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长距离富水砂卵石地层中盾构掘进控制施工技术研究

摘 要: 随着城市地铁工程的快速发展,盾构机掘进技术日益 成熟,在城市隧道开挖中,盾构法在安全性 、经济性 、质量和进度等方面都远远优于矿山法。本文主要结合洛阳市地铁1号线三标段塔湾站一史象湾站区间的盾构施工,积累了长距离富水砂卵石地层中盾构机施工经验,可为类似工程施工提供借鉴 。
1工程简介
  洛阳市地铁1号线三标段塔湾站一史家湾站区间盾构隧道设计为两分离盾构法隧道单洞,区间双线起止里程均为CK21+401.806?CK22+569.679,全长1167.873m,左右线中心线间距15m ,区间于里程CK21+972.00处设置1 座联络通道兼废水泵房,线路最大纵坡为5.864%。区间隧道掌子面及以上隧道顶部以上1.5~6m范围内为中密砂卵石地层,区间水位均位于險道以上1~4m ,覆土厚度9.5~13.5m 。
1.1 地质情况
  本区间位于工程地质HI区,属于洛河I级阶地,土层主要为①,杂填土、②2黄土 粉质黏土、②4细砂、卵石土、③s黄土质粉土、③ M卵石土。
施工过程中开挖出的砂卵石如图1所示。
1. 2 盾构机主要性能参数
  本区间采用的盾构机主要性能参数如下:
  铁建重工DZ453盾构机最大直径6.41m,总长约85m, 总重 量约500t,总配置功率1710kW ,最大掘进扭矩8.687kN.m ,最大推进力42500kN ,刀盘最大转速3.5r/min,最大掘进速度为80m m/min 。其中刀盘的开口率38%,开挖直径6.44m,是盾构机上直径最大的部分,刀盘上可根据地质的不同而选择安装硬岩刀具或软土刀具 。刀盘的外侧还装有一把 超挖刀,刀盘上有6个泡沫喷口,2个喷水口 ,两路管道接通两个喷口。刀盘上相应的刀具有4把中心双刃滚刀、22把正面单刃滚刀、11把边缘滚刀 、36把刮刀、8把贝形刀、1把超挖刀 。刀具的安装方式为背装可拆卸式。刀盘上装有刀具磨损探测装置。
2施工重点难点分析
  本工程隧道位于全断面富水砂卵石、细砂等复杂地层中,施工难度高、风险较大。掘进参数选择时,土压力过小可能造成出土量超标,地面出现严重沉降甚至坍塌;土压力过可能造成地面隆起 。刀盘转速过快、扭矩过大可能造成刀具非正常磨损,严重时造成无法掘进施工 ,该地层中掘进施工重难点主要有以下几点:
 ( 1 )测量不准确或误差过大可能造成盾构机无法按照设计位置进人洞门。
 ( 2 )富水砂卵石层中盾构始发是本工程的重难点。
 ( 3 )长距离穿越全断 面富水砂卵石地层为本工程的重难点 。
3 盾构掘进施工流程剖析及时间分析
  单环管片掘进循环流程如下:
 ( 1 )为确保盾构的使用效率,人工补充测量工序穿插施工,确保关键工序的不停顿,配合工序的时间需要控制在关键工序之内。
 ( 2 )如图2所示,由单环管片掘进的循环时间计算得到,电瓶列车来回一趟单个循环所需要的时间为180min(平均计算,且已经包括材料的装卸、运输等),而单个循环关键工序所需的时间为105min(掘进60min,拼装45min ) 。 因此,正常掘进施工采用两列电瓶车配合运输,每工序循环可节省50min的渣土、管片吊装时间,即每环所需时间为180x —50=130min。
4 掘 进参数分析
4.1 土仓压力设定
  本区间为全断面卵石土层,土压力根据理论计算值适当增加0.02~0.03MPa,计算 工作土压一般由土体水压以及土体压力组成,掘进过程中一般按照土体埋深考虑静水压力以及适当的土体压力 。在一般的软土层中掘进时,根据上覆土重力理论,土的铅垂方向的自重应力为:
  通过现场实际施工总结发现,由于土体间存在内摩擦,即土拱效应,土压力的控制需要根据现场实际情况作出调整,盾构机司机应当判断出当前开挖面的状况后,适当调整土压力的控制,进而减小盾构机的总推力, 加快掘进速度,提高施工效率。
  本区间隧道埋深9~13.5m,根据上述公式计算,本区间土仓压力综合分析控制在0.08~0.13 MPa之间 。
4.2 总推力控制
  盾构的推力主要由盾构与地层之间的摩擦阻力F,、刀盘正面土压力&、土仓压力对盾体的阻力F3、盾尾密封与管之间的摩擦阻力F,四部分组成,其他还有变向阻力、切口环前端的贯人阻力、后方台车的牵引阻力。后方台车牵引阻力只有20kN左右,几乎可以忽略不计。铰接拉力一般在1200kN左右,其中盾构与地层之间的摩擦阻力厂 、刀盘正面土压力尺均与地层状况相关,土仓压力对盾体的阻力F3则与土仓压力的控制有关,土仓压力越髙,推力越大。
4. 3 刀盘扭矩控制
  结合本区间实际施工情况,该种地层掘进过程中,刀盘扭矩控制在2.5~3.5MN*m之间 。影响刀盘扭矩变化的因素有以下几方面内容:
 ( 1 )掘进速度:当掘进速度快时,刀盘对土体切削量增加,扭矩增加。
 ( 2 )地质因素:当地层地质发生变化时,刀盘切削土体需要的切削力变大时,扭矩也会相应增大。
 ( 3 )掘进模式:当采用土压模式掘进时,土仓内渣土剩余量增多,刀盘搅拌力矩急剧增大,刀盘扭矩必然会随之变化。
 ( 4 )渣土改良状况:当渣土改良效果发生变化时,如果土仓内渣 流动性变差,则刀盘搅拌力矩增大 。
 ( 5 )刀具状况:当刀盘上刀具部分损坏,造成以刀盘结构或刀具基础对土体切削,刀盘扭矩也会明显变化 。
 ( 6 )刀盘状况:当刀盘发生渣土黏结时,力盘扭矩增大 。
4.4 掘进控制
  盾构掘进是整个盾构工程的最直接、最根本的目标和动力,掘进成果的实现直接影响整个项目的目标实现。盾构机的掘进速度是指单位时间内盾构机掘进的长度,一般以mm/min计,盾构机单位转速内 推进的长度为贯人度。盾构机的掘进速度w为v=Xr式 中A—刀盘贯人度;r—刀盘转速。在盾构始发及到达段掘进时,由于车站围护结构的存在,需要考虑贯入度对刀具的影响,尽量减少刀具的非正 常磨 损, 最大限度地发挥刀具的经济效益,应当控制盾构机的总推力,降低刀具的贯人度,控制盾构机掘进速度在20~45mm /min之间 。在盾构正常掘进段,控制盾构机掘进速度在45~65mm/min之间 。
4.5 姿态控制
  成型隧道的质量是隧道的生命,盾构机掘进时姿态的好坏不仅影响设计线路的成果是否实现,也会影响管片拼装质量,甚至可能引起渗漏水,直接影响隧道的整体防水效果和隧道的耐久性 。姿态保持和调整的依据和标准是设计,姿态调整的重点在掘进的整个过程,自始至终,持续不断。因此,盾构法隧道中盾构姿态的控制和保持是盾构施工的重点。
4.S.1 盾构机姿态
  对于被动铰接盾构机,其掘进姿态的调整主要是通过调节不同区域推进油压来实现,铰接油缸不能主动起作用。被动铰接盾构机调整姿态的时候需要特别注意盾尾间隙的变化,过急的姿态调整会使盾尾间隙变小导致管片破损。根据本区间实际施工情况,在软土层中掘进时,考虑管片的上浮问题,掘进过程中盾构机姿态保持在一10m m左右。
4.S.2 滚动角
  盾构机自身滚动的产生是由于刀盘切削土体时通过主驱动传递给盾体的扭矩大于盾构机壳体与其四周土体之间的摩擦力力矩而产生的。过大的滚动角不仅会影响管片的拼装,更会引起隧道轴线的偏差。因 此,在盾构掘进过程中,必须密切关注滚动角的变化,严格控制滚动角的变化范围。在本区间实际施工中,盾构机滚动角一般控制在±15mm /m 以内。
  当滚动角过大时, 可以根据实际情况采取以下措施来调整滚动角:
 ( 1 )加注泡 沫剂、水等降低刀盘扭矩 。
 ( 2 )适当降低掘进速度来降低刀盘扭矩 。
 ( 3 )适 时改变刀盘转向,当滚动角为正时,刀盘应向右转,反之向左转。
4 . 6 渣土控制
  在盾构施工过程中,根据围岩条件适当注人添加剂,改善渣土的和易性,同时要加强对土仓压力和排土量的管理。根据区间盾构施工经验,合理的渣改良是保证盾构施工安全 、顺利 、快速的一项不可缺少 的重要技术手段 。渣土改良具有以下作用:
 ( 1 )使渣土具有较好的土压平衡效果, 利于稳定工作面,控制地表沉降。
 ( 2 )使渣土具有较好的止水性,以控制地下水流失 。
 ( 3 )使切削下来的渣土能够快速顺利地快速进人土仓,并利于螺旋输送机顺利排土 。
 ( 4 )可有效防止渣土黏结刀盘而产生泥饼 。
 ( 5 )可有效降低刀盘扭矩,降低对刀盘和螺旋输送机的磨损 。
 ( 6 )可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象 。
4.6.1 渣土改良
  复合式土压平衡盾构机是用开挖出的一部分渣土作为支撑开挖面稳定的介质,另一部分需要随着盾构机的向前推进连续不断地排除,因此,渣土需要具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小等 特性 。 因为一般土壤不能完全满足这些特性,所以盾构掘进的同时需要对切削下来的渣土进行改良 。实际盾构施工中,改良渣土的和易性主要是通过向土仓及刀盘前方加注泡沫剂和水。渣土改良使用的泡沫剂浓度一般为1.5%~4% ,发泡倍率根据实际需要一般为10~14倍,必要时可以通过手动模式调节加注气量的比率。泡沫的注人量要依据地层、土压、仓内渣土剩余量以及掘进速度而调整,改良后的渣土一般以具有一定的流塑性且刚好能够堆叠为宜 。
4.6.2 出渣量控制
  由于本区间为富水砂卵石地层,自稳性极差,且隧道位于城市主干道下方,车流量大,沉降控制要求标准高。控制出土的基本原则为“严格控制 、杜绝超挖”,确保新开挖下来的渣土量等于排出来的渣土量。综合本区间实际施工情况,该种地层环出渣量控制在60m3以 内, 经过统计称重,环出渣总重量在120~125t之间。
4 .7 管片选型和拼装
4.7.1管片选型
  在盾构施工过程各个环节中,合理、灵活地运用楔形量的存在对管片选型尤为重要。由于盾构掘进过程难以完全严格拟合设计轴线推进,会产生一定量的偏移。在盾构推进质量控制项目中,主要通过控制盾 构掘进的姿态带动成型管片的姿态以尽量拟合隧道设计轴线,这就需要管片姿态考虑盾构纠偏的需要,能够尽量和盾构机姿态保持一致。同时管片在选型过程中,还要兼顾设计轴线的走向 、油缸行程差(一般控制在4cm 以内,特殊情况下可以放宽至8cm ) 、盾尾间隙(一般控制在标准间隙 ± 10 mm 以内, 特殊情况下放宽至 ± 15 mm 以内)以及成型隧道的姿态等。结合现场盾构实际姿态、位置、隧道走向等选择合适的管片类型和正确的管片安装是保证隧道质量的主要措施。
  管片选型正确主要表现在以下几个方面:
 ( 1 )隧道轴线偏差小,管片拼装的外观质量符合设计要求。
 ( 2 )拼装完成的管片上下左右的盾尾间隙比较均匀(均控制在60mm 左右) 。
 ( 3 )管片安装应当从隧道底部开始,然后依次安装相邻块,最后安装封顶块。安装第一块管片时,用水平尺与上一环管片精确找平,因为每环第一块管片的拼装质量会直接  影响到其余各块管片的拼装,如果第一块管片螺杆插人困难,会影响到其余块管片螺栓插人 。
 ( 4 )安装邻接块时,为保证封顶块的安装净空,安装第五块管片时一定要测量两邻接块前后两端的距离(分别大于F块的宽度,且误差小于士10mm),并保持两相邻块的内表面处在同一圆弧面上。
 ( 5 )安装封顶块过程中严禁强行插人,封顶块拼装时要确保留有足够的空间,不能强行硬插人 。若封顶块拼装空间不够时,可采用适当松动L块油缸的方式予以调整。
 ( 6 ) 管片拼装时,当封顶块位于衬砌环的下方时,将给封顶块的插人带来困难,甚至使封顶块被挤碎,因此,尽量不要选择将封顶块放在最下方。
 ( 7 )封顶块安装前,对止水条进行润滑处理,安装时先搭接700 mm 径向推上,调整位置后缓慢纵向顶推插人。
 ( 8 )推进千斤顶的行程差较小。
4.7.2 管片防水材料安装
 ( 1 )管片防水材料安装。
   1 )本区间工程的所用防水材料主要包括三元乙丙橡胶密封垫 、丁腈软木衬垫 、自黏性橡胶薄板(无外涂防水涂料)等,统一招标采购,材料进场必须提供出厂合格证,符合相关质量技术标准。
  2 )防水材料安装由责任心强的专业队伍统一进行,橡胶密封垫和防水槽内均匀地涂刷单组分氯丁-酚醛胶黏剂1~2 遍 ,待黏结剂初干后(不拉丝,不粘手) ,将密封垫置人槽内,最后用橡皮锤敲击使 其充分粘贴 。粘贴时,须四角平整服帖 ,并防止浮贴,以防在下井吊运和拼装时,由于密封垫的错位或脱落,造成拼装困难甚至防水失败 。
  3 )丁腈软木衬垫粘贴时,其表面和混凝土表面分别涂胶,不得脱胶、歪斜,注意在螺栓孔位置设大于螺孔的空洞。
  4 )由专职质检员对防水材料进行跟踪检查,并进行详细记录,不符合要求的严禁使用,确保防水质量符合设计要求。
 ( 2 )拼装前准备。
  1 )管片在喂片机上按拼装顺序堆放, 并检查螺栓孔、止水材料、管片等的完整性。
  2 )盾构推进完成后应符合拼装要求,主要检查三方面内容:距离:千斤顶行程满足拼装要求,对1.5m环宽管片,至少推进至1950mm;盾尾间隙:
测量上环管片的盾尾间隙,结合盾构机姿态确定纠偏量及措施;盾构机姿态:根据平面和高程的偏差,决定后续管片的类型和纠偏措施。
  3 )清除上环管片和盾尾间隙内杂物,检查上环管片防水材料是否完好,如有损坏应及时采取修补措施。
  4 )掘进结束时测量盾尾间隙,结合上环管片拼装点位,选择最佳管片拼装点位。
 ( 3 )拼装作业。管片拼装一般均按照先下后上、左右交错、纵向插人、封顶成环的工艺进行 。
  1 )拼装过程中按各块管片位置,缩回相应位置的千斤顶,形成管片拼装空间,使管片到位,然后伸出千斤顶完成一块管片的拼装作业。千斤顶操作人员在反复伸缩千斤顶时必须确保盾构机不后退 、不变坡、不变向,并要与拼装操作人员密切配合。
  2 )逐块拼装管片时要注意管片拼装标志的准确性 ,确保相邻两块管片接头的环面平整,内弧面平正,纵缝的管片端面密贴 。
  3 )最后把封口块管片送到位,伸出对应的盾构千斤顶将封口块管片插入成环,同时插人连接螺栓成环 。
  4 )安装管片时,必须严格按照操作规范执行,螺栓紧固严格执行“三次紧固’’原则,B卩:管片拼装时紧固一次,拼装第二环时紧固一次,拼装第三环时紧固一次 。
  5 )盾构管片拼装过程中遇有管片损坏,应及时按规定进行修补或更换 。在拼装全过程必须保持已成环管片环面及拼装管片各个面清洁。
4. 8 注浆控制
  壁后注浆能提高隧道的止水性能和确保管片衬砌的早期稳定性,是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段,也是盾构推进施工中的一道重要工序。
4.8.1 同步注浆
 (1)注浆量 。注浆量主要取决于注浆环间隙和相应地质裂隙情况,一般可按下式计算注浆量:一环管片需要的砂浆量:V环吵 *=3.14 X (3.205 X 3.205—3.1 X 3.1) X 1.5=4.24m3
  综合考虑后,砂浆注浆系数取1.8,故每环需要的砂浆量:V"环总砂4.24X1.8=7.6 m3即每环实际注浆量范围为7.6m3。
  一般情况下填充系数取1.5~2.0,在裂隙比较发育、地下水量大的地段,填充系数一般取2.0~2.5 。根据经验,本区间一般在卵石土注浆,填充系数取1.8 。
  实际施工中根据试验段参数和地面监测情况综合考虑,适当调整 。
 (2)注浆压力。初始的注浆压力是根据理论的静止水土压力确定 ,在实际掘进中根据试验段注浆参数及所处地层情况不断优化 。如果注浆压力过大, 会导致地面隆起和管片变形,还易漏浆 。如果注浆 压力过小 , 则浆液填充速度赶不上空隙形成速度,又会引起地面沉陷。一般而言,注浆出口压力取1.1~1.2倍的静止水土压力,本区间注桨压力一般为0.15~0.35MPa,最大不超过 0~4 MPa 。由于从盾尾圆周上的不同位置注浆孔注浆,考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起,各点的注浆压力应适当调整,并保持合适的压差,以 达到最佳效果。
4.8.2 二次注浆
  盾构机穿越后考虑到环境保护和隧道稳定因素,如果发现同步注浆有不足的地方,则通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆,补充以前注浆未填充部分或体积减少部分,从而减少盾构机通过后土体的后期沉 降,减轻隧道的防水压力,提高止水效果 。二次注浆使用专用的液压注浆泵,注浆前凿穿管片吊装孔外侧保护层,安装专用的注浆接头 。二次注浆一般根据情况选择使用液或双液浆,注浆压力一般为0.3~0.5 MPa 。
4.8.3 注浆材料及配比
 ( 1 )浆液配比及主要物理力学指标。同步浆液主要采用水泥砂浆,根据本工程盾构施工经验, 优化出满足类似条件下使用的配比,主要成分及配比如表1所示 。 
 ( 2 ) 二次注浆浆液配合比。
  二次注浆主要包括单液浆二次注浆和双液浆二次注浆。单液浆一般采用水:
  水泥=1:1质量的水泥浆,手动控制方式,双液浆采用水泥浆:水玻璃=1:1体积比的混合浆 。
5 结语
  盾构机掘进过程是一个高效、连续地施工过程,步步相连、步步相关,每一道工序都联系着上一道工序,影响着下一道工序,每一个控制因素的改变都牵涉着其他一个或多个控制因素的改变,进而会引起一系列的连锁反应。
  洛阳地铁1号线三标段塔湾站一史家湾区间右线于2018年1月10日正式始发掘进,于2018年6月18曰顺利贯通 。在自稳性差的富水砂卵石层中,选择土压平衡模式掘进,即基本保持满仓渣土保 压的模式掘进。 刀盘转速控制在1.2~1.6r/min之间 。总推力控制在15000kN 左右。泡沫剂浓度为3%,发泡倍率为10~15倍, 必要时可以选择手动模式加注泡沫剂,泡沫注人量 在900L/mn左右。
  在渣土改良良好的状况下,推进速度一般为30~50 mm/tnin 。此时泡沫的注人主要依据推进速度而适量调整 。但考虑到土仓内满仓渣土的改良需求,泡沫的加注一般不能小于250L/min,刀盘扭矩范围在3.0~4.0MN,m之间,环出渣量控制在60 m3以内 。
  总之,盾构机掘进要根据地质图揭示的地质情况 ,结合实际施工参数的总结分析选择合理的掘进模式,在不同的掘进模式下把握好土仓压力的设定,控制盾构掘进总推力,
密切关注盾构机掘进姿态,根据盾构机姿态调节不同区域推进油压,跟进铰接油缸的调整;随时调节泡沫剂和水的加注,以减小刀盘扭矩;控制好出土量,尽量加快掘进速度,提髙施工效率 。
 
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