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盾构掘进!城市地铁盾构长距离穿越湖底施工技术

导读:为您写盾构掘进毕业论文范文和职称论文提供相关参考文献。

盾构掘进隧道,盾构机控制室 视频 : 沉井 1、★富水软弱地层浅覆土盾构掘进施工技术2、★地铁盾构始发试掘进施工技术3、★南京地铁软土地层盾构掘进技术4、★盾构始发试掘进施工技术探析

(无锡市轨道交通发展有限公司,江苏 无锡 214131)

摘 要:盾构施工以其安全、快速、高效在城市地铁、市政公用管路建设中得到越来越广泛的应用.文章对长三角地带软土地层中盾构施工技术进行了总结,介绍了超长距离、超浅埋湖底隧道施工实践及经验.

关键词:金鸡湖隧道;超长距离;超浅埋湖底;土压平衡盾构

中图分类号:U455 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2013)16-0092-05

目前国内水下隧道施工已有先例,例如江苏无锡市首条湖底隧道蠡湖隧道总长1180m;武汉东湖隧道下穿湖底的主通道呈弧线走向,全长约800m.但是穿湖总长3650.98m,湖底最浅覆土7.4m,采用土压平衡盾构机施工却尚属首次,超浅埋湖底隧道掘进防喷涌、超长距离湖底隧道掘进技术控制、水下盾构隧道沿线障碍物潜在风险、长距离湖底成型隧道防水技术、微承压水治理等等,技术难度及安全风险较大.基于此,依托金鸡湖盾构工程,对土压平衡盾构机在穿越陆地、湖底的一系列过程展开施工技术研究.

1 工程概况

该工程包括[星港街站~会展中心站]、[会展中心站~华池街站]两个盾构区间,盾构掘进总长6183.391m.其中,星港街站~会展中心站区间左线长2351.980m(含短链0.365m,长链5.370m),右线长2350.108m(含短链0.425m,长链3.558m),总长4702.088m.会展中心站~华池街站区间左线长741.534m(含长链1.032m),右线长739.769m,总长1481.303m.

盾构:经视新闻20111225 长沙地铁1号线:盾构机地底始发 1分钟掘进1厘米

施工范围内土体自上而下分述为:①1淤泥层、①2素填土、③1粘土层、③2粉质粘土、④1粉土、④2粉砂、⑤粉质粘土、⑥1粘土层、⑥2粉质粘土层、⑦2粉土层、⑧工程地质层(粉质粘土层).盾构通过的主要土层为④2粉砂和⑤粉质粘土.

本工程采用两台加泥式土压平衡盾构机进行两个区间总长约6.2km的隧道掘进施工.日本小松TM634PMX-16、TM634PMX-17盾构机先后从会展中心站西端盾构井始发,掘进至星港街站东端解体;然后转场至展中心站东端二次始发,掘进至华池街站西端盾构井解体吊出.两台盾构机共需要四次始发,四次吊出,两次转场,两次过金鸡湖及中间风井.

地质水文情况主要有四层水,一是地表水,二是赋存于全新统Q4冲湖积相沉积粘性填土层中的地下潜水,三是隧道埋深范围④2粉砂层中的微承压水,四是⑦2粉土层中的承压水.

2 盾构机选型及盾构掘进施工参数理论计算

2.1 盾构机选型情况

该工程选用的是日本小松公司土压平衡盾构机,盾构机的主要参数和工作性能如下:

2.1.1刀盘开口率40%,配备4个超挖刀,最大超挖量为125mm.开挖部位、尺寸均可方便设计自动调节.

2.1.2掘进扭矩、推力大,最大输出扭矩达6176kN·m,最大推力37730kN,具备10MPa强度的破岩(硬土)掘进能力.

2.1.3盾构机主机的密封装置(刀盘驱动密封及盾尾密封等)在较高水土压力状态下具有良好的密封功能.电气和液压元件质量可靠、响应迅捷,防水性能好,适应隧道内的高温、高湿工作环境.

2.1.4泡沫系统在刀盘、土仓和螺旋输送器上均设置注入口,既能改良刀盘开挖面的土层,也能对进入螺旋输送器的泥土起到有效改良,防止泥饼的形成.同时在螺旋输送器内形成土塞,从而抑制喷涌.同步注浆系统具有单、双液浆的双重注入功能,可根据施工的具体需要从而随时调节.

2.2 湖底盾构掘进主要施工参数理论计算

2.2.1 土压力计算.根据土压平衡盾构的工作原理,土仓压力需要与开挖面的正面水土压力平衡以维持开挖面土体的稳定,减少对土层的扰动.

基于力学原理,正面水土压力的理论值为:

式中:

Pc——土压力

Pw——水压力

式中:Kw为静止土压力系数,一般通过试验确定,无试验资料时,可按参考值选取;砂土取0.35~0.45;粘性土取0.5~0.7,也可利用半经验公式Kw等于1-sinφ&,acute,计算,式中,φ&,acute,为土体的有效内摩擦角;γ&,acute,为土的有效重度,单位

kN/m3;H为计算点土层厚度;q为连续均布荷载.

式中:

γw——水的重度

H——计算点土层厚度

建立计算模型:

盾构机掘进穿越金鸡湖底,从地质纵断面图看盾构机主要通过④2粉砂层及⑤粉质粘土层,开挖面的正面水土压力考虑分为三部分:一为金鸡湖水;二为①1淤泥层;三为其他土层(包括①2素填土、③1粘土、③2粉质粘土、④1粉土、④2粉砂、⑤粉质粘土).

竖向分层计算原则:

在本计算实例中,第一层金鸡湖水视为连续均布荷载q等于103×10×h1(Pa);式中h1为水深.

第二层为①1淤泥层,该层厚度为h2,根据地质勘察报告,该层湿密度为ρ等于1.8g/cm3,则重度为γ2等于1.38×104kN/m.

第三层为其他土层,该层厚度为h3,计算该层范围土

压时土层厚度,根据地质勘察报告,该

水压力计算公式Pw等于γwH中H为金鸡湖底至盾构机刀盘中心厚度.

盾构机实际掘进施工管理土压力还需要考虑地层条件的变化、施工参数等的影响,其表示为P&,acute,0等于αP0,式中α为考虑土体扰动后的性质变化、盾构机推进速度、超载状况等因素时正面水土压力的动态调整系数.一般根据实测地面沉降及位置控制标准判定正面压力的合适性,随时作相应调整.

2.2.2 注浆量计.本工程中采用的两台小松盾构机均为铰接式圆柱型盾构机,盾构机的主机外形尺寸为6340mm,刀盘开挖直径为6370mm,在盾尾外侧均匀地分布着四个同步注浆管路外壳,如图4所示.左右下角两侧各有一个盾尾油脂管路注入外壳.由于两个盾尾油脂管路注入外壳的尺寸较小,在计算空隙量不予考虑.成型管片的外径为6200mm.以上结构形成的地层空隙如图5阴影部分.这部分空隙必须采用同步注浆填充,否则就会引起地面较大的沉降.

计算空隙量(单环注浆量):

实际注浆量取值为理论方量的1.5~2.0,考虑到湖底粉砂层的渗透系数较大,取较高系数,即:

2.2.3 注浆压力计算.注浆压力的选择以静力平衡为依据,为避免过高的注浆压力导致水泥砂浆流到掘进掌子面,造成对刀盘主轴承密封的磨损,设定注浆压力小于覆盖层压重造成的水土压力.采用的经验公式为:

式中:

H——注浆段到地表深度

V——地层容重

K——系数

系数K的取值为1.0~1.2,根据掘进过程中的土压、掘进速度及监测数据反馈进行调整.盾尾同步注浆的压力因浆液注入点位置的不同而不同.盾尾四个注浆点的位置和相互关系如图6所示:

通过计算得出盾构拱顶水土压力.管道中的压力损失在盾构机厂内组装时已测定.

设拱顶水土压力为ρ1,管道中的压力损失为ρ2,则:

最大注入压力取ρA1、A4的1.25倍,最小注入压力取

0.75倍.

同样最大注入压力取ρA2、A3的1.25倍,最小注入压力取0.75倍.实际操作过程中,可根据以上理论计算所得结果分别设定A1、A2、A3、A4点的注浆压力.

富水软土地层掘进,成型管片重量小于原状土,一定程度上会造成管片上浮,因此为使成型管片姿态符合设计要求,在设计线路下方掘进,为管片后期上浮留下一定空间,根据经验及测量数据统计分析,湖底掘进下调量为25~35mm.

3 盾构穿越长距离湖底掘进技术

穿越长湖盾构掘进首先是要根据区间设计情况、地质水文勘察情况进行盾构机选型.根据苏州地区以粉砂及粉质粘土层为主的软土地层,选择适宜粉土、粉质粘土、淤泥质粉土和粉砂层等粘稠土壤的施工的土压平衡盾构机.确定之后,针对软土地层地下水丰富的特点,进行盾构机适宜性分析以及盾构机本身一些技术改造,例如中盾上增设10个注聚氨酯孔、更换主轴承密封等.

在盾构正式始发推进前,需要进行土压平衡盾构机必要的参数计算,主要包括:(1)土压力计算;(2)注浆量计算;(3)注浆压力计算;(4)管片姿态控制参数.在掘进中以理论计算数据为依据,根据实际施工情况,尤其是监测情况对参数进行验证和必要地调整,确保周边环境安全,同时保持盾构机稳步高效运转.

穿长湖盾构掘进主要包括五个阶段:(1)初始100m试验段掘进;(2)从陆地地层进入湖底地层掘进;(3)湖底地层掘进;(4)从湖底地层进入陆地地层掘进,(5)湖底几种不同空间位置构筑物的穿越掘进.

根据以地质为本的思路,每个阶段重点对地质水文情况进行详细分析,同时针对线路情况及现场施工实际,总结各个阶段掘进的特点和应对措施.最后,针对土压力及同步注浆这两个比较重要的环节进行重点分析,汇总同步注浆在五种掘进环境中施工工艺的区别和作用比较,对实际土压力和理论土压力进行比较,总结湖底施工时土压力参数特点.

4 盾构机穿越金鸡湖底掘进施工

4.1 初始100m试验段掘进

设置100m的试验段进行掘进有两个目的:一是该试验段范围内的部分地层与湖底地层分布比较相似,结合验证理论计算的掘进参数,可以获得更为真实有效的掘进参数;二是通过试验段的掘进施工,全方位地检验整个盾构机、水平运输系统、垂直运输系统及地面配套设备的协同作业能力.通过这100m的掘进,将所有的作业人员进行人机适应,建立起整个盾构施工的管理、作业、物资供应及后配套设备管理的良性循环.

始发时为了更加有效对刀盘前方的地下水进行封堵,通过有选择地对超挖刀进行开启和关闭结合盾构机主机中盾上的10个聚氨酯注入孔人为地在加固地层里设置三道不同位置的环箍,进一步保证了始发洞门的安全.

待中盾进入加固体后利用中盾上的10个聚氨酯注入孔在侧墙附近注入水溶性聚氨酯,形成第一道防水密封,聚氨酯的用量为20~30kg/孔.

第一道环箍位于加固体内离车站侧墙1m处,环箍的长度约500mm,待中盾上的聚氨酯孔推进到该位置时,同样用聚氨酯进行封堵水,并利用管片上的预留注浆孔(即管片吊装孔)进行封环注浆,注浆液采用水泥浆-水玻璃混合浆液,对封环注浆的施工在后面有详尽的论述.

在盾构机刀盘进入加固体约4m后,控制超挖刀伸缩,形成第二道环箍,该环箍的长度为500mm.对第二道环箍的施工处理与第一道环箍相同.

盾构机的主机长度为8.68m,在盾尾完全进入加固体后(即第三道盾尾刷进入加固体约500mm)制造第三道环箍.第三道环箍的宽度可适当加大,在该段加固体中设置为800mm.三道环箍的施工参数和材料用量的统计见表1:

对比三道环箍的材料消耗和参数,第一,发现在达到基本相近的参数要求情况下的材料消耗并不是成线性比例在增长;第二,第三道环箍的注浆施工中的压力较前两道环箍有所减小.原因分析有二:一是,前两道环箍所处的空间位置上附近的地层、地下水量近似,故两道环箍的材料消耗及注浆压力相近;二是,第三道环箍的位置为加固土体和原状土体交接处,地层性质发生了较为明显的改变,同时该处的赋水量较非加固体内变化大,最为明显的反映就是在三道环箍处,在注入水溶性聚氨酯前,打开中盾上的球阀后,用钢筋棍对盾构机四周的地层进行了试探接触,前两道环箍处基本周围较密实,没有出现流水、粉砂堵塞注入孔的现象,而在第三道环箍处进行试探时,最底部的6号注入孔流出了较为清澈的水流,并且在水平方向上和盾构机顶部的注入孔出现了粉砂堵塞的情况.在通过加固体的掘进中,给我们很深的体会是凡事预则立,对区间地层的把握和分析,做到掘进时对地层的分布及性质了如指掌,能充分地指导我们在施工中做好工序的准备和实施,在掘进的工程中,多种工序的衔接能有条不紊地进行是保证工程安全和顺利进行的重要保障.

4.2 从陆地地层进入湖底地层掘进

267环~320环为从驳岸进入湖底位置,刀盘中心深度-13.715~-13.42m,掘进面由上部1~1.8m的粉砂层和下部4.5~5.5m的粉质粘土组成,上部土压力理论值为0.119~0.121MPa,隧道为15.764‰的下坡,计算设定同步注浆压力A1、A4为0.20~0.22MPa,A2、A3注浆压力为0.25~0.28MPa,注浆量为4.0m3,注浆泵流量为90~135L/min.在进入湖底的初始100m水面上采用钢管布设湖底地形沉降直接观测点,通过湖底沉降监测信息反馈来调整土仓压力、注浆压力和注浆量,指导盾构掘进.

从驳岸进入湖底后的地层分布比较均匀,砂层的厚度为1.5~2m,位于掌子面顶部.掘进时的土压力基本与设计值吻合,在0.11MPa左右;1、4号注浆孔的注浆压力较小,在此掘进过程中的注浆压力控制非常关键,在满足注浆饱满的同时要防止注浆压力过高,击穿砂层,在盾构机的上部形成涌水通道,严重的情况下可能击穿湖底地层,在湖面上形成涌泉.在实际施工过程中一般采取的方法是在达到设计注浆量后即停止注浆.

4.3 湖底地层掘进

从第320环~第948环为湖底掘进地层,粉砂层在掌子面上的分布从线路上看基本呈W型延伸,砂层厚度为1.5~3m,并且呈现出W的前半部分的砂层增加和减少的趋势比较急剧,后半部分的比较缓和,同时在两个V形分布中都呈线性分布,对这段区间的掘进能够循序渐进的进行参数调整,隧道为3.503‰的下坡.

该段的掘进与上一段掘进区别比较明显,第一,在同等掘进参数下,渣土含水量明显增大.分析原因有二,一是含水量随着砂层的厚度增加而增大;二是前一段进湖掘进的扰动导致地下水的流向发生了改变,隧道后面的地下水与掘进掌子面形成了渗水通道.渣土里含水量的增大更加有效地改善了渣土的出土性能,促进了掘进速度的提高,能保证在45~55mm/min的速度下实现快速掘进;第二,该段地层的A2、A3孔的注浆压力有所增大,达到了0.25~0.32MPa,同时注浆量在砂层较厚的W形底部位置有所增加,流量达到了140~170L/min.

4.4 从湖底进入陆地地层掘进

从第1772环~第1933环为上岸掘进地层,粉砂层厚度在断面上从1.2~6.2m呈线性增加.

该地层的掘进参数较前两种地层变化较大,采用封环注浆的工艺来保证掌子面的稳定性以实现安全掘进.首先,要对出土进行渣土改良,通过添加泡沫来提高砂土的和易性,保证出土连续稳定;盾构机主机的泡沫注入位置分布在刀盘(5个泡沫孔)和土仓壁(1个),泡沫在提高渣土和易性的同时,能实现对掌子面和土仓壁的润滑,减少砂土对刀盘和土仓壁的磨损,降低主轴承密封温度;其次,顶部土仓压力提高到0.17~0.18MPa,适当的高土压能够防止掌子面上方的砂土流失,防止掌子面失稳,A1、A2、A3、A4孔的注浆压力都有所减少,达到0.2~0.23MPa,注浆量提高到4.5~5m3;在全断面砂层掘进中,掌子面的稳定至关重要,由于粉砂的渗透系数大,同时地层富水量高,为了杜绝隧道后面的水涌到掌子面附近,在1825环至1933环的掘进中采用了封环注浆的工艺对隧道后方的来水进行了封堵,效果明显,直接表现在掘进时的出土含水量稳定,掘进和拼环时的土压保持性好.封环注浆的工艺采用水泥浆-水玻璃双液浆进行施工,通过管片上的预留注浆孔进行施工,注浆孔分布如图7所示:

水泥浆的水灰比为1∶1,为提高浆液强度,可提高到1∶1.5,选取P42.5R硅酸盐水泥及40°Be&,acute,、模数2.4~2.6的水玻璃作为注浆材料,水泥浆和水玻璃比为1∶1.设定注浆压力为0.2~0.4MPa.注浆顺序为1→2→3→4或者1→2→3→5,保留6号孔不注.在进行1号孔注浆的同时,开启2号阀门,关闭3、4、5、6阀门,每个孔都是先注单液浆进行压力及浆液扩散,再用双液浆填充加固效果.在满足2号孔流出浆液和注浆压力达到设定压力值其中之一条件时即可停止注浆,关闭1、2号注浆孔阀门后进行下一孔注浆.保留6号注浆孔的目的有二:一是待注完所有的孔后打开6号孔,检查是否流水或流浆,确认注浆效果.

二是防止其余5孔在注完双液浆后已经堵塞无法掏通的情况下依然有水流出,再启用6号孔进行补注.封环注浆每隔10环进行一次,必要时可缩短间隔环数.实践结果显示,每一次的封环注浆量在5t水泥用量下即可满足掘进要求,能够有效的控制住隧道后方的地下水来袭.成型的金鸡湖隧道“线形优美,滴水不漏”,如图10所示:

5 结论与讨论

(1)通过盾构施工管理标准化、系统化、人才培养、物资保障、质量管控、经济活动分析等手段,盾构机湖底适当建立被动土压推进、优化浆液比、针对性土体改良,最终实 鸡湖隧道湖底快速掘进.

(2)采用土压平衡盾构进行水下城市轨道交通隧道具有较强的适应性,通过对盾构机的始发检查和全面检修,对盾构机土仓、刀盘主轴承密封、铰接密封、盾尾刷等关键部位的密封性进行检查,可以确保盾构机在水下掘进过程保证良好的工作状态.

(3)适当建立被动土压推进、优化浆液比、针对性土体改良长距离湖底快速掘进.

(4)盾构掘进机管片拼装质量控制,充分发挥管片结构自防水能力;止水带上设置遇水膨胀橡胶,随季节调整胶黏剂配方确保防水材料粘贴质量,保证同步注浆及时饱满,充分发挥接缝防水能力;辅以二次注浆及水泥基渗透结晶型防水材料使用,封堵漏点,加强裂缝防水,最终实 鸡湖隧道“滴水不漏”.

参考文献

[1]王梦恕,洪开荣.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社,2007.

上海市隧道工程公司软土隧道盾构施工掘进技术 视频时长:11:21 上海市隧道工程公司软土隧道盾构施工掘进技术 播放:35073次 评论:8436人

[2]袁敏正,竺维斌.盾构技术在广州地铁的应用及发展[J].广东土木与建筑,2004,(8):5-7、9.

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