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盾构长距离穿越胶结砾岩施工 关键技术研究

摘要:盾构技术应用中面临各种复杂的地形环境,以济南市城市轨道交通R3线一期土建工程为例,针对胶结砾岩这一特殊的地质环境下盾构长距离穿越该岩层的施工关键技术进行了探讨,从盾构机选型、施工方案的确定到穿越民房、下穿大辛河等关键环节的施工要点进行了分析,以供同行参考。
0 引言
  盾构机选型、刀具磨损与施工现场的地质环境息息相关。鉴于此,在施工之前,了解施工现场的施工环境是确保工程顺利进行的前提条件。本文选取的工程实例,其盾构区间穿越了胶结砾岩。下面结合工程实际对该区间内盾构施工的关键技术进行探讨。
1 工程概况
  盛福庄站—丁家东站区间(以下简称盛丁区间)是济南市轨道交通工程R3线一期项目,其区间左右线起讫点里程分别为XK7 + 025.054—XK8 + 463.095和SK7 + 025.054—SK8+463.095,全长为1438.041m。主要采用盾构法施工,区间内的隧道为传统的单洞单线,线间距为13~14m,拱顶埋深约11.7~16.8m(局部下穿大辛河4.53m)。该线路经过胶结砾岩、闪长岩等地层,所以采用圆形断面技术。该区间自盛福庄站小里程端始发,到丁家东站大里程端接收。盛丁区间隧道主要穿过胶结砾岩、含碎石粉质黏土、闪长岩等地层。
  K8+463.095—K7+984.864段上部为胶结砾岩和含碎石的粉质黏土,下部为闪长岩(约占隧道的1/3),K7+984.864—K7+700和K7+400—K7+025.054段为全断面胶结砾岩,K7+700—K7+550段上部为胶结砾岩,下部为闪长岩(约占隧道的2/3)
2 盾构机选型及施工方案
2.1 盾构机选型
  本标段盾构所穿越的主要是胶结砾岩层(围岩分级为Ⅴ级),地层岩性分布较为复杂。盾构选型时要从以下方面考虑:
 (1)盾构机需能针对本施工标段的地质条件进行综合处理,既能处理硬质岩层,又能控制损失率;
 (2)沿线邻近的管线复杂,施工时不可损坏;
 (3)盾构机施工时要做好密封工作,谨防渗透。在盛丁区间左/右线盾构区间内各配置1台土压平衡盾构机(JZE6650济南中铁装备盾构机),均由济南重工建造,其盾构掘进里程和主轴承运转时间完全满足本区间1438m盾构区间掘进要求。
  其刀盘设计如下:
 (1)地质软硬不均时,刀盘设计要满足既可处理硬质岩层,同时又能处理砾岩、黏土层。务必确保渣土可顺利进仓。
 (2)地层软硬不均时,尤其是在硬质岩层处,刀具要有破岩功能,且类型多样,可适应多种地质条件。
 (3)控制刀盘转速,缓慢、匀速,最高转速为1.5转/min。
 (4)软弱土层的埋深等情况直接决定土仓的压力值。为确保土压平衡,可使用气压平衡或半气压平衡模式掘进。
2.2 盾构方案
  盛福庄站提供二次始发后,先左线下井组装调试并始发,右线间隔1个月始发,到达丁家东站后吊出退场。该隧道全程使用螺栓进行错位连接,其中纵向和环向所使用的螺栓数量分别为12根和16根,直径为27mm。同时,为了提升其防水性,使用三元乙丙橡胶填充间隙,特别是填充好管片与地层之间的间隙。该盾构隧道的钢轨是单线铺设,轨距为900mm,以便于施工运输,使用55t变频电机车对编组的列车进行牵引,其中电瓶车1节,外加拉矿车4节,砂浆车1节。盾构施工配备1台大跨度45t龙门吊负责渣土提升。管片、轨道等材料由1台20t的龙门吊负责。
3 盾构施工技术要点
3.1 盾构施工工艺
  具体施工工艺流程如图1所示。
3.2 下穿民房施工要点
  沿街商业房位于大辛河与工业南路之间,为混合结构,以独立基础为主,向下埋深2.5m,基础位于杂填土层。该建筑物基础底部距离隧道结构顶部约12.15m。盾构区间下穿该建筑物,下穿里程为K7+085—K7+232。下穿施工要点具体如下。
3.2.1 盾构施工前
  首先,做好详细的沿线施工调查,项目部根据施工区段情况制定详细的施工方案,并对盾构掘进参数进行准确设定,根据工程实际制定相应措施,并下发至每个施工班组。其次,成立以项目领导班子成员为主的应急小组,制定应急救援预案,并准备好应急材料。最后,科学合理地设置相应的参数,并在施工穿越前进行试验。
3.2.2 盾构穿越过程中
  根据掘进状况优化掘进参数,不断调试土仓压力,合理把控出渣量,并根据实际情况适当加大注浆量,尽可能保持盾构机匀速运行,特别是在穿越建筑物时,避免对土堆造成不必要的扰动,防止地表沉陷。当地下水含量较大时,可使用盾构机自带的膨润土系统,将一定浓度的膨润土注入土仓,并通过泡沫系统,向土仓内加入适量的碱水外加剂(如高分子聚合物),以改善渣土状况,避免输送机运输过程中发生喷涌。加强施工监测,重点部位实行24h监测,随时将监测数据反馈给项目部相关部门,以指导掘进。同时为降低施工风险,应根据监测情况将跟踪注浆作为盾构下穿建(构)筑物及管线的有效补充。此外,避免因注浆压力过大而破坏建(构)筑物及管线基础,要时刻把控注浆压力。为方便再次使用,必须定期清洗注浆管,特别是注浆后。在施工过程中安排专人进行巡视检查。巡视检查的内容主要包括以下几个方面:
  一是开裂情况,地表和建筑物都要检查;
  二是地表的隆起或下沉情况;
  三是倾斜问题。
  同时要做好基准点、监测点的巡视,以保证其良好运行。基准点、监测点的巡视以目测为主,并使用量尺、摄像机等相关工具辅助,以保证准确性。要求巡查人员在巡查过程中做好相关记录,相关人员需要对记录的数据及时进行分析。一旦发现基准点、监测点出现异常,必须尽快通知相关部门。
3.2.3 盾构穿越后
  为了严格控制后期沉降,采用增加注浆孔的特殊衬砌环,洞内深层径向注浆。通过在盾构管片注浆孔中打设一定长度的注浆管深入底层,向盾构施工引起的拱顶松动地层(拱部180°范围)进行注浆压浆加固,需要对每环都进行加固。所采用的双液浆为水泥、水玻璃混合液,注浆用钢花管长度为3m,具体可根据现场实际情况确定。注意控制地层加固注浆量。注浆量的计算公式通常为:
  Q=Vna(1 +β)(1)
  式中:Q 为注浆量;V 为加固土体的体积;n 为地层孔隙率;a 为地层填充系数,取0.8;β为浆液消耗系数,取0.2,施工时根据实际情况调整。
  需要对洞内进行监测,以保证施工有序进行,避免因地层失土严重或者不断坍塌,导致空隙无法得到有效填充,从而难以达到预期效果。
3.3 掘进中的渣土改良
3.3.1 渣土改良概述
  渣土改良是通过在刀盘面或土仓内加入添加剂,再配合刀盘的旋转功能,使之与渣土混合,起到土质改良的作用,使开挖出来的渣土流动性、塑性都得到较大程度的改善,有效减少因渣土性能不高而造成的施工事故,比如喷涌、结泥饼、开挖面失稳、排土不畅等。这一措施在改善土质的同时能有效地减少刀盘的磨损。
3.3.2 渣土改良的主要技术措施
  本区间隧道所穿越的地层主要为胶结砾岩层和含碎石粉质黏土、闪长岩层。在盾构掘进过程中,主要通过向土仓内加入泡沫来进行渣土改良,以减小胶结砾岩等地层对刀具的磨损,从而避免刀具更换。
3.3.3 膨润土、泡沫注入装置
  切削刀盘面板部设有6个注入口,把存储在台车上的膨润土箱中的膨润土(泡沫)用2台泵向开挖面注入。该装置由膨润土箱、泵、压力表、流量仪、注入管路、手动球阀等构成。把注入泵泵送的膨润土(泡沫)注入刀盘前。
  在地面完成膨润土浆液的拌制,然后泵送至膨润土罐静置12h以上,检测其比重、黏度、含砂量等性能指标。指标合格后,泵送至盾构机台车上的膨润土箱内。推进过程中由2台挤压式注入泵将其加注到渣土之中,通过刀盘的搅拌作用与渣土均匀混合,从而改善渣土的流塑性。
3.3.4 膨润土、泡沫注入工艺
  注入添加剂的类型要与渣土改良的机理、施工现场的具体情况相符。泡沫适用于注入刀盘中心注入孔中,膨润土浆液适用于注入螺旋机筒体中。除此之外,其他孔注入量要与工程实际相适应。对于单一地层,施工过程中,同一注入孔应避免频繁更换添加剂种类。更换时,要注意保持孔内清洁。盾构推进前,首先加入泡沫,转动刀盘,待刀盘扭矩正常稳定后,再向前推进,同时加入泥浆。每环推进完成后,先停止加泥,转动刀盘3min左右再停止加泡沫。
3.3.5 泡沫添加量
  根据类似地层盾构施工过程中的渣土改良经验,对于胶结砾岩层和含碎石粉质黏土层暂定使用浓度为3%的泡沫原液,发泡体积膨胀率一般为8~12倍,泡沫注入率一般为25%~45%。则每环泡沫剂的用量为:
  V泡沫1 = 1.2 × 3.14 × 3.34 × 3.34 × 0.25 × 0.03/10 = 39.4(L)
  V泡沫2 = 1.2 × 3.14 × 3.34 × 3.34 × 0.45 × 0.03/12 = 47.3(L)
  泡沫的流量根据每环设计用量和掘进速度确定,同时根据土压力变化和螺旋机的出渣状况及时调整。
3.4 下穿大辛河施工要点
3.4.1 下穿大辛河盾构施工要点
  大辛河的河道宽约25m,丰水期河流顺地势自东向西流淌,枯水期水量较小,区间覆土4.53m,上部覆土为胶结砾岩。盾构区间下穿大辛河,其具体施工要点如下。
 (1)施工前做好应急材料和设备的准备,如膨润土泥浆或泡沫剂、聚氨酯、海绵板等。同时要保证这些材料、设备可及时送至抢险处。
 (2)确保同步注浆施工质量。同步注浆填充率(即浆液体积/理论建筑间隙体积)建议不低于160%。
 (3)加强对隧道的监测,特别是盾构姿态和环管片,并做好记录,以便及时调整,以防隧道突然下沉坍塌。
 (4)如果盾尾出现漏沙的情况,必须停止施工,对漏沙位置进行抢修封堵。在封堵时,通常可以将海绵板铺设在管面外弧,而且应当在适当的时侯补浆,在情况危急之时要使用防水涂料封堵,如聚氨酯等。
 (5)为了严格控制后期沉降及避免后期隧道渗漏,采用增加注浆孔的特殊衬砌环,洞内深层径向注浆,若顶层出现松动要立即采取注浆加固,并且对每环都进行加固,所采用的双液浆为水泥、水玻璃混合浆液,注浆用钢花管长度为3~5m。
3.4.2 下穿大辛河挡土墙施工要点
  施工前对挡土墙坡脚纵向6m、横向隧道边线外3m的范围内采用袖阀管分幅(分幅加固宽度不超过3m,施工间隔不小于6m)对地层进行加固,倾斜角度为5~15°,加固深度至隧道顶部。袖阀管注浆参数如下:注浆初压力为0.2~0.3MPa,注浆终压为0.8~1MPa,浆液水灰比为1∶1。在穿越前后施工过程中,加强施工监测,实行24h监测,随时将监测数据反馈给项目部相关部门,以指导施工。并安排专人进行巡视检查,巡视检查的内容主要包括地表和建筑物是否开裂,地表是否存在隆起、下沉或倾斜等情况。
4 结语
  盾构长距离穿越胶结砾岩施工时,需要关注地形、地势特征,针对不同的情况选用不同的盾构机,采用合理的施工方案,以确保施工质量和安全。

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