工程建設施工之盾構法施工在軟硬不均地層中的掘進方案

1、盾構法陶注軟雅檄層中的掘進方案【經(jīng)典資料,WORD文檔,可編輯修改】盾構法施工在軟硬不均地層中的掘進方案近年來,隨著科學技術的開展和大量盾構隧道工程的實踐,盾構法隧道施工技術在設計理論、施工方法和設備設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 工程的主導技術,在世界各國的城市建設、工業(yè)管線施工以及公路、鐵路、水利工程和礦山 建設中,提到了廣泛的應用.我國是在本世紀50年代開始引進盾構法修筑隧道工程的.施工中注意吸收和采用先進的技術和新工藝、新材料,參考和借鑒別國的成功經(jīng)驗和失敗的教訓,開展速度較快,成績斐 然.但是,通過在深地鐵的盾構隧道施工可以看出,盾構施工也有很多局限性

2、和缺陷性.最 明顯的是盾構不能順利通過學子面地層軟硬不均的地段.本文主要是根據(jù)中隧集團在深圳地 鐵福民站會展中央遇到的典型地質軟硬不均現(xiàn)象,總結和闡述在此種情況下盾構法施工的方法.1、 工程實例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機,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,結果導致掘進速度很慢,刀盤嚴重損壞,先后在刀盤前方施做了兩個豎井和一次 旋噴樁加固,通過上述方法,進行刀盤的修理和換刀.1. 2中隧集團施工福民站 會展中央站右線盾構隧道中隧集團使用德國海瑞克生產(chǎn)的土壓平衡式盾構,從福民站向會展中央方向掘進,至 SSK2+325.8

3、附近時,掌子面地層出現(xiàn)上軟下硬、左軟右硬的情況,結果導致掘進速度極慢, 刀具嚴重破壞,地面發(fā)生沉降異常,最終地面坍塌,被迫停工.1.1. 1地質情況隧道覆土和通過范圍的地質情況如圖一所示.1.2. 2進入此段前后掘進施工情況掘進參數(shù)：進入前推力1000T左右推進速度60mm/min刀盤轉速1.51.8rpm刀盤扭矩70149bar間跳動進入后1400T最后增至2100T26mm/min1.82.3rpm155bar高達83CMil微斷面渣土溫度25c左右圖一 福民站會展中央站典型軟硬不均地層施工中伴隨的現(xiàn)象：掘進速度在瞬間降低至很低,刀盤扭矩跳動利害,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)滾動但的聲音又傳不出來的感覺,同時,掘進時盾構振動利害.渣土溫度較高,需向土倉內(nèi)參加冷水冷卻刀具.掘進中,每隔 510min就因油溫過高而停機降溫.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導致的結果最終掘進速度幾乎沒有,掘進速度太慢,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,可能形成泥掘進能耗大.在強行開倉檢查時,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,開倉換刀時證實：大局部滾刀刀圈嚴重磨損或崩裂,有兩把刀個刀座變形,幾乎全部齒刀的刀刃磨損掉,刮刀

5、磨損下去約1/2,導致掘出來的隧道偏小,推進油缸向前拖動盾構困難.2、軟硬/、均的概念2. 1相關規(guī)定?地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察標準?對巖石軟硬程度的分類如下表所示：巖石類別fx(Mpa)硬質石石極硬巖fx60硬質巖30 fx 三 60軟質巖石軟質巖5三fx三30極軟巖fx 5標準中對中風化和微風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,及風化后 巖石的結構和礦物風化情況進行的.所以,對中風化巖石的劃分是一個很廣的范圍,雖然由 于裂隙發(fā)育,中風化的巖石的單軸抗壓強度一般都不高,但相對于盾構刀盤切割來說,整體 性卻很好,掘進困難.2. 2相關試驗深圳市勘察測繪院對會展中央段盾構通過約

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

7、學子面地層的好與壞,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 要求,而應根據(jù)學子面范圍內(nèi)的地層是否全是土或全是巖石、全是巖石時總體的強度及強度 變化范圍、軟硬不均時土和巖石各占的面積來劃分學子面地層的情況,從而決定掘進參數(shù).可能侵入隧道只是一少局部或只是一個花崗巖殘留體,掘進時也足以使盾構機發(fā)生嚴重損壞,3、軟硬不均地段的掘進施工方法3. 1地質調查任何地下土木工程的施工方案都是建立在對地質的詳細了解的根底上的,盾構施工尤其為如此.?地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察標準?中也明確規(guī)定,盾構法施工應查明以下復雜地層：含漂石或卵石的地層開挖面的軟、硬地層.一般情況下,初步地質勘探時

8、的地質鉆孔間距一般較遠,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、花崗巖殘留體微風化球和大量夾雜物地層 中施工需要.我們在施工前應進行詳細的補充地質勘探,查明隧道范圍內(nèi)的地質情況：軟硬不均地段的硬巖分布位置和占盾構開挖面積,軟土的類別和相應參數(shù)；硬巖的侵入隧道的高度和走勢；硬巖的風化狀況、裂隙發(fā)育情況、強度和整體性；是否有孤石或其它硬質夾雜體存在；軟硬不均地段的上方覆土類別.特別提出的是,我們看一個地方的地質情況,不能只看隧道縱向地層和走勢,還應通過看橫斷面的地層情況,立體的分析盾構掘進施范圍的地層情況.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,刀盤形式必須滿足同時能掘進硬巖又要掘進軟巖甚至砂土粘土等的需要.也就是說,在掘進時,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,刀盤的開口率滿足切削下來的巖塊順利進入土倉,又不使軟巖不 能順順利利進入土倉,結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.福民站會展中央站右線用的海瑞克盾構機的刀盤結構形式應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構強度,更能承受大的荷載,同時在硬巖或軟硬不均地段掘進發(fā)生坍塌時刀盤面可 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周邊滾刀高線速度快磨損的需要,更能滿足切削.同時,開口形狀和開口率,以及刀盤面板上的泡沫參加口等,也能滿足軟巖掘進的需要.3. 2. 2刀具的選擇和裝配針對地層軟硬不均的情況,特別是硬巖分布的位置,結合各種刀具的破巖特點,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,在刀盤的轉動下,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構利于軟土切削時的導渣作用,同時可用于在硬巖掘進中的刮渣.齒刀的結構形式

11、有利于磴土流動進入土倉.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,齒刀和切刀與刀盤之 間的角度在約5560左右比擬適合,同時根據(jù)圍巖地層的強度, 適當安裝刃的前角和后角 一般情況下,對于膠結粘性土,需加大前、后角,對于礫石或全風化和強風化巖石,那么減小角度.在SSK3+325.8處的情況其中一個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可以從刀盤反面更換.圖三硬巖掘進時保護切刀示意圖雙向為預防在粘性較大軟巖中掘進時形成泥在硬巖部位安裝的滾刀中也應安裝適當數(shù)量的 或切刀,以利于渣土及時順利地流入土倉中.考在硬巖掘進時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 掘進時能夠對切刀和刮刀有一定的保護作用.如圖三所示,切刀的布置間距較近,圖中所示的虛線為掘進時磴土的流動線,這樣在掘 進時磴土不能到達切刀的下部,預防了在硬巖掘進時打壞切刀；同樣對刮刀也可以進行保護.刀具離刀盤的中央越遠, 其線速度也就越大,那么磴土流動的軌跡線越緩, 兩個切刀或刮刀 的背向布置間距就可以適當?shù)募哟?? 滾刀的使用在軟硬不均地層掘進時,硬巖部位應安裝滾刀.盾構機采用滾刀進行破巖,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、速度快的機械破巖方法,其特點是靠工具如圖四所示.軸力P

13、使?jié)L刀壓入滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用到達破碎巖石的目的 巖石,滾動力矩 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 所獨有的特點.應針對于硬巖的強度和整體性、掘進距離、含砂量等特點,確定需要安裝滾刀的位置、 超前量、數(shù)量、類型.查有關資料或根據(jù)以前的統(tǒng)計,準確的估計出正常情況下滾刀的磨損 量.根據(jù)有關資料的介紹,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、密實承載120180mm為宜.滾刀的刀圈和刀座的材質以及其連接的形成、工藝、輕緊配程度等是滾刀能否勝任掘進軟硬不均的關鍵.應根據(jù)硬巖分布的位置、所占刀盤的面積、巖石強度和整體性等慎重考慮和選擇.為預防

14、硬石塊卡在雙刃滾刀兩個刀刃之間,使?jié)L刀不能正常工作或偏磨,應正常選 擇雙刃之間的間距和刀刃的形狀.3. 3掘進參數(shù)的選擇4. 3. 1推力從滾刀的破巖機理看,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,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時,刀盤和刀具的受力是不均勻的.硬巖部位受的力大,軟巖部位那么相對要小得多,而且正是掘進范圍內(nèi)的硬巖阻止了掘進速度.如果推力過大,勢必 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情況和刀具等破壞情況總結出,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,所以只計算滾刀.推力過大時,容易造成刀盤卡死,同時,對推進系統(tǒng)的水平要求也相應增高.本次事故的掘進總結出,在最大推力到達1400T并持續(xù)幾環(huán)后刀具發(fā)生了嚴重變形.所以,掘進推力一般不超過 1400T.5. 3. 2刀盤轉速在軟硬不均地段掘進, 硬巖就像一個強度很大根基非常深的巨大的樁, 阻礙刀盤的正常 旋轉,刀具承受沖擊荷載.根據(jù)愛因斯坦的能量公式：E=mv2,那么在刀盤質量 m一定的情況下,轉速越快,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時,刀盤轉速不能快,最好是慢慢勻速的向前磨.根據(jù)經(jīng)驗,刀盤轉速在

16、 1.6rpm為宜.6. 3. 3渣土治理? 土倉壓力在軟硬不均地層中,土倉壓力應根據(jù)軟土的埋深和相關物理參數(shù)等決定施工中應保持的 土倉壓力.但在軟硬不均地段中掘進時,掘進速度較慢扭矩較大,保持真正的壓平衡比擬困難,可 以采取氣壓平衡模式掘進.? 出土量由于推進速度慢,刀盤切削下來的渣土較少,而螺旋輸送機等排土器每工作一次的出土量又很大,往往會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時,應嚴格限制每一循環(huán)排土器工作的次數(shù),嚴格限制出土量,必要時,在渣斗中劃上刻度,以便計算和限制出土量,到達平衡出土.? 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,應采取舉措保持泡沫系統(tǒng)工作狀況良好,并及時的添加泡沫劑,使使渣土具有很好的軟流塑狀.當學子面地層的滲透性很好時,那么需要向土倉內(nèi)添加膨潤土等改進渣土.否那么,很可能發(fā)生渣土噴涌,直接導致地層超挖而地面沉降.實踐證實,這是非常必要的.同時,應時刻觀注渣土的稀稠、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； 刀具嚴重損壞,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,不能正常改進渣土,渣土在土倉內(nèi)干結或摩擦生熱；通過對渣溫度的觀察,準確判斷,

18、及時采取舉措.一般情況下,渣土溫度過高應及時的停止繼續(xù)掘進.需要降低刀盤溫度時,不能加水,而應參加稀的膨潤土泥漿.由于,在全風化或強風化化巖石中,加水會造成學子面坍塌.4、 本次事故帶來的反思7. 1關于開倉在軟硬不均地段掘進時,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).必需開倉時應做好以下工作：刀盤附近按需要布置沉降監(jiān)測點,最好全是深層沉降點起碼應在刀盤中央前后布置深層沉降點.一般應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,以備在地面沉降時進行緊急處理 保證井下和地面間的聯(lián)系暢通.召開專門的會議,進行開倉的準備和方案的交底.本次事故給我們了很大啟示.軟硬不均地層中掘進, 往往是一局部很硬而另一局部卻非常的軟或敏感性強,易坍塌.開倉過程時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間都很長,有的對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行換刀,但如果地面上是重要的建筑物我們又怎么辦