探讨盾构穿越孤石技术研究[公路隧道]

1、公路隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 盾构 穿越 孤石技术研 究 赵先鹏 赵玉报 陈寿根 李彦兵 1 西南交通大学成都6 1 0 0 3 1 2中铁一局第五工程有限公司 宝鸡7 2 1 0 0 0 摘 要随着盾构法施工技术在我国城市地铁的发展 使得盾构法越来越多地应用到各种复合地层中 本文以 深圳地铁 5号线宝安中心站翻身站盾构区间为工程实例 介绍 了盾构穿越孤石的施工技术 对施工过程中刀具 磨损 盾构轴线偏移 地面沉降等施工难点作了分析 提出了解决方法 同时对类似工程有一定的借鉴作用 关键词盾构施工孤石袖阀管 I 刖 吾 随着 城市密集度 的提高和高层建筑 的不断增 加 地面可利用 的空间越来越少 许多城市都将地下 交通 网线作为解决交通拥挤最为有效的手段 由于 盾构法具有机械化程度高 劳动强度低 施工进度 快 对周边环境干扰小等独特的优点 盾构法隧道技 术广泛应用于城市地铁的修建工程 盾构法适用于 松散软土 淤泥 硬岩等几乎所有复杂地层 快速地 推动了在不 良地质 大深度 长距离条件下地下工程 开挖技术的发展l 1 J 在我国 北京 上海 广州 深圳等城市的地铁修 建

2、都采用了盾构法 盾构法 隧道施工过程 中 会经 常遇到随机分布的孤石 且孤石形状大小各异 强度 不一 在这类地层 中盾构掘进效率低 刀盘刀具磨 损严重 易产生卡刀 斜刀和刀具偏磨等现象 处理 起来速度 比较慢 严重影 响施工进度 有的甚至因施 工无法进展而不得不变更设计 花费成本较高 经济 效益差 怎样 处理好盾 构掘进过 程 中所 遇到 的孤 石 仍是 当前盾构 法施工 中一个较大 的技术难题 因此 开展穿越孤石 的盾构法施工技术研究是非常 必要 的 2 工程概 况 深圳地铁 5号线宝翻盾构区间从宝安中心站出 发后 沿创业一路直行 到达翻身站 区间设计起讫 里程 DK3 4 4 0 0 6 0 D K3 4 9 8 6 2 4 区 间总 长 1 0 9 9 5 8 m 隧道顶部覆土 9 1 1 7 8 m 隧道左右 线中心间距 1 3 2 m 盾构区间所在地区为海积平 原 原地貌为濒海渔塘 现已经人工堆填 地形平坦 地面高程 4 0 m左右 地下管线密集 有电力 电信 污水等多条管线 地下管线管道的走向与隧道平行 局部斜交 隧道附近主要建筑 物有丽 晶国际 滨海 小学等 隧道开挖面主

3、要为砾质粘土层 存在孤石和上浮 基岩 左线在里程 K 3 4 7 8 8 8 Z K 3 4 8 1 8 1 地 段存在上浮基岩 基岩长度 2 9 3 m 侵入隧道开挖范 围最高达 2 3 m 左线开挖范围内有 2 个孤石 右线开 挖范围内有 3 个孤石 图 1 隧道上覆地层以淤泥和 杂填土层为主 其中杂填层夹杂大量石块 给施工带 来 了一定难度 a 左线 孤石位置 图 b 右线孤石位置图 图 l 宝翻 区间孤石位置图 3 盾构掘进 主要困难及原 因分析 3 1 刀具严重磨损 由于孤石强度高 刀具挤压切削效率较低 且容 易造成 刀具偏磨 图 2 刀座 变形 更换 困难 刀盘 磨耗导致刀盘强度和刚度降低 刀盘变形 刀盘受力 不均匀导致主轴承受损或 主轴承密封性被破坏 刀 盘堵塞 盾构机负载加大 2 另外 由于切削所释放 的热量高 导致刀盘刀具温度高 加速了刀盘刀具的 1 公路 隧道 2 0 1 1 年第 2期 总第 7 4期 磨损速度 凶此 盾构 掘进时 刀盘贯 入度不宜过 大 防止刀具受到瞬间应力造成非正常损坏 工作 人员应注意观察 及时足量注入泡沫改 良渣土 增加 渣土的流塑性 同时

4、冷却和润滑刀盘 以减轻对刀具 的磨损 减少换刀频率 提高掘进效率 a 刀具偏磨 b 刀具正常磨损 图 2 刀具磨损 3 2 盾构轴线偏离设计轴线 地层松软 孤石在围岩中压埋不牢固 当刀具碰 到孤石时 不能被刀具破碎 而是被刀具推到隧道旁 边或被弹开 若孤石被推到隧道旁边 它有可能挤 压盾构机 向阻力小 的一侧偏 移 如果 这种情况过 大 隧道的轴线将偏斜 3 j 因此 应准确勘察 出孤石 所处的位置 对孤石所在位置周围地层进行加 固 防 止孤石移动 为盾构机Jr N通过孤石创造条件 3 3 地面沉降 区间隧道上覆地层中有淤泥 淤泥含水量高 强 度低 稳定性差 容易产生触变 流变 在很小力的作 用力下 它的结构就会被破坏 当盾构机遇见孤石 时 刀盘的扭矩突然变大 对土体扰动增 大 很容易 造成地面沉降 甚至发生坍塌 该情况在目前的盾 构施工中普遍存在 其关键原 因是在施工过程 中没 有控制好土仓压力 因此 在掘进过程中 应严格控 1 2 制出土量 使土仓中能够建立起稳定的土压 形成土 塞效应 避免掌子面坍塌 引起地面不均匀沉降 3 4 气压换刀 在坚硬 的岩石地层中施工时 土体强度高 稳

5、定 性好 在常压状态下 对开挖 面不做 处理或稍做处 理 便可进行换刀T作 在松软土层 中 土体 强度 低 稳定性差 掌子面很容易垮塌 造成人员伤亡 酿 成重大工程事故 因此 换刀工作必须在气压模式 下进行 为确保换刀工作 的安全 首先对开挖面的 土体进行加 固 增加 土体 的稳定性 降低土体透气 性 保证换刀顺利进行 4 施 工措施 盾构机在含孤石地层 中施工时 掘进速度缓慢 容易产生刀具磨损 盾构轴线偏移 地面不均匀沉降 等问题 为了解决这些问题 通过不断的探索研究 总结 出了一套穿越孤石 的复合式土压平衡盾构施工 对策 4 1 加 固地 层 1 孤石位置勘察 根据勘察报告 本区间左线有 2块孤石位于隧 道开挖范围内 按左线里程大小分别编号为 Z 1 Z 2 右线有 3块孤石位于隧道开挖范围内 按右线里程 大小分别编号为 Y1 Y 2 Y3 孤石大小 里程桩号 强度见表 l 表 1 孤石详细表 2 加固范围及加固方法 常见 的土体加 固方法 有搅拌桩 旋喷桩 袖 阀 管 S Mw 工法 等 考虑到旋工成本 施工速度 采 用袖阀管加固方法 袖阀管注浆是 以打孑 L 的 P VC管作为

6、注浆外管 外管上的注浆孔用橡胶圈包好 注浆时把注浆芯管 插人 P V C管内 浆液在压力作用下胀开橡胶圈进人 地层 提升或下降芯管 即可进 行地层 的分段 注浆 橡胶圈的作用是当孑 L 内加压注浆时 橡胶圈胀开 浆 液通过注浆孔进入土层中 当停止注浆时 橡胶圈 赵先鹏 等盾构 穿越孤石技 术研 究 封闭 阻止浆液或地下水逆 向进入注浆管 内 袖 阀 管钻杆直径为 l O O mm 袖 阀管加固按 照 1 O m孔 间 距梅花形布置 袖阀管结构图参见图 3 图 3 袖 阀管结构 图 右线 Y1 Y2 Y 3三个孤石加 固范围为 平面范 围内沿隧道纵 向 6 m 隧道两侧向外各 2 m 断面范 围 为隧道顶部 5 m 至隧道底板 由图 l a 可知 左线 Z DK3 7 8 9 8 Z DK3 7 9 5 8和 Z DK3 8 0 6 Z D K3 8 1 6 范 围内有上浮基岩 且 Z 1 Z 2均与上浮 基岩重合 加 固范 围均 为 平 面范围 内沿 隧道纵 向 6 m 隧道两侧 向外各 2 m 断面范 围为 隧道顶部 5 m 至隧道底板 4 2刀具选择及配置 根据施工地质条件 选择

7、由德 国海瑞克公司制 造 的复合式盾构机 并配备 了复合式刀盘 复合式 刀盘 2 0把 单刃滚刀 6把 中心 双刃滚 刀 6 4把 切 刀 1 6 把刮刀 图 4 滚刀用于挤压 切削硬岩 保 护齿刀和刮刀 切刀用 于切 削被滚刀挤压破碎后的 硬岩或软岩及粘性土层 刮刀用于收集疏松的石碴 并通过刀盘开 口导人开挖仓 的内部 4 为使刀具能 一 次掘进更长 的距离 应严格控制刀具的质量 4 3 气压换刀 隧道上覆土层存在软塑状淤泥 虽进行了加固 如果常压换刀 仍存在一定风险 为确保安全 在加 固区进行气压换刀工作 换刀步骤如下 1 盾构机推进到指定的土层加固区 并准备好 换刀人员及设备 2 在开启压力 自动补偿系统的条件下 一边出 土一边 向土仓内充气 3 待出土至隧道一半的位置后停止出土 换气 保压工作继续进行 检查土仓保压效果 图 4盾构刀盘刀具布置图 4 如土仓保压情况 良好 温度降低后人员即可 进仓进行换刀作业 4 4 盾构掘进参数控制 根据 区间隧道埋深和地层条件 掘进参数选取 如下 总推力 1 8 0 0 0 2 0 0 0 0 KN 扭矩 刀盘油压在 1 0 0 1 2 0

8、b a r 之间 刀具 贯入 量 6 8 mm r p m 刀盘转速 1 1 2 r mi n 土仓压力 1 8 2 0 b a r 如果 掘 进 过 程 中 发 现 刀 盘 油 压 频 繁 超 过 2 0 b a r 或发现盾构机姿态不受控制 则表 明刀具 已 经存在偏磨或边缘刀具磨损过大 不适合继续推进 必须进行刀具更换 4 5 地面沉降控制 盾构施工沉降分为 2个阶段 第 1 个 阶段为盾 构施工过程 中的地面沉 降 沉降量 主要 由掘进时土 仓压力控制 第 2个阶段为盾构机通过后 的沉降 沉降量主要由同步注浆控制 1 土仓压力 土仓压力是控制开挖面平衡的关键因素 当土 仓压力大于地层土压力 和水压力之和时 地表将会 隆起 当土仓压力小于地层土压力和水压力之和时 地表将会下沉 因此土仓压力应与地层土压力和水 压力始终处于平衡才好 5 土仓压力主要取决于刀 盘开挖面前的水土压力 一般取刀盘 中心处的水土 压力为准 按经验公式 P K h计算 式中 P 一开挖 面土压 力 包 括地 下水 k N m 2 1 3 公路 隧道 2 0 1 1 年第 2期 总第 7 4 期 K 一土的静止

9、侧压力系数 了 土的平均容重 k N m h 刀盘中心处 的埋深 2 同步注浆 当管片脱离盾尾后 在土体与管片之 问会形成 一 道宽度为 1 4 0 mm 的环型空隙 如果土体与管 片 之间空隙不填充浆液 则沉降体积应等于地层损失 同步注浆的目的是为了尽快填充环形间隙使管片尽 早支撑地层 防止地面变形过大而危及周 围环境安 全 同时加强管片外防水 如果注浆时间滞后 则起 不到控制上部土体沉 降的 目的 只是控制 了上部土 体沉降的速度 因此 注浆压人 的时 间应控制在管 片脱离盾尾的时刻为宜 注浆压力 为保证达到对环向空隙的有效充填 同时又能 确保管片结构不因注浆产生变形和损 坏 注浆压力 取值为 0 2 0 5 MP a 注浆量 同步注浆 时 浆液会不可避免的渗入土体中 根 据经验 注浆量取 环形 间隙理论体 积的 1 2 1 6 倍 则每环管片注浆量 Q一4 8 8 6 4 8 m 注浆速度 同步注浆速度应 与掘进速度相匹配 按盾构完 成一环 1 5 m掘进的时问内当环注浆量来确定其平 均注浆速度 注浆结束标准 采用注浆压力和注浆量双指标控制标准 当注 浆压力达到设定值 注浆量达到

10、设计值的 8 5 9 6 以上 时 即可认为达到了质量要求 4 6 其他措施 盾构掘进时 还必须保证泡沫系统 密封油脂系 统正常运行 泡沫系统可改 良渣土的力学性质 经过改 良后 的土体具有很好的流塑性 止水性 螺旋输送机出土 1 4 顺畅 更好地形成土塞效应来控制土仓内的土压力 还可 以减小与刀盘之问的摩擦力 延长刀具的使用 寿命 密封油脂系统保证盾尾密封性能 避免因漏浆 造成地表沉降超限 同时 向刀盘轴承压注密封油 脂 可避免刀盘轴承处 因渗入土渣而影响刀盘的正 常转动 5 结 语 本文对深圳地铁 5 号线宝安中心站 翻身站区 间盾构穿越孤石施工技 术做 了研究 积累了一些施 工经验 丰富了盾构施工技术 得出如下结论 1 盾构在穿越含孤石 的复杂地层前 必须进行 刀具的检查 必要时进行更换 在穿越孤石时 严格 控制千斤顶推力及刀盘扭矩 以免造成刀具偏磨或 严重磨损 给施工带来麻烦 2 盾构掘进时 应设定合理的土仓压力和同步 注浆参数 制定合适 的施工方案 精心施工 可有效 地控制地面的沉降 减少盾构推进对周 围环境 的影 响 3 气压换刀必须在掌子面土质稳定性 保气性 良好的状态才

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