[分享]土压平衡盾构穿越不良地质施工技术

发表于2019-02-22    744人浏览    1人跟帖    总热度:202  

根据国内一些城市的地铁工程地质情况调查,盾构多次穿越上软下硬的残积土复合地层以及通过花岗岩球状风化地层。国内在如此复杂地层采用盾构法施工较少,在广州地铁一号线、三号线遇到过类似情况,在采用土压或泥水盾构施工时,遇到部分强度差异大的不稳定软硬不均地层,进度缓慢,且多次发生地层坍塌甚至楼房倒塌事故。因此,仔细研究球状风化地层和上软下硬复合地层形成成因及其处理关键技术对盾构法施工及其重要。

1 盾构机掘进上软下硬地层的风险
1.1 上软下硬复合地层的主要特征
    上软下硬复合地层主要是由上部的土层和下部的岩层组合而成的岩土复合地层。盾构隧道中的上软下硬复合地层,其土层和岩层之间的过渡层很薄甚至没有,分界线明显,上部的土层较为软弱,不能过多承受施工扰动,而下部的岩层的单轴抗压强度往往高达几十甚至一百兆帕以上。
1.2 盾构机在掘进时容易产生的施工风险
    (1) 底部为硬岩,刀具贯入岩面困难,掘进速度慢,顶部为软土,刀具切削土层容易,因此盾构机掘进时垂直姿态容易上抬;上部软土因扰动大而容易变形和造成水土流失,尤其是在富水地层中,如果控制不好造成喷涌,更容易导致地层损失,最终导致地面沉降过大。
    (2) 地层软硬不均,刀具在软硬交界的地方容易磕碰岩面,造成刀圈崩坏、刀轴密封漏油等刀具损坏情况;而如果掘进速度过慢(小于4mm/min)时滚刀不转,又容易造成刀偏磨。
    (3) 为维持上部软弱地层的稳定,土仓内常需保持较高土压,同时因盾构机掘进速度慢,摩擦作用使得仓内土体温度升高,从而容易产生“结泥饼”的现象。
2 盾构机穿越球状风化地层的风险
2.1 球状风化地层的形成原因
    球状风化的成因主要是由于岩石岩性不均匀、抗风化能力差异大,加之断裂构造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎,抗风化能力减弱,在深程度风化情况下所形成的。一般于地形平缓,风化带厚度较大的地区较发育。
2.2 盾构机穿越球时产生的施工风险
    盾构穿越该类地层的风险主要表现为盾构姿态控制困难,开挖面稳定性控制难度大。盾构在该类地层中掘进,常发生盾构偏离轴线、喷涌、开挖面失稳、结泥饼、刀盘刀具严重磨损、甚至在岩层中发生因边缘刀具磨损严重而使“盾构被围岩卡住”等风险事件。
3 工程难点及主要对策
3.1 通过建筑物时盾构推进措施
    (1)接近铁路前做好模拟推进;
    (2)保持连续掘进,控制平衡土压力;
    (3)土体改良;
    (4)合理安排施工计划;
    (5)做好同步注浆和二次注浆工作;
    (6)优化掘进参数、保持开挖面稳定;
    (7)加强监控量测和信息反馈。
3.2 通过不良地质应对措施
    (1) 硬岩段。由于盾构机外圈刀间距相对较小,刀具线速度相对较大,破岩能力相对较好,硬岩段采用盾构机刀盘切削通过。若岩石顶面侵入隧道范围较大,硬岩顶部侵入盾构机中心区域,采用盾构机直接通过可能性不大,为减小施工风险可采用矿山法施工,最后盾构机拼装管片通过、壁后注浆。
    (2) 上软下硬段。在上软下硬但硬度差别不是很大的位置推进,要注意以下问题:
    ①在保留原刀盘对软岩、软土地层的适应性的基础上,着重提高刀盘对硬岩的破岩能力和对软硬不均地层的适应性。对刀盘易磨损部位,加焊耐磨层,提高刀盘抗磨损能力。
    ②减小推进力,降低推进速度,密切注意掘进参数的变化,严格控制油缸的分区推力,实时调整盾构姿态,防止刀具异常损坏。
    ③向刀盘和土仓内加入泡沫、膨润土等碴土改良剂,使搅拌后的切削土体具有止水性和流动性,减小刀具磨损。
    ④调整同步注浆配合比,提高水泥掺加量或加入适量早强剂,防止管片背后水力通道的形成,可以防止或减小喷涌的发生,阻止管片上浮。
    ⑤对排土量进行严格管理,严格控制开挖面压力;防止出现下部推进没有速度,上部土层垮塌严重,导致沉降的问题出现。
    ⑥当掌子面上下断面围岩差异较大,方向造成很大偏差或无法有效建立泥土压力时,可利用备用的超前钻机对掌子面上部进行超前注浆加固处理。
    (3) 球状风化体。若施工段出现球状风化体,要根据其位置、大小、强度采取不同的处理措施。当地面条件允许时,优先采用人工挖孔桩法破碎球状风化体,当深度较大时采用冲击钻破碎球状风化体,破碎后采用粘土回填所钻(挖)孔,再采取地面注浆压密回填体,最后盾构机通过;当地面条件不允许时,球状风化体又位于隧道边缘且部分位于隧道外时,采取隧道内注浆固定岩石,盾构机切削通过;当不满足上述3种条件时,采用洞内注浆后、带压开舱进行处理球状风化体。
    ①挖孔破碎法。指在地表采用人工挖孔至球状风化体位置采用松动爆破方式破碎球状风化体的施工方法。球体破碎后采用粘土回填挖孔,并进行土体压密注浆。
    ②冲击破碎法。指在地表采用十字冲击锤冲击钻机冲击破碎球状风化体的施工方法。钻孔前首先探明有无地下管线或其他构建筑物,钻孔后及时采用粘土回填钻孔,并进行土体压密注浆。
    ③直接切削法。指在隧道内采用盾构机上预留的超前注浆孔注浆固定球状风化体,然后盾构机直接切削球状风化体的方法。要随时注意掘进参数变化,防止刀盘局部过载,造成刀盘变形。
    ④带压开舱法。当人员需要进入土仓作业而开挖面无法自立时,就需要在对土仓中供入具有一定压力的空气,利用具有一定压力的空气保持开挖面的自立,此时,由于土仓内和隧道存在压力差,人员若要进入土仓进行作业,则必须利用气压人行闸。作业人员在气压人行闸内历经缓慢加压过程,直到人闸内气压与土仓内压力相等时,方能打开闸门进入土仓;同样,人员离开高压环境时也必须在人闸内经过减压过程。
3.3 刀具的检查与更换
    如果掘进地层中存在大量风化花岗岩及砾质粘土,这两种地层对盾构机刀具磨损较大,特别是风化花岗岩对刀具的磨损更大,但砾质粘土则更容易使刀具产生偏磨现象,要保证盾构施工的顺利进行,必须对刀具进行必要的检查和更换。
4 结束语
    对盾构法施工而言,对上软下硬复合地层以及球状风化地层等复杂地层要有充分的认识,对工程地质条件的认识和理解是克服施工难题、控制施工风险的前提。穿越上软下硬复合地层以及球状风化地层确实是盾构法施工的重大难题,并且施工风险也很高。合理的盾构掘进参数是克服施工难题、控制施工风险的关键。在施工时充分估计困难和风险、采取必要的辅助措施,并充分准备应急预案,做到有备无患是克服施工难题、控制施工风险的必要手段。
来源:中国知网  中天重工
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 发表于2019-02-22   |  只看该作者       筑龙币+20

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根据国内一些城市的地铁工程地质情况调查,盾构多次穿越上软下硬的残积土复合地层以及通过花岗岩球状风化地层。

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