑到各种突发情况，做好设计阶段的风险评估，根据风险发生的概率，加大刀盘的设计安全系数
　　6.3 密封性能考验
　　设备是盾构的关键，在临近竣工后期，配套设备的各项功能将会下降，尤其是涉及密封类的部位，是控制长距离施工风险的关键点和风险点。
　　6.4 出现不明地质
　　长距离盾构掘进施工中，不可能将所有的地层揭示，地勘报告中的各项数据也是实验和经验的结合，盾构区间的最难问题往往是地质的不确定性，因此在长距离盾构施工中，出现不明气体及未探测地质的概率将会加大，例如出现溶洞，高强度岩石及复合地层等等。因此在施工前做好补勘工作，隧道内增设气体检测装备，有预兆性的和详勘地质进行对比，将是控制风险的有效手段。
　　
　　7 结语
　　通过长距离盾构选型分析及优化各种配置，对运输系统的合理调配完善地上运输和地下运输系统。分析长距离掘进中碰到的各种风险，可以较好的控制施工类发生的各种可预见风险。因此只有选用合适的设备、合理的施工方案，才能获取技术和经济上的双丰收。
　　
　　参考文献：
　　[1] 白中仁．广州地铁修建中的盾构选型[J]．现代隧道技术，2004，41(1)：10―13．
　　[2] 竺维彬，鞠世健．复合地层中的盾构施工技术[M]．北京，中国科学技术出版社，2006：46―48．
　　[3] 赵全民．软、硬岩条件下土压平衡盾构施工控制要点及对策[J]．隧道建设，2005，25(S)：47―48，65．
　　[4] 易萍丽．现代隧道设计与施工[M] ．北京：中国铁道出版社，1997．
　　[5] 陈馈．重庆过江隧道盾构刀具磨损与更换叨．建筑机械化，2006(1)：56―58．
　　
　　

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