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1960年 上海盾构法隧道早期工程塘桥试验

作者:阿樓編譯   阿樓博客裡  2005-1-30 23:30:00   来源:盾構法起源歷史
上海盾構法隧道早期工程塘橋試驗
編譯/阿樓

 
   中国盾构法隧道是在上海软土含水地层中开始的。 
    (1)上海地质情况 
    上海位于长江三角洲的东端,第四纪冲积层很厚,地表以下30~40m范围内都是天然含水量大于液限、空隙比大于1的松软地层常夹有薄层粉细砂层,地下水一般在地表下1m。在这种地层中开挖隧道,若无适当的技术措施,极易产生流沙现象,从而导致各种工程事故。而在淤泥之粘土层或在软粘土层中,虽无流沙现象,但在近10m的高差下,却产生塑流现象。有时土层受施工扰动,天然结构遭到破坏,泥土甚至会从一个直径5cm的孔中不断缓慢流入隧道。在这样松软的含水地层中开外隧道,唯一的选择是采用盾构法。 
    (2)试验盾构研制 
    1960年2月,上海隧道局在塘桥成立了隧道试验站,开始了盾构法隧道的试验工程,成立建造隧道主要施工机具盾构的研制组。在既无实践经验又缺乏技术资料的情况下,提出先求其有,再求其精,要求结构简单,取材方便、易于制造,操作方便、安全可靠,劳动强度小和少用气压的设计原则。研制组先用1:20的模型盾构,在特制的土箱内进行模拟试验,观察盾构移动时土体变动情况。经过反复试验获得一些感性知识,在仿真试验的基础上,研制组对盾构选型进行反复论证,认识到试验性盾构应适用于上海各种土层,其性能应是多功能的:对付淤泥质粘土,可用挤压推进,并留有适当进土孔,可随时启闭闸门控制进土量,用以调节盾构推进方向和推进阻力;对付硬粘土,加螺旋机械切削,以减少推进阻力;对付粉砂,可在气压和降水条件下进行人工分层开挖和人工支撑。研制组最后选定的直径4.16m试验盾构,是一台挤压切削、敞胸开挖正面支撑的多功能盾构,总推力2000t,总重55t。

進行室內模型類比試驗
 
直徑4.16m試驗型盾構掘進機示意圖

    1961年,由新建机器厂制造盾构外壳。当时钢材供应紧张,材质较差,致使钢板在滚圆加工时发生开裂,制造一度停顿。直到1962年底,盾构外壳才制造完成,运抵浦东塘桥试验工地,进行内部机械设备安装。由于盾构推力要求大、设备多、空间狭小,因而对液压系统压力要求高。根据计算与布置,选定液压系统压力为250kg/cm2,而国内液压件最高压力只有140kg/cm2,一时成为盾构研制的难题。 
    (3)试验隧道推进 
    1963年,在室内模拟试验和各单项试验的基础上,第一次用一台外经4.16m普通(敞胸)盾构,在埋深8m左右的粉砂地层中进行了长27m的“浅推进”试验。由于财政原因对工程计划进行压缩,工程暂停了数月。在浅推进试验时,感到正面开挖和支撑劳动强度大,且有不安全因素。为了改进开挖和支撑工艺,试制一种网格板代替正面支撑板,既可起到支撑板作用以稳定开挖面,又可同时从网格孔中缓慢进土,比大面积暴露开挖提高了安全度,并减轻了劳动强度。这一技术,通过以后的多次工程实践和改进,为发展和形成具有上海特色的网格挤压切削式盾构奠定了基础。
 
 試驗隧道盾構掘進機準備始發推進
 
淺層隧道推進襯砌佈置圖
 
    地下综合试验的同时,研制组又补充设计液压管片拼装机(举重臂),委托江南造船厂制造。先在车间进行充分操作调试,在深推进拼装最后5环管片前,才安装到盾构内,取代管片拼装架进行管片拼装操作,性能良好。至此,第一台国产盾构正式问世。 
    盾构法隧道施工在盾构出洞、进洞阶段和其它需要稳定土体的地段,为了防止坍方、涌水和保持盾构工作面和尾部土体稳定,1960年,在塘桥试验基地成立降水组,结合隧道埋设深度,进行各种降水技术试验研究。盾构浅、深推进综合试验中,采用喷射井点作盾构基坑降水、盾构掘进降水、盾构进洞降水、盾构工作井降水,都取得良好效果。另外在井点管埋设深度、间距,工作水压力、最大降水深度、降水影响范围、降水监控、注水试验、控制降水对地表的沉降等方法也都取得科学数据。1963~1965年,结合浅推进过渡到深推进,对地表以下10多米深处那层渗透系数极小(小于1×l0-6cm/sec)的灰色淤泥质粘土进行电渗降水试验,实现沉井施工在开挖条件下沉到-19.25m。考虑到盾构施工上方有房屋、道路等构筑物,不能在地面设置井点降水设施,就进行地下水平井点降水试验。通过各项单项试验,逐步形成地下水平井点管的布置和施工工艺。1964年6月,结合深推进盾构出洞和降水段推进进行试验,降水效果良好。两个多月的盾构全断面无支撑开挖,正面土体始终保持稳定。 
    隧道地下综合试验过程中,盾构推进采用降水疏干加正面支撑、气压疏干加正面支撑及挤压法三种措施。在隧道衬砌的量测环中采取埋置压力盒、应变片、应变砧,并在地面设置沉降标志等量测手段。根据不同施工措施,分别测得衬砌环的直径变化规律、外荷变化、衬砌内力、螺栓应力、接缝张角、接缝渗漏水情况及地表沉降量等散据;还将研制的孔隙水压力盒埋设在地层中。当盾构推进时,测得地层中前方及周边地下水压力值的变化,从而掌握在不同施工方法条件下衬砌圆环的受力特征,为隧道衬砌设计和施工积累了数据。 
    地下隧道综合试验,按1960年方案是结合已有风井的风道工程,在覆土22m左右条件下进行的。两年地面单项试验实践证实,试验段地层为粉砂层与粘土层互层,土质比较复杂,进行推进试验不能得出有效结果,须分别在覆土4m左右的粉砂层及覆土12m左右的淤泥质粘土层中进行试验,才具有上海土层的代表性。 
    1962年底,修改试验方案,在竖井一侧另做盾构工作井进行试验。通过试验,检验直径4.16m盾构的结构强度、灵敏度和液压系统性能。掌握盾构推进时控制轴线及地面沉降技术,检验钢筋混凝土管片结构强度,圆环在施工及基本运用阶段的内力分布,掌握拼装工艺、防水涂料工艺、以及盾尾后建筑空隙压浆技术,以求在上海饱和含水软土地层中,对盾构法及单层装配式钢筋混凝土管片建造隧道的可能性和适应性,作出全面评价。 
    浅推进试验共推42环,其中试验段为35环,见浅层隧道推进衬砌布置图。深推进试验共推63环,见深推进隧道衬砌布置图。
 
深推進隧道襯砌佈置圖
 

    (4)试验工程结论 
    试验是在边推进、边观察、边研究、边改进中进行,试验段管片均按不同要求布置量测仪表,取得推进全过程的实测资料。从实测资料认识到,盾构法施工在降水、加压及常压条件下,正面开挖掘进引起土体扰动和地面变形程度,隧道衬砌结构在施工及基本运用阶段的外荷及变化规律。实测资料还表明:盾构推进时,挤压法土体扰动最大。不论用降水法或气压法,盾构掘进施工,管片受力最不利状态是在脱出盾尾后的5天内。此后土压力缓慢增长,历时8个月趋于稳定。经压浆后的管片,其外圆形成一硬壳层,实测的土压力比理论计算值小。推进结束后编写出《直径4.2m盾构推进试验工作总结》、《盾构阻力和管片摩擦力分析报告》、《钢筋混凝土管片试验研究综合分析报告》、《降水段施工土、水压力及管片内力变化观测总结》、《管片圆环匀质的检验报告》、《管片防水施工总结》、《管片拼装施工总结》、《浅、深隧道纵向变形分析报告》、《地表变形分析报告》、《盾构制造总结》、《钢筋混疑土管片的结构性能》等25篇报告论文。 
    从这些总结报告中得出的结论是:设计制造直径4.16m盾构整体性能可适应在不同土层中用降水、气压、挤压等不同的掘进方法。掌握盾构正面支撑、开挖、纠偏、压浆等一系列的施工技术,能按轴线前进和正确进洞,控制地面沉降有了一定把握。装配式钢筋混凝土管片经受了不同土层中施工外荷和水、土压力的考验,在管片接缝中用先柔后刚的涂料和先环后纵拼装工艺,以防水为中心多道防线综合处理的技术措施是行之有效的。漏水量为每昼夜0.3L/m2。试验隧道工程证明在上海饱和含水软土地层用盾构法、钢筋混凝土管片建造隧道技术的可行性。 
    工程技术人员通过塘桥试验隧道和60试验隧道,由模型到实体、由浅埋到深埋、规模由小到大进行了大量的反复的科学试验,证明了在上海软土含水地层中进行盾构法施工是可行的,隧道建设是有经济性的,为中国盾构法隧道的起步和发展奠定了基础。 
    上图:工程技术人员进行盾构法隧道试验研究。
 
 
 
 
 

点数:23228 发布:順頌 编辑:阿樓隧道翻译 联系:b2b@notbad.cn
 
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