土压平衡盾构穿越岩溶孤石地层的轴线控制施工技术研究-行业新闻-福建中天重工机械设备有限公司

新闻资讯

联系我们

福建中天重工机械设备有限公司

电话：0731-89783591

Email：2324467190@qq.com

Q Q：2324467190

营运中心地址：湖南省长沙市天心区芙蓉南路和庄A1-3110

您当前所在的位置：首页>>新闻资讯>>行业新闻行业新闻

土压平衡盾构穿越岩溶孤石地层的轴线控制施工技术研究

0 引言
孤石是指花岗岩风化土中未风化或者微风化的坚硬球状体，因其形状、大小、分布位置具有离散性，且强度较高，对地下工程尤其是盾构隧道工程施工影响极大。受孤石的影响，盾构施工过程中可能出现的主要风险有：掘进时盾构姿态难以控制，遇到大直径孤石时易导致盾构转向或偏离隧道轴线，甚至发生盾构被卡等风险;由于孤石伴随刀盘一直旋转，掌子面无硬岩面提供反力破碎，掌子面稳定性难以控制，易发生喷涌、坍塌等开挖面失稳情况，且刀盘开挖面扩大，扰动周边地层，极易发生地面塌陷;刀盘和刀具磨损严重，刀盘受力不均致使主轴承受损或密封破坏，扭矩推力增大，刀盘堵塞、盾构负载加大，掘进速度减低，从业人员带压进仓换刀作业危险极大;当盾构机自身设备无法对舱内孤石进行彻底处理时，需要开仓进行人工爆破，加剧地层挠动。
近年来，随着我国各大城市地铁网络的不断完善，地铁线路不可避免地需穿越不良地质区域，深圳、广州、长沙、厦门等城市在地铁施工过程中均不同程度地遇到“孤石”地层，相关从业人员针对盾构掘进孤石处理技术进行了大量的研究和现场测试，取得了许多理论性成果及成功的案例。但孤石的存在对盾构推进过程中姿态控制的影响及盾构穿越孤石地层的轴线控制技术研究则还没有见到相关文献。本文以中南某城市地铁盾构工程孤石处理为研究背景，对土压平衡盾构推进过程中的轴线控制技术进行研究，可为类似工程提供借鉴。
1 工程概况
中南某城市某地铁区间地处城市主干道下方，道路两侧为密集高层商业楼群，隧道距离建筑物7.5～14.0m。该区间段长约650m，地下水位7～8m，地质条件复杂，其中约380m盾构施工段处于岩溶影响区，溶洞见洞率约为20%。本场地岩溶发育较强烈，埋藏型岩溶为主，并主要发育在灰岩中，泥灰岩次之，炭质灰岩基本不发育。岩溶形态可表现为溶沟、溶槽、溶隙、溶洞等，规模大小不一且分布离散。
本区间段左线盾构施工过程中土压平衡盾构机掘进至岩溶区遭遇孤石，盾构螺旋输送机堵塞无法出渣，开仓后发现掌子面堆积大量直径大于60cm孤石，且存在少数直径大于1.5m的孤石，孤石为微风化灰岩块，经抗压强度检测达100MPa左右，螺旋输送机出渣口被堵塞。盾构掘进过程中各施工参数异常，推力值最大达到21000kN，刀盘扭矩值900～2200kN.m，波动极不规律，掘进姿态难以控制，特别是ZDK7+250～ZDK7+220(30m范围)盾构姿态失控，盾构机偏移超限至最大峰值520mm(如图1)。现场亟需采取施工措施进行盾构轴线纠偏，并重新拟定轴线控制方案。

2 轴线偏离原因分析
盾构推进时轴线控制影响因素主要有：①盾构机的选型、盾构机制造误差;②穿越层土质特性的影响。盾构机推进过程中受到穿越层土质特性变化、隧道埋深变化或地下既有建筑物存在等因素的影响，若不能及时调整盾构机推力和扭矩，则可能导致盾构偏向;③始发基座的变形。盾构基座设置与洞门中心位置、盾构机长度、反力架尺寸、设计坡度与平面方向等因素相关，如果其中任一因素发生改变将会导致盾构机初始推进时发生位置偏移，甚至在始发后盾构推进轴线与基座轴线产生较大夹角，导致其偏离隧道设计轴线;④管片拼装及注浆的影响。因管片拼装误差，已拼装的管片与盾尾间隙大小不均，甚至管片与盾尾有接触现象，所产生的摩阻力将影响轴线控制。盾构推进时同步注浆量的多少、浆液压力的大小及环向分布情况、注浆材料收缩等都可能对轴线控制产生影响。上述第1种影响因素是盾构机自身原因，后3种可通过及时调整盾构参数控制。
结合本工程实际情况，经研究分析，影响土压平衡盾构机轴线偏离隧道设计轴线的主要因素有以下几点:
1)地层原因。
本段地层处于区间灰岩溶蚀发育的岩溶区与基岩层交界面处，基岩层分布复杂多变，地质剖面图显示交界面基岩分为中微风化灰岩、泥质灰岩等，岩层分布不均匀且起伏较大，中间还夹杂溶蚀填充层。根据不同地域孤石工程特征分类，本标段孤石属于灰岩剥落的大石块，复合灰岩地层由于凸起灰岩剥落到凹地残积地层上，其位置主要堆积在凹地最低点，上部又被冲积或坡积回填，形成孤石和孤石群现象。地层中孤石使掌子面形成软硬不均地层，孤石强度为中微风化灰岩，其他底部位为砂卵石地溶蚀填充层，掌子面软硬强度差别较大，刀盘切削掌子面时受力不均，盾构机4组液压油缸无法达成供油平衡，盾构机趋势倾向受掌子面反力小的一面移动，造成盾构姿态发生较大偏移。
2)孤石处理缺乏经验。
根据已有的地勘资料对孤石群的信息把握不准，盾构在进入孤石群前未进行停机检修。对于残积岩层和沉积地层内的孤石，土压平衡盾构穿越孤石复合地层进行孤石处理时，首先应参照沿线其他地下工程所揭露出的地质情况，依据拟建线路的工程地质概况来判断可能的孤石类型，采用合适的探测方法确定孤石位置，并进一步确定孤石大小、工程性质及周边的地质环境，评估孤石处理方法。
3)盾构设备选型欠针对性考虑。
本段土压平衡盾构机选型存在3个问题:第一，刀盘刀具根据勘察报告中砂卵石层较厚特点已经配备了耐磨装置，但卵石强度远远小于孤石强度(100MPa)，耐磨强度估计不足，刀盘磨损严重增加换刀风险;第二，对于一般直径较小孤石及沉积型孤石可以通过盾构直接破除或排除，本标段刀盘设计开口率满足要求，但不能从螺旋机排除，必须开仓处理，掌子面土压平衡无法保障，盾构无法连续作业，导致盾构姿态不受控;第三，掘进油缸采用液压分配阀控制油压，当油压达到8MPa时，油压推力就不再增加，在孤石群分区油压差小，无法达到及时纠偏效果。
4)盾构操作手缺乏经验，纠偏过急。
盾构施工过程中应遵循“勤纠偏、小纠偏”的原则，根据掌子面的地质情况对液压推进油缸进行分区操作，合理调整4组液压油缸千斤顶供油压力，保障盾构姿态沿线设计轴线。发生轴线偏移情况下应先停机分析，及时采取针对性有效措施。
3 孤石处理及轴线控制措施
本区间段左线盾构遭遇孤石、轴线偏离后，现场立即停机开仓。及时组织相关专家和技术人员根据目前状况进行了深入分析，根据专家意见采取有效措施进行轴线纠偏，并通过盾构机设备改造和掘进技术优化对后续施工提高土压平衡盾构机对孤石地层的适应性，有效加强隧道轴线控制。
3.1 岩溶孤石群处理
1)提前探测隧道沿线孤石群。为减少风险发生的概率和损失，在地勘资料的基础上，对隧道沿线的地质情况进行分析，根据孤石成因分析，聘请有资质的探测队对未掘进段进行临时围挡探测，以防盾构穿越孤石群地质时隧道轴线偏离的情况再次发生。采用钻孔直观揭露，钻孔之间采用超高密度直流电法跨孔探测，达到点面结合。超高密度直流电法系统基本原理仍是基于普通电阻率法探测理论基础，同样是以岩土体的电性差异为物理基础判断是否存在孤石(见图2)。

2)对仓内孤石尽快进行处理。本工程处于繁华道路区域下，交通疏解困难，不具备地面爆破孤石的条件，采用洞内静态爆破的方式处理。先对仓内掌子面进行引管排水，确保掌子面稳定后采取洞内微膨胀塑胶爆破和人工凿破(见图3和图4)，把仓内较大孤石块爆破成小块再由人工取出。

3.2 盾构机设备改造
1)增设螺旋输送机检查口。在盾构螺旋机处增设检查口，可及时从检查口取出堵塞的岩石块(见图5)。

2)增设聚合物渣土改良管路。原盾构刀盘上设有膨润土管路和泡沫管路，因本工程孤石群地层多位于高水压砂卵石地层，在螺旋机进渣口处增设高分子聚合物渣土改良管路，以确保盾构机在破除孤石时螺旋机不发生喷涌等掌子面失稳问题，影响施工安全和掘进稳定性。
3)优化刀盘开口率。盾构在进入孤石群前进行停机检查，开仓后由工作人员进仓加焊刀盘幅板间格栅(见图6)，降低刀盘的最大开口率，防止岩石块再次输送至螺旋机堵塞。

4)增加外接液压油缸。在孤石群地层中隧道一部分为孤石群、一部分为基岩的情况很多，当盾构离开基岩时，刀盘一侧为孤石、一侧为基岩，极易产生轴线偏离。此时受盾构机本身设备供压限制，需在孤石群一侧增加一组或两组外接液压油缸(见图7)，增加单组区域推力以实现纠偏。

3.3 盾构掘进技术优化
1)盾构停机位置选择。提前了解地质剖面图和孤石探测结果，盾构在进入孤石群前需进行停机检修，停机位置选择灰岩RQD值大于85%、覆盖厚度大于3m、土层渗透系数小于10^－6cm/s的地质稳定地段。
2)掘进模式选择。根据开挖面砂卵石顶部粘土层厚度情况，采用欠土压掘进模式，控制土仓压力比计算土压约小于0.1MPa。
3)掘进参数控制。在孤石群中采用小推力、低扭矩、低转速掘进，掘进速度控制在3cm/min以内，推力控制在12000kN以内，扭矩控制在1800kN·m以内，刀盘转速控制在1.3r/min以内。
4)推进方向调整。掘进过程中加强轴线复测，通过及时调整推进千斤顶各区的推进油压差值，使盾构机的切口、铰接、盾尾三个关键节点尽量保持在轴线附近，严格控制或纠正盾构机的前进方向。
5)盾构渣土改良。采用5%配比的HT—03A泡沫剂进行动态渣土改良，确保盾构切削下来的渣土具有合适的稠度、良好的流塑性和较小的摩阻力，使渣土畅流无阻，同时降低了刀盘和排土器的扭矩。掘进过程中随时关注开挖仓内水压和渣土颗粒变化，一旦发生出渣不畅、水压变大，立即采用高分子聚合物溶液进行改良。
6)同步注浆控制。根据盾构掘进的速度匹配合适的注浆压力和注浆速度，并确保同步注浆量，及时对同步注浆未能填充满的管片背面进行二次补充注浆。
3.4 施工工效
本区间左线盾构恢复掘进前，对盾构操作司机进行地质交底，要求盾构司机详细了解地质情况并做出应急预案，现场备用外接液压油缸，在盾构操作过程中参数长时间异常时及时停机和处理，不可强纠偏引起情况恶化。因施工开仓作业的空间局限性，左线针对孤石处理开仓作业7次，更换刀具28把，处理各种大小孤石16m³。通过采取上述措施方案，在ZDK7+220～ZDK7+175 (45m范围)盾构姿态得到控制，经过45m距离纠偏盾构姿态调整至规范要求范围，盾构恢复正常掘进并顺利通过岩溶孤石区。
右线盾构在到达岩溶孤石群区的施工里程前，参照左线施工经验提前做好轴线控制方案，通过采取预先处理孤石、盾构优化改造和控制掘进参数等措施，只进行了1次开仓换刀就顺利通过，刀盘完好无损，全程轴线控制良好，掘进效率稳定，最高日进度18环，施工安全可控，取得良好的经济和社会效益。
4 总结及建议
通过上文所述土压平衡盾构穿越岩溶孤石地层的轴线控制施工技术研究与实践，得出以下结论与建议:
1)盾构轴线控制技术是一套系统的处理方法，非单一处理措施。
2)孤石群探测和孤石处理是确保盾构穿越孤石复杂地层的关键技术。为避免孤石造成的各种风险，在地勘阶段揭露孤石分布情况，施工阶段在盾构掘进前选择合适的探测方法精确掌握孤石特性，制定合理的孤石处理方案。洞内静态爆破孤石国内技术成熟且操作性强，整个施工过程安全可控、环保高效。
3)盾构掘进特殊地层过程中应加强隧道轴线监测，同时针对特殊地层要求操作手具有较高的操作经验和敏感性，结合地层情况根据参数变化判断盾构机的运行情况，做出有效判断，指导施工。
4)盾构穿越孤石复合地层风险大、难度高，任何孤石处理措施都有其局限性和不经济性。因此在工程勘察阶段应提供准确详细的地质信息;设计阶段应优化设计路线，尽量避开孤石密集区域;施工阶段应提前制定有效的处理方案，以便节约成本和工期，降低施工风险。

上一篇：地铁隧道穿越断层破碎带的工法选择及辅助施工措施分析
下一篇：大直径盾构隧道内的中隔墙施工