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软硬不均地层地铁盾构姿态超限剖析及控制方法研究

摘要:以徐州地铁2号线盾构区间为背景,介绍了区间岩土层相关岩土设计参数,提出在掘进参数获取及盾构姿态控制方面掘进姿态监测手段,剖析了不良地质环境下盾构姿态超限原因,提出在复杂地层环境下盾构姿态控制方法及纠偏方案,相关施工经验可应用于类似工程。
0 引言
  在地铁建设中,盾构施工成为重要的掘进方式,地层的复杂性往往会造成盾构姿态偏差等工程影响,如何实现盾构姿态偏差纠正,确保掘进精度成为地铁建设的重点与难点。
1 工程概况
  徐州城市轨道交通2号线采用盾构法。其中市政府站-汉源大道站区间沿(简称市汉区间)昆仑大道布置,穿大韩河且侧穿大韩河桥后到达汉源大道站。隧道左线起点为K20+553.902、终点里程为K21+410.223、长链一处(左K21+222.179=右K21+221.629,长链0.550m),左线长度856.871m;右线起点为k20+553.902,终点为K21+410.223,右线长度856.321m。隧道主体、区间联络通道兼排水泵站、端头地基加固等构成了该区间段主要部分,且掘进流程分为开始掘进阶段、正常掘进阶段和到达掘进阶段3个方面。
2 不良地质环境下盾构掘进姿态监测方法
  盾构机掘进姿态监测方法主要有2种:自动导向监测和人工测量,两者相辅相成,共同保证掘进姿态的正确性。盾构姿态人工测量手段如下:
 (1)滚动角监测。滚动角计算方式如图1所示。在土仓隔墙后方对称设置2点,使2点连成一水平线并且其长度为一定值L(m),测量两点的高程差,即可算出滚动角。其中A、B 2点为测量标志点,a、b为盾构机出现滚动现象后测量标志点位置,Ha、Hb为两点高程(m),α为盾构机的滚动圆心角(°),公式如式(1)所示。 
 (2)竖直及水平向方向角监测。采用全站仪测量盾构机的前盾后方隔墙及中盾后方铰接处断面中心点三维坐标与线路设计中线坐标位置的调整,计算获取方向偏差。
 (3)自动监测。通过自带自动测量激光导向系统进行盾构机掘进姿态自动测量:通过在基准点位置处发射激光光束计算盾构机方位拟合线路位置,并将信息实时反馈系统界面,以便盾构机司机便于调整。
  经过监测,市汉区间左线盾构进入隧道底部含有黏土段地层时(186环),盾构姿态呈现前点低,后点高的趋势,盾构机的后点上浮,掘进过程中通过调节盾构机上部推进油缸推力,同时减少下部油缸推力,使盾构前点下行,前、后点垂直趋势逐渐加大。241环后,盾构后点上浮速率加快,为保证成型隧道不超限,加大盾构向下趋势。249环时,趋势加大148mm,盾构后点开始下行,255环因管片错台较大,开始逐步抬高盾构前点,减小盾构下行趋势,降低向上分力,减少管片错台;趋势减少到104mm后,258环盾构后点开始上浮,姿态难以控制,随后为使盾构后点下行,开始加大盾构下行趋势,计划使盾构机后点下行至0点附近后,同时管片姿态降至0,再开始逐步抬高盾构前点。目前,盾构前点-160mm,后点12mm,趋势为172mm,脱出盾尾第一环管片垂直姿态16mm。目前,盾构机处于26‰下坡转7.172‰上坡的变坡段,盾构机位于为6.7‰的下坡。
3 市汉区间盾构姿态偏差原因分析
  结合盾构穿越市汉区间地层结构,进行盾构姿态超限原因分析:
 (1)市汉区间盾构穿越主要地层为上部②4-3粉质黏土、粉土,中部⑤3-4A黏土(含砂姜黏土),下部⑤3-4黏土属于“上软下硬”;加大上部推进油缸推力,减少下部油缸推力,使盾构垂直趋势加大,铰接拉力较大170~216bar,导致盾构机推力增大,上部油缸调整大于下部,管片受油缸向上分力影响,产生向上错台,抵消下行趋势上行,导致盾尾持续上行。
 (2)根据市汉区间土层物理力学性质、承载力及相关岩土设计参数,⑤3-4黏土,塑性指数23.6%,黏聚力73.2kpa,地基承载力270kpa,均远高于沙质粉土和粉质黏土,地层上软下硬,需要较大向下推力
  才能使盾构机下行。由于顶部地层为砂质粉土和粉质黏土,黏聚力低,承载力低,推进油缸的反作用力使管片向上浮动,⑤3-4黏土具有微膨胀性,在刀盘掘进通过后,地层中黏土膨胀填充盾体周边空隙,使盾构机没有下行空间,降低了盾构机自重产生的下行趋势,导致盾构机后点下行困难。
 (3)为了稳定盾构向下趋势,加大盾构向下的推力,目前盾构处在26‰下坡转7.172‰上坡的变坡段,导致掘进过程中向上的分力加大,致使管片产生向上错台和破损。
4 盾构姿态控制方法
4.1 盾构姿态偏差调整技术
 (1)方向偏差调整。推进油缸为盾构机掘进姿态控制主控因素,结合隧道线路,制定隧道轴线分段拟合方案,整体把控各油缸推进动力,实现盾构姿态的有效控制。不同行进状态下盾构机油缸推进模式如表1所示。
 (2)盾构机竖直方向控制。为保障盾构机垂直方向有效控制,对应方案如下:①初始情况下,始发基座标高及坡度应适当增加,避免由始发基座引起的“低头”状况。同时应避免调整上下油缸过急,造成行程差过大。②同时在特殊地层及地段同样设置相应的调整方案,如表2所示。
4.2 同步注浆技术
  同步注浆可快速充填管片背后空洞及孔隙,保证浆液填充饱满,确保地表稳定。同步注浆浆液材料构成如表4所示。
4.3 二次注浆技术
  在同步注浆过程中由于施工工艺、材料性能等原因造成隧道支护结构后出现空洞、孔隙等问题,尤其是在富水地层条件下,空洞处成为水源聚集地,从而造成止水材料破坏或失效形成渗水通道。而二次注浆作为控制隧道渗水病害发生的有效措施,在施工过程中通过再次补充浆液,有效填充背面空洞及孔隙,减小支护结构水压力,同时避免了大量渗水通道的形成。另外,支护结构背后空洞的及时填充,使该区域土层更加密实,变形空间减少,保证了隧道掘进方向的精确度。
  二次辅助灌浆根据不同地段特点可选择不同的灌浆材料,通常选取水泥浆液,而对于开挖隧道附近临近建筑物变形控制严格的地段可采用速凝型浆液。
5 市汉区间盾构掘进中采取措施
5.1 盾构掘进
 (1)掘进速度控制在30mm/min以内,降低土压,控制在1.1~1.2bar,刀盘转速控制在1.5r/min左右,减少贯入度。
 (2)推进过程中以左右推力为主,上下推力为辅,注意左右行程。
 (3)保持盾构前、后点15cm左右向下趋势,如果后点不往下走,继续拉大向下趋势,将管片姿态调整为-10mm后,盾构趋势开始进行逐步抬高前点,每环调整不易超过5mm。
 (4)调整过程中,逐步减少油缸行程差,控制盾构、盾尾及管环姿态,使盾体、盾尾和管片轴线尽量保持一致。
 (5)根据盾尾间隙、盾构趋势及下一部盾构趋势调整方向进行合理管片选型。
5.2 壁后注浆
 (1)浆液配比(水泥∶粉煤灰∶砂子∶膨润土∶水)=250∶360∶600∶50∶560,初凝时间为5h。
 (2)每环同步注浆量为3.5~4.0m3,顶部两根注浆管作为同步注浆重要注浆方式,压力不超过2.5bar,底部2根注浆管不注浆。盾构掘进过程中,管片脱出盾尾1环后,在管片11、1点位注入双液浆,双液浆凝固时间控制在15s,每环注入3包水泥。
 (3)脱出盾尾6~7环,采用同步浆液进行二次补浆,二次补浆以补浆压力为主,注浆压力控制在5bar左右。
  工程实践证明,通过以上措施在软硬不均地层可有效控制盾构掘进姿态,实现隧道的安全快速掘进。
6 结语
  综上所述,本文以徐州市地铁2号线市汉区间段为工程背景,进行在软硬不均地层中盾构姿态超限原因分析及控制方法研究,取得了良好的施工效果,可为今后类似工程提供借鉴。 
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