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富水砂卵石地层盾构施工技术探析

摘要:洛阳市地铁 1号线、2号线属于富水砂卵石地层,其结构松散,卵石含量极高,且地下水位高,渗透性强,是典型的不稳定地层。本文结合本工程长距离富水砂卵石地层的盾构施工情况,针对掘进效率低、渣土改良效果差、刀盘和刀具磨损严重、刀盘扭矩大、盾构推力大、螺旋机磨损严重、刀盘和螺机卡死、带压换刀困难等难题,对富水砂卵石地层盾构施工技术进行了探析。
1工程概述
  洛阳地铁 1号线土建 03标段 08工区盾构区间,包含史家湾站、塔湾站、启明南站、夹马营站,位于工程地质Ⅲ区,属于洛河一级阶地,地下水埋藏深度一般为 4.0~18.0  m ;2号线土建 03标段 06工区盾构区间,包含关林大道站、洛阳龙门站、龙门大道站、刘富村车辆段出入段线,位于工程地质Ⅳ区、Ⅴ区,Ⅳ区地貌单元属伊洛河一级阶地,Ⅴ区为洪流平地,地下水埋藏深度一般为 2.0~15.0m。
  上述地层自上而下依次由杂填土、黄土状粉质黏土、细砂、砂卵石、黄土质粉土构成,主要通过大气降水入渗、洛河河流侧渗、河流渗漏等补给,局部受瀍河等河渠水影响。地层中的砂卵石密实、饱和,粒径以2~15 cm为主,最大粒径可达40 cm,卵石成分主要为砂岩、石英岩、安山岩、玄武岩等,卵石含量为50 %~80 %,充填物主要为细、中砂及圆砾,漂石含量一般为5 %~10 %,局部漂石富集,含量较高。
2 富水砂卵石地层盾构施工重难点
  富水砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,其结构松散,卵石含量极高,且地下水位高,渗透性强。在这种地层中实施盾构隧道施工,主要存在以下施工重难点 :
  ①掘进效率低;
  ②渣土改良效果差;
  ③刀盘和刀具磨损严重;
  ④刀盘扭矩大 ;
  ⑤盾构推力大 ;
  ⑥螺旋机磨损严重 ;
  ⑦刀盘和螺机卡死 ;
  ⑧带压换刀困难。
3 富水砂卵石盾构施工的关键技术
  针对上述富水砂卵石地层隧道盾构施工难点,施工人员可以采取以下技术措施。
3.1盾构掘进控制
  在富水砂卵石地层盾构掘进过程中,施工人员应根据监测成果进行调整和修正,并合理匹配盾构掘进参数,建立有效的土压平衡,同时确保同步注浆效果,以控制地面的沉降和隆起,保证盾构推进速度快、隧道管片拼装质量好。
3.1.1土仓压力控制
  洛阳市地铁的富水砂卵石地层土压力,根据理论计算值可适当增加 0.02~0.03 MPa。考虑到富水砂卵石地层透气性比较好,在掘进停机时,土仓压力要高于设定压力。
3.1.2总推力控制
  根据盾构与地层之间的摩擦阻力,刀盘正面土压力,土仓压力对盾体的阻力,盾尾密封与管片之间的摩擦阻力,变向阻力,切口环前端的贯入阻力,后方台车的牵引阻力,施工人员应及时调整总推力。
3.1.3 推进速度控制
  为保证盾构的防扭转、始发洞门、反力架及负环管片的安全,始发推进速度应控制在 15 mm/min以内 ;正常掘进时,推进速度应控制在 45~65 mm/min。
3.1.4渣土改良控制
  在富水砂卵石地层中掘进时,主要采用泡沫剂进行渣土改良,泡沫剂浓度一般为 1.5 %~4 %,发泡倍率根据实际需要一般为 10~14倍。泡沫的加注量要根据地层、土压、仓内渣土剩余量和掘进速度进行调整,防止刀盘结泥饼。
3.1.5刀盘扭矩控制
  刀盘扭矩变化的主要因素为掘进速度、地质因素、掘进模式、渣土改良状况、刀具状况、刀盘状况。在富水砂卵石地层中掘进时,刀盘扭矩应控制为 2.5~3.5 MN•m。
3.1.6盾构姿态控制
  在推进过程中,施工人员应及时对盾构姿态进行修正和纠偏,保持盾构按设计轴线掘进。在富水砂卵石地层中掘进时,考虑到管片的上浮问题,掘进过程中盾构机姿态应保持在±10 mm。
3.1.7出渣量控制
  富水砂卵石地层自稳性极差,且隧道多位于城市主干道下方,车流量大,沉降控制要求标准高。控制出土量的基本原则为“严格控制、杜绝超挖”,保持新开挖的渣土量等于排出的渣土量,出渣量应控制在 60 m3以内。
3.1.8注浆控制
  盾构推进中的同步注浆控制要点 :
  ①在富水砂卵石地层中,地下水十分丰富,其实际填充系数一般取 1.5~1.8 ;
  ②富水砂卵石地层注浆压力一般控制为 0.15~0.35 MPa,最大不超过 0.4 MPa ;
  ③二次注浆使用专用的注浆泵,根据情况选择使用单液浆或双液浆,注浆压力一般为 0.3~0.5 MPa。
3.2盾构机选型及技术改进措施
3.2.1盾构机选型设计
  本工程采用的盾构机均为中国铁建重工集团有限公司生产,其主要性能参数为 :最小转弯半径 250 m,适应最大坡度±50 ‰,最大工作压力 10 bar,最大开挖直径φ6  440  mm,刀盘开口率 38 %,中心双刃滚刀 4把,单刃滚刀 33把,刮刀 36把,边刮刀 8把,焊接贝壳刀 16把,超挖刀 1把,额定扭矩 6 846 kN•m,脱困扭矩 8 687 kN•m。
  考虑到富水砂卵石地层盾构施工的特殊性,施工单位在选择盾构机时应特别注意 :
  ①刀盘要有足够的强度、刚度、耐磨性能、开口率,以及合适的开口形状、良好的抗磨损能力、切屑破岩能力,主驱动要有足够的驱动扭矩 ;
  ②完善可靠的带压进仓功能;
  ③良好、有效的渣土改良能力;
  ④螺旋输送机要有足够的大粒径卵石通过能力,轴及叶片要有足够的强度、刚度及耐磨性能,筒壁要有足够的耐磨性能 ;
  ⑤铰接密封和盾尾密封具有一定的防水性能。
3.2.2刀盘设计
  (1)在富水砂卵石地层中,为保证刀盘的适应性及掌子面的稳定,施工人员可采用复合式设计,即“辐条 +面板式”刀盘结构。
  (2)刀盘开口位置应尽量靠近刀盘中心,防止渣土形成泥饼 ;开口槽设计成楔形结构,以利于渣土向土仓内流动 ;适当加大开口率,开口率 38 %,中心部位开口率 40 %,刀盘开口部分加焊格栅,只允许粒径300 mm以下的卵石通过。
  (3)刀盘正面贴焊 12 mm厚的碳化铬耐磨复合钢板,大圆环处布置 16把合金保护刀 +高铬高锰钢板 +耐磨合金块,在其他部位堆焊耐磨网格,以提高刀盘面板、外圈梁的耐磨性。
  (4)刀盘设计 4个主动搅拌棒,可对土仓内的渣土进行更好的搅拌,使渣土具有更好的流动性 ;在搅拌棒上堆焊耐磨网格,以提高搅拌棒的抗磨性。
  (5)刀盘面板上设计 8个泡沫喷口,在其中心区域布置 3路泡沫喷口,全部采用单管单泵设计,以提高渣土改良能力,降低渣土的内摩擦角,降低刀盘的扭矩,增加渣土的流动性、渗透性。在刀盘泡沫喷口外部设置保护装置,阻止砂卵石损坏泡沫喷口。
  (6)滚刀采用 18寸宽刃重型合金齿刀圈,由于其对富水砂卵石地层的掘进具有较强的适应性,可以通过碰撞和挤压来达到切削剥落的目的。在刀盘最外轨迹布置 2把滚刀,使其能够更好地保证开挖直径,延长边刀的使用寿命,减少边刀更换的次数。在保证滚刀密封的前提下,施工人员应将滚刀力矩调至 20~30 N•m,以规避滚刀偏磨事件的发生。
3.2.3主驱动设计
  刀盘主驱动设计主要考虑以下因素 :
  ①砂卵石容易沉积,在渣土搅拌力矩大、刀盘扭矩不足时,土仓压力太大易堵转,土仓压力不足易地表沉降,因此盾构应具备较大的扭矩能力 ;
  ②富水砂卵石地层容易发生卡刀盘现象,因此宜采用液压驱动。
3.2.4人舱设计
  考虑到带压换刀保证措施,人舱采用并列双舱在前盾上部安装的形式,以利于复合地层换刀的快捷安全。主舱安装了在压缩空气下工作所必需的标准配置,使用主舱可以带气压进舱完成维修、检查和换刀作业。
3.2.5螺旋输送机设计
  针对富水砂卵石地层的特殊性,螺旋输送机的内径要满足大多数砂卵石和大漂石破碎后的排出能力,要具有在砂卵石地层中长距离掘进的能力,提高螺旋筒、螺旋叶片的耐磨性能,还要具有防喷涌的能力。
3.2.6 铰接密封设计
  在富水砂卵石地层中,由于其地下水含量十分丰富,且小粒径卵石及砂土含量也较多,对铰接密封会产生十分不利的影响,为了保证盾构的密封性能及施工安全,可设计两套铰接密封,以提高安全性能(见图 1)。
4 结语
  随着国家的发展,城市轨道交通越来越重要,盾构施工作为城市轨道交通工程隧道施工的主要方法,其地位也愈加重要。本文通过对洛阳地铁 1号线、2号线长距离富水砂卵石地层的盾构施工技术进行研究,完善并提高了富水砂卵石地层盾构施工技术水平,为城市轨道交通工程施工提供了有益的实践指导意义。
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