盾构正常掘进施工方案

东莞市轨道交通R2线【天宝站～东城站】盾构区间土建工程盾构掘进施工工艺1工程概况东莞市城市快速轨道交通R2线工程（东莞火车站～东莞虎门站段）线路起始于石龙镇西湖区，终点于虎门镇白沙村。试验段2304标土建工程施工项目包括下天区间盾构吊出井～天宝站区间、天宝站、天宝站～东城路站区间、东城路站。下天区间盾构吊出井～天宝站区间里程范围为右线R2YDK9+740.48～R2YDK10+790.3，全长1049.82m,左线R2ZDK9+751.44～R2ZDK10+790.3，全长1038.86m，区间隧道采用盾构法施工，线路纵断面为V形坡，最大坡度为15‰，线路埋深为13.5～19m，隧道顶覆土8.5～14m，区间隧道主要穿越在6-6砂质粘性土层中。线路出东宝路站后沿莞龙路向西南方向前进，到达莞龙路与东城中路交汇路口处以R=600的半径转至南北走向的东城中路上，随后进入温南路口位置的温南路站，最小曲线半径为R600m。在R2YDK10+216里程处设联络通道兼废水泵房，采用矿山法施工。区间隧道局部下穿永昌汽车维修服务中心的一栋A2浅基础房屋，其余建筑物与隧道平面近距最小为4.72米，地表场地条件较好。天宝站位于东城中路和温南路交汇处，埋设于东城中路下呈南北向布置。车站范围内控制管线为沿东城中路东、西两侧各一根直径2.2m，埋深约3.5m的给水管。车站有效站台中心里程为R2YDK10+908.50，车站总长195.7m，标准宽度19.7m，主体结构为地下两层单柱两跨钢筋混凝土结构形式，车站两端均为盾构始发井。车站共设置4个出入口，2组8个风亭。车站主体采用明挖法施工，围护结构为800mm厚的地下连续墙+竖向3道内支撑。附属工程大部分采用明挖顺筑法施工，围护结构为φ800@950钻孔灌注桩，桩间施工φ600双重管旋喷桩止水帷幕，竖向设置两道内支撑；通道下穿φ2200东江供水管段采用矿山法施工。天宝站～东城站区间里程范围为右线R2YDK10+986～R2YDK12+400.70，长1414.7m,左线R2ZDK10+986～R2ZDK12+400.70，长1420.04m（长链5.34m），区间隧道采用盾构法施工，线路纵断面为V形坡，最大坡度为26‰，线路埋深为13m～15.5m，隧道顶覆土8m～10.5m，区间隧道主要穿越在6-6砂质粘性土、10-1全风化混合片麻岩和10-2强风化混合片麻岩中。线路出温南路站后，沿东城中路向南前进，先后通过万园东路路口、东纵路口后，到达位于东城中路和东城路口北侧的东城路站。在R2YDK11+521.44里程处设1#联络通道，在R2YDK11+842处设置2#联络通道兼废水泵房，联络通道采用矿山法施工。区间线路大多沿直线前进，最小曲线半径R=1300m。东城路站位于东城中路与东城路的交叉路口北侧，埋设于东城中路下呈南北向布置。车站有效站台中心里程为R2YDK12+513.00，车站总长189.9m，标准宽度20.7m，主体结构为地下两层双柱三跨钢筋混凝土结构形式，车站两端均为盾构吊出井。车站共设置了4个出入口，3组风亭。车站主体围护结构采用800mm厚的地下连续墙，内设三道支撑的形式。车站附属围护结构采用φ800@950钻孔灌注桩，桩间施工φ600双重管旋喷桩止水帷幕，竖向设置两道内支撑。2正常掘进施工2.1盾构掘进施工流程2.2参数设定和优化根据标段内地质情况，盾构掘进采用土压平衡模式，可有效的保证土体的稳定、地表建筑物和施工安全。盾构施工参数在表中范围内选取，并在施工中不断优化调整。设置管理基准是否达到1.5m进尺图1：盾构正常掘进施工工序流程图开挖掘进同步注浆1号编组列车出洞管片拼装2号编组列车进洞1号编组列车卸碴装料开挖6m下一循环是否否是延伸轨道、水管盾构正常掘进参数表掘进模式推力(KN)扭距(KN·m)刀盘转速(rpm)土仓压力(bar)螺旋输送机转速(rpm)土压平衡8000～160002500～40001.1～2.01.3～2.05～12正常推进阶段采用100m试掘进施工掌握的最佳参数。通过加强施工监测，不断地完善施工工艺，控制地面沉降。掘进参数的优化程序见图2：盾构参数控制程序图。主要的参数调整优化措施如下：⑴采用以滚刀为主的复合刀盘切削砂卵石层，以低转速、大扭矩推进。⑵适当提高掘进土压力（土仓压力设定为理论值的1.2～1.3倍）以防止涌水，并在掘进中不断调整优化。⑶土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立，并应维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力稳定平衡。⑷盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速（扭矩）来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。在实际掘进施工中，应根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化。⑸掘进时应采取碴土改良措施增加碴土的流动性和止水性，密切观察螺旋输送器的栓塞和出土情况以调整添加剂的掺量。⑹推进速度控制在20～40mm/min，并根据监测结果和排土情况调整。螺旋机转速根据设定土压力与推进速度匹配。2.3盾构正常段掘进施工盾构机在完成始发段100m掘进后，对始发设施进行必要的调整，调整工作包括：拆除负环管片、始发基座和反力架；在车站端头铺设双线轨道；安装通风设施；其他各种管线的延伸和连接等。⑴盾构推进由操作司机在中央控制室内进行。开始施工时，打开出土闸门，依次开启皮带输送机，螺旋输送机和大刀盘，推进千斤顶，调整好各斤顶的油压，此时大刀盘切削土体，盾构前进。盾构机根据设定的正面土压力自动控制出土速度或掘进速度。盾构机的行程、上下左右四个区域千斤顶压力、螺旋输送机转速、盾构扭转、俯仰等参数将在显示屏上显示，盾构司机及时作好参数记录，并参照仪表显示以及其它人工测量和施工经验调整盾构机姿态和各项施工参数，使盾构机始终按设计的轴线推进。⑵盾构应根据当班指令设定的参数推进，推进出土与注浆同步进行。在盾构施工掘进控制添加材料注入参数设定塑性流动状态改良效果土压设定设定速度刀盘扭距开挖仓土压推力周边土压排土量继续掘进更改设定值减少注入量增加注入量过硬过软OK减少螺旋输送机转速增加螺旋输送机转速过高过低OK降低速度OKOKOKOKOKNO最大值最大值异常异常土压力设定土压力控制掘进速度控制图2：盾构掘进参数控制程序图中要根据不同土质和覆土厚度、地面建筑物，配合监测信息分析，及时调整平衡压力值的设定，同时根据推进速度、出土量和地层变形的监测数据，及时调整注浆量，从而将轴线和地层变形控制在允许的范围内，地表工后最大变形量在+10mm～-30mm之内。⑶盾构掘进过程中，推进坡度要保持相对的平衡。严格控制好推进里程，将施工测量结果及时地与计算的三维坐标相校核，及时调整。对初始出现的小偏差应及时纠正，应尽量避免盾构机走“蛇”形，控制每次纠偏的量，盾构机一次纠偏量不宜过大，以减少对地层的扰动，并为管片拼装创造良好的条件。⑷本工程盾构掘进基本上在砂质6-6砂质粘土层、10-1全风化混合片麻岩、10-2强风化混合片麻岩地层中，需向刀盘、土舱或螺旋输送机内注入添加剂以使开挖土体应具有良好的流塑状态、低的透水性和低的内摩擦角。⑸为防止盾构掘进时，地下水及同步注浆浆液从盾尾窜入隧道，须在盾尾钢丝刷位置压注盾尾油脂，确保施工中盾尾与管片的间歇内充满盾尾油脂，以达到盾构的密封功能。施工中须不定时的进行集中润滑油脂的压注，保持盾构机各部分的正常运转。⑹掘进中的沉降控制措施：A、沿线的地面沉降观测点建立以后，在掘进开始以前应取得初始数据，并将所有的监测点清晰地标在1：500的线路平面图上；B、盾构机试掘进时，将设置较密的沉降监测点，以获得盾构机掘进参数与地面沉降的关系；C、掘进过程中，盾构机机头前20m后30m范围内，每天早晚至少测量一次，范围之外每周测一次，直至稳定为止；D、盾构机掘进适当选用千斤顶和推力，根据地面沉降观测成果确定土仓压力，随时调整掘进方向，尽量减少蛇形和超挖；E、掘进过程中及时进行回填注浆，保持适当的注浆压力和注浆量，及时进行二次注浆。⑺施工人员应逐项、逐环、逐日做好施工记录，记录内容：盾构掘进姿态、管片拼装、同步注浆、隧道渗漏水情况等，并将记录的副本及时提交给监理工程师。⑻常见问题及处理方法：①根据保护刀具、降低刀具磨损的要求，必须将刀盘扭矩控制在某一容许范围内，主要控制方法有：减小推力，同时也会降低掘进速度；向开挖面、土仓内加入土质改良剂。②若螺旋输送机被卡住（即扭矩超限），无法正常出碴，可反复伸、缩螺杆并同时正、反转，如低速正转同时伸、缩螺杆，若超限则反转同时伸、缩螺杆，如此反复，基本上都可以脱困。③若启动刀盘时刀盘被卡住，则将部分推进千斤顶收缩，使土压力、刀具贯入度减小即可以转动刀盘。④若铰接千斤顶拉力较大，说明刀盘的扩孔能力较差，则要检查刀盘的边缘刀是否磨损过量而应该更换。2.4碴土改良⑴碴土改良的作用盾构在富水含砂地层中施工，进行碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的最重要技术手段。具有如下作用：①保证碴土和添加介质充分拌合，以保证形成不透水塑流性的碴土从而建立良好的土压平衡机理，只有碴土改良效果好才能从根本上保证掘进过程中地表的沉降控制，同时保证预定的施工进度；②使渣土具有流塑性和较低的透水性，形成较好的土压平衡效果而稳定开挖面，控制地表沉降；③减少全风化、强风化地层的渗透系数，使之具有较好的止水性，以控制地下水流失及防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；④改善渣土的流塑性，使切削下来的碴土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输机顺利排土；⑤改善渣土的流动性和减少其内摩擦角，有效降低刀盘扭矩、降低对刀具和螺旋输送机的磨损、降低掘进切削时的摩擦发热，提高掘进效率。⑵碴土改良的方法碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓、或螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下掘进时都可达到理想的工作状况。添加剂主要有泡沫、膨润土以及聚合物。⑶改良剂的确定及配比、掺量各种改良剂的性能指标表性能指标膨润土泡沫剂工作原理利用添加的胶质减摩效果，使开挖土塑性流动，减少渗透性利用微细泡沫的润滑效果使开挖土塑性流动，减少渗透性PH值7.5～107.3～8粘度2～10Pa·s0.003～0.2Pa·s适用土层砂质粘土层、全风化、强风化片麻岩层砂质粘土层、全风化、强风化片麻岩层根据国内外成功的施工经验，本工程拟采用在膨润土浆液基础上加泡沫剂，其效果比单独改良有很大改善：显著降低刀盘、螺旋输送机的油压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻砂卵石地层对盾构设备的磨损，提高掘进速度和设备的使用寿命。根据东莞地质情况，初步拟定改良剂添加率20～35%。如按25%（即切削1m3渣土需注入250L）计算，膨润土浆液为2400～4000L/环、泡沫量为6400～7000L/环。膨润土泥浆配合比为水：膨润土：外加剂=10∶1∶0.2，膨润土为优质的钠基膨润土，外加剂为碱、CMC及超流化剂DAV等，泥浆坍落度控制在20cm以内。泡沫：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液；泡沫溶液的组成为泡沫添加剂3%、水97%。本工程所用泡沫剂粘度不低于0.1Pa·s。⑷泥浆和泡沫混合物的作用机理泥浆和泡沫混合物的作用机理主要表现在以下几个方面：①通过注入泥浆和泡沫，在刀盘前方形成了一层泥膜，建立起泥土压力，为土体结构提供水平推力，有利于形成拱结构。②泥浆和泡沫使开挖面土体的强度和刚度得到加强，提高了开挖面土体的竖向抗力，对开挖面土体起到了支护作用，减少了开挖面土体失稳的可能。③砂卵石地层颗粒松散，无粘聚力，颗粒之间的传力方式为点对点，向开挖面土体添加泥浆后，泥浆包围在颗粒周围，形成了一层泥膜，增加了颗粒之间的粘聚力，使得颗粒之间的传力得到扩散，改善了土体的受力状况，如图所示。另外，泡沫的体积极小，混合后泡沫的泥浆扩散性得