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城市富水砂卵石地层地铁盾构掘进面 的稳定性控制技术

摘 要:以成都地铁6号线富水砂卵石地层盾构工程为背景,开展了富水砂卵石地层分析、盾构选型及控制参数分析、现场盾构掘进,进一步提出和总结了成都地铁富水砂卵石地层盾构施工关键技术及具体措施。包括树立“排出为主,破碎为辅”的地层处治理念,调整刀盘和螺旋出土和螺旋出土器的结构形式、刀盘开口率、刀盘布置形式,改进同步注浆和二次注浆浆液配合比,优化渣土改良系统,提升沿线注浆工艺等。
1 盾构区间工程概况
  成都地铁6号线一、二期工程土建3标段共3站3区间,盾构区间包括盾构法区间隧道、区间联络通道、洞门、区间泵站及附属工程施工区间隧道施工影响范围内的建(构)筑物、市政管线(设施)保护、加固,盾构始发孔和吊出孔封堵。本工程区间隧道主要穿越砂卵石和泥岩地层,工程地质性质差,盾构进出洞易对该地层造成扰动,可能引起地面建筑不均匀沉降过大甚至结构开裂等风险。
2 盾构推进过程中的施工控制措施
2.1 施工工序
  施工工序如图1所示。
2.2 盾构试推进
  2台盾构机组装调试完成后,隧道前100 m 推进做为盾构运行的调试磨合阶段,将盾构100 m 试推进分为2个阶段,即前50 m 试推进,50~100 m 试推进。
2.3 渣土改良
2.3.1 渣土改良功能
  风化泥岩地层中的盾构施工和淤泥改良是确保盾构施工安全、顺利和快速的最重要和不可缺少的技术手段。
2.3.2 渣土改良方法
  渣土的改进是通过盾构机的专用装置向刀面、土仓和螺旋输送机注入添加剂,并通过旋转搅拌刀头、土仓搅拌装置或螺旋输送机将添加剂与渣土混合。其主要目的是使盾构机切割的渣土具有良好的流动性,适当的稠度,较低的渗透性和较小的摩擦阻力,从而满足在不同地质条件下前进时的理想工作条件。添加剂主要包括泡沫、膨润土和聚合物。
2.3.3 渣土改良的主要技术要点
  渣土的可加工性是判断渣土改良效果的最重要标准。正常的可加工性使土壤和水不分离,流动性好,淤泥的稠度在12~20之间。这也极大地影响了屏蔽推进的效率。
  设定适当的泡沫参数,在刀头前注入适量泡沫,在土仓上部同步注入适量水,形成流动性好的土石混合物,减少刀头、刀头扭矩和螺旋输送机的磨损,在螺旋输送机上形成土塞效应,防止喷出。
2.4 刀盘结泥饼
 (1)在盾构推进泥岩地层时,渣土中粘性矿物质含量较高,必须进行必要的渣土改良,主要以泡沫为主,以降低土体间的粘聚力,提高渣土的流塑性,保证土仓压力稳定和排渣的顺畅,在施工中及时观察所排渣土的情况,及时调整渣土改良的比例,以减少土体的粘性度和粘着力。
 (2)渣土改良过程中必须在刀盘前方注水,使渣土在刀盘切土过程中进行改良,同时有效降低刀盘温度,减少结泥饼的概率。
 (3)要求连续、快速施工。如果每环推进超过3 h,刀盘连续工作将会使刀盘温度不断升高,加大了结泥饼的概率。
 (4)施工过程中观测分析盾构穿越岩层的特性,在推进过程中应充分了解施工速度、盾构推进性能,泥土温度之间的能量转换关系及其对泥饼形成的影响,控制好推进速度,减少泥饼产生的概率。
 (5)定期向土仓注入分散剂。
2.5 出土量控制
  出土量管理是盾构推进的根本,是控制地层损失率的最直接、有效的手段。
  出土量控制必须以渣土体积控制为主,重量控制为辅。
  环宽1.5 m 的管片,每环出土量控制在56 m3为佳,上下偏差最大不超过2 m3。以56 m3为标准,每车出土量(14 m3)须与相应的推进距离(375 mm)及时进行对比复核。
  盾构施工中,对推进所排出的渣土样本进行分析,判断地质情况,根据地质情况,确定出土量。
  在盾构推进过程中,每日及时检查相应地面是否有异常。当出土数量超过标准时,应增加检查频率,并派专人监控。严格确保土仓中的全土状态和渣土的可加工性是土壤数量管理的一个重要方面。
2.6 盾构姿态控制及调整
  在隧道曲线、坡度变化和运行因素的影响下,盾构推进不能完全遵循设计的隧道轴线,但会产生一定的偏差。因此,盾构施工须采取有效的技术措施,及时有效地控制推进方向,纠正推进偏差。
在盾构推进过程中,推进速度应该保持相对稳定。严格控制提前里程,及时用计算出的三维坐标检查施工测量结果,并及时调整。
  初始的小偏差应该及时纠正。应该防止盾构机采取蛇形,并且应控制偏差校正量。偏差校正量不应一次过大,并应遵循“频繁校正和缓慢校正”的原则,偏差校正量每圈不超过5 mm。以便减少对地层的干扰并为分段组装创造良好的条件。
2.7 壁后注浆控制
2.7.1 同步注浆
  当管片在盾尾处安装完成后盾构机向前推进,管片与土层之间形成14 cm 的建筑间隙时,及时采用浆液材料填充此环形间隙有利于防止和减少地层变形,提高结构的稳定性。
2.7.2 同步注浆材料
  该同步灌浆材料采用水泥砂浆(硬浆),具有凝结时间短,强度高,耐久性好,耐腐蚀性好的特点。对浆料的配合比进行了不同的试验和性能测试,以优化配合比,满足不同条件下的使用要求。同时,在试施工过程中,应在检查浆液配合比后,优化和调整地表沉降监测。
2.7.3 二次补充注浆
  为防止因管片上浮造成管片错台、破损,在管片脱出盾尾2~3环后进行二次注浆。二次注浆通过吊装孔进行,选用水泥–水玻璃双液浆,注浆压力为0.2~0.4 MPa。注浆前需在起吊孔内装入单向逆止阀并凿穿外侧保护层。在连接桥上的砂浆泵的输浆管上装1个分支接口,通过该接口即可实施管片注浆。二次注浆一般采用手动控制。
2.7.4 地表跟踪注浆
  当地表监测发现异常情况时,应迅速进行地表跟踪注浆。注浆采用地质钻机在可疑地段钻孔,埋入注浆管注浆,钻孔应避开地下管线。
  浆液通常为水泥浆,压力控制在0.5~1 MPa,注浆过程中要随时观测注浆压力变化和地表变形情况,防止地表隆起。
2.8 管片姿态测量控制
 (1)了解隧道穿越路段的地质条件,包括里程、土壤分布、深度、强度和含水量,并为不同路段制订超前掘进措施。在掘进过程中,及时调整掘进速度、添加到刀盘上的润滑剂量和掘进方式等施工参数。
 (2)加强盾构机姿态的控制,特别是上坡或下坡路段,注意千斤顶的力分量对路段的影响,及时调整姿态和千斤顶行程差。避免超挖和蛇行,并努力平衡各组推进缸的推力。
 (3)在变坡路段,必须注意路段的选择和正确安装。
 (4)控制测量的精度和频率,严格按要求建立手动测量和自动测量控制系统,严格控制测量的精度,合理安排隧道内的测量控制点和导线,并根据工程实际情况合理控制测量和复核的频率。根据测量结果,调整盾构机的控制参数和分段装配(如调整对称千斤顶的行程差,合理控制各个区域千斤顶的行程,合理使用铰链和超挖设施,调整分段类型和装配方法等)。
 (5)改变砂浆比,增加水泥用量,减少浆液初凝时间,及时充分灌浆,提高固结效果。
 (6)加强线段的姿态测量。一旦出现异常漂浮现象,立即开始二次灌浆(隧道顶部双重灌浆),以有效控制管段进一步漂浮。
 (7)确保分段连接螺栓的安装质量。在管片组装过程中,尽量减少管片之间的误差,及时安装连接螺栓,确保管片定位准确,连接牢固。使用仪器检测该段的安装误差,如果误差超过允许值,则进行调整。在管片安装到位后,推进系统施加在管片上的轴向压力应该在下一个掘进周期开始时缓慢而均匀地施加。掘进开始时,管片连接螺栓也会松动,松动的螺栓应及时拧紧。
3 结论
 (1)通过在施工过程中应用正确的盾构机配置和选型技术,成都地铁施工过程中刀盘磨损大幅度减轻,渣土改良明显改善,地表沉降有效控制,提高了盾构掘进效率和降低了工程风险。
 (2)成都地区富水砂卵石地层采用土压平衡盾构施工,刀盘结构形式及土体改良效果是砂卵石地层盾构施工效率、地层适应性的主要影响因素,解决好上述2大因素,可以大幅提高土压平衡盾构的掘进性能和适应性特征,使得该类型地层采用土压平衡盾构施工完全可行。
 (3)膨润土和发泡剂的组合已过测试,证明在成都富水砂卵石地层中,膨润土和发泡剂的组合对土壤改良是有效的。
 (4)在成都富水砂卵石地层、长距离快速掘进、建筑物和管道短距离穿越、复杂条件下开始施工,各行各业的同事仍有必要不断探索经验教训,不断提高盾构施工水平,确保地铁盾构施工的安全、高效和经济。
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