盾构穿越特殊地层施工技术.

盾构穿越特殊地层施工技术第五轨道交通工程队——吕岩目录一、工程简介二、特殊地层2.1复合地层2.2复合盾构三、复合地层盾构施工3.1始发井端头加固3.2特殊构筑物加固3.3全断面软岩掘进控制3.4上软下硬段掘进控制3.5全断面硬岩掘进控制3.6复合地层中带压作业2#盾构始发井DK38+359位于东莞市大朗镇大井头村，施工左线隧道长2925m，盾构机于2012年8月始发，至2014年6月掘进870环。隧道区间地质复杂，全断面软岩、上软下硬、全断面硬岩交替出现，属于标准的复合地层，地表房屋密集，沿线房屋覆盖率高达90%，且多为老旧无基础的土砖房，道路空间狭小，地表注浆加固困难，因此盾构掘进风险系数极大。一、工程简介1#盾构井2#盾构井风井左线左线1#盾构始发井DK33+951位于东莞市大朗镇黎贝岭村，施工左线隧道长1452m，盾构机于2011年11月始发，2014年4月贯通。隧道区间以全断面硬岩为主，岩石硬度平均在80MPa以上，隧道最大埋深42m，纵坡24.4‰，地下水丰富，因此盾构掘进困难。土压平衡盾构机土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。二、特殊地层1•复合地层2•砂层3•鹅卵石地层4•孤石5•地质断裂带6•穿越江河等富水地层7•穿越重要房屋、构筑物、桩基础8•穿越有害物质地层2.1复合地层•工程涉及的围岩地层可宏观的分为两大类：一类是均一地层，另一类是复合地层。•均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成，但其岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。•复合地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特性相差悬殊的地层组合。素填土粉质粘土全风化混合片麻岩强风化混合片麻岩弱风化混合片麻岩颜色呈褐黄色，黄褐色；单轴饱和抗压强度≤5Mpa颜色褐黄色，岩芯呈碎石状、短柱状、节理裂隙发育；单轴饱和抗压强度5-30Mpa颜色青灰色，节理裂隙交发育；单轴饱和抗压强度≥60Mpa2#盾构机沿线地质纵断面图地表密集房屋密集的建筑群狭小的街道和简易、脆弱的老旧房屋2.2复合盾构•在复合地层中进行盾构施工，需要盾构机刀盘具有广泛的适应性。对于盾构机来说，最关键的问题就是采用什么刀盘结构形式和刀具配置才能够使盾构机在整个隧道掘进过程中达到最小的刀具磨损、最少的换刀次数和最快的掘进速度。•左线施工由中铁二十局施工，采用法国NFM技术北方重工生产的直径φ8.83m土压平衡式盾构机，右线施工由中铁十六局施工，采用德国海瑞克生产的直径直径φ8.83m土压平衡式盾构机左线盾构刀盘右线盾构刀盘刀盘配置左线盾构刀盘右线盾构刀盘开挖直径8860mm8830mm刀盘结构形式刀盘整体采用辐条面板式，边缘采用平面斜角式；刀盘面板由左、右两部分拼接而成；滚刀布置在辐条上，刮刀布置在辐条两侧刀盘整体采用辐条面板式，边缘采用平面圆角式；刀盘面板由上、下、左、右和中间五部分拼接而成；滚刀布置在面板上，刮刀布置在辐条两侧开口率30%27%重量110T116T支撑形式中间支撑,6个牛腿中间支撑，8个牛腿主动搅拌棒3根4根驱动形式变频电机驱动变频电机驱动功率9*220KW14*160KW转速0-4.07r/min0-4.2r/min扭矩额定扭矩12680kNm脱困扭矩16484kNm额定扭矩8121kNm脱困扭矩11369kNm添加剂注入口8个，前装式8个，背装式刀具配置单刃滚刀17寸盘形滚刀，共计44把（其中正面滚刀40把，偏心滚刀4把）17寸盘形滚刀，共计45把（无偏心滚刀）双刃滚刀17寸盘形滚刀，共计5把17寸盘形滚刀，共计4把滚刀间距76/92mm90/100mm滚刀轨距52条52条刮刀188把，其中周边刮刀24把106把，其中周边刮刀16把滚刀与刮刀高差140/95mm160/110mm超挖刀1个无三、复合地层盾构施工始发井端头加固特殊构筑物加固全断面软岩掘进控制上软下硬段掘进控制全断面硬岩掘进控制复合地层中带压作业3.1始发井端头加固水纹地质条件：•本标段勘察期间地下水位埋深1.00-5.45m，水位高程18.35-32.71m，水位变幅0.50-2.00m。•岩石富水性和透水性与节理裂隙发育情况关系密切，节理裂隙发育的不均匀性导致其富水性和透水性也不均匀。加固目的：•改良端头土体，提高端头土体强度，堵塞颗粒的间隙和地层的水，确保盾构机始发安全。•与一般地基加固的不同之处是不仅仅要有强度要求，还要有抗渗透性要求。2#盾构始发井端头加固采用咬合旋喷桩，桩型为直径600，间距为500mm，有效桩长16.5m，端头加固宽度为8m，长度16.5m。为了确保盾构始发时的洞门破除施工的安全以及各地层的稳定，在左线端头地连墙前方增加一排直径1m的素砼桩加固，桩心间距为1m,素砼桩有效桩长23m,共计13根；素砼桩间采用直径0.6m的旋喷止水桩咬合，旋喷止水桩有效桩长16.5m，空桩长6.5m，共计14根。3.2特殊构筑物加固•本标段盾构区间隧道埋深13米—43米，隧道穿越大朗镇老城区，地表房屋密集，构筑物高达90%以上，其中包括高架桥、东明学校、华润万家超市、5-7层居民楼、天然基础的土砖瓦房。•在广州地区的复合地层，在扰动状态下掌子面不稳定，地面沉降量和沉降速率均较大，采取何种施工措施控制建构筑物的变形是盾构施工的难点。•盾构施工机理和地质情况的限制，掘进时将引起地面隆起和沉降。如沉降或隆起超过建构筑物或管线允许的变形控制极限，造成地面建构筑物和管线的变形、开裂，甚至建筑物倒塌，可能带来的纠纷对施工产生不可忽视的影响，不但影响施工进度和施工安全，并且会造成严重的社会不良影响。本段隧道在GDK38+300处下穿省道S357银朗南路，右线线路中心与银朗南路线路中心以64°的交角与银朗南路斜交，并下穿银朗南路大井头跨线桥，从桥跨桩基间穿过，呈西南至东北走向。隧道埋深约13m，左、右线线路中心间距约28.5m。盾构隧道主体结构分别从该桥的30m小箱梁两跨间桥桩桩基之间穿过,其中隧道左线从桥梁⑥号墩和⑦号墩之间穿过，隧道右线从桥梁⑦号墩和⑧号墩之间穿过。桥墩下部结构采用2.5m（长）*2.5m（宽）*1.5m（高）承台结构，承台以下采用直径1.5m桩基础。其中桩基础深度分别为：⑥号墩左桩长34.22m、右桩长32.5m；⑦号墩左桩长34.98m、右桩长33.5m；⑧号墩左桩长38.39m、右桩长36.82m。为保证盾构施工期间大井头跨线桥的安全，在桥桩基础外布置两排斜向袖阀管，钻孔同排间距0.8m，两排袖阀管距基础边的距离根据基础深度来确定，采用梅花型布置，尽量减小无法加固区域；钻孔布置可根据现场实际情况适当调整钻孔位置及间距。整个注浆结束后采取水泥砂浆进行封堵处理。注浆深度为桩基基底以下2m或进入微风化岩层则注浆深度入微风化层0.5m。房屋预注浆加固根据建筑物基础、地质水文及隧道埋深条件，对建筑物天然基础下的松散土体及管桩周边地层进行主动注浆加固，以改善天然基础地层并加强管桩与土体摩阻力。房屋跟踪注浆加固根据建筑物基础、地质水文及隧道埋深条件，对隧道开挖中因失水、应力释放等形成的间隙或松散土层根据监控量测结果进行注浆，当建筑物沉降变形监控量测值大于设计警戒值（控制值的80%）时应立即停止隧道开挖及时对建筑物基础进行单排袖阀管跟踪注浆（跟踪注浆加固施工方法同预注浆加固方法）。大朗镇大井头村盾构左线盾构右线30米边界线•位于居民密集区段的天然基础建筑物，由于道路狭小，场地有限，钻机无法进入时，钻孔施工采用洛阳铲。有砼硬化的地面使用多功能砼钻孔取芯机打穿硬化层，注浆钻孔深度为4.5m。•基础型式为桩基础的框架结构物，注浆加固深度超过15m的采用地质钻机施工。•房屋基础外布置两排斜向袖阀管，钻孔同排间距1.0m，两排袖阀管距基础边的间距根据基础深度确定（注浆深度为地面至建筑物基础底以下2m），两排注浆孔之间采用梅花型布置，尽量打设斜孔到房屋投影下方，尽量减小无法加固区域；钻孔布置可根据现场实际情况适当调整钻孔位置及间距。3.3全断面软岩掘进控制为了控制地表密集房屋的沉降，业主要求盾构掘进采取保守的满仓高压模式，这种掘进模式相对较为安全，但是满仓高压增大了盾构机掘进负荷，盾构掘进缓慢，土仓极易结泥饼，滚刀被包死最终导致偏磨，带压进仓清理泥饼、更换刀具频繁。措施：1.尝试保气压半仓掘进，减小盾构机掘进负荷，提高掘进速度。2.土仓加装高压水路，防止泥饼生成。3.调节发泡率，提高渣土改良效果。4.调整滚刀扭矩，防止刀具偏磨。3.4上软下硬段掘进控制•上软下硬地层掘进过程中，最大危害是下面硬地层造成掘进速度慢，但在较慢的掘进速度下，刀盘对土体不断扰动，上面的软土流入土仓，容易造成超挖，导致地面严重沉降，甚至“塌通天”。措施风险3.5全断面硬岩掘进控制•全断面硬岩盾构掘进相对较为安全，但是进仓检查更换刀具频繁。•岩层过硬时如果检查更换偏心刀不及时容易出现盾构机卡壳。•岩层过“脆”时掘进容易出现大块石头，卡死螺旋输送机、砸断土仓搅拌棒、泡沫管路、砸坏土仓传感器、管路连接箱。•岩层过“硬”时刀具异常损坏。•拱顶岩层过薄时，如果土仓保压过低会造成地层失水过多引起地表沉降。•停机过长时螺旋机会包死。•岩层裂隙水过多时会造成管片上浮、螺旋输送机喷涌。措施：1.定期进仓检查更换刀具，尤其是检查负责开挖直径的刀具以及中心刀具，防止盾构机卡壳或中心变形。2.定期进仓复紧刀具螺栓，打捞土仓金属异物。3.采用高强耐磨刀具，有计划分区域进行更换，提高刀具使用效率。4.根据地层情况随时调整掘进参数。5.在不明地层时或地层较为脆弱时采用保压掘进，防止地层失水过多。6.掘进过程中加适量膨润土，改良渣土。7.足量进行同步注浆，及时跟进二次注浆，固定管片防止管片上浮。3.6复合地层中带压作业泥膜保压技术•2#盾构机隧道区间地质属于标准的复合地层，进仓清理泥饼、更换刀具频繁，但是地表房屋密集，无理想加固位置，进仓均采用高风险的带压作业。•原理：通过向盾体周围、土仓注入膨润土泥浆，使盾体周围及掌子面土体形成泥膜，封堵漏气通道，防止地下水渗入，使土仓形成一个密闭空间。•特点：1、通过调整膨润土泥浆配比，使其既具有良好的渗透性封堵土层微小缝隙，同时又具有良好的附着性在掌子面形成一层泥膜，为带压作业创造良好条件。2、系统组织安排带压作业前期工作，严格控制置换、清仓的过程细节和步骤，保证了泥膜效果，增大了带压作业的成功几率，为带压作业争取了宝贵的时间。一氧化器是一种看不见的、无色、无味、无刺激、无法用五官感觉的气体。50ppm健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度；200ppm2-3小时后，轻微头痛、乏力；400ppm1-2小时内前额痛，3小时后威胁生命；硫化氢在低浓度0.05ppm的时候，会有臭鸡蛋的味道。在较高浓度50-150ppm时，由於麻痹感觉神经，因此反而闻不到味道。带压作业应急预案带压作业柴油空压机、柴油发电机地面刀盘处房屋住户临迁注浆设备、材料到位地面建筑物监测柴油发电机柴油空压机空压机柴油人仓谢谢大家！第五轨道交通工程队——吕岩