盾构过孤石段掘进工艺总结资料.docx
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盾构过孤石段掘进工艺总结资料
盾构过孤石段掘进工艺总结资料
盾构过孤石段掘进工艺总结资料
一、区间孤石概况
某城市地铁TA04标盾构区间隧道自DK18+238到DK18+829大部分在玄武湖下部中密~密实的③-4e2混合土中穿越,该层主要为角砾混砾砂、风化岩屑及少量粘性土,局部含有较大的孤石(主要分布在左线,勘探揭示的孤石具体分布情况见表1),单轴抗压强度最高46.35MPa,胶结性差,易坍塌,自稳性差,且含较丰富的弱承压水,因此隧道施工易产生围岩失稳问题,特别是孤石的分布对盾构推进影响较大。
对于孤石的分布,由于尺寸相对较小,且分布有随机性,靠加密勘探无法有效的揭示其具体位置。
另外,由于该段主要位于玄武湖底部,物探方法也无法有效使用。
1,已勘明隧道开挖范围内孤石分布点位表(表1):
揭露孤石地勘孔号
里程/掘进环号
孤石埋深(米)
D4Q7G29
DK18+252/468.7环
21~22.7孤石(5#孤石点)
D4Q7Z17
DK18+309/421.2环
25~25.2孤石(4#孤石点)
D4Q7Z35
DK18+367/372.8环
19~19.6孤石(3#孤石点)
D4Q7G67
DK18+396/348.7环
22.4~24.8孤石(隧道底板埋深23.5)(2#孤石点)
D4Q7Z36
DK18+426/323.7环
15.2~16孤石(1#孤石点)
勘测点布孔图:
区段地质剖面图:
部分地勘芯样照片:
D4Q7G29(20-24m)D4Q7Z17(24-28m)
D4Q7Z35(16-20m)
2,部分未勘明但根据掘进参数判断
当盾构掘进过程中刀盘扭矩参数变化较大、波动频繁,掘进速度跳动较大,且土压变化对推力、掘进速度、刀盘扭矩影响较小,四组刀盘伸缩油缸压力出现不均匀顺序变化,结合渣样分析,判别是否是掘进遇孤石。
在九锁区间左线里程DK18+
孤石处理措施:
盾构掘进孤石处理措施均需根据孤石的大小、位置、形状、周边环境等因素确定处理方法,目前孤石处理措施如下:
1,地面提前预处理
①、物探法确定孤石大小范围,采取地面冲孔、挖孔处理孤石;
②、孤石区域注浆加固,是孤石与周围围岩土体固成一体,便于盾构机掘进通过。
③、小口径钻头钻孔爆破
2,洞内处理
(1)盾构超前注浆孔注浆,已达到对前方土体加固的目的,以使盾构顺利通过孤石。
(2)对孤石进行静态爆破,大石化小,再把小石块从刀盘前方移进土仓由螺旋输送机排出土仓
(3)若地层条件较好,则可直接开仓,对掌子面孤石用岩石分裂机破碎。
(4)盾构机直接掘进
由于隧道上方地面为玄武湖,不具备冲孔、挖孔条件,无法采用地面处理方式,且孤石大小不宜采取超前爆破施工,因此本项目采取了直接掘进过孤石。
二、掘进工艺总结
1、掘进及同步注浆
、设备上的准备
①、刀盘刀具
在盾构接近孤石区域前应选择合适的地层停机,对盾构机刀盘进行清理,同时检查更换刀具。
2014年11月18日拼装环号303环切口里程DK18+460.4开舱清理查刀
开舱滚刀及开口状况,及时冲洗刀盘
清理后检查刀具,面板单刃滚刀、周边单刃滚刀、中心双刃刀以及齿刀刮刀均在正常磨损范围内,不予更换。
2014年12月28日拼装环号338环切口里程DK18+418.4带压清舱换刀
作业十三舱,清理泥饼及更换4把单刃滚刀
2015年3月27日拼装环号450环切口里程DK18+284开舱清理
开口泥饼清理后可见掌子面
、螺闸门的改造
孤石存在于混合土层中,在该区段掘进时很容易产生喷涌,首先我们在设备上解决,尽可能减少喷涌量,使皮带机能一次性带走,而防止盾尾掉渣落浆严重,减少清理量。
区间左线所使用的海瑞克S669型盾构后闸门安装的是单闸门,一旦闸门打开舱内压力会瞬间释放,使得闸门关闭迟缓而造成舱内失压,容易造成土体失稳。
为此我们在螺闸门上做了一些改进:
改进前(闸门口监控截图)
第一次改进的手动闸阀(Φ300板阀)第二次改进的启动薄型闸阀(Φ300板阀)
第二次改进后的启动板阀,该阀门可与螺闸门一起在驾驶室内超控,有效提高安全性能,同时可靠性较之手动闸阀要高得多。
⑵、掘进过程参数控制
隧道自里程DK18+519开始进入玄武湖后其埋深从17米延至26米,设计为29‰的下坡,计算中心土压1.6bar~2.0bar。
①、掘进模式的选择
盾构进入玄武湖底混合地层后,考虑到③-4e2混合土自稳性差、易坍塌等特性,选择满舱建压推进和半舱加气保压推进两种模式。
满舱建压相对半舱加气保压掘进对土压控制较为容易,但相对压力要高出半舱气压的0.2—0.4bar,致使在获得同等速度时推力及刀盘扭矩明显比半舱加气掘进大;半舱加气保压掘进时对盾构操作手作业熟练度要求较高,必须能很好地根据掘进速度控制出渣量,防止土舱压力急剧下降而造成掌子面失稳塌陷。
半舱加气保压时可选择提高泡沫发泡率加大气体流量或启用SAM保压系统向土舱内加入压缩空气以达到土舱保压。
前者的随意性较大,很容易造成大流量喷涌或底层击穿湖面冒气冒浆;后者可预先设定保压值,SAM系统灵敏度为0.1,当压力降低0.1时系统自动补气,同时当舱内压力急剧下降时补气流量会自动加大,达到迅速升压达到目标值的目的。
在该混合土层孤石区段我们选择了满舱建压和半舱加气保压(启用SAM系统)相结合进行推进,以防止大面积塌方。
当过小孤石时采用满舱建压掘进模式,通过较大孤石时采用半舱加气保压掘进模式。
掘进349环(DK18+396)2#孤石点、469环(DK18+252)5#孤石点采用半舱加气保压掘进;掘进其他小孤石点采用满舱建压掘进。
469环玄武湖冒泡图
②、推力与扭矩
过孤石时,盾构机推力在12000~15000KN之间,扭矩在1.5~2.5MN.M之间。
在此间区里很难控制,前方不均匀掌子面情况,致使推力波动较大,此时唯有以扭矩定推力,将扭矩控制在2.5MN.M内,为防止孤石环向转动漂移。
掘进324环参数表、图:
推力曲线图
刀盘扭矩曲线图
1#孤石点掘进环耗时5小时多,推力相对平稳,但基本处于峰值,平均值为16324KN,超过了既定参数,刀盘扭矩波动较大,孤石对掌子面扰动较大。
根据后期孤石掘进看该环掘进推力过大,应适当降低推力,让刀盘扭矩相应平稳,更有利于孤石切削破碎,在3#、4#孤石点得以应用,将总推力将至15000KN内,效果良好,刀盘扭矩曲线趋于平缓,无剧烈波动现象,但切削时间较长,刀盘结泥饼的风险增加,同时渣温升高至45摄氏度。
2#、4#孤石点所采取半舱加气保压掘进,湖面有不同程度冒泡冒浆现象,但总推力及扭矩相应较之满舱降低,总推力在14000KN左右,扭矩在扭矩曲线波动范围降低。
③、掘进速度与刀盘转速
根据孤石大小选择盾构掘进速度与刀盘转速。
对于1#、3#、4#孤石点掘进时,应该处孤石直径较小,掘进挤压切削时很容易与刀盘产生共转,加大土体扰动,增加刀盘扭矩,同时切削破碎速度降低,因此过此类孤石时采取高转速低速度掘进,速度控制在5~9mm/min,刀盘转速控制在1.5~1.8r/min。
324环掘(1#孤石点)掘进速度与刀盘转速参数图:
刀盘转速图
掘进速度图
高转速低速度掘进过孤石,尽管能取得较好的效果,但存在崩刀的风险。
拼装环338环带压更换刀具后,盾构掘过349环(2#孤石点)、373环(3#孤石点)位于383环换刀点拆除更换刀具,刀圈崩裂,刀毂受冲击较大有撞击痕迹。
在掘进中刀盘转向不停转换,盾构转动角变化3~4。
时可反转,频繁的刀盘转向变化也有利于孤石磨切破碎。
④、土压与出土量
孤石点掘进时的土压根据计算土压及结合出渣量确定,不低于计算土压,当出土量明显超挖时,土压会上调10%~20%。
1#孤石点324环掘进时土压图(1、3号土压计分别显示顶部及腰部上部土压)
孤石点出土时喷涌很难杜绝,一旦喷涌出土量就难以估计,且土压波动较大。
因此盾构司机在操作时,螺旋机必须保持0.4~1.0r/min,螺闸门开启式不能仅开一条小缝泄压,这样会形成泥水分离,渣土会沉淀,在压力作用下易造成螺旋机泥饼,且混合土中的砾石砂砾等沉积易造成螺旋机卡转。
出土量控制
我们采用的18m3土箱,在混合土层中掘进每箱土掘进行程控制在250mm—300mm之间,同时兼顾注水量以及喷涌洒落量的大小。
加气保压掘进时,出土速度应以掘进速度相匹配,以防止湖面冒气冒浆,尽可能位置土压的稳定。
⑤渣土改良
为防止慢速长时间掘进刀盘结泥饼,采取了相应的渣土改良措施:
泡沫剂选用康达特泡沫原液,泡沫比例2%,发泡率4~6,通过观察孔释放泡沫,泡沫能挂得住,常压下效果良好。
聚合物选用中亿博安的聚合物,通过膨润土管路加入土舱内,对控制喷涌有一定帮助。
⑶、同步注浆
根据海瑞克S669型盾构机开挖直径(64800mm)与管片外径(6200mm)计算同步浆液填充量:
1.5~1.8=5~6m3
管片宽度1200mm
混合土地层填充系数150%~180%
①、同步浆液配比
根据相关经验和现场试验作出以下配比:
南京地铁四号线九锁盾构区间同步浆液配比
材料
砂
粉煤灰
水泥
膨润土
水
初凝时间
厚浆
500kg
300kg
0kg
50kg
300kg
无
水泥浆1
500kg
250kg
50kg
50kg
270kg
18h
水泥浆2
500kg
200kg
100kg
50kg
250kg
10h
水泥浆3
500kg
150kg
150kg
50kg
300kg
6h
在实际施工中根据地层条件、地下水情况、周边建筑情况再次做出配比调整。
在孤石区掘进时采用了水泥砂浆3作为同步浆液,其初凝时间为6h,该类浆液24h固结强度大于0.2MPa,浆液固结收缩率<5%,浆液倾析率<5%。
、注浆参数选择
注浆量:
考虑到孤石区掘进土体扰动较大,将同步注浆量在计算方量的基础上增加10%~20%的量,即每一环的注浆量在7m3左右。
注浆压力:
同时严格将注浆压力控制在掘进断面静止水压力的100%~120%,并略大于静止水压力,但不能超过4bar。
注浆时间与速度:
严格执行掘进注浆,停止停注浆,补浆时盾尾油脂不能停,补浆条件为注浆压力未达到规定要求,相应区域设置注浆压力以供执行。
同时现场值班技术员根据掘进出渣情况,做好了相应记录,一旦掘进环出现有超挖现象,当同步注浆孔到达该位置时,及时提醒盾构操作员对该位置进行补浆,已达到沉降控制要求,该处注浆压力设为静止水压力的120%。
⑷、管片拼装质量控制
盾构过孤石区时喷涌严重,致使盾尾渣土较多,清理难度加大,管片拼装前必须将盾尾清理干净,防止盾尾底部沉积泥沙,管片落不到底,造成错台错缝较大、管片浮动。
遭遇严重喷涌出渣后的盾尾及桥架下方。
拼装前:
拼装工实测盾尾间隙,并如实做好记录。
海瑞克S669型盾构机盾尾间隙理论最佳值为75mm,在拼装点位选取时以管片轴线偏差为依据,但盾尾间隙要作为考虑的对象,当盾尾间隙很小的情况下,盾尾间隙应作为最重要的因素考虑,以防止盾尾刷或管片损坏。
拼装时以49mm为临界参数,当盾尾间隙低于该值时,必须以盾尾间隙为要因进行选型选点。
49mm~58mm为中间参数,管片选型时,两者重要性各占50%,可综合两重因素考虑。
当盾尾间隙大于58mm时,选型以管片轴线作为最重要因素考虑,可不考虑盾尾间隙。
拼装作业:
拼装工拼装作业时,严格遵守技术操作规程,作业时依顺序按拼装时点逐一回收推进千斤顶,严禁一次性将16组或8组千斤顶全部缩回。
掘进千斤顶的撑靴平面应与管片平面吻合,防止撑坏管片密封条。
拼装作业后:
拼装工实测拼装后盾尾间隙,并如实记录,交给盾构司机,结合VMT盾构姿态掘进下一环。
拼装后管片螺丝必须拧紧,使用1000N.M的风动扳手依次拧紧螺丝,再拼装下一环时对上一拼装换的螺丝进行复紧。
2、监控量测
过孤石段的监控量测工作至关重要,玄武湖水深1~2m,但湖底淤泥较深5~8m,监控量测点位布置后难以达到精确测量要求,但考虑到湖中过孤石时可能会引起塌陷,为防止大方塌陷,在湖中用20mm*4m的圆钢垂直打入湖中作为沉降控制监测点。
3、二次注浆
孤石点过后必须进行二次注浆,二次注浆的灰浆量根据监控量测或技术员记录的掘进情况进行调整,但过孤石点每环不低于0.4m3。
同时过玄武湖底混合地层段,每5环须用双液浆打环箍一次,让管片背后形成间断性止水环状带,同时防止隧道大范围变形或沉降。
二次注浆浆液配比:
单液浆水灰比0.8~0.9:
1
双液浆水泥浆按单液浆配制,水玻璃按1:
1.5稀释,水泥浆与水玻璃按4:
1混合
注浆质量控制:
单液浆注浆压力控制在2~4bar,流量控制在每分钟15L左右,流速要均匀,使之能在管片壁后方均匀渗流,不至于劈裂土体形成团状加固区而影响注浆效果。
双液浆注浆压力控制在3~6bar.
二次注浆量还需根据监控量测数据进行增减,不能盲目随意增减而导致隆起或注浆量不够后期沉降加大。
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