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盾构穿越施工风险与控制技术概要

1 指导思想
  地下结构是通过特定建造过程形成而处于扰动后的复杂应力状态下的岩土环境之中。
2盾构施工控制基本原理
3盾构机的选型
  影响因素:
  1)地层适应性(含地层改良)
  2)环境条件
  3)工期成本要求
  4)施工技术要求

4盾构关键施工参数
  两个平衡
  不同地层控制重点
  软粘土地层:压力控制
  砂土地层:压力控制+土量控制
  砂卵石地层:土量控制
  同步注浆与推进速度
5盾构穿越复杂地层
  盾构刀盘选型

  螺旋机参数配置
  (1)带式螺旋与轴式螺旋
  (2)单螺旋与多螺旋:大直径盾构、高压力维持(大于4bar)或困难/复合地层下,单螺旋不适应,应采用多螺旋出土系统或间断排土方式
  (3)螺旋长度(10m-12m)
  (4)螺旋机直径(地铁750-900)
  (5)螺旋叶片间距 (轴式螺旋0.8D)
  (6)螺旋机前端闸门
  (7)可伸缩螺杆 

  螺旋机堵塞故障
  螺旋机堵塞后,拆卸或开启检查孔导致螺旋机失压致喷涌
  螺旋机参数配置
  螺旋机堵塞故障
  螺旋机堵塞后,拆卸或开启检查孔导致螺旋机失压致喷涌
  盾构穿越高灵敏度软土地层
  灵敏度(St>4)
  超固结比(OCR)
  含水量(w>50%)
  孔隙比(e>1.3)
  结构性
  有机质含量(>5%)
  盾构微扰动施工:
  “微扰动32字方针”:
  慢慢的推,分小段推;慢慢的转,均匀的转;
  顶住正面,调整压力;封住盾尾,合理注浆。
  盾构穿越粉砂地层
  砂土的流动性:水力破坏,破坏流动性、磨损性及出渣流动性
  粒径:粉砂、细沙、中粗砂及砾砂;
  渗透性;10-4,
 10-3,10-2,10-1 cm/s
  密实度(孔隙比e):松散砂(e>0.85~0.95)、密实砂(e<0.6~0.7))
  盾构类型:泥水、土压
  刀盘刀具磨损:石英含量
  螺旋机配置:长度、防喷涌装置,防磨损
  平衡方式: 压力平衡,土量控制
  土方计量:调节螺旋输送机的转速(甚至反转)或闸门开度控
  制出土量;采取逐斗控制出土量的方法控制。
  渣土改良:添加剂类型及其配方
  北京地铁事故号线次坍塌
  广州地铁号线坍塌上百平方米
  出土量的实时精确测量
  通过对土箱车称重来控制出土量是最传统的办法。
  应变式称重传感器测量通过皮带机的土碴的重量。
  激光方法是一种非接触光学测量方法,该方法通过对皮带运输机上土碴进行平面发射扫描和反射获取土碴的体积。
  应变式称重传感器 激光方法 核密度方法核密度方法是一种精密的非接触测量方法,通过高聚集放射束穿透皮带机的损耗与土碴量成反比的原理,结合皮带机的速度计量,即可获取土碴量。
  盾构穿越砂卵石地层
  刀盘刀具磨损
  刀盘扭矩、推力配置
  粉碎装置:大飘石、孤石粉碎
  螺旋机配置:直径、螺旋型式、堵塞故障排除
  平衡方式:
  压力控制(非平衡控制):欠压推进、半仓推进,
  土量控制(排土限量控制):
  盾构穿越砂、卵石地层
  土压平衡盾构刀具磨损经验公式: 
  盾构穿越硬粘土地层
  液性指数Il=(W-Wp)/(Wl-Wp)
  >1.0 流塑
  (0.75,1.0] 软塑
  (0.25,0.75] 可塑
  (0.,0.25] 硬塑
  <0 坚塑
  刀盘结泥饼、螺旋机堵塞卡死,排土困难,扭矩大,推进受阻
  急曲线段盾尾间隙大且内外不均匀,隧道外弧面错台,管片开裂
  盾构穿越硬粘土地层
  国内某地铁盾构隧道,硬塑性粘土中小半径转弯段掘进,隧道纵向曲线外侧管片环缝连续错台,开裂。
  荷兰WETSCHELDE隧道:停工3-4个月,后采用水垫法解决; 国内某大型过江隧道:已停顿至今仍未解决(8cm) 
   大深度,高水压,大直径泥水盾构
   地质条件:坚硬地层,推力上升,管片碎裂,盾壳变形
  刀盘结泥饼:刀盘面板设置高压水冲洗喷嘴,清除刀盘或刀具泥饼
  螺旋机堵塞: 原则上应以预防为先。
 (1)首先要保证螺旋机的选型(如:螺旋机口径、螺距、前闸门设置、可伸缩螺杆等)、土舱内搅拌棒的设置合理以及渣土改良措施到位。
 (2)其次,掘进过程中应保证每环泡沫剂用量甚或分散剂,切不可等到出现故障时再临时抱佛脚。一旦发生卡死故障,螺旋机检查孔的开启要慎重
  盾尾壳体变形:加强盾尾壳体刚度,减少纠偏幅度,加强盾尾间隙检查
  特别是:在小半径曲线掘进中,应严格控制盾构姿态,建议将每环注浆的总量提高20%左右,适当加大外侧注浆量(盾构需具备6点注浆)
  上软下硬地层
  盾构上漂,切口上方软土容易坍塌、超挖,导致地面严重沉降。
  1 严格控制土压,土仓压力不得小于主动土压;避免停机;
  2 严格控制出土量(建议每环至少检查并确认三次);
  3 及时添加足量膨润土稳定开挖面;
  4 调整推力,减小刀具在岩层交界面碰撞强度;
  5 降低刀盘转速,防止软硬界面处刀具的崩裂。
  6 定期进行刀具检查和更换。
  上松下软地层
  切口上部松散砂土流动、坍塌导致盾构上部地层松动超挖,而切口下方淤泥产生向上浮托力,导致上空下托的局面,盾构上浮失控,同时伴随大量地表沉降或坍塌施?????
  盾构穿越上松下软地层
  根据专家意见,为遏制盾构上浮所采取的相关措施:
  1、增加盾构配重以克服盾构所受浮力,采用30吨重的铁块放置在盾构机内。
  2、利用管片旋转增加管片超前量以增加推进千斤顶向下的分力,使盾构机头下行;
  3、停用下部2个同步注浆管,仅采用上部2个同步注浆管,利用同步注浆压力对盾构施加一个向下的作用力,同时减小下部同步注浆对盾构产生的浮力;
  4、开启盾构铰接系统,使盾构机身上部迎土面受力增加,土压力作用下使盾构下行;
  5、根据千斤顶分布,为增加上部千斤顶推力,改变千斤顶分区,将腰部千斤顶上移,增加上部推力,增加上下千斤顶推力差,使盾构机下行;
  6、使用槽钢将脱出盾尾管片和盾构机壳内管片连接起来,增加隧道整体刚度,利用盾尾内的管片控制盾构上浮;
  7、在盾尾后5环的衬砌环上部压注双液浆,增加上部土体的强度,防止隧道在千斤顶推力作用下的上浮和盾构上浮相互促进;
  8、改变浆液的配合比,缩短浆液的初凝时间,减少同步注浆对盾构产生的浮力;
  9、减小同步浆液的稠度,减小同步浆液产生的浮力;
  由于下方流塑性淤泥不能提供有效支承,各种措施很难起到效果
  复合地层盾构适应性分类
  盾构施工适应性地层统计及分类——某地铁全线应用
  盾构穿越岩溶复合地层
  突遇不良地质段
6同步注浆风险及其控制
7盾构小曲率半径掘进施工

8盾构穿越敏感建构筑物
  穿越保护标准及流程
  1 地面建构筑物(多层浅基础结构、危旧房屋)
  2 地下管线,地下铁道
  3 高速铁路
  4 道路(高速公路、城市干道、机场场道等)
  盾构隧道穿越施工控制方法
  地下管线保护标准
  多层砖混结构保护标准
  地铁隧道保护标准
  《地下铁道工程施工及验收规范》GB50299-1999:
  轨顶横向高差≤ 4mm。同时,对于直线段轨道,轨顶纵向高低差:用10m弦量最大矢量不大于4mm。
  《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》:
  (1)在地铁工程(外边线)两侧的临近3 m范围内不能进行任何工程。
  (2)地铁结构设施绝对沉降量及水平位移 ≤ 20 mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)。
  (3)隧道变形曲线的曲率半径R ≥ 15000 m。
  (4)相对弯曲 ≤ 1/2500。
  (5)由于建筑物垂直荷载(包括基础地下室)及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载 ≤ 20kPa。
  (6)由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度 ≤ 2.5cm/s。
  上海地铁实际按施工阶段5mm控制,3mm报警
  飞行区保护标准

  (1)系统分析道面结构不同工况条件下的渐进性变形、破坏机理
  (2)综合考虑道面运营的其他各种条件,最终合理确定大直径盾构穿越机场道面的施工控制标准
9盾构穿越建构筑物
  穿越对象与穿越方式
  1 穿越地面建构筑物
  2 穿越地下构筑物
 
  1 正交穿越
  2 斜交穿越
  3 平行侧穿
  穿越房屋监控方法
  监控方法试验段及穿越段
  地铁隧道边缘前后各6环为盾构穿越段,在盾构推进至穿越段前10~40环处设盾构穿越前的试验段,试验段一般20~30环
  穿越房屋方式
  穿越房屋监控方法

  盾尾同步注浆控制

  浆液的形态随离盾尾距离的远近而有所不同,离盾尾较远处(一般约25环以后)由于注浆时间较长以及二次注浆的作用已成固态;稍近的中间一段(一般为盾尾后约25~15环)由于注浆时间不长,浆液尚未凝固完全,从而成为半固态,具有一定的流动性;最接近盾尾的位置(约10 ~ 15环),浆液为明显的流态,但固态、半固态和流态之间没有明显的界限。
  同步注浆与二次注浆 
  穿越每栋房屋时应通过壁后注浆设置三道环箍(盾尾到达前,盾尾脱出后,房屋中部)
  侧穿建筑物的注浆控制
  注浆控制沉降
10盾构下穿地铁运营隧道
  压力设置及变形规律
  土舱压力控制
  土压力分步台阶控制方案
  土舱压力控制的复杂性

  二次注浆控制
  预留注浆孔,实施微扰动注浆(少量多次均匀)

  保护措施
  (1)地面压重
  (2)新建隧道内压重
  (3)运营隧道内加强
  (4)盾尾注浆及时足量
11盾构上下夹穿运营地铁隧道
12盾构穿越运营地铁隧道保护措施
  重点:
   24小时盾构设备保驾维修
   24小时地铁隧道实时监测
   盾构微扰动精细化施工
   隧道的加强或压重
   隧道的二次注浆及反压注浆
   长期监测与维护性补浆
13盾构地下穿越管线
  下穿越大型雨污管道
  管线监测与巡查
  盾构穿越穿越江河
14警示语!!!
  墨菲定律
   如果有两种或两种以上的选择,而其中一种将导致灾难,则必定有人会作出这种选择。
   一、任何事都没有表面看起来那么简单;
   二、所有的事都会比你预计的时间长;
   三、会出错的事总会出错;
   四,如果你担心某种情况发生,那么它就更有可能发生。
 
   近半个世纪以来,“墨菲定律”曾经搅得世界人心神不宁,它提醒我们:我们解决问题的手段越高明,我们将要面临的麻烦就越严重。事故照旧还会发生,永远会发生。“墨菲定律”忠告人们:面对人类的自身缺陷,我们最好还是想得更周到、全面一些,采取多种保险措施,防止偶然发生的人为失误导致灾难和损失。归根到底,“错误”与我们一样,都是这个世界的一部分,狂妄自大只会使我们自讨苦吃,我们必须学会如何接受错误,并不断从中学习真知。
  一连串的错误是如何发生的??
  忙中出错,错上加错(1994.10)
  往往差那么一点点!
  小心阴沟里翻船
  防不胜防
  并非杞人忧天
15彭文区间盾构施工风险
   彭文区间工程地质特点
   彭文区间盾构施工主要风险
  1)上软下硬复合地层
  2)富基岩承压裂隙水地层(溶洞)

  彭文区间盾构施工风险控制
   区间纵向地层转换——选取适当的换刀点或采用一种配置的可能性?
   结泥饼——硬粘土地层
  1、增大中心开口率,刀盘背面配置固定搅拌棒
  2、配置渣土改良剂注入装置、泥饼探测装置、高压水冲刷装置
   刀盘刀具磨损严重——硬岩地层、上软下硬地层
  1、刀具层次布置——保证先行刀(滚刀)与切刀的高差
  2、耐磨设计
  建议在在刀盘的圆周面、正面焊接耐磨层,以增强刀盘的耐磨能力。在螺旋轴最易磨损的前端叶片上加装复合材料耐磨块
   喷涌——承压基岩裂隙水
  1、土体改良 
  2、螺旋输送机配置
  为了更好地形成土塞效应,建议采用中心轴式螺旋机,配置双闸门、开挖仓内前闸门以防止喷涌。如有必要可采用双螺旋输送机,同时应预留土体改良添加剂注入接口和保压泵接口。
  3、盾尾配置
  在富水地层,盾构渗漏问题也不容忽视,建议配置加强型盾尾刷,设计三道尾刷,最后一道尾刷采用外包钢板设计。
   岩溶地层 
  配置超前探测、浓泥浆注浆保压系统
  针对徐州地层可能存在溶洞的问题,建议配置超前探测及超前注浆系统,在盾体设计时考虑完善的超前注浆方案,通过注入浓泥浆保证开挖面前方的压力。
   超前注浆及浓泥浆保压系统
  针对徐州岩溶复合地层,开挖面存在的土洞和溶洞会引起浆液的突发性大量流失,进而导致开挖面失稳、地表沉降等施工风险,建议结合超前探测配置超前注浆系统,使用流动性较差的浓泥浆,保证开挖面前方的压力。
   掘进参数控制
   补充注浆
  盾构机穿越岩溶地层及下穿建筑物过程中,将补充注浆作为盾构推进的常态化工序。将同步注浆管路由盾尾拆出,连接至已脱离盾尾的管片上进行补充注浆。补充注浆每3环进行一次,注浆位置固定为已脱离盾尾的第3环管片(即当前推进环数退后5环)。
   溶洞风险判别 
  溶洞风险判别:洞身及周边5m范围内的溶洞区域定位高风险区,除此之外的溶洞区为低风险区。高风险区的溶洞为全填充溶洞且填充物为硬塑黏土可不进行处理,低风险区内的溶洞可不进行处理。
   溶洞地面处理措施 
  全填充溶洞(需要处理的溶洞)处理:采用压力注浆的方法进行填充加固。
  对于洞径<2m的无填充溶洞和半填充溶洞:采用水泥砂浆填充。对洞径>2m的无填充溶洞和半填充溶洞,先采用吹砂处理,后采用注浆加固。
  洞径>4m的特大型无填充溶洞:先投碎石(5~10ram),后采用注浆加固的方法。投碎石处理时在原钻孔附近(约0.6m)补钻2个投石孔,两投石孔中心与原钻孔中心需在同一线上,两投石孔可相互作为出气孔。对于溶洞高度不大于1m的无填充溶洞和半填充溶洞直接采用1:1水泥浆进行压浆处未填充溶洞处理示意图理。
  盾构洞内处理措施:
  (1)通过盾构机超前注浆系统,对溶洞进行超前注浆。
  (2)通过管片注浆孔进行注浆填充。
  (3)全填充型溶洞采用浆液水泥浆;空洞或半填充型溶洞采用水泥砂浆。
  (4)注浆范围,注浆量根据溶洞情况确定
  彭文区间盾构施工风险控制技术
16软硬岩复合地层盾构绿色施工
   盾构施工耗能耗材分析——耗能与地层条件
  盾构机环耗电量与环工作时间和地质情况都具有较大的相关性,从操作层面上,为达到节省能耗的效果,应尽量提高功率,减少无用的损耗。
   盾构施工耗能耗材分析——耗水与地层条件
  耗水环累积量随着地层硬度增大而增加,原因是地层越硬,盾构产热越多,需要更多水冷却。

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