盾構(gòu)砂層掘進(jìn)作業(yè)指導(dǎo)書

1、盾構(gòu)砂層掘進(jìn)作業(yè)指導(dǎo)書1.前言1.1工藝工法概況 北京地鐵9號(hào)線04標(biāo),其地質(zhì)詳勘報(bào)告顯示最大卵石粒徑不小于600mm，在地質(zhì)跟蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的卵石最大粒徑960mm，一般粒徑200240mm，粒徑大于20mm的顆粒含量約為總質(zhì)量的75200%。根據(jù)前期掘進(jìn)總結(jié)出此種地質(zhì)的掘進(jìn)方法。1.2工藝原理采取半倉(cāng)掘進(jìn)，做好同步注漿和二次注漿。2.工藝工法特點(diǎn) 掘進(jìn)速度在40mm/min-65mm/min,未出現(xiàn)坍塌情況。3.適用范圍砂卵石地層4.應(yīng)用實(shí)例4.1工程簡(jiǎn)介12.1.1 工程簡(jiǎn)介北京地鐵九號(hào)線04標(biāo)豐臺(tái)北路站六里橋站區(qū)間為盾構(gòu)施工區(qū)間，起訖里程為：K6+509.548K7+993.3，左線長(zhǎng)度

2、1498.968m，右線長(zhǎng)度1483.752m。盾構(gòu)施工豎井及區(qū)間明挖段長(zhǎng)92.9m。在K7+100處設(shè)一座明挖風(fēng)道，在K7+550處設(shè)一座暗挖聯(lián)絡(luò)通道，區(qū)間線路最大縱坡18，最小縱坡2，最小平面曲線半徑為450m；線間距為1015m,區(qū)間結(jié)構(gòu)平均覆土厚度16.0米。隧道采用管片拼裝式襯砌，錯(cuò)縫拼裝，管片用M24彎螺栓連接，環(huán)寬1.2m，管片混凝土為C50S10，隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m。12.1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)本區(qū)間隧道主要穿越的地層為卵石層，部分地段的隧道頂部穿越卵石層，隧道結(jié)構(gòu)位于水位線以上。卵石層特點(diǎn)：雜色，密實(shí)，濕-飽和，低壓縮性，最大粒徑不小于600mm，一般粒徑30-1

3、20mm，粒徑大于20mm顆粒含量約為總質(zhì)量的60-85%。亞圓形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量約為25-45%。卵石層特點(diǎn)：雜色，密實(shí)，濕，低壓縮性，最大粒徑不小于420mm，一般粒徑2080mm，粒徑大于20mm顆粒含量約為總質(zhì)量5575%，亞圓形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量約為15-45%。地質(zhì)詳勘報(bào)告顯示最大卵石粒徑不小于600mm，在地質(zhì)跟蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的卵石最大粒徑960mm，一般粒徑200240mm，粒徑大于20mm的顆粒含量約為總質(zhì)量的75200%。12.1.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源1、豐臺(tái)北路站六里橋站盾構(gòu)區(qū)間在里程K7+471.3K7+986.8范圍（長(zhǎng)515

4、m）穿越小井村及六里橋村民宅群，共涉及房屋59棟549間，建筑面積24008m2，常住人口1421人。1）、按使用用途分類：居住用房45棟，倉(cāng)庫(kù)6棟，辦公房屋6棟，鍋爐房2棟。2）、建筑物特點(diǎn)：建筑物密集陳舊、巷道狹窄，多為村民自建的無(wú)基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)建筑物。3）、房屋鑒定結(jié)果：前期項(xiàng)目部已委托清華大學(xué)房屋鑒定室對(duì)現(xiàn)有57棟房屋進(jìn)行了安全性能鑒定，鑒定結(jié)果為： “完好房” 0棟 “一般完好房” 5棟、面積5883m2 “一般損壞房”25棟、面積13539m2 “嚴(yán)重?fù)p壞房”24棟、面積2298m2 “危險(xiǎn)房” 3棟、面積831m2。4.2施工情況4.2.1 工程難點(diǎn)及施工措施本區(qū)間穿越地層主要為、

5、卵石層，盾構(gòu)在該地層施工具有以下特點(diǎn)：（1）盾構(gòu)切削下來(lái)的土體較易堆積在土倉(cāng)下部而難以充滿整個(gè)土倉(cāng)，且卵石層的滲透性較大，停機(jī)后經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀盤再次啟動(dòng)困難的問(wèn)題；（2）同時(shí)，卵石粒徑過(guò)大，較難維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象、啟動(dòng)困難、刀具磨損嚴(yán)重、易出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象；（3）居民區(qū)內(nèi)自滲井較多，導(dǎo)致地層中土體較松散，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，在正常掘進(jìn)以及開倉(cāng)檢查期間，易造成掌子面塌方、地表塌陷。因此，盾構(gòu)穿越卵石層是本工程施工難點(diǎn)。盾構(gòu)始發(fā)前，針對(duì)施工難點(diǎn)制定以下措施：（1）向土艙內(nèi)注入膨潤(rùn)土泥漿，以降低倉(cāng)內(nèi)土體的摩阻力，同時(shí)，在保持土壓平衡的前提下，通過(guò)合理調(diào)節(jié)螺旋機(jī)和各分區(qū)千斤頂推力，可使刀盤順利

6、啟動(dòng)。（2）使用耐磨及韌性好的刀具，在推進(jìn)過(guò)程中，向刀盤前方注入泡沫劑，加強(qiáng)對(duì)刀具的潤(rùn)滑、冷卻，改善工作狀態(tài)，提高切削效率，能大大降低刀具磨損速度，同時(shí)改善了土體的和易性和流塑性。（3）根據(jù)地表環(huán)境因素，提前確定換刀檢修位置，對(duì)預(yù)定停機(jī)位置地表、地下構(gòu)筑物進(jìn)行嚴(yán)密勘查與尋訪，避免與不利因素遭遇，并制定相應(yīng)的加固方案，保證刀具檢查以及更換作業(yè)期間的安全。4.2.2 試驗(yàn)段確定豐六區(qū)間為二公司首次在砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，無(wú)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，且第一次接觸海瑞克盾構(gòu)機(jī)，所有人員均無(wú)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，該區(qū)間地面建筑物密集且年代久遠(yuǎn)，隧道長(zhǎng)距離穿越北京市主干道路萬(wàn)豐路并與雨、污水管并行，為避免因

7、地面沉降而造成經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，將盾構(gòu)到達(dá)建筑群前的88環(huán)隧道作為試驗(yàn)段，試驗(yàn)段終點(diǎn)設(shè)置換刀小豎井，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢修，更換磨損嚴(yán)重的刀具。4.2.3 試驗(yàn)段目的1、對(duì)比地質(zhì)情況是否與地勘報(bào)告相符；2、通過(guò)試驗(yàn)段施工，總結(jié)出適合該地層的掘進(jìn)參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化；3、結(jié)合地表監(jiān)測(cè)記錄，確定地層變形特性，確保后期穿越風(fēng)險(xiǎn)源施工安全；4、對(duì)設(shè)備進(jìn)行磨合，使員工盡快適應(yīng)本臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的操作，合理調(diào)整施工工序，提高施工進(jìn)度，確保工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；5、考察盾構(gòu)機(jī)對(duì)該地層的適應(yīng)性以及刀具磨損情況，合理制定換刀方案。4.2.4 試驗(yàn)段施工參數(shù)1、土倉(cāng)壓力通過(guò)聽取專家意見(jiàn)，并查閱相關(guān)資料，砂卵石地層中

8、可采取以下兩種模式進(jìn)行掘進(jìn)：A、滿倉(cāng)保壓掘進(jìn)，保持上部土倉(cāng)壓力0.450.6Bar；B、半倉(cāng)欠壓掘進(jìn)，保持上部土倉(cāng)壓力0.10.25Bar.2、渣土改良措施：A、使用泡沫劑進(jìn)行渣土改良；B、使用泡沫劑和膨潤(rùn)土共同改良；C、使用泡沫劑潤(rùn)滑刀具，膨潤(rùn)土中加入外加劑進(jìn)行渣土改良。4.3 試驗(yàn)段施工4.3.1 施工過(guò)程及出現(xiàn)問(wèn)題根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，試驗(yàn)段分為以下三種掘進(jìn)模式：1、采用保壓推進(jìn)，上部土壓0.40.6Bar，推力為650020000KN，推進(jìn)速度為49mm/m，刀盤轉(zhuǎn)速0.51rpm，扭矩為35005000KNm。每環(huán)注入泡沫約為300m3（發(fā)泡率20倍），未注入膨潤(rùn)土。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中刀

9、盤扭矩及推力逐漸增大， 6月27日盾構(gòu)掘進(jìn)至第4環(huán)時(shí)，出現(xiàn)刀盤卡死、不能啟動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)行開倉(cāng)觀察，發(fā)現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)土體被擠壓密實(shí)，形成板結(jié)現(xiàn)象，恢復(fù)掘進(jìn)至第12環(huán)時(shí)，地面出現(xiàn)坍塌。2、為提高掘進(jìn)速度，防止板結(jié)，采用欠壓掘進(jìn)，上部土壓為0.10.25bar,刀盤轉(zhuǎn)速11.5 rpm，掘進(jìn)速度931mm/min，刀盤扭矩34004000KNm,推力1000013000KN, 向刀盤前方注入泡沫（2024m3/環(huán)），向土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土（49m3/環(huán)）,渣土改良效果較第一階段有所提高，但半倉(cāng)掘進(jìn)時(shí)，出土量較難控制，掘進(jìn)至31環(huán)和87環(huán)時(shí)，因出土超排分別造成地面坍塌。3、為避免地面沉降過(guò)大，第三種模式依然采取保壓

10、掘進(jìn)并對(duì)渣土改良方式進(jìn)行多次試驗(yàn)，使用不同廠家的原材料，泡沫注入量5120m3/環(huán)，膨潤(rùn)土注入量312m3/環(huán)，并分別試驗(yàn)添加CMC、HHZ和高分子聚合物等外加劑，但均未達(dá)到理想效果，多次因刀盤扭矩超過(guò)額定值而停機(jī)，并在第39環(huán)和70環(huán)時(shí)因刀盤卡死而開倉(cāng)。4.3.2 試驗(yàn)段分析總結(jié)4.3.2.1 砂卵石地層中滿倉(cāng)掘進(jìn)有以下幾點(diǎn)利弊點(diǎn)： 1、滿倉(cāng)掘進(jìn)速度快，渣土無(wú)法與改良材料攪拌均勻，導(dǎo)致艙內(nèi)渣土擠壓密實(shí)、結(jié)成“泥餅”，致使刀盤扭矩增大、刀盤無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。 2、土艙內(nèi)渣土擠壓密實(shí)刀盤撐子面無(wú)法“吃土”到土艙內(nèi)，致使盾構(gòu)推力增大，盾構(gòu)推進(jìn)困難、形成盾構(gòu)機(jī)在原地“干磨”。 3、土艙內(nèi)形成“泥餅”后，

11、渣土改良材料更加難以達(dá)到改良效果，形成惡性循環(huán)，整個(gè)土艙內(nèi)渣土快速板結(jié)。 4、盾構(gòu)一旦形成“干磨”后刀盤對(duì)前方土體的擾動(dòng)極大，盾構(gòu)出土量幾乎無(wú)法控制，出現(xiàn)渣土超方，地面很容易坍塌。 5、盾構(gòu)機(jī)在“干磨”時(shí)，刀盤和撐子面的土體的溫度急劇加升，加快了對(duì)刀具的磨損。 6、盾構(gòu)推進(jìn)速度緩慢，施工進(jìn)度難以保證，施工成本急劇增大。 3.2.3、試驗(yàn)段總結(jié) 1、根據(jù)上述對(duì)滿艙和半艙掘進(jìn)利弊點(diǎn)的分析，可發(fā)現(xiàn)半艙掘進(jìn)利大于弊，只要將半艙掘進(jìn)時(shí)的出土量控制好，盾構(gòu)推進(jìn)是完全受控的。 2、出土量的多少和渣土改良效果有著密切的關(guān)系，只要將土艙內(nèi)的渣土改良好，增加土體的流動(dòng)性和和易性，出土量完全可以受控。 3、試驗(yàn)段施

12、工時(shí)，共出現(xiàn)3次地面坍塌，出現(xiàn)在出土超方以后57天，在此期間，如及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充注漿，可避免地面坍塌。 通過(guò)試驗(yàn)段施工，確定后期施工將采取半艙掘進(jìn)模式，施工控制重點(diǎn)為渣土改良和出土量4.3工程結(jié)果評(píng)價(jià)一、技術(shù)改良措施4.1 盾構(gòu)機(jī)改造在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)檢修井后進(jìn)行如下改造：1、在盾構(gòu)機(jī)胸板增設(shè)6條高壓水路，掘進(jìn)時(shí)，間歇性向土倉(cāng)內(nèi)注入高壓水，防止渣土板結(jié)；2、將中心滾刀全部更換為羊角刀、20把正面滾刀中的8個(gè)更換為羊角刀，并將其余磨損嚴(yán)重刀具全部更換。4.2 掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整1、土倉(cāng)壓力采用半艙欠壓模式掘進(jìn)，掘進(jìn)時(shí)上部土倉(cāng)壓力控制在0.150.25Bar，停機(jī)時(shí)向土倉(cāng)內(nèi)注入高濃度膨潤(rùn)土，使土壓保持在0.5Ba

13、r以上，對(duì)前方土體形成支撐，同時(shí)，可避免卵石堆積在土倉(cāng)底部造成刀盤啟動(dòng)困難。2、出土量出土超方為地面沉降的主要原因，因此，出土量管理尤為重要，施工中采用尺量體積和稱重雙重控制，每環(huán)出土量不應(yīng)大于45m3，并在每環(huán)掘進(jìn)結(jié)束傾倒渣土?xí)r進(jìn)行稱重，再次檢驗(yàn)是否存在出土超方現(xiàn)象（出土重量=體積45*密度2.15+水5t+膨潤(rùn)土5*1.15107.5t），如出現(xiàn)超方現(xiàn)象，進(jìn)行詳細(xì)記錄，在該環(huán)脫出盾尾后相應(yīng)增加注漿量。3、壁后注漿同步注漿采用壓力和注漿量雙重控制，即注漿終壓控制在上部1.41.6Bar、下部2.22.4Bar，注漿量不小于6m3，同時(shí)，調(diào)整漿液初凝時(shí)間為68小時(shí)。為填補(bǔ)同步注漿收縮后空隙，每

14、環(huán)均進(jìn)行補(bǔ)充注漿，漿液與同步注漿相同，注漿壓力不小于4Bar。補(bǔ)充注漿在同步注漿10小時(shí)以后進(jìn)行，但不應(yīng)超過(guò)24小時(shí)。4、渣土改良使用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土并增設(shè)2個(gè)泥漿存儲(chǔ)罐，膨潤(rùn)土泥漿必須經(jīng)過(guò)24小時(shí)膨化后才允許使用，使用前，實(shí)測(cè)泥漿比重和粘度。掘進(jìn)時(shí)，向刀盤前方注入泡沫劑，注入量為4050m3/環(huán)，土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土泥漿，注入量為46m3/環(huán)（根據(jù)實(shí)際刀盤扭矩及出土情況進(jìn)行調(diào)整），比重為1.081.15，粘度為150S。掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)刀盤扭矩情況，每間隔約10分鐘向土倉(cāng)內(nèi)注入高壓水1015S，防止渣土板結(jié)，水壓6Bar。4.3 施工輔助措施因盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率及開口形式限制，即使通過(guò)以上措施進(jìn)行渣土改良，仍不可避免出現(xiàn)渣土板結(jié)現(xiàn)象，所以將開艙作為常規(guī)施工項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段施工數(shù)據(jù)分析，如掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)推力和刀盤扭矩增大，但掘進(jìn)速度降低，且出土不流暢現(xiàn)象，則可確認(rèn)土艙內(nèi)渣土出現(xiàn)板結(jié)，板結(jié)土體通常出現(xiàn)在中心回轉(zhuǎn)體處，如不及時(shí)處理，將迅速蔓延至整個(gè)土艙。出現(xiàn)此種情況時(shí)，立即停止掘進(jìn)，向刀盤前方注入高濃度膨潤(rùn)土，使掌子面形成泥膜，保持穩(wěn)定。然后排出渣土，將艙內(nèi)土體高度降至中心回轉(zhuǎn)體附近后打開艙門，使用高壓水將板結(jié)土體擊碎