工程建設(shè)施工之盾構(gòu)法施工在軟硬不均地層中的掘進(jìn)方案

1、盾構(gòu)法陶注軟雅檄層中的掘進(jìn)方案【經(jīng)典資料,WORD文檔,可編輯修改】盾構(gòu)法施工在軟硬不均地層中的掘進(jìn)方案近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的開展和大量盾構(gòu)隧道工程的實(shí)踐,盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)在設(shè)計(jì)理論、施工方法和設(shè)備設(shè)施方面均取得了長足的開展,從而為在軟弱根底中修筑隧道和管道等 工程的主導(dǎo)技術(shù),在世界各國的城市建設(shè)、工業(yè)管線施工以及公路、鐵路、水利工程和礦山 建設(shè)中,提到了廣泛的應(yīng)用.我國是在本世紀(jì)50年代開始引進(jìn)盾構(gòu)法修筑隧道工程的.施工中注意吸收和采用先進(jìn)的技術(shù)和新工藝、新材料,參考和借鑒別國的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn),開展速度較快,成績斐 然.但是,通過在深地鐵的盾構(gòu)隧道施工可以看出,盾構(gòu)施工也有很多局限性

2、和缺陷性.最 明顯的是盾構(gòu)不能順利通過學(xué)子面地層軟硬不均的地段.本文主要是根據(jù)中隧集團(tuán)在深圳地 鐵福民站會(huì)展中央遇到的典型地質(zhì)軟硬不均現(xiàn)象,總結(jié)和闡述在此種情況下盾構(gòu)法施工的方法.1、 工程實(shí)例1 . 1上海隧道股份施工的購物公園站 竹子林站區(qū)間上海隧道股份使用日本三菱盾構(gòu)機(jī),施工中因遇到孤石或掌子面地層上軟下硬等軟硬不 均的現(xiàn)象,結(jié)果導(dǎo)致掘進(jìn)速度很慢,刀盤嚴(yán)重?fù)p壞,先后在刀盤前方施做了兩個(gè)豎井和一次 旋噴樁加固,通過上述方法,進(jìn)行刀盤的修理和換刀.1. 2中隧集團(tuán)施工福民站 會(huì)展中央站右線盾構(gòu)隧道中隧集團(tuán)使用德國海瑞克生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu),從福民站向會(huì)展中央方向掘進(jìn),至 SSK2+325.8

3、附近時(shí),掌子面地層出現(xiàn)上軟下硬、左軟右硬的情況,結(jié)果導(dǎo)致掘進(jìn)速度極慢, 刀具嚴(yán)重破壞,地面發(fā)生沉降異常,最終地面坍塌,被迫停工.1.1. 1地質(zhì)情況隧道覆土和通過范圍的地質(zhì)情況如圖一所示.1.2. 2進(jìn)入此段前后掘進(jìn)施工情況掘進(jìn)參數(shù)：進(jìn)入前推力1000T左右推進(jìn)速度60mm/min刀盤轉(zhuǎn)速1.51.8rpm刀盤扭矩70149bar間跳動(dòng)進(jìn)入后1400T最后增至2100T26mm/min1.82.3rpm155bar高達(dá)83CMil微斷面渣土溫度25c左右圖一 福民站會(huì)展中央站典型軟硬不均地層施工中伴隨的現(xiàn)象：掘進(jìn)速度在瞬間降低至很低,刀盤扭矩跳動(dòng)利害,常有卡死刀盤的現(xiàn)象,土倉內(nèi)有較大的異響,有

4、較大重物在土倉內(nèi)滾動(dòng)但的聲音又傳不出來的感覺,同時(shí),掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)振動(dòng)利害.渣土溫度較高,需向土倉內(nèi)參加冷水冷卻刀具.掘進(jìn)中,每隔 510min就因油溫過高而停機(jī)降溫.渣土中含有大量的棱角清楚最大長度約為 15cm的不規(guī)那么花崗巖塊.1.3. 3導(dǎo)致的結(jié)果最終掘進(jìn)速度幾乎沒有,掘進(jìn)速度太慢,出渣量不易限制,渣土溫度過高,同步注漿困難,由于上部覆土多為軟土或砂礫層,地面沉降異常,加上隧道上半部仍有粘性土,可能形成泥掘進(jìn)能耗大.在強(qiáng)行開倉檢查時(shí),地面發(fā)生異常沉降,最終坍塌.在刀盤前方地層中施做旋噴樁加固后,開倉換刀時(shí)證實(shí)：大局部滾刀刀圈嚴(yán)重磨損或崩裂,有兩把刀個(gè)刀座變形,幾乎全部齒刀的刀刃磨損掉,刮刀

5、磨損下去約1/2,導(dǎo)致掘出來的隧道偏小,推進(jìn)油缸向前拖動(dòng)盾構(gòu)困難.2、軟硬/、均的概念2. 1相關(guān)規(guī)定?地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)?對(duì)巖石軟硬程度的分類如下表所示：巖石類別fx(Mpa)硬質(zhì)石石極硬巖fx60硬質(zhì)巖30 fx 三 60軟質(zhì)巖石軟質(zhì)巖5三fx三30極軟巖fx 5標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)中風(fēng)化和微風(fēng)化巖石的劃分也是根據(jù)巖石的裂隙發(fā)育情況和整體性,及風(fēng)化后 巖石的結(jié)構(gòu)和礦物風(fēng)化情況進(jìn)行的.所以,對(duì)中風(fēng)化巖石的劃分是一個(gè)很廣的范圍,雖然由 于裂隙發(fā)育,中風(fēng)化的巖石的單軸抗壓強(qiáng)度一般都不高,但相對(duì)于盾構(gòu)刀盤切割來說,整體 性卻很好,掘進(jìn)困難.2. 2相關(guān)試驗(yàn)深圳市勘察測(cè)繪院對(duì)會(huì)展中央段盾構(gòu)通過約

6、 300m的中風(fēng)化花崗巖的試驗(yàn)結(jié)果說明, 強(qiáng)度在25.6119.6Mpa之間,平均強(qiáng)度為 48.28Mpa.而全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的強(qiáng)度可能只 有幾Mpa.2. 3軟硬/、均的概念雖然,通過海瑞克盾構(gòu)機(jī)在廣州地鐵二號(hào)線越廣區(qū)間穿越的一段微風(fēng)化含礫質(zhì)粉砂巖掘進(jìn)后發(fā)現(xiàn)該段巖土最硬可能已到達(dá)7080Mpa,以及在越秀公園附近順利通過的單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)100 Mpa的青色微風(fēng)化花崗巖看,該種盾構(gòu)機(jī)的刀盤是可以滿足硬巖掘進(jìn)的需要的, 也就是說,這種盾構(gòu)機(jī)的刀盤及其推進(jìn)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在一定硬度的巖石如微風(fēng)化花崗巖中 正常工作.但通過在深圳地區(qū)的施工情況可以看出,對(duì)盾構(gòu)施工來說,不能單單以巖石的強(qiáng)度來劃 分

7、學(xué)子面地層的好與壞,或是否適合施工,或者刀盤的面板形式、刀具布置、能否滿足掘進(jìn) 要求,而應(yīng)根據(jù)學(xué)子面范圍內(nèi)的地層是否全是土或全是巖石、全是巖石時(shí)總體的強(qiáng)度及強(qiáng)度 變化范圍、軟硬不均時(shí)土和巖石各占的面積來劃分學(xué)子面地層的情況,從而決定掘進(jìn)參數(shù).可能侵入隧道只是一少局部或只是一個(gè)花崗巖殘留體,掘進(jìn)時(shí)也足以使盾構(gòu)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞,3、軟硬不均地段的掘進(jìn)施工方法3. 1地質(zhì)調(diào)查任何地下土木工程的施工方案都是建立在對(duì)地質(zhì)的詳細(xì)了解的根底上的,盾構(gòu)施工尤其為如此.?地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)?中也明確規(guī)定,盾構(gòu)法施工應(yīng)查明以下復(fù)雜地層：含漂石或卵石的地層開挖面的軟、硬地層.一般情況下,初步地質(zhì)勘探時(shí)

8、的地質(zhì)鉆孔間距一般較遠(yuǎn),不能滿足在海相洪積地層、花 崗巖等侵入巖地層中經(jīng)常存在侵入體、巖脈、花崗巖殘留體微風(fēng)化球和大量夾雜物地層 中施工需要.我們?cè)谑┕で皯?yīng)進(jìn)行詳細(xì)的補(bǔ)充地質(zhì)勘探,查明隧道范圍內(nèi)的地質(zhì)情況：軟硬不均地段的硬巖分布位置和占盾構(gòu)開挖面積,軟土的類別和相應(yīng)參數(shù)；硬巖的侵入隧道的高度和走勢(shì)；硬巖的風(fēng)化狀況、裂隙發(fā)育情況、強(qiáng)度和整體性；是否有孤石或其它硬質(zhì)夾雜體存在；軟硬不均地段的上方覆土類別.特別提出的是,我們看一個(gè)地方的地質(zhì)情況,不能只看隧道縱向地層和走勢(shì),還應(yīng)通過看橫斷面的地層情況,立體的分析盾構(gòu)掘進(jìn)施范圍的地層情況.3. 2刀盤面板和刀具的選擇3. 2. 1刀盤的選擇在軟硬不均地

9、段掘進(jìn),刀盤形式必須滿足同時(shí)能掘進(jìn)硬巖又要掘進(jìn)軟巖甚至砂土粘土等的需要.也就是說,在掘進(jìn)時(shí),能在需要的位置安裝切削硬巖的刀具,又能在需要的位置安 裝切削軟巖的刀具,同時(shí),刀盤的開口率滿足切削下來的巖塊順利進(jìn)入土倉,又不使軟巖不 能順順利利進(jìn)入土倉,結(jié)果在刀盤前方形成泥刀具不能抵推掌子面而只打滑,增大刀盤 扭矩,不能掘進(jìn).福民站會(huì)展中央站右線用的海瑞克盾構(gòu)機(jī)的刀盤結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該說是一種硬巖刀盤的形式：面板形,周邊圓弧過度,均勻滾刀布置.刀盤采用面板形,有利于保證布置了滾刀后的刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,更能承受大的荷載,同時(shí)在硬巖或軟硬不均地段掘進(jìn)發(fā)生坍塌時(shí)刀盤面可 起支撐作用.周邊采用圓弧形,那么為硬巖刀盤最

10、典型的特征,由于周邊圓弧形過度增大了周 邊刀盤的面積,可在周邊布置更多的滾刀以適應(yīng)周邊滾刀高線速度快磨損的需要,更能滿足切削.同時(shí),開口形狀和開口率,以及刀盤面板上的泡沫參加口等,也能滿足軟巖掘進(jìn)的需要.3. 2. 2刀具的選擇和裝配針對(duì)地層軟硬不均的情況,特別是硬巖分布的位置,結(jié)合各種刀具的破巖特點(diǎn),在刀盤 面板上裝配不同的刀具.? 齒刀和切刀的使用齒刀和切刀呈靴狀,如圖二所示,一般不垂直于刀盤安裝.齒刀和切刀都是軟土刀具,在刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)下,是通過刀刃和刀頭局部插入到地層內(nèi)部,象犁子犁地一樣,切削地層.切刀的前后角等斜面結(jié)構(gòu)利于軟土切削時(shí)的導(dǎo)渣作用,同時(shí)可用于在硬巖掘進(jìn)中的刮渣.齒刀的結(jié)構(gòu)形式

11、有利于磴土流動(dòng)進(jìn)入土倉.圖二切刀齒刀在軟硬不均地層中,盡量在軟巖部位安裝齒刀和切刀,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),齒刀和切刀與刀盤之 間的角度在約5560左右比擬適合,同時(shí)根據(jù)圍巖地層的強(qiáng)度, 適當(dāng)安裝刃的前角和后角 一般情況下,對(duì)于膠結(jié)粘性土,需加大前、后角,對(duì)于礫石或全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖石,那么減小角度.在SSK3+325.8處的情況其中一個(gè)重要原因就是角度太大.并且,原那么上安裝嵌入式 刀具.所有齒刀和切刀都應(yīng)可以從刀盤反面更換.圖三硬巖掘進(jìn)時(shí)保護(hù)切刀示意圖雙向?yàn)轭A(yù)防在粘性較大軟巖中掘進(jìn)時(shí)形成泥在硬巖部位安裝的滾刀中也應(yīng)安裝適當(dāng)數(shù)量的 或切刀,以利于渣土及時(shí)順利地流入土倉中.考在硬巖掘進(jìn)時(shí)破碎下來的巖石可能撞壞

12、切刀、刮在刀具的布置上作了以下的考慮：把切刀、刮刀布置,并拉近兩刮刀、切刀之間的距離,在硬巖 掘進(jìn)時(shí)能夠?qū)η械逗凸蔚队幸欢ǖ谋Ｗo(hù)作用.如圖三所示,切刀的布置間距較近,圖中所示的虛線為掘進(jìn)時(shí)磴土的流動(dòng)線,這樣在掘 進(jìn)時(shí)磴土不能到達(dá)切刀的下部,預(yù)防了在硬巖掘進(jìn)時(shí)打壞切刀；同樣對(duì)刮刀也可以進(jìn)行保護(hù).刀具離刀盤的中央越遠(yuǎn), 其線速度也就越大,那么磴土流動(dòng)的軌跡線越緩, 兩個(gè)切刀或刮刀 的背向布置間距就可以適當(dāng)?shù)募哟?? 滾刀的使用在軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí),硬巖部位應(yīng)安裝滾刀.盾構(gòu)機(jī)采用滾刀進(jìn)行破巖,具破巖形式屬于滾壓破碎巖石.滾壓破碎巖是一種破碎量大、速度快的機(jī)械破巖方法,其特點(diǎn)是靠工具如圖四所示.軸力P

13、使?jié)L刀壓入滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用到達(dá)破碎巖石的目的 巖石,滾動(dòng)力矩 M使?jié)L刀滾壓巖石,兩者的共同作用使巖石得到連續(xù)的破碎,這是滾壓碎 所獨(dú)有的特點(diǎn).應(yīng)針對(duì)于硬巖的強(qiáng)度和整體性、掘進(jìn)距離、含砂量等特點(diǎn),確定需要安裝滾刀的位置、 超前量、數(shù)量、類型.查有關(guān)資料或根據(jù)以前的統(tǒng)計(jì),準(zhǔn)確的估計(jì)出正常情況下滾刀的磨損 量.根據(jù)有關(guān)資料的介紹,滾刀超前量在圖四滾刀滾壓破巖示意圖1、斷裂體2、碎斷體3、密實(shí)承載120180mm為宜.滾刀的刀圈和刀座的材質(zhì)以及其連接的形成、工藝、輕緊配程度等是滾刀能否勝任掘進(jìn)軟硬不均的關(guān)鍵.應(yīng)根據(jù)硬巖分布的位置、所占刀盤的面積、巖石強(qiáng)度和整體性等慎重考慮和選擇.為預(yù)防

14、硬石塊卡在雙刃滾刀兩個(gè)刀刃之間,使?jié)L刀不能正常工作或偏磨,應(yīng)正常選 擇雙刃之間的間距和刀刃的形狀.3. 3掘進(jìn)參數(shù)的選擇4. 3. 1推力從滾刀的破巖機(jī)理看,推力是主要的參數(shù),推力越大扭矩那么越大,而扭矩占破碎功的絕大局部.同時(shí),推力越大,切刀和齒刀等入巖越深,同等條件下切削下來的渣土也越多.但是,在軟硬不均地段掘進(jìn)時(shí),刀盤和刀具的受力是不均勻的.硬巖部位受的力大,軟巖部位那么相對(duì)要小得多,而且正是掘進(jìn)范圍內(nèi)的硬巖阻止了掘進(jìn)速度.如果推力過大,勢(shì)必 造成局部刀具提前破壞甚至刀座變形、刀盤變形.從本次在軟硬不均地段的掘進(jìn)情況和刀具等破壞情況總結(jié)出,最大推力用下式可得：P=mT.式中：m為硬巖范圍

15、內(nèi)的滾刀數(shù)量；T每把滾刀能承受的最大力.注：因滾刀的超前量比切刀等大,所以只計(jì)算滾刀.推力過大時(shí),容易造成刀盤卡死,同時(shí),對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的水平要求也相應(yīng)增高.本次事故的掘進(jìn)總結(jié)出,在最大推力到達(dá)1400T并持續(xù)幾環(huán)后刀具發(fā)生了嚴(yán)重變形.所以,掘進(jìn)推力一般不超過 1400T.5. 3. 2刀盤轉(zhuǎn)速在軟硬不均地段掘進(jìn), 硬巖就像一個(gè)強(qiáng)度很大根基非常深的巨大的樁, 阻礙刀盤的正常 旋轉(zhuǎn),刀具承受沖擊荷載.根據(jù)愛因斯坦的能量公式：E=mv2,那么在刀盤質(zhì)量 m一定的情況下,轉(zhuǎn)速越快,那么和硬巖撞擊后的沖擊能越大.由此可見,在軟硬不均地層中掘進(jìn)時(shí),刀盤轉(zhuǎn)速不能快,最好是慢慢勻速的向前磨.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),刀盤轉(zhuǎn)速在

16、 1.6rpm為宜.6. 3. 3渣土治理? 土倉壓力在軟硬不均地層中,土倉壓力應(yīng)根據(jù)軟土的埋深和相關(guān)物理參數(shù)等決定施工中應(yīng)保持的 土倉壓力.但在軟硬不均地段中掘進(jìn)時(shí),掘進(jìn)速度較慢扭矩較大,保持真正的壓平衡比擬困難,可 以采取氣壓平衡模式掘進(jìn).? 出土量由于推進(jìn)速度慢,刀盤切削下來的渣土較少,而螺旋輸送機(jī)等排土器每工作一次的出土量又很大,往往會(huì)造成因軟土部位的超挖和過量出土造成地面沉降異常,甚至坍塌.所以,在軟硬不均地段掘進(jìn)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格限制每一循環(huán)排土器工作的次數(shù),嚴(yán)格限制出土量,必要時(shí),在渣斗中劃上刻度,以便計(jì)算和限制出土量,到達(dá)平衡出土.? 渣土狀態(tài)為更好的限制土倉壓力, 增大土倉內(nèi)渣土的止

17、水性等,應(yīng)采取舉措保持泡沫系統(tǒng)工作狀況良好,并及時(shí)的添加泡沫劑,使使渣土具有很好的軟流塑狀.當(dāng)學(xué)子面地層的滲透性很好時(shí),那么需要向土倉內(nèi)添加膨潤土等改進(jìn)渣土.否那么,很可能發(fā)生渣土噴涌,直接導(dǎo)致地層超挖而地面沉降.實(shí)踐證實(shí),這是非常必要的.同時(shí),應(yīng)時(shí)刻觀注渣土的稀稠、土的含量、石塊的含量和石塊的大小、棱角、顏色等,判斷學(xué)子面的地層情況.? 渣土濕度渣土溫度過高,有以下幾種可能性： 刀盤中央部位或滾刀等形成了泥刀具不能抵推掌子面切削巖土,泥在高溫下周結(jié)； 刀具嚴(yán)重?fù)p壞,刀盤面板直接摩擦掌子面； 泡沫劑添加系統(tǒng)等出現(xiàn)問題,不能正常改進(jìn)渣土,渣土在土倉內(nèi)干結(jié)或摩擦生熱；通過對(duì)渣溫度的觀察,準(zhǔn)確判斷,

18、及時(shí)采取舉措.一般情況下,渣土溫度過高應(yīng)及時(shí)的停止繼續(xù)掘進(jìn).需要降低刀盤溫度時(shí),不能加水,而應(yīng)參加稀的膨潤土泥漿.由于,在全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化化巖石中,加水會(huì)造成學(xué)子面坍塌.4、 本次事故帶來的反思7. 1關(guān)于開倉在軟硬不均地段掘進(jìn)時(shí),原那么上不能在不采取任何舉措的情況下開倉檢查或其它作業(yè).必需開倉時(shí)應(yīng)做好以下工作：刀盤附近按需要布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),最好全是深層沉降點(diǎn)起碼應(yīng)在刀盤中央前后布置深層沉降點(diǎn).一般應(yīng)在刀盤前后布置兩排,排距 1.5m,孔間距1.52.0m. 組織好開倉過程中的地面巡檢和救援物資,以備在地面沉降時(shí)進(jìn)行緊急處理 保證井下和地面間的聯(lián)系暢通.召開專門的會(huì)議,進(jìn)行開倉的準(zhǔn)備和方案的交底.本次事故給我們了很大啟示.軟硬不均地層中掘進(jìn), 往往是一局部很硬而另一局部卻非常的軟或敏感性強(qiáng),易坍塌.開倉過程時(shí)一定要采取平安舉措.可在刀盤前做旋噴樁固、攪 拌樁加固、降水等,但這些方法需要的時(shí)間都很長,有的對(duì)地層的適用范圍很小.行之有效的方法是帶壓開倉.這是一種非常成熟工藝,在歐洲應(yīng)用很廣泛.本次事故最 終在刀盤前方兩次坍塌后,只有通過開挖豎井進(jìn)行換刀,但如果地面上是重要的建筑物我們又怎么辦