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南宁地铁盾构施工风险管理研究

发布时间:2018-08-10 19:05:26 文章来源:未来智库    

魏燃

[摘 要]针对南宁特殊工程和水文地质特点,从机械、施工操作及对周边环境影响三方面分析了地铁盾构施工存在的风险,有针对性地提出盾构施工风险防范的具体措施。

[关键词]南宁地铁 盾构施工 风险管理

中图分类号:U231.3 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)13-0350-02

1 引言

2011年12月29号,随着南宁地铁1号线的全线开工建设,南宁地铁开工建设的序幕正式拉开,此后2号线、3号线陆续开工,南宁市轨道交通快速发展。南宁地铁穿越位置主要为富水的砂卵石地层,工程和水文地质条件呈现“三高”特点:地下水位高、卵石含量高、地层强度高。由于特殊的地质条件和周边环境,南宁地铁采用盾构法施工的区间隧道面临众多技术难题,盾构掘进过程中会遇到刀盘刀具磨耗严重、地面沉陷、盾构涌泥涌沙、地下管线破坏、地面建筑物破坏等诸多风险。本文根据南宁地铁盾构隧道施工的实践经验,从机械、施工操作及对周边环境影响三方面分析盾构施工风险,并提出相应对策,为今后地铁盾构隧道施工的安全进行提供参考。

2 南宁地铁工程和水文地质条件

南宁地铁盾构区间隧道通过的地层主要为卵石土,局部位置穿越细砂层和泥岩层,该地层主要有以下特点:

(1)卵石含量高:卵石土地层中卵石含量40%以上,为该地层的骨架成分;

(2)砂含量高:砂卵石中砂含量高,含量约12%-33%,呈透镜体分布;

(3)颗粒间胶结物:胶结物广泛分布于砂卵石中;

(4)地下水位高:枯水期水位埋深3m-5m,丰水期水位埋深2m-4m。但由于沿线车站等基坑降水作用,区内地下水位埋深约6m-12m。地下水位年变幅约为1m -2m。

(5)地层透水性:卵石土地层渗透系数高达12.5m/d-48.5m/d,透水性强。

3 南宁地铁盾构施工的风险分类

3.1 盾构施工机械风险

盾构机械的适应性和使用性能将对工程建设造成重大影响,不仅影响施工效率、工程成本,还关系到隧道能否成功贯通。盾构机械风险包括以下情况:

(1)刀头磨损

长距离施工导致大刀盘、刀头磨损较大、无法正常推进;由于地层介质的变化,使得刀头每间隔一定距离由于高度磨损变平需要更换。

(2)泥浆泵及管路磨损、堵塞

排出泥浆中砂石成分对泥浆泵及排送管路的磨损,致使刀盘切削的土体无法正常排出。

(3)主轴承磨损,密封件防水失效

由于长距离推进导致主轴承磨损,密封件防水失效,密封仓内泥浆向盾构机内渗漏,不能保证工作面土压力。

(4)盾尾密封失效

盾尾密封系统不可靠或长时间磨损,导致周边水土流失,盾构机内涌水或沉陷。

(5)铰结(转向)

密封铰结(转向)密封装置失效,导致盾构机内漏水、漏砂。

(6)液压推进系统漏油

液压推进系统漏油,无法提供正常的推力或导致盾构后退。

(7)注浆管路堵塞

注浆管路由于浆液硬化等原因堵塞,使注浆无法正常进行。

3.2 盾构施工操作风险

(1)工作井的结构和支护不当,将产生过大的变形甚至基坑失稳,土体坍塌,盾构机被掩埋。

(2)盾构始发时姿态控制不良,导致管片拼装质量不过关。

(3)高水压下长距离施工及换刀及开仓,掘进中途设备检修和更换刀具风险极大。

(4)土仓压力选择不当,致使前方地表产生较大的隆起或沉陷。

(5)盾构施工过程中,轴线控制不当导致隧道轴线标高偏离设计线路过多或左右偏差过大,影响隧道的使用。隧道距离很长时,如果在推进过程中轴线控制不好,在进洞时,很可能会偏离目标井较大。

(6)盾构在进洞或对接时由于轴线偏差较大,又不具有足够的纠偏距离,使得盾构机偏离目标井或对接错位。

(7)更换盾尾密封装置时防止涌水措施不当导致盾构内水淹或沉陷。

(8)千斤顶的配置不合理使管片容易产生裂缝。

3.3 盾构施工环境风险

盾构施工将引起一定范围内地层的变形。对于位于影响范围内的建筑物,由于地基土体的变形而导致其外力条件和支承状态发生变化,而外力条件的变化又将使已有建筑物发生沉降、倾斜、断面变形等现象。外力条件的变化类型主要包括:

(1)地层应力释放引起的弹塑性变形,导致建筑物地基反力的大小和分布发生变化。主要由开挖面坍塌、盾构蛇行与超挖、盾尾间隙的产生、衬砌变形等引起;

(2)因有效覆土压力的增大而导致的土体压密沉降,使建筑物地基的垂直土压力增大。主要由各种因素导致的水位下降而引起;

(3)因土体负载而导致的弹塑性变形,使建筑物地基的土体压力增大。这主要由盾构推力过大、盾构与周围土体间的摩擦、壁后注浆压力等引起;

(4)因土性变化而导致的弹塑性沉降和蠕变沉降,引起建筑物地基的反力分布发生变化。主要由盾构施工对周围土体的扰动而使土性发生变化所引起。

4 盾构施工风险防范措施

在对工程项目进行风险识别、风险评价之后,风险管理者应对工程项目存在的各类风险和潜在损失编制切实可行的风险应对计划,确定既符合实际,又有相应效果的具体应对措施。尽量规避风险、转移风险,使风险损失降低到可接受的范围内。

4.1 盾构机械风险防范

机械风险多与不规范、不正确的违章操作有直接关系,所以严格操作规范,是避免事故的重要前提。盾构机是一个集液压、电子、机械等多学科为一体的现代化施工机械,配套设备多,施工牵涉的方面和事故的隐患也多,这就要求现场必须重视机械设备的正常保养维护,加强对盾构机的熟悉和了解。

4.1.1 盾构机刀盘刀具选型风险的控制措施

(1)加大盾构机刀盘开口尺寸及开口率

为减少盾构机刀盘刀具的磨耗和换刀频率,提高掘进速度。对盾构螺旋输送机能够排出的小粒径卵砾石尽可能地用排出的方式进行解决,只有对通不过的大粒径卵砾石才采用破碎的方式。刀盘开口尺寸要与能通过螺旋输送机卵砾石最大粒径相适应。刀盘周边开口率及开口尺寸的减小和增大中心部位的开口率,保证前方土体能顺畅进入土仓,同时有效防止隧道拱顶部位的碴土塌落不到土仓中。

(2)加大螺旋输送机的直径

由于加大盾构机刀盘开口尺寸后,部分砂卵石在盾构前面不被破碎直接进入盾构机,增加螺旋输送机的直径,达到可以顺利排放砂卵石的目的。

(3)选用具有破碎大粒径卵砾石能力的盾构机

盾构机要破碎大粒径卵砾石,刀盘需配备滚刀。虽然刀盘也采用硬岩配刀方案配备滚刀,但硬岩地质的特性和砂卵石地质的特性是有区别的,特别是砂卵石地层不均匀和不连续的特点,决定了两种地层的破岩机理是有区别的。在砂卵石地层中硬岩滚刀的布设与在纯硬岩地段滚刀的布设上可以有区别,即滚刀刃的轨迹间距可以加大,加大的距离可以参照螺旋机能通过的最大粒径。

(4)提高刀盘面板、刀具、螺旋输送机系统设备的耐磨性

通过在刀盘面板上焊耐磨块、耐磨条、耐磨网格提高刀盘的耐磨性;通过选用镶嵌有耐磨合金块的软土刀具、选用硬度较高的滚刀来提高刀具的耐磨性;在螺旋输送机的进料口处焊耐磨网格、镶嵌耐磨合金块提高螺旋机的耐磨性。

4.1.2 对盾构机设备故障风险的控制措施

为控制盾构机设备故障风险,通过改进盾构设计,提高盾构技术性能,以满足盾构设备在富水砂卵石地层条件下施工的要求。

(1)开挖机械故障风险控制措施

优化刀具的结构,设置合理的刀具组合,选用合理的刀具,设定合理的高差,提高盾构的挖掘能力;向土仓内加入改良剂,对碴土进行改良,减少对盾构刀盘刀具的磨损;定期开仓检查刀具磨损情况,分析磨损、偏磨原因,优化刀具配置;对沿线地质进行补勘,充分了解沿线地质情况和障碍物,设置合理盾构掘进参数,防止扭矩突变。加大主轴承直径,提高盾构刀盘抗扭的能力;加强主轴承、密封件等设备保养和维护。

(2)推进系统故障风险控制措施

加强推进千斤顶和液压系统设备的保养和维护。推进过程中,设定合理的推力。尤其在拼装管片伸缩千斤顶时,要力求各个千斤顶均匀受力,防止局部千斤顶受力过大或者出现明显偏压。

(3)注浆系统故障风险控制措施

加强注浆系统设备的保养和维护。注浆完毕后,及时清洗注浆管道,防止注浆管道堵塞。加强浆液管理,选用合格的注浆材料,适当的配比,避免不合格材料堵塞管道。

(4)出碴系统故障风险控制措施

向土仓内、螺旋输送机内加入改良剂,对碴土进行改良,减少对螺旋输送机,输送皮带的磨损。已对螺旋输送机耐磨性进行优化设计,在螺旋输送机加焊耐磨层,增强输送机的抗耐磨性能。通过小半径曲线时,减小皮带传速,避免皮带跑偏。

(5)提高盾构机防水密封性的控制措施

盾尾密封选用三排钢丝止水密封刷;铰接密封采用唇形橡胶铰接密封和充气式紧急密封,构成可靠的铰接密封体系;主轴承外密封采用三重唇形橡胶密封,并在迷宫式防水密封的通道处同时采用了HBW密封脂密封,为主轴承的防水密封提供了双重保险。

4.2 盾构施工操作失误风险防范

4.2.1开挖和顶进控制失误风险控制

(1)加强盾构设备操作技术员工的技能培训,提高业务素质,尽量减少操作失误。

(2)对隧道线路进行补充地质勘察,充分认识沿线工程地质情况,根据地质情况设置合理的盾构掘进参数。

(3)正确地计算选择合理的平衡土压,确保开挖面的稳定性。

(4)合理的开动分组千斤顶的工作状态,推进时千斤顶的压力均匀作用在盾尾管片侧端,避免管片碎裂。

4.2.2轴线控制不当风险控制

加强施工测量,确保盾构机有可靠的轴线定位,如:激光导向;可靠的地面三角网及井下引进导线系统,每50m设吊架(栏)对轴线跟进测量;每环衬砌测量与设计轴线的偏差;并要求全站仪,水准仪,精度高,且经常校验。发现偏差时,要求勤纠偏,缓慢纠偏。

4.2.3注浆控制不当风险控制

(1)浆液要求符合设计要求。浆液配比、和易性、流动性配比要适当。

(2)严格控制注浆压力与注浆量,保证及时注浆。

(3)防止同步注浆管路堵塞、挤扁失效,并应设置备用管;注浆结束后,及时清洗注浆管路和浆液罐,对注浆管路定时检修维护。

4.2.4密封防水失误风险控制

盾尾设三排密封刷,在钢弹簧板和钢丝刷上涂氟树脂防锈剂。推进过程中及时注入盾尾油脂,每次过站检修密封刷;要求采用优质润滑油脂。

4.3 盾构穿越地面建筑物的风险防范

根据南宁地质的特性,盾构施工引起的沉降主要在施工阶段,后期沉降很少。因此施工中须采取有效措施,将盾构对土体扰动减少到最小,以确保地面建(构)物的安全。

(1)严格土量管理

严格控制出土量在55m3/环以内,同时合理控制与出土量有关的施工参数,最大限度减少超挖、欠挖,尽量降低盾构穿越带来的影响。

(2)严格控制盾构的推进速度及推力

正常推进时速度控制在2~3cm/min,土仓压力保持稳定,其波动值控制在0.02Mpa内;总推力适当降低,控制在15000kN以内。同时尽量做到均衡施工,减少对周围土体的扰动。

(3)严格控制盾构纠偏量

在确保盾构正面沉降控制良好的情况下,使盾构均衡匀速施工,盾构姿态变化不可过大过频。每环检查管片的超前量,隧道轴线和折角变化不能超过0.4%。注意观察管片与盾壳的间隙,控制一次纠偏量,减少对土体的扰动,并为管片拼装创造良好条件。

(4)严格控制同步注浆量和浆液质量

及时足量进行同步注浆,注浆量为理论值的180%- 220%,即每环7m3以上。调整同步注浆的配合比,提高浆液的早期强度。根据建筑物及地面沉降监测情况,采用二次注浆甚至多次注浆来控制地面的后期沉降量,浆液采用快凝的水泥一水玻璃双液浆。

(5)加强碴土改良

改善碴土的止水性和流动性,使得土仓内碴土处于塑性状态而确保工作面稳定。

(6)实行信息化反馈

在梁、墙等结构上设置沉降观测点和测斜点,两小时一次跟踪测量,并进行信息分析,及时调整掘进施工参数。

5 结语

本文对南宁地铁盾构施工的风险管理问题进行了探讨,在施工过程中,要充分做好施工组织管理,针对潜在风险定期进行安全生产专项检查和安全生产重大隐患排查,确定可能影响项目的施工风险,编制风险分析清单,保证安全与风险管理的及时性,并适时对方案和检查进行调整,参建施工、建设、监理、社会安全监督机构及专业分包各方负责人均要予以重视,共同参与,保障项目施工安全顺利地进行。

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中国科技博览 2016年13期

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