北京地區(qū)山前沖洪積扇復雜地層盾構施工技術

北京地區(qū)山前沖洪積扇復雜地層盾構施工技術摘要北京地鐵4號線20標盾構隧道位于永定河沖洪積扇,巖石不均勻出露,在掘進過程中遭遇水下、軟硬不均巖石地層和全斷面極硬巖等不良地質情況。介紹了盾構機在該復雜地層的施工方法及施工中的注意事項。對于復雜地層的盾構施工提出了建議:施工前應詳細勘察地質情況,制定合適的掘進參數(shù);做好設備的維護保養(yǎng),對刀具積極管理;對地面加強監(jiān)控量測等。關鍵詞盾構(隧道);施工技術;沖洪積扇;硬巖北京地鐵4號線20標段位于北京市海淀區(qū),包括頤和園至北宮門盾構區(qū)間、北宮門車站、北宮門至龍背村盾構區(qū)間。區(qū)間隧道共長3153.5m,位于永定河沖洪積扇古清河故道。盾構機在此處需要通過基巖埋深相對較淺的地段,且所通過地層比較復雜,基巖面起伏較大,巖體均一性較差,上覆人工雜填土。地層與頤和園昆明湖、清河及京密引水渠有水力聯(lián)系。盾構隧道下穿中央黨校南校區(qū)人工湖、建筑年代久遠的黨校研究生樓、交通繁忙的頤和園路、中央黨校北校區(qū)南大門。該地段地下管線密集,路面交通繁忙,對盾構機掘進施工要求高,施工風險相對較大。盾構機選型根據(jù)招標文件、初步設計圖冊和地質勘察報告,對地質斷面進行了認真分析,選用了德國海瑞克6.28復合式土壓平衡盾構機。該型盾構機具有廣泛的適應性和優(yōu)良的可靠性,在世界上類似工程領域享有豐富的施工經驗和業(yè)績。本標段盾構區(qū)間工程地質比較復雜,同時勘察報告中顯示在北龍區(qū)間還要穿越99m的中-微風化礫巖，其最高單軸抗壓強度達到76.2MPa。為此，針對該段不良地質，與海瑞克公司的技術專家進行了若干次技術聯(lián)絡，確定了設備的破巖參數(shù)。用于本標段盾構機(設備編號S285)的設計破巖能力為82MPa。其設備性能主要參數(shù)見表1。表1盾構機的主要參數(shù)塞數(shù)常鞘：塞數(shù)值刀盤外輕加E62R0齋大椎力/kN35923飆定拙矩m4346垠大推Ut遠度/(mmAninJ60皮帶輪送機能力/(m2th)400刀盤據(jù)動型式液壓回轉爾動導向監(jiān)控罷統(tǒng)SLS-T轉彎半輕加300總童宜ft430總栓im73刀盤開口率縣2創(chuàng)閉式)主軸用:奇命th1004)0總功率檢J034該盾構機具有如下特點:采用面板式刀盤,可配備為全齒刀或滾刀與齒刀結合,既可應對黏土層,又可應對強度較高的砂巖和礫巖。具有良好的防水性能,有完善的盾尾密封系統(tǒng)及注脂系統(tǒng),可應對盾構機下穿人工湖和地下水豐富的砂卵石及粉細砂地層。配備了雙液注漿系統(tǒng),可有效應對砂卵石地層和土石混合體地層。(4)具備土壓平衡式(EPB)、半敝開式(Semi-Open)及敝開式(Open)三種作業(yè)模式，以適應掘進地層的變化。在黏土、粉細砂、卵石地層，用EPB模式,可防止掌子面坍塌;在砂巖和礫巖地層應用Semi-Open及Open模式,可降低推力、降低能耗、提高效率。盾構機在軟土地層的快速掘進2.1軟土快速掘進技術軟土的快速掘進主要取決于運輸組織。軟土開挖可保持60mm/min高速掘進，開挖的絕對時間約20min。管片拼裝的絕對時間約30min,列車運行時間約40min。列車運輸利用管片拼裝的時間進行;如果運輸線路不長，可利用管片拼裝的時間完成出渣、裝漿和運輸管片的作業(yè)。這樣，掘進速度可達到1環(huán)/h,達到快速掘進的目的。在掘進時,要保證后配套系統(tǒng)的運轉正常。常見的故障有以下幾種:列車掉道。解決的辦法是加強線路養(yǎng)護,及時清理管片上的泥漿,渣車轉向架和車輪及時檢修,保證良好的工作狀態(tài)。循環(huán)水系統(tǒng)故障,工作機構溫度超高,導致跳閘停機。要及時清洗循環(huán)水系統(tǒng),保證有效降溫。皮帶故障。應加強檢修,及時檢查滾輪,及時更換故障滾輪,修補受損皮帶,損壞嚴重時及時更換。龍門吊機故障,渣土不能及時吊出。需對龍門吊及時檢修,保證其工作正常。漿車故障，漿液凝固,導致出漿不暢，攪拌受阻。超過40min后,漿液很難攪拌，需要及時清理,縮短運輸時間,或加入膨潤土改良漿液性能。2地面沉降的控制在施工前,對隧道通過地段使用地質雷達進行空洞探測,對地下空洞和松散土體進行詳細的了解,確定其準確位置,對其進行預注漿加固。在掘進過程中,加強對刀盤前方、盾尾后方、出土量異常處(過多或過少)的監(jiān)控量測。對發(fā)生異常沉降處,采用二次注漿及時處理,直至其沉降趨穩(wěn)。實踐證明,及時進行二次注漿可以控制絕大多數(shù)地面異常沉降。盾構機在復雜地層的掘進1水下盾構隧道施工技術中央黨校人工湖最大深度為2.7m,最小深度為1.6m。湖底到隧道頂部的覆土厚8m,從上到下為0.5~1.4m的粉土填土、5m厚的圓礫-礫砂、2.6m厚的粉質黏土。該處采用不排水掘進。進入水下隧道段之前,對盾構機進行一次全面的維修保養(yǎng),重點檢查刀具、注漿系統(tǒng),盾尾密封、注脂系統(tǒng),以及前盾與中盾、中盾與盾尾鉸接處密封的止水效果,使盾構機及配套系統(tǒng)的工作狀態(tài)良好,防水效果良好?？刂坪猛羵}壓力和同步注漿壓力。由于水壓力的加大，土倉壓力控制在0.1MPa以上,同步注漿壓力控制在0.18MPa以上,注漿量控制在7m了環(huán)以上。掘進機快速掘進通過，防止造成地層擾動過大，避免與上部湖水貫通。掘進過程中注意觀察螺旋出土口的出土情況,特別是注意觀察水流情況。當水流出現(xiàn)異常加大或噴涌時,應停止掘進,快速關閉盾構機螺旋輸送器,停止掘進,注滿盾尾油脂,撤離隧道內所有人員,并及時向人工湖底回填粉質黏土、膨潤土(回填厚度為0.5m);然后空轉刀盤，觀察土壓傳感器穩(wěn)定后開始出土，仔細觀察螺旋輸送器出土情況,繼續(xù)掘進。本段掘進中未出現(xiàn)此異常情況。采用雙液漿注漿,嚴格控制漿液的質量。采用快速凝固漿液,漿液凝固時間盡可能縮短。3.2軟硬不均地層盾構施工技術3.2.1刀盤的改進軟硬不均地質條件使盾構機刀具的配置成為一個復雜的問題。軟土地段要用刮刀,而硬巖地段要用滾刀。此段在始發(fā)時全部安裝滾刀。因在軟土地層滾刀基本不滾動,容易形成偏磨,要求保證小刮刀與邊緣刮刀的完整性。在正面區(qū)、邊緣區(qū),已有刮刀保護滾刀,使?jié)L刀減小偏磨;而在中心區(qū)域,只有滾刀沒有刮刀,這樣就加劇了中心滾刀的偏磨,在中心區(qū)域極易形成泥餅。為減小滾刀的偏磨和泥餅的形成,在中心區(qū)域增設8把異形羊角刀具。3.2.2掘進要點在本段掘進，推力控制在12000kN之內，刀盤轉速在1.0r/min以上,貫入度控制在15mm/(r/min)以內;應采用較低的推進速度，以不超過20mm/min為宜。推進速度快將導致扭矩增大、油溫升高而導致跳閘停機。由于掘進速度較慢,刀盤在同一里程反復切削地層,容易引起圍巖擾動。為此,掘進時必須嚴密監(jiān)測地面沉降情況,一旦超標,及時注漿處理。注意觀察渣倉內情況,準確判斷刀具磨損情況,注意保護刀具,防止傷及刀箱本體及面板。連續(xù)監(jiān)測渣土溫度。渣溫過高時,應對刀盤采取加水、加泡沫等降溫措施。3.2.3渣土的改良在刀盤面板上設計有8處泡沫及膨潤土注射裝置;土倉的倉板上設計有攪拌翼,同時還有4個膨潤土和泡沫注射口;在螺旋輸送機的筒壁上有8個膨潤土和泡沫注射口。泡沫噴嘴在使用過程中,容易發(fā)生堵塞。為避免此種現(xiàn)象發(fā)生,根據(jù)丁壩挑流的原理,對泡沫噴嘴采用環(huán)形保護,改變“土流”流向,保護噴嘴部位不受土體堵塞,使泡沫能夠加入土體。在軟硬不勻地層掘進過程中,針對砂卵石地層及風化石灰?guī)r地層,需要加入泡沫劑、膨潤土等改良土體,以保護刀具、降低溫度,使渣土排出順利。在盾構機掘進期間,要不斷向工作面噴注泡沫、膨潤土和冷卻水,以冷卻和潤滑滾刀。泡沫能對滾刀起到很好的潤滑作用,并能在一定程度上降低開挖的巖渣和滾刀溫度,盡量減小刀具的磨損。刀盤前方的泡沫注射管很容易被開挖下來的巖屑堵塞。因此在刀具檢查和更換期間,要及時檢查和清通泡沫注射管路,確保泡沫系統(tǒng)的正常工作。3.3全斷面硬巖盾構施工技術盾構機掘進至頤和園 北宮門區(qū)間盾構左線第598環(huán)(K26+073.75)和第632環(huán)(K26+114.55)處發(fā)現(xiàn)硬巖，刀具磨損嚴重。經現(xiàn)場開倉取樣，并經實驗室檢測，巖體抗壓強度平均值為124.4MPa,石英含量高,為極硬巖。在硬巖掘進前,應對硬巖段地層進行加密補探,以探明全斷面硬巖出現(xiàn)的準確位置,并選擇合適的掘進模式轉變時機。在硬巖掘進時,采用敞開模式掘進,由于不用克服土倉壓力,推力顯著減小(可減小至4500kN)。同時,應注意對刀具進行及時檢查,對磨損超限的刀具及時更換,防止傷及刀盤。在硬巖段,由于巖層裂隙節(jié)理發(fā)育,注漿量將比軟土中顯著增大。注漿時采用水泥漿,用注漿壓力及注漿量兩個指標來控制注漿效果,防止出現(xiàn)管片上浮及錯臺。掘進時要充分利用泡沫注入系統(tǒng),注入泡沫及水,潤滑刀具,降低渣溫,減少刀具摩擦。3.4小曲線半徑盾構隧道施工技術本標段在北宮門至龍背村接收井區(qū)間存在一段半徑350m的小半徑曲線，并且位于始發(fā)段，在前緩和曲線段進洞。3.4.1曲線掘進掘進時,首先保證盾構機良好的掘進姿態(tài),推進時勤糾偏。采用油缸分組頂進,使盾構的軸線與設計軸線的偏差盡量減少,保證管片能夠居中拼裝,管片周圍有足夠的建筑空隙使管片能拼裝成正圓。3.4.2管片拼裝拼裝前做好盾殼與管片各面的清理工作,防止雜物夾入管片之間。環(huán)面的偏差及時進行糾正,使拼裝完成的管片中心線與設計軸線誤差減少,管片始終能夠在盾尾內居中拼裝。每環(huán)管片安裝結束后要及時擰緊各個方向的螺栓。拼好的一環(huán)管片從盾尾脫出時,用真圓器對管片進行整圓并第二次擰緊螺栓,離開盾尾5~8環(huán)后第三次復緊螺栓。對于復雜地層盾構施工的建議在盾構機選型時,必須對地質情況有一個全面準確的了解,特別是對巖石最大單軸抗壓強度、硬巖段長度、是否水下隧道、地下水情況等有充分的了解,在選型時留有余地,可以兼顧本地區(qū)其他項目施工。刀盤的裝備扭矩也與盾構選型有關。盾構裝備扭矩T=aD3式中:D 盾構外徑；a 扭矩系數(shù)，泥水盾構的a=9~15;土壓盾構的a=8~23;本機的a值為17.5。本盾構機在掘進過程中經常因為扭矩過大造成停機。因此針對北京的復雜地層,本盾構的扭矩系數(shù)可以進一步加大,以保證切削能力。掘進之前,對地質情況進行詳細的補勘是十分必要的。由于提供的地質資料孔位間隔較大,測線遠離線路中心,反映的地層情況并不是太準確,因此不足以指導復雜地層的盾構施工。為此,在復雜地層掘進前,必須對盾構機通過的地層有充分的了解,編制詳盡的掘進技術指導書,以便指揮者下達正確的掘進指令。加強監(jiān)控量測工作,尤其要加強空洞及松散土體處、刀盤前方、盾尾處、重大風險源的監(jiān)控量測,必要時加密量測頻率;量測結果應及時反饋,出現(xiàn)異常情況及時采取相應措施。對水下、復雜地層、重要部位的盾構掘進,要制定相應的風險預防措施及預案,準備好搶險人員及物資,發(fā)生險情時按照預案及時處理,防止險情擴大。根據(jù)復雜地層掘進的實際情況,對后配套系統(tǒng)的配套性進行優(yōu)化。例如,本項目龍門吊起重量為40,t當掘進軟土時可以滿足要求,但當掘進至硬巖時,由于密度增大,碴車裝滿時造成起吊超重。因些,龍門吊設計時應留有余地。5結語由于城市地鐵淺埋的特點,剛好遇到山前沖洪積扇地層巖石的不均勻出露,給隧道掘進造成很大的困難。對于復雜地層的盾構施工,必須予以高度