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复杂地质条件下地铁盾构施工要点探究

(福州市地铁建设工程质量安全监督站)
0引言
    随着我国社会经济的不断发展,城市交通的规划建设也随之呈现出向下层空间延伸的趋势,直接导致盾构穿越既有铁路的工程项目数量越来越多。由于穿越底层的地质状况具有不可控的复杂特点,盾构施工极易造成地面的沉降和变形,对周围建筑物和地下管线产生十分严重的影响,如果不对其加以重视,甚至还会威胁到人们的生命安全和社会的可持续发展。因此,在不同情况下选用合适的施工工艺显得尤为重要。
1工程概况
    本工程为福州市轨道交通2号线金祥站-祥坂站盾构区间工程,采用中交天和生产的两台泥水盾构机施工,在里程ZDK23+820~ZDK24+180处下穿融侨水乡温泉别墅区,下穿长度约360m,其中153.5m暂无相应地质资料,如图1所示;在ZDK24+185(闽江南岸防洪堤)~ZDK24+883(闽江北岸驳岸)处下穿闽江,长698m,其中江面宽度500m(受季节及潮汐影响),其中南岸防洪堤基础为高压水泥防渗墙,底部距隧道顶部18m;闽江北岸驳岸基础为浆砌石,底部距隧道顶部20.5m如图2所示。
1.1工程地质
    (1)过融侨水乡温泉别墅段隧道断面主要地质为淤泥质土层,最小覆土厚度18m,最大富土厚度30m,其中153m暂无相应地质资料。根据两侧相邻隧道断面地质情况分析,暂时推断该区段地层为淤泥质土层,具体土质情况,根据实际掘进过程中进行论证;水位埋深4m,距离隧道顶部14~26m的位置,隧道从融侨水乡别墅内人工河下经过,隧道顶板位于人工河床面以下20m处经过。据调查,河床底为混凝土铺砌,地表水与地下水水力联系微弱,该人工河对盾构施工的影响较小。
    (2)过闽江段地质情况以<2-4-2>淤泥质土为主,期间夹杂<2-6>(含粗砂)粉质粘土、<2-5>(含泥)粗中砂及淤泥夹砂,地下水位埋深0.1~4.63m,下穿闽江时最小覆土厚度为8.8m,闽江最大水深12.8m。
 
 
1.2水文地质条件
    勘察范围内所有钻孔均遇见地下水。勘察时测得钻孔中初见水位埋深为0.10~6.20m,初见水位标高为2.41~9.12m;混合稳定水位埋深为0.10~7.80m,稳定水位标高为-1.89~9.02m,<2-5>(含泥)粗中砂中地下水由潜水转为承压水,勘察时测得<2-5>(含泥)粗中砂的水位埋深为4.06~4.11m,水位标高为3.42~3.87m,且该层地下水与闽江直接相连,靠近闽江附近的地下水受闽江涨落潮变化而变化。1.3施工难点沿线建筑物、管线复杂,沉降控制困难,区间隧道主要侧穿凯旋丹枫高层住宅、金汇豪庭高层住宅,下穿融侨水乡别墅区、闽江防洪堤,侧穿江滨大道高架桥基础等建构筑物,其中金祥路、融侨水乡别墅、闽江大道等沿线管线密布,建筑物较多,对建筑物影响大、风险高,地表沉降控制较为困难。
1.4盾构选型
    根据本隧洞既穿越透砂层,又从淤泥质土中通过,尤其需要承受高水压和长距离施工,综合考虑风险、经济、技术和工期等多种因素,选用气垫式泥水平衡盾构机进行施工。在施工时盾构机刀盘直径6500mm,同时增加了耐磨装置及保护刀具的数量,配置了破碎机,盾构机总推力41600kN,刀盘开口率为27.8%,额定扭矩达到5631kN·m,根据项目需承受高水压和长距离施工的特点,盾尾设置四道密封。2复杂地质盾构掘进施工要点针对本区间的特殊地质、地表、建构筑物、管线及其他情况,严格按照设计图纸要求进行加固,加固里程为YDK23+601.000~YDK25。如图3,加固位置为隧道底部120°范围内,外扩2m,注浆压力为外界水压力+0.3~0.5MPa,注浆速率小2L/min,具体注浆量及注浆压力由现场试验确定。浆液采用纯水泥浆单浆,水灰比为0.6~1.0∶1,初凝30min~2h,施工时以注浆压力与隧道抬升5mm为双控指标,稳压10min即可结束单孔注浆。~2h,施工时以注浆压力与隧道抬升5mm为双控指标,稳压10min即可结束单孔注浆。
2.1泥水压力及参数设定控制
    (1)泥水压力的设定。为保证泥水盾构开挖面稳定,泥浆压力必须分别平衡开挖面处的水压力和土压力。目前泥水盾构开挖面稳定性计算方法主要有经验系数法、极限平衡法以及有限元解析法。工程中支护压力的确定普遍采用经验法,其一般计算公式为:切口水压=土压力+水压力+预留压力(20MPa),切口水压的控制根据水土压力能够计算出来。同时需要根据地下水位变化实时调整分析。
    (2)泥水参数的控制。根据此区段的地质情况,主要以(含泥)粗中砂、淤泥质土为主,泥浆以新拌泥浆为主,在掘进过程中逐步调整泥浆配比,泥浆的比重控制在1.05~1.15g/cm3,粘度控制在30s左右。在施工过程中,每一环推进前后都要检测各项泥浆指标,分析泥浆指标变化趋势,及时调整指标参数至满足施工要求为止,并做好记录。
2.2出渣量控制
    盾构机掘进时必须严格控制每环的出渣量,防止过量超挖。理论出渣量=盾构开挖面积×掘进长度×土体的自然重度;实际出渣量=(排浆流量×排浆比重-进浆流量×进浆比重)×掘进时间,由盾构机控制系统自行进行统计,并由地质工程师根据渣土场出渣量进行复核。一般实际出渣量宜控制在理论出渣量的97%~100%。
2.3同步注浆及二次注浆的控制
    同步注浆砂浆由地面搅拌站拌制后,泵送至电瓶机车砂浆搅拌罐,再由电瓶车运送至盾构机,在盾构推进的同时,通过盾尾4个注入口将浆液注入隧道建筑间隙。
2.3.1同步注浆控制
    (1)注浆压力控制。盾构机在盾尾处设有4个浆液注入点,盾尾同步注浆压力因浆液注入点位置不同而不同,施工中还应根据实际情况进行调整,做到注浆压力和周围土压力维持平衡。本工程的壁后注浆压力,在始发阶段时注浆压力应控制0.2~0.3MPa之间,随着埋深的加大,注浆压力应适当加大,但应根据注浆量联合控制。
    (2)注浆量控制。随盾构掘进,刀盘与管片之间建筑空隙
    理论为:
    V=π/4(6.52-6.22)×1.2=3.59m3/环
    施工中对注浆点进行压力、注浆量双参数控制,保证填充效果。如施工过程中发现浆液注入量持续增多,则必须检查超挖、漏失等因素。注入量低于预定值时,则应考虑注入浆液配比、注入时期、盾构推进速度过快或出现故障等原因,一般采取加大注浆压力或二次注浆。
    (3)注浆时间及速度。盾构机开始掘进后,即同步开始进行壁后注浆,同步注浆的速度与盾构机推进的速度相匹配最终达到设计的注浆量及压力。
    (4)管路清洗。为确保管路畅通,盾构机总计六备四用注浆管路,在每班掘进结束后应及时对储浆罐、注浆设备及管路进行清洗,防止停止注浆后出现管路堵塞。
2.3.2二次注浆
    由于此区段地下水位较高,且隧道存在上浮风险,在底部120°注浆的基础上,计划每十环额外增加一次整环二次注浆,二次注浆浆液采用1∶1的水泥浆液配比,采用压力与注浆量双控,压力与同步注浆压力相近,使得隧道后方形成止水环箍,达到预防隧道上浮,防止隧道后部水与刀盘前部泥水相通,同时也有一定的稳定后期地表沉降的目的。
2.4推力、掘进速度及刀盘转速
    在试掘进段,应以保证掘进质量、控制地表累计沉降参数为主,以积累综合施工参数为目的,掘进速度不宜过快,但要进行快速慢速的实验,整体推进速度控制在20~50mm/min,平均推进速度控制在30mm/min左右,刀盘转速与推进速度相匹配,推力整体控制在18000kN以下。
2.5管片安装
    管片拼装点位以满足隧道线型为前提,重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一环拼装,确保有足够的盾尾间隙,以防管片紧贴盾壳对盾尾刷造成损害。管片安装流程如图4。
 
2.6掘进姿态控制
2.6.1盾构掘进姿态控制
    (1)采用演算工坊隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。该系统能够直观地全天候在盾构机主控室动态显示盾构当前垂直和水平位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整盾构机掘进姿态。
    (2)通过盾构机铰接系统及推进系统来控制掘进时的姿态。
2.6.2盾构掘进姿态调整及纠偏
    (1)姿态调整及纠偏原则。纠偏应逐环、小量纠偏,防止过量纠偏而损坏已拼装管片和盾尾密封。曲线段掘进时,应在进入曲线前预留靠曲线内侧的偏移量。
    (2)掘进姿态调整与纠偏方法。根据导向系统反映的盾构姿态信息及线路条件,结合隧道地层情况,通过选择盾构机的推进油缸模式来控制掘进方向。同时在曲线段掘进时,按照曲线半径计算铰接角度,调节铰接油缸伸长量辅助曲线施工。推进油缸有两种模式:主推模式及低压跟随模式,在控制面盘上进行选择。选择向哪一侧掘进,即选择增加这一侧跟随油缸数量及增加相对一侧主推油缸数量。下坡段掘进时则适当增加盾构机上部分区压力;在左转弯曲线段掘进时,则适当增加盾构机右侧分区压力,增加左侧跟随油缸数量;在右转弯曲线掘进时,则适当增加盾构机左侧主推油缸数量,增加右侧跟随油缸数量。
2.6.3方向控制及纠偏注意事项
    (1)推进油缸油压的调整不宜过快、过大,切换速度过快可能造成管片受力状态突变,而使管片损坏。
    (2)根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数,调整掘进方向时应设置警戒值与限制值,达到警戒值时需立即启动实施纠偏程序,计算纠偏曲线,纠偏时姿态调整参照纠偏曲线进行。
    (3)纠偏作业必须在确保管片相对盾构机处在良好状态时方可进行,纠偏作业过程中严格监控盾尾间隙,每推进30cm,测量一次盾尾间隙,确保盾构机不发生卡壳,盾尾刷不损坏。
    (4)蛇行的修正应以长距离慢慢修正为原则,如修正过急,蛇行反而更加明显。在直线推进的情况下,应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线,然后再以这条线为新的基准进行线形管理。在曲线推进的情况下,应使用使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。
    (5)正确进行管片拼装点位选择,利用管片楔形量进行纠偏。
2.7监控量测技术
    盾构掘进前要目前监测项目的监测目标、方法、频率、控制值以及报警值,再进行监测数据的分析,并及时反馈指导施工。
3结束语
    综上所述,地铁盾构施工面临许多复杂的地质条件,作为施工技术人员,必须考虑现场实际情况,结合实际情况合理选择盾构掘进施工技术,严格控制盾构掘进状态和参数,加强掘进过程控制,提高盾构施工管理水平,才能提高盾构施工质量。
    参看文献:中国知网

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