各类风化岩层中盾构施工技术与设备研究万芳

各类风化岩层中盾构施工技术与设备研究

[摘要]本文根据深圳水库流域污水截排工程盾构的成功施工实践，介绍了在各类风化岩层中薄覆土层、强透水条件下进行盾构施工的技术，通过对旧盾构机刀盘系统等的改造，确保了盾构施工的成功。 [关键词]风化岩薄覆土层强透水空仓无压气压平衡盾构复合刀盘 Research for shield construction Hechnique and Equipment in Kinds of Complex Decomposed Rock Geology Wang chuanfu 盾构法施工无需开挖、对周围环境影响较小，目前在众多工程中得到广泛应用，诸如地铁、隧道、城市排水、水气油输送管道程等等。但以往盾构工程的地质条件相对比较单一，而在各类风化岩层相互交错、薄覆土层、强透水条件下的工程施工比较罕见。本文结合深圳水库工程的成功实例，介绍了一种在各类风化岩层中盾构的施工方法，对今后同类工程具有一定的参考价值。 1工程概况及难点分析 深圳水库流域污水截排工程是确保深圳水库水质对水库流域内污染源进行综合整治的项目工程见图1。盾构法施工段总长1363.72m，隧道内径φ4000mm、最大轴线坡度5.94‰、最小覆土仅5.94m、最小曲率半径320m，隧道衬砌为钢筋砼衬砌，衬砌厚度250mm、衬砌宽度1000mm、衬砌强度为C50、S8。 图1深圳水库流域污水截排工程示意图 隧道沿线水陆交替，穿越深圳水库梧桐山河口阶地、沙湾河等微地貌单元，地层分布错综复杂且多变，渗透系数在10-3～10-2之间。盾构穿越断面主要地层有：全~微风化细粒花岗岩（最高强度达120MPa以上）、全~微风化长石石英砂岩、粉（砂）质粘土（N＝22～45）、卵石层（粒径最大300mm，含粒率约80％）、断裂带（7处）等，总体地质条件十分复杂，盾构施工难度很大，主要地层工况如图2所示。 图2地层工况 工程难点分析如下。 1）由于地质条件复杂且深圳水库是供深港居民的饮用水，其水质不允许有严重污染发生，因此盾构施工时要保证环境不受污染。 2）盾构覆土厚度较小，且多为卵石层和流动性淤泥，容易造成漏气、喷发、上浮、坍方等，对盾构掘进控制十分不利。 3）沿线地表水丰富，且各类地层透水性强、断裂带存在承压水，在盾构掘进时易造成管涌、流砂、冒顶等现象。 4）盾构开挖面土体复杂多变、软硬不均，对盾构掘进施工造成很大困难，刀具更换困难，同时对盾构机设备提出更高的要求。 2盾构机改造 针对本工程地层复杂特点，对原日本进口的土压平衡盾构机进行局部改造： 2.1刀盘设计 针对隧道通过地层情况错综复杂，我们采取了面板式结构刀盘，刀盘面板开口率30~35%，混合型布刀。用于岩石地层掘进用的盘状滚刀刀盘共布置19把17＂盘状滚刀，先导刀和标准面刀主要在软土层中起掘进作用。盘状滚刀都能从盾构土仓内进行拆装，此功能满足了两方面的需要：一是滚刀磨损后能安全地在土仓内更换滚刀，二是盾构机在软土掘进时，拆除部分滚刀以提高刀盘面进土的开口率，防止刀盘开口堵塞。大刀盘开口部分用可拆装隔栅将开口尺寸控制在≤300mm范围，以阻止在卵石层掘进时，大粒径卵石进入土仓。 刀盘中心装有回转接头其中一路水管、一路泥管，用于向刀盘面板注水或注泥，以润滑刀盘面和进行超前注浆，注泥管最高压力为2MPa。 2.2螺旋输送机 螺旋输送机采用螺杆式，螺距为250mm，为防止水土喷发造成安全事故，在出泥口采用两道液压闸口。 2.3土仓供气系统设计 由于隧道施工区间段地下水丰富，采用气压平衡掘进工艺，在盾构机土仓胸板上设置两处气阀，一处水阀。 3全断面硬岩段掘进施工 盾构出洞后有100m全断面微风化细粒花岗岩段，岩石强度60~120MPa，存有一定裂隙水，可保证刀盘正面支撑稳定，采用空仓无压掘进。在空仓掘进过程中必须保证土仓处于无压状态，同时防止螺旋机出土时土仓产生类真空状态而引起坍方，采取上部气阀打开进气、下部水阀打开排水措施。 在全断面岩层中掘进每把滚刀一定要保持完好，如果其中一把滚刀损坏势必影响其它滚刀寿命，必须及时调换。特别要注意外边滚刀损坏情况，一旦外边刀对称二把损坏一把，掘进速度要放慢，如果二把均损坏，极容易发生岩层卡住盾构机外壳的现象。 在无压掘进中若正面渗水较大，势必大量水排出，螺栓机出口处出现喷水造成无法出土情况可采取管片后部压浆孔和下部水阀放水，使正面渗水量减少，保持正常出土。 4气压平衡盾构掘进施工 针对其它工况，盾构穿越断面土层均不能形成有效的支撑面，且压缩性低、透水性强，不可能采用空仓无压掘进，也不能建立有效的土压平衡，因此采用气压平衡工艺施工。即土仓内充入一定压力的气体，使其对盾构机头部正面四周暴露部分土体形成反作用力达到基本平衡支撑，同时对地下水形成反压力，降低地下水向土仓内渗透速度，空气与水土在土仓内混合，提高土仓内物质的可压缩性，利于刀盘进土，降低刀盘扭矩和顶进推力，见图3。 图3气压平衡工艺示意图 为防止在气压平衡掘进时仓内气体外泄，使气压降低和不稳定，造成坍方等不良后果，采取以下相应措施。 1）防止盾构螺旋机漏气的措施①盾构机土仓内土体须高于螺旋机进土口，保持在土仓1/3以上；②出土速度严格控制，保证螺旋机内形成密实土塞；③必要时关闭螺旋机出口液压闸门。 2）针对盾构掘进通过土层不同采取防止盾构机外部漏气的相应措施：①盾构机头部超前注水泥浆；②盾尾后管片处跟踪注浆；③地面化学注浆、水上高压旋喷桩注浆加固形成壳体。具体注浆形式根据不同地质条件进行组合。 在掘进过程中严格控制盾构推力和掘进速度，两者要相互协调一致，同时根据实际地层情况使用千斤顶组合，以防止产生局部超挖，进而造成塌方现象。 5刀具更换措施 由于隧道经过的全断面岩层较多且强度大，最大达120MPa以上，同时在掘进过程中刀具不可避免地产生不均匀受力，造成刀具磨损严重和大量崩裂，因此需要经常性更换刀具，具体采取如下措施有： 1）全断面硬岩采用盾构机头部超前注浆，压力大于0.5MPa为水头压力5倍，以填充岩层裂隙。 2）上软下硬岩层、卵石层断面除采用上述措施外同时进行地面加固处理。 3）空仓无压条件下进行刀具更换。 4）更换刀具（滚刀）一把一把更换，其它部位先行封住。 5）在1）、2）项完成后、刀具更换前采用加压减压措施进行破坏性试验，确保不坍方后进行刀具更换。 6小结 通过深圳水库截污工程盾构隧道施工，证明盾构机的改造和采用的相应施工技术是成功的，但仍有值得总结的经验和需改进的不足。 1）在盾构施工开工前和施工过程中一定要将地质预报工作时刻放在优先考虑的位置，准确而详细的地质资料数据对于工程的顺利实施是至关重要的，在局部范围内施工进展慢，且发生了多次坍方的根本原因恰恰是由于忽视了这一点而造成的。 2）盾构施工采取何种工艺一定要与相应地层情况相适应，根据不同地层情况及时调整和更换工艺、措施，做到有的放矢。 3）在硬岩中进行盾构掘进，盾构刀盘的转速、推进顶力、推进进尺必须相互协调，否则极易造成盾构机械的损伤，其中刀盘转速是影响推进进尺的关键，要提高掘进速度必须增加刀盘转速。 4）气压平衡掘进技术的关键在于对气压的控制，要及时根据掘进的实际情况（推力、仓内土压、进尺等）控制，若采取全自动化控制气压稳定和变化，效果将更加理想。 5）也存在一些不十分令人满意的地方，诸如复合刀盘刀具的布置和开口形状不规范，还存在进土死角，在硬岩施工中由于滚刀量较多效果较好，但在进入软土中虽然拆除了部分滚刀，但由于滚刀的影响其它刀具布置受到影响，且拆除滚刀的空位亦被土体塞住而影响施工。 总之，此次施工实践给大家提供一个在富水区软硬不均的各类风化岩层中盾构掘进的实践经验，对将来在类似环境的工程实施会有所帮助和借鉴，同时我们也期待空仓无压掘进、气压平衡掘进技术能得到更广泛的应用，以便进一步发展、补充、完善盾构掘进在各种地层中的施工技术。查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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