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泥炭质土层中地铁盾构隧道施工关键控制措施

摘要:泥炭质土层为昆明滇池湖相沉积的区域性特殊软土地层,工程性质差,沼气含量高。作为滇池流域首个全区间穿越泥炭质土层的地铁盾构施工项目,施工过程中需解决和克服诸多不良地质带来的行业性难题,如盾构掘进中施工参数及姿态难以控制,盾构机突然“磕头”,管片极易上浮,会增加管片破损、错台及渗漏水控制的难度,穿越沼气地层安全保障技术,长距离下穿既有城市道路的沉降控制技术,泥炭质土承载力较低如何防止地面及盾构沉降,端头如何加固等问题。结合 5 号线首期盾构隧道施工,对一些关键点的施工控制技术措施进行了总结与分析。
  滇池流域因其自身地理位置及地质构造特点,在发展变迁过程中形成独特的河湖相地层,在国内工程建设领域也属典型不良地质密集发育区,且其含有特有的易生成沼气的泥炭质土层,上覆黏质粉土层又具备储存有害气体条件,更是对区间盾构施工带来诸多不利影响。昆明 5 号线首期项目施工场地均位于泥炭质土层呈条带状分布的区间。作为滇池流域首个地铁施工项目,施工过程需解决和克服诸多不良地质带来的行业性难题,长距离下穿既有城市道路及多河道沉降控制技术、穿越含沼气地层的安全保障技术,即隧道近距离穿越已有结构的风险不容忽略。现金海新区站—福保站盾构区间已累计掘进>3.2km,右线已顺利出洞,现场各项参数正常,隧道实体质量良好。为确保本工程后续能安全、顺利实施,现对盾构施工过程中的一些关键技术进行分析总结,可为行业将来可能遇到的同类难题提供参考与借鉴。
1 工程概况
  金海新区站—福保站盾构区间线路出金海新区站后在怡滨路与环湖东路路口下穿正大河,而后线路沿环湖东路东侧地块敷设,先后下穿正大河、盘龙江、大清河、海河 4 条河后进入福保站。线间距14 ~ 14. 58m,隧道顶部埋深 11. 02~28. 3m。穿越湖沼相沉积地层主要为呈条带状分布的黏土、泥炭质土和黏质粉土层。区间最小转弯半径为600m,最大坡度为 23‰。场地地形平坦开阔,工程影响深度范围内地下水主要有上层滞水、孔隙潜水及承压水 3类。地下水与地表水相互间水力联系较密切,相互补给,主要受大气降水和外围含水层侧向补给,地层总体属富水地层。
2 前期工作
  盾构施工为重大风险施工工序,特别是在泥炭质土层中进行施工,遇到各种事故的概率非常高,但可通过前期风险分析,提前做好紧急预案,各项措施准备到位,熟悉程序,事故若发生可及时处理,确保施工安全顺利。
2. 1 环境调查及分析
  据施工图纸测量放样,定出线路走向,编制周边环境调查报告,必要时进行补勘,下穿环湖东路时,就针对路基的 CFG 桩进行补勘及报审。组织项目人员进行图纸查看会审,结合调查报告,提出疑问,分析可能存在的重大风险或难点。存在的风险源为: 下穿 4 条河道、Φ2 500污水管、CFG 桩、公路隧道及城市主干道等,过联络通道的加固方式,穿越泥炭质土层及含沼气的黏质粉土层等。难点为:穿越特殊软土时线路标高及车站里程坐标控制等,提出相应的处理措施方案。
2. 2 盾构选型及工作准备
  根据地质详勘及补勘报告、周边环境调查报告、控制地层沉降、切削面稳定效果、排泥( 土) 方式、掘进深度等,对土压还是泥水平衡盾构、新机还是旧机改造等进行适应性比选,选定与地质相吻合的土压平衡盾构机。
  联合第三方测量对已完成车站始发段主体、洞门圈、地面控制点等进行复测,井下控制点布设。定期检查隧道轴线偏差、管片破损、管片错台量、管片渗漏等方面,制定隧道质量自验收标准,坚持内部标准高于外部标准,应急物资储备到位。
3 问题及措施
  泥炭质土层具有抗剪强度低、压缩性大、灵敏性高、有机质含量及含水量高等特点,针对这种区域性的特殊软土,可能造成盾构施工姿态难以控制、盾构机突然“磕头”、地面沉降过大、管片出现裂缝、橡胶密封条有翘曲、管片渗水、管片上浮、甲烷气体超标、易形成泥饼、停机易使盾体下沉及刀盘前方积水等问题,施工对该地层进行改良,根据泥炭质土层的厚度、分布范围及与隧道空间关系确定加固范围。
3. 1 端头加固及始发控制
  针对泥炭质土,端头加固采取三轴搅拌桩+旋喷桩+WSS 双液浆垂直/水平注浆措施。都是隧道主体外扩 3m 范围采取搅拌桩和旋喷桩同时加固,控制龄期> 90d,固结达到设计要求,取芯试验效果良好。WSS 双液注浆( 水灰比为水 ∶水泥 = 1. 3:1,双液为水泥浆 ∶水玻璃= 1:1) 顺序采用先垂直注两边后注中间再水平注,垂直注浆间距约 1. 5m,水平注浆为洞内圈内靠边开孔,环向间距约 2m。洞门开孔无水流出且洞门干燥,达到效果可停止注浆。
  洞门破除前在洞门钢环内安装双层止浆板,止浆板间增设海绵密封,增加 1 道防洞门涌水涌砂装置。当盾构机始发过了托架后,重心前移盾体有1. 6m 无支撑,为避免因自重产生“栽头”,在洞门钢环外部安装外导轨与始发托架导轨连接,可防止进入钢环后未及时建立土压而引起盾构机“栽头”,在洞门钢环内增加长 30cm 内导轨。
3. 2 浆液参数及改进措施
  盾构掘进顺利与否除设备原因外还受地层影响。此路段均处于软土地层中,掘进过程中要避免土仓内汇水,防止螺旋机喷涌。盾构施工引起地层损失、隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土再固结及地下水渗透是导致地表、建筑物及管线沉降的重要原因。在盾构进出洞及过风险源时,管片的二次注浆均在管片背后采取双液注浆,形成隔水环,避免地层中的水沿管片背后流动,相互补给。为减少和防止沉降,在盾构掘进过程中,尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量浆液材料充填盾尾环形建筑空隙。
  根据现场施工需要,同步注浆采用 3 种浆液,即水泥、厚浆( 不含水泥) 、厚浆浆液( 含水泥) 。同步注浆参数如表 1 所示。盾构机进出洞段采用水泥浆液,使其尽快凝固,封堵洞门止水。正常掘进段采用厚浆,快速填充预防地面沉降。掘进过程中,对管片姿态的量测,发现管片普遍出现上浮 1 ~ 3cm 现象,通过修改厚浆配合比( 含水泥) ,加快凝固时间, 在管片 12 点位注双液浆控制管片上浮,尽快稳定管片。
  提前计算同步注浆量理论值,施工中通过地面监测数据、成型管片姿态及质量合理确定同步注浆量和各支路注浆比例。注浆量过大可能造成地面隆起,过小则会地表沉降过大或管片渗漏水严重,各支路注浆比例不恰当会对成型管片姿态及质量有较大影响。在施工过程中,注浆压力取 1. 1 ~ 1. 2倍的静止水土压力,最大为 0. 3 ~ 0. 4MPa,同时应避免浆液进入盾构机土仓中。注浆压力宜设置为下部<0. 25MPa,上部< 0. 2MPa,注浆速度宜为 100 ~200L /min,若注浆压力过大,应检查注浆管路并分析原因,解决问题后方可继续掘进。
  同步注浆过程中应注意以下几点:
  ①过程中保证注浆量准确,实测实注,每推进 40cm 测量液位 1次,对照储浆罐浆量刻度示意图计算所注浆量;
  ②如发生盾尾漏浆须估计漏浆量并及时补足;
  ③为保证成型管片质量和地表沉降,各支路注浆比例应据实际情况实时调整;
  ④设备故障或管路堵塞时禁止掘进,注意保护注浆设备,定期对管路进行彻底清洗,停止施工时间较长时,应用膨润土清洗管路;
  ⑤每次抽浆前应对浆液方量和质量进行检查。抽浆时不得私自向浆液内加水破坏浆液质量。在储浆罐中的浆液应注意搅拌,防止长时间不搅拌导致砂浆变质。
3. 3 管片防渗水施工
  盾构隧道防水工艺以管片自防水为主,接缝防水为辅。在泥炭质土层中含水量丰富,水位高,盾构隧道施工均处于较大的地下水压力下,一旦成型隧道管片出现管片自身裂缝、橡胶密封条粘贴不牢、橡胶密封条有翘曲、不平整,相邻间未紧贴、密封条表面有杂物等问题,地下水会从缺陷部位渗进隧道,因此管片拼装时需特别注意。
  在金海新区站—福保站区间右线前 100 环在原设计基础上增加 1 道遇水膨胀橡胶圈预防管片渗漏水,后期掘进发现渗漏水较少,便取消此措施。管片环纵缝防水按设计要求施工完毕后,注意采取保护措施,封顶块与邻接块两侧防水密封垫在拼装前表面涂黄油作为润滑剂,以减少封顶块插入时弹性密封垫间摩阻力,管片拼装完成后,管片螺栓及时复紧,对管片防水也是一道至关重要的保障措施,结构不允许漏水。此过程中管片连接螺栓进行 4次复紧:拼装过程中第 1 次,推进过程中第 2 次,拖出盾尾后第 3 次,管片出台车前第 4 次。每次螺栓复紧扭矩需达 145N·m 以上。同时,也要加强管片、橡胶密封条进场质量控制验收。
3. 4 管片上浮有害气体检测
  盾构初始阶段姿态设定值: 水平为± 10mm,垂直前点为± 5mm、后点为-20mm。掘进过程中对成型管片姿态监测,发现上浮量普遍在 30mm,采取以下措施:
  ①调整姿态:水平为-10,后点为-35 ~40;
  ②盾尾 5 环 12 点位注双液浆;
  ③厚浆中增加水泥,减少凝固时间;
  ④50 环左、右测 1 次管片姿态,与盾构机姿态对比知晓上浮量、管片姿态是否超限及确定下一步施工参数;
  ⑤发现管片上浮速率偏大时,很可能是盾构突然“栽头”引起,停止推进,适当减小推力即减小上浮分力,使之小于管片自重,另外可在盾尾增加临时配重,如待安装的管片、型材或其他重物以减小盾构“栽头”引起上浮。
  在盾构机螺旋机处安装 1 套固定的有害气体检测仪,监测出渣口有害气体。再配置具备声光报警功能便携式气体检测仪 1 套,检测人舱内部有害气体。固定及便携的气体监测系统如图 1 所示。本区间盾构推进中,有害气体未超标,影响很小。
3. 5 渣土改良
  渣土改良是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入添加剂,利用刀盘的旋转搅拌、土仓装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合,使盾构切削下来的渣土流塑性好、稠度合适、较低透水性和较小摩阻力,掘进时都可达到理想工作状况。添加剂主要有泡沫剂和膨润土。渣土改良以泡沫剂使用为主,膨润土改良为辅,掘进中全程使用泡沫剂,据出渣情况适量加入膨润土。
3. 5. 1 泡沫剂及膨润土使用
  泡沫溶液组成为泡沫添加剂 5%和水 95%。泡沫组成为 90% ~ 95%压缩空气和 5% ~ 10%泡沫溶液混合而成。泡沫通过盾构机上泡沫系统注入,施工过程中不断总结经验得到用量经验值,注入量按开挖方量计算为 300 ~ 600L /m3。控制过程中要注意观察,保证有良好的发泡效果及运转正常,无泡沫不掘进,严禁私自调整泡沫各项参数,如有异常及时上报。
  膨润土配合比为 1m3加入 8 包膨润土,即质量比为膨 润 土 ∶ 水 = 400 ∶ 1 000,膨 润 土 密 度 1. 1 ~1. 3g /mL,黏度 60 ~ 80s。按配合比搅拌完成后在搅拌箱内膨化 12h 以上才可转入放浆箱等待放入隧道使用。每箱膨润土搅拌和膨化时间必须详细记录,定期检查及不定期抽检膨润土黏度与密度即膨化效果,避免使用未达到效果的膨润土。
3. 5. 2 渣土改良效果及分析
  改良后渣土应为理想状态,当推力通过隔板传递到土仓内时,土仓内土体不易固结排水,渣土上有明显水光泽,高含水率,强度较低而易于翼板搅拌,但又具有足够不透水性,既能维持开挖面上的水压力,也能防止排土口发生“喷涌”。手抓渣土时能轻松抓取,在皮带机上铺展良好连续出渣,没产生泥饼及球状渣土,顺利完成排土,形成所谓的“挤牙膏”效应。根据现场施工,渣土坍落度应控制在16 ~ 20cm。现场检测操作时,使用激光红外线测温仪每环 1 次测渣土温度,一旦> 38°,及时提醒注意改良。每 5 环取渣样做坍落度试验。据地层变化情况,试验员不定期进行渣土密度检测,复核渣体积和质量偏差值,如施工异常需增加检测频次。
3. 6 姿态控制
  盾构机进出洞重要的为姿态控制。隧道自动导向系统能全天候在主控室动态显示盾构机当前位置、隧道设计轴线偏差及趋势。随盾构推进导向系统后视基准点需前移,必须通过人工测量进行精确定位。为保证推进方向准确可靠,每周进行 2次成型隧道人工测量,并与自动导向系统做对比,以校核自动导向系统的测量数据,并复核盾构机位置及姿态,确保掘进方向正确,掘进姿态在控制范围内。
  由于地层软硬不均、隧道曲线和坡度变化以及操作等因素影响,按隧道轴线前进会产生一定偏差,当这种偏差超过一定界限时便会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化,造成地层损失增大而使地表沉降加大,因此必须采取有效技术措施控制掘进方向,及时有效纠正掘进偏差。制定分段轴线拟合控制计划,提前拟合盾构机掘进线路,确定盾体与线路夹角及方向,通过分区操作推进油缸来控制掘进方向。上坡时适当加大下部、下坡时适当加大上部油缸推力和速度; 在左转弯及右转弯曲线段掘进时,分别适当加大右侧、左侧油缸推力和速度,在急弯和变坡段,必要时可利用盾构机超挖刀进行局部超挖来纠偏,确保盾体在曲线的内弧线,且盾构机的趋势要大于隧道设计中心的变化趋势。在直线平坡段及均匀地质条件掘进时,应尽量使所有油缸推力和速度保持一致。
  在泥炭质土层掘进时,使盾首姿态略高于盾尾,这样不仅可防止盾构机突然“磕头”,而且有利于掘进姿态调整和控制盾尾管片上浮。在软硬不均的地层中掘进时,应遵循硬地层一侧适当加大而软地层一侧适当减小的操作原则推进油缸推力和速度。一旦滚动超限,盾构机会自动报警,此时采用盾构刀盘反转方法纠正滚动偏差。允许偏差≤3°,当> 3°时,盾构机报警,操纵者必须切换刀盘旋转方向进行反转纠偏。
3. 7 停机措施
  盾构施工过程中有时会出现停机。在含泥炭质土的富水地层中,停机易造成盾体下沉、刀盘前方积水、土压失稳等不良现象。当必须停机时,一定要避免停机点下有软土,停机前,应使土仓堆满渣土以减少地下水向土仓汇集。停机期间必须有专人值守在盾构机内,定期盾尾注入油脂防止盾尾漏水。定时手动测量盾构姿态,防止盾构机下沉引起姿态变化。若被迫停机 1d 以上,应在停机后及时清洗注浆泵及注浆管路,然后向管路注入一定浓度的膨润土浆,关闭盾尾注浆管球阀,防止盾尾未凝结的浆液回流堵塞注浆管。
3. 8 地表沉降措施
  地表沉降数据是掘进参数设定的一个重要依据。根据盾构机所处位置分为 5 个阶段,地面沉降5 个阶段规律如图 2 所示。
  针对每个阶段的沉降( 隆起) 变化通常采取如下控制措施: 前期沉降( 隆起) 便增大( 降低) 土压及推力,地面进行预加固处理等; 开挖前沉降,便增大土压及推力,控制出土浆液填仓辅助掘进等。盾构通过时沉降( 隆起) ,控制土压( 主要是气压) ,盾体径向孔或超前注浆孔注入膨润土或惰性浆液进行及时填充等; 尾部空隙沉降或隆起同步注浆,管片脱出盾尾后 3 ~ 5 环及 6 ~ 10 环时分别进行 2 次、3次及地面注浆处理等; 根据地面沉降监测参数进行深孔补注浆。径向孔上方注浆如图 3 所示。
3. 9 盾构出洞
  车站端头距离海河约 30m,周围地下水丰富,水源充足。出洞前针对车站端头部分进行 WSS 双液浆施工,使用水泥约 300t,地面隆起 20cm,洞门破除施工前,洞门情况正常。盾构机掘进距离洞门 1. 2m时,停机 开 始 破 洞 门,破除期间盾构机往前掘进50cm,洞门在破除至剩余最后一层钢筋时出现渗漏水,为降低风险停止破除,盾构机继续掘进,出水量加大且含粉细砂。观察发现水源主要从端头加固的外围流至加固土体与地下连续墙之间,进而流到洞门内,漏水点为管片中心以上部位。
  分析其原因为:
  ①端头土体虽进行了 3 道加固且加固质量良好,但施工时间错开,形成施工缝,盾构机掘进至端头对土体进行破坏,形成渗水通道;
  ②破除时间较长,洞门破除也是一个泄压过程,洞门内外压力不均,造成渗水通道产生,慢慢形成较大流水现象;
  ③盾构下穿海河时,同步及二次注浆量压力均稍小,避免击穿河底,故管片背后注浆属于欠密实状态,易形成流水通道,海河的水可能通过管片背后流至洞门处。
  充分认识到地层中水源的丰富性,增强风险意识。以后对于周围水源丰富区域,除洞门探孔检测流水外,必要时增加检测范围,即管片外扩 3 ~ 5m。端头降水井施工应避免施工完成时间过长,而造成降水井失效,最佳时间宜为盾构进出洞前 1 个月。
  随后地面及洞门开始进行注双液浆及聚氨酯堵漏处理,刀盘顶到洞门地下连续墙后,堵漏工作继续。待洞门出水量变小后,进行洞门最后一道钢筋割除,盾构机顺利出洞。随后又对端头土体进行了继续注浆加固处理,保障盾构机吊装安全。
4 结语
  盾构法的多种优点使其在隧道开挖中得到很好推广。由于泥炭质土层的特殊性,盾构机在此类场地土层中施工,会遇到各种各样的技术难题,但通过施工人员事前对可能存在的风险进行分析并提出有针对性的技术措施,施工中积极采取有效措施应对,消除潜在风险。
  根据监测数据,盾构施工过程中,地面沉降均控制在 10mm 以内,管片错台5mm 以内,无破损,已封堵渗漏水 12 处,管片成型姿态±50mm 以内,连续 300 多环小半径转弯,零错台零破损。现已顺利打通,达到预期施工质量安全目标。通过对施工过程采取的关键措施的总结分析,对以后类似工程的盾构施工提供了参考,借鉴意义重大。

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