盾構(gòu)穿越特殊地層施工技術(shù)

盾構(gòu)穿越特殊地層施工技術(shù)第五軌道交通工程隊

——呂巖目錄一、工程簡介二、特殊地層2.1復(fù)合地層2.2復(fù)合盾構(gòu)三、復(fù)合地層盾構(gòu)施工3.1始發(fā)井端頭加固3.2特殊構(gòu)筑物加固3.3全斷面軟巖掘進控制3.4上軟下硬段掘進控制3.5全斷面硬巖掘進控制3.6復(fù)合地層中帶壓作業(yè)2#盾構(gòu)始發(fā)井DK38+359位于東莞市大朗鎮(zhèn)大井頭村，施工左線隧道長2925m，盾構(gòu)機于2012年8月始發(fā)，至2014年6月掘進870環(huán)。隧道區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，全斷面軟巖、上軟下硬、全斷面硬巖交替出現(xiàn)，屬于標準的復(fù)合地層，地表房屋密集，沿線房屋覆蓋率高達90%，且多為老舊無基礎(chǔ)的土磚房，道路空間狹小，地表注漿加固困難，因此盾構(gòu)掘進風(fēng)險系數(shù)極大。一、工程簡介1#盾構(gòu)井2#盾構(gòu)井風(fēng)井左線左線1#盾構(gòu)始發(fā)井DK33+951位于東莞市大朗鎮(zhèn)黎貝嶺村，施工左線隧道長1452m，盾構(gòu)機于2011年11月始發(fā)，2014年4月貫通。隧道區(qū)間以全斷面硬巖為主，巖石硬度平均在80MPa以上，隧道最大埋深42m，縱坡24.4‰，地下水豐富，因此盾構(gòu)掘進困難。土壓平衡盾構(gòu)機土壓平衡盾構(gòu)機的工作原理則是向密封艙內(nèi)加入塑流化改性材料，與開挖面切削下來的土體經(jīng)過充分攪拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流體，同時通過伺服控制盾構(gòu)機推進千斤頂速度與螺旋輸送機向外排土的速度相匹配，經(jīng)艙內(nèi)塑流體向開挖面?zhèn)鬟f設(shè)定的平衡壓力，實現(xiàn)盾構(gòu)機始終在保持動態(tài)平衡的條件下連續(xù)向前推進。二、特殊地層1復(fù)合地層2砂層3鵝卵石地層4孤石5地質(zhì)斷裂帶6穿越江河等富水地層7穿越重要房屋、構(gòu)筑物、樁基礎(chǔ)8穿越有害物質(zhì)地層2.1復(fù)合地層工程涉及的圍巖地層可宏觀的分為兩大類：一類是均一地層，另一類是復(fù)合地層。均一地層是指在開挖斷面范圍內(nèi)和開挖延伸方向上，由一種或若干種地層組成，但其巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特性相近的地層或地層組合。復(fù)合地層是指在開挖斷面范圍內(nèi)和開挖延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這些地層的巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特性相差懸殊的地層組合。素填土粉質(zhì)粘土全風(fēng)化混合片麻巖強風(fēng)化混合片麻巖弱風(fēng)化混合片麻巖顏色呈褐黃色，黃褐色；單軸飽和抗壓強度≤5Mpa顏色褐黃色，巖芯呈碎石狀、短柱狀、節(jié)理裂隙發(fā)育；單軸飽和抗壓強度5-30Mpa顏色青灰色，節(jié)理裂隙交發(fā)育；單軸飽和抗壓強度≥60Mpa2#盾構(gòu)機沿線地質(zhì)縱斷面圖地表密集房屋密集的建筑群狹小的街道和簡易、脆弱的老舊房屋2.2復(fù)合盾構(gòu)在復(fù)合地層中進行盾構(gòu)施工，需要盾構(gòu)機刀盤具有廣泛的適應(yīng)性。對于盾構(gòu)機來說，最關(guān)鍵的問題就是采用什么刀盤結(jié)構(gòu)形式和刀具配置才能夠使盾構(gòu)機在整個隧道掘進過程中達到最小的刀具磨損、最少的換刀次數(shù)和最快的掘進速度。左線施工由中鐵二十局施工，采用法國NFM技術(shù)北方重工生產(chǎn)的直徑φ8.83m土壓平衡式盾構(gòu)機，右線施工由中鐵十六局施工，采用德國海瑞克生產(chǎn)的直徑直徑φ8.83m土壓平衡式盾構(gòu)機左線盾構(gòu)刀盤右線盾構(gòu)刀盤刀盤配置左線盾構(gòu)刀盤右線盾構(gòu)刀盤開挖直徑8860mm8830mm刀盤結(jié)構(gòu)形式刀盤整體采用輻條面板式，邊緣采用平面斜角式；刀盤面板由左、右兩部分拼接而成；滾刀布置在輻條上，刮刀布置在輻條兩側(cè)刀盤整體采用輻條面板式，邊緣采用平面圓角式；刀盤面板由上、下、左、右和中間五部分拼接而成；滾刀布置在面板上，刮刀布置在輻條兩側(cè)開口率30%27%重量110T116T支撐形式中間支撐,6個牛腿中間支撐，8個牛腿主動攪拌棒3根4根驅(qū)動形式變頻電機驅(qū)動變頻電機驅(qū)動功率9*220KW14*160KW轉(zhuǎn)速0-4.07r/min0-4.2r/min扭矩額定扭矩12680kNm脫困扭矩16484kNm額定扭矩8121kNm脫困扭矩11369kNm添加劑注入口8個，前裝式8個，背裝式刀具配置單刃滾刀17寸盤形滾刀，共計44把（其中正面滾刀40把，偏心滾刀4把）17寸盤形滾刀，共計45把（無偏心滾刀）雙刃滾刀17寸盤形滾刀，共計5把17寸盤形滾刀，共計4把滾刀間距76/92mm90/100mm滾刀軌距52條52條刮刀188把，其中周邊刮刀24把106把，其中周邊刮刀16把滾刀與刮刀高差140/95mm160/110mm超挖刀1個無三、復(fù)合地層盾構(gòu)施工始發(fā)井端頭加固特殊構(gòu)筑物加固全斷面軟巖掘進控制上軟下硬段掘進控制全斷面硬巖掘進控制復(fù)合地層中帶壓作業(yè)3.1始發(fā)井端頭加固水紋地質(zhì)條件：本標段勘察期間地下水位埋深1.00-5.45m，水位高程18.35-32.71m，水位變幅0.50-2.00m。巖石富水性和透水性與節(jié)理裂隙發(fā)育情況關(guān)系密切，節(jié)理裂隙發(fā)育的不均勻性導(dǎo)致其富水性和透水性也不均勻。加固目的：改良端頭土體，提高端頭土體強度，堵塞顆粒的間隙和地層的水，確保盾構(gòu)機始發(fā)安全。與一般地基加固的不同之處是不僅僅要有強度要求，還要有抗?jié)B透性要求。2#盾構(gòu)始發(fā)井端頭加固采用咬合旋噴樁，樁型為直徑600，間距為500mm，有效樁長16.5m，端頭加固寬度為8m，長度16.5m。為了確保盾構(gòu)始發(fā)時的洞門破除施工的安全以及各地層的穩(wěn)定，在左線端頭地連墻前方增加一排直徑1m的素砼樁加固，樁心間距為1m,素砼樁有效樁長23m,共計13根；素砼樁間采用直徑0.6m的旋噴止水樁咬合，旋噴止水樁有效樁長16.5m，空樁長6.5m，共計14根。3.2特殊構(gòu)筑物加固本標段盾構(gòu)區(qū)間隧道埋深13米—43米，隧道穿越大朗鎮(zhèn)老城區(qū)，地表房屋密集，構(gòu)筑物高達90%以上，其中包括高架橋、東明學(xué)校、華潤萬家超市、5-7層居民樓、天然基礎(chǔ)的土磚瓦房。在廣州地區(qū)的復(fù)合地層，在擾動狀態(tài)下掌子面不穩(wěn)定，地面沉降量和沉降速率均較大，采取何種施工措施控制建構(gòu)筑物的變形是盾構(gòu)施工的難點。盾構(gòu)施工機理和地質(zhì)情況的限制，掘進時將引起地面隆起和沉降。如沉降或隆起超過建構(gòu)筑物或管線允許的變形控制極限，造成地面建構(gòu)筑物和管線的變形、開裂，甚至建筑物倒塌，可能帶來的糾紛對施工產(chǎn)生不可忽視的影響，不但影響施工進度和施工安全，并且會造成嚴重的社會不良影響。本段隧道在GDK38+300處下穿省道S357銀朗南路，右線線路中心與銀朗南路線路中心以64°的交角與銀朗南路斜交，并下穿銀朗南路大井頭跨線橋，從橋跨樁基間穿過，呈西南至東北走向。隧道埋深約13m，左、右線線路中心間距約28.5m。盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)分別從該橋的30m小箱梁兩跨間橋樁樁基之間穿過,其中隧道左線從橋梁⑥號墩和⑦號墩之間穿過，隧道右線從橋梁⑦號墩和⑧號墩之間穿過。橋墩下部結(jié)構(gòu)采用2.5m（長）*2.5m（寬）*1.5m（高）承臺結(jié)構(gòu)，承臺以下采用直徑1.5m樁基礎(chǔ)。其中樁基礎(chǔ)深度分別為：⑥號墩左樁長34.22m、右樁長32.5m；⑦號墩左樁長34.98m、右樁長33.5m；⑧號墩左樁長38.39m、右樁長36.82m。為保證盾構(gòu)施工期間大井頭跨線橋的安全，在橋樁基礎(chǔ)外布置兩排斜向袖閥管，鉆孔同排間距0.8m，兩排袖閥管距基礎(chǔ)邊的距離根據(jù)基礎(chǔ)深度來確定，采用梅花型布置，盡量減小無法加固區(qū)域；鉆孔布置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整鉆孔位置及間距。整個注漿結(jié)束后采取水泥砂漿進行封堵處理。注漿深度為樁基基底以下2m或進入微風(fēng)化巖層則注漿深度入微風(fēng)化層0.5m。房屋預(yù)注漿加固根據(jù)建筑物基礎(chǔ)、地質(zhì)水文及隧道埋深條件，對建筑物天然基礎(chǔ)下的松散土體及管樁周邊地層進行主動注漿加固，以改善天然基礎(chǔ)地層并加強管樁與土體摩阻力。房屋跟蹤注漿加固根據(jù)建筑物基礎(chǔ)、地質(zhì)水文及隧道埋深條件，對隧道開挖中因失水、應(yīng)力釋放等形成的間隙或松散土層根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果進行注漿，當(dāng)建筑物沉降變形監(jiān)控量測值大于設(shè)計警戒值（控制值的80%）時應(yīng)立即停止隧道開挖及時對建筑物基礎(chǔ)進行單排袖閥管跟蹤注漿（跟蹤注漿加固施工方法同預(yù)注漿加固方法）。大朗鎮(zhèn)大井頭村盾構(gòu)左線盾構(gòu)右線30米邊界線掘進方向位于居民密集區(qū)段的天然基礎(chǔ)建筑物，由于道路狹小，場地有限，鉆機無法進入時，鉆孔施工采用洛陽鏟。有砼硬化的地面使用多功能砼鉆孔取芯機打穿硬化層，注漿鉆孔深度為4.5m?；A(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)的框架結(jié)構(gòu)物，注漿加固深度超過15m的采用地質(zhì)鉆機施工。房屋基礎(chǔ)外布置兩排斜向袖閥管，鉆孔同排間距1.0m，兩排袖閥管距基礎(chǔ)邊的間距根據(jù)基礎(chǔ)深度確定（注漿深度為地面至建筑物基礎(chǔ)底以下2m），兩排注漿孔之間采用梅花型布置，盡量打設(shè)斜孔到房屋投影下方，盡量減小無法加固區(qū)域；鉆孔布置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整鉆孔位置及間距。3.3全斷面軟巖掘進控制為了控制地表密集房屋的沉降，業(yè)主要求盾構(gòu)掘進采取保守的滿倉高壓模式，這種掘進模式相對較為安全，但是滿倉高壓增大了盾構(gòu)機掘進負荷，盾構(gòu)掘進緩慢，土倉極易結(jié)泥餅，滾刀被包死最終導(dǎo)致偏磨，帶壓進倉清理泥餅、更換刀具頻繁。措施：嘗試保氣壓半倉掘進，減小盾構(gòu)機掘進負荷，提高掘進速度。土倉加裝高壓水路，防止泥餅生成。調(diào)節(jié)發(fā)泡率，提高渣土改良效果。調(diào)整滾刀扭矩，防止刀具偏磨。3.4上軟下硬段掘進控制上軟下硬地層掘進過程中，最大危害是下面硬地層造成掘進速度慢，但在較慢的掘進速度下，刀盤對土體不斷擾動，上面的軟土流入土倉，容易造成超挖，導(dǎo)致地面嚴重沉降，甚至“塌通天”。措施帶壓作業(yè)嚴格按技術(shù)交底進行，做好應(yīng)急準備刀具選用配置合理，減少開倉頻率轉(zhuǎn)動螺旋輸送機，排出底部渣石嚴格控制頂壓，建立動態(tài)平衡掘進參數(shù)異常時及時分析調(diào)整采用小推力、低轉(zhuǎn)速模式掘進風(fēng)險帶壓作業(yè)風(fēng)險極大掘進速度慢，超挖難控制噴涌，出土量難控制刀具磨損異常盾構(gòu)姿態(tài)難控制3.5全斷面硬巖掘進控制全斷面硬巖盾構(gòu)掘進相對較為安全，但是進倉檢查更換刀具頻繁。巖層過硬時如果檢查更換偏心刀不及時容易出現(xiàn)盾構(gòu)機卡殼。巖層過“脆”時掘進容易出現(xiàn)大塊石頭，卡死螺旋輸送機、砸斷土倉攪拌棒、泡沫管路、砸壞土倉傳感器、管路連接箱。巖層過“硬”時刀具異常損壞。拱頂巖層過薄時，如果土倉保壓過低會造成地層失水過多引起地表沉降。停機過長時螺旋機會包死。巖層裂隙水過多時會造成管片上浮、螺旋輸送機噴涌。措施：1.定期進倉檢查更換刀具，尤其是檢查負責(zé)開挖直徑的刀具以及中心刀具，防止盾構(gòu)機卡殼或中心變形。2.定期進倉復(fù)緊刀具螺栓，打撈土倉金屬異物。3.采用高強耐磨刀具，有計劃分區(qū)域進行更換，提高刀具使用效率。4.根據(jù)地層情況隨時調(diào)整掘進參數(shù)。5.在不明地層時或地層較為脆弱時采用保壓掘進，防止地層失水過多。6.掘進過程中加適量膨潤土，改良渣土。7.足量進行同步注漿，及時跟進二次注漿，固定管片防止管片上浮。3.6復(fù)合地層中帶壓作業(yè)泥膜保壓技術(shù)2#盾構(gòu)機隧道區(qū)間地質(zhì)屬于標準的復(fù)合地層，進倉清理泥餅、更換刀具頻繁，但是地表房屋密集，無理想加固位置，進倉均采用高風(fēng)險的帶壓作業(yè)。原理：通過向盾體周圍、土倉注入膨潤土泥漿，使盾體周圍及掌子面土體形成泥膜，封堵漏氣通道，防止地下水滲入，使土倉形成一個密閉空間。特點：1、通過調(diào)整膨潤土泥漿配比，使其既具有良好的滲透性封堵土層微小縫隙，同時又具有良好的附著性在掌子面形成一層泥膜，為帶壓作業(yè)創(chuàng)造良好條件。2、系統(tǒng)組織安排帶壓作業(yè)前期工作，嚴格控制置換、清倉的過程細節(jié)和步驟，保證了泥膜效果，增大了帶壓作業(yè)的成功幾率，為帶壓作業(yè)爭取了寶貴的時間。一氧化器是一種看不見的、無色、無味、無刺激、無法用五官感覺的氣體。