8 復(fù)雜地段盾構(gòu)穿越施工技術(shù)(李勝新修改)

1、復(fù)雜地段盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)李勝新 劉廣仁 （中國石油天然氣管道局第四工程公司 河北 065000） 摘 要：在盾構(gòu)法隧道穿越長江工程中，針對復(fù)雜地段盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)，如：卵石層與粉砂層在掘進(jìn)過程中操作控制或方案措施不當(dāng)，易造成掘進(jìn)面失穩(wěn)垮塌、超挖欠超、刀盤內(nèi)被卵石堵塞等，造成不能正常掘進(jìn)，給施工造成及大的危害和風(fēng)險，同時也必將影響施工安全、質(zhì)量與進(jìn)度。針對這些地段，只有采取合適施工技術(shù)、措施、掘進(jìn)工藝參數(shù)的確定與規(guī)范操作，才能保證盾構(gòu)機順利掘進(jìn)。 我公司承建的忠武輸氣管道宜昌長江穿越隧道工程，采用盾構(gòu)法施工，工程所穿越地質(zhì)十分復(fù)雜，含粘土層、粘土質(zhì)粉質(zhì)巖、粉砂巖、卵石層、粉砂層等地質(zhì)，施

2、工難度較大。施工人員在廣泛咨詢專家組的意見，大膽實踐，積極摸索勇于創(chuàng)新，針對地層松散、透水強的地質(zhì)成功地摸索出一套行之有效施工技術(shù)，并圓滿地完成了施工任務(wù)。本文就復(fù)雜地段的盾構(gòu)法施工技術(shù)作一介紹。關(guān)鍵詞：盾構(gòu) 泥水平衡 泥漿 復(fù)雜地層 防止超挖欠挖 Abstract:-In the Cross Changjiang shield driven tunnel projects, technical nut-cracking method has been devised to overcome complicated ground conditions during shield boring,

3、 ne to cave-in out of unstable face due to improper manipulation/control or inadequate counter-measure during shields drive through layers as pebbles, and silty sand; abnormal tunnelling due to overcut or undercut, blocking of cutterdisc by pebbles, thus giving rise to extreme dangerous and r

4、isky situation, at the same time having to influence construction safety, quality and work schedule. Only by the use of appropriate construction technique, measures, correct settings of tunnelling parameters and operation in accord with specified procedures, a smooth running of shield tunnelling can

5、 be assured.Cross-Changjiang tunnel project at Yichang, along the alignment of Zhong-Wu Gas Pipeline project, as contracted by this company has been bored in a hardway by shield tunnelling through very complicated ground, including clay, clayey silty rock, silty rock, pebble, and silt. Based on wide

6、 consultancy of expert group for comment, audacity in practice, and active probe for innovation, the construction team has successfully devised a whole set of feasible construction technology in coping with bulky ground, and pervious geology , and fully accomplished the task. Keywords: shield slurry

7、 balanced slurry complicated ground overcut and undercut prevention1 情況介紹在宜昌過江隧道工程盾構(gòu)掘進(jìn)至523.4米時，進(jìn)入粘土質(zhì)粉砂巖與卵石層過渡段，盾構(gòu)刀盤內(nèi)突然涌入大量卵石和灰黑色粉砂，刀盤內(nèi)部順間被砂卵石堵塞。而且掘進(jìn)面仍有大量卵石涌入刀盤內(nèi)，同時調(diào)整泥漿配比，但無效果。連續(xù)三天多次壓注重泥漿達(dá)50m3以上，未能控制掘進(jìn)面坍塌。ZK16探孔位置536m，隧道軸線設(shè)計軸線距勘探孔軸線6-8m，距離盾構(gòu)機刀盤面13m，水深15m，隧道頂部土層厚度15.6m，掘進(jìn)面泥水壓力0.31Mpa。滲漏順間排水量大于230m3/h。

8、地質(zhì)勘探報告情況：ZK16探孔孔深2.8-16.5m為砂卵石層，成份以石英砂巖，灰?guī)r、火成巖，直徑最大52Cm，一般為10-32cm，少量為2-3cm，卵石含量占85%、砂占15%，卵石層為疏密。 從刀盤內(nèi)清理出的卵石 從刀盤內(nèi)拍攝的16#探孔圖2 成因分析經(jīng)過利用導(dǎo)向油缸將盾構(gòu)機頭縮回5cm，刀盤導(dǎo)向推力油壓420bar沒有減小，說明掘進(jìn)面松軟和坍塌失穩(wěn)，打開泥水艙門檢查連通管，刀盤背部全部被砂卵石堵塞。根據(jù)地質(zhì)勘探資料地質(zhì)巖性、特點、排水量、地層滲漏水情況及掘進(jìn)面砂卵石層坍塌綜合情況分析，ZK16號探孔位于刀盤正上方，理由是在長江上進(jìn)行勘探鉆孔，根本不能建立準(zhǔn)確的坐標(biāo)和定位，因此在鉆探定位

9、偏移量是無法控制的，核對地質(zhì)勘探資料探孔沒有封孔，當(dāng)機掘至部位時，普通泥漿根本不能起到對卵石的固結(jié)穩(wěn)定作用。由于掘進(jìn)面探孔漏水、失穩(wěn)坍塌嚴(yán)重造成氣壓艙平衡模式不能建立，人員無法進(jìn)入清理作業(yè)，所以方案的關(guān)鍵是怎么樣實施封堵止塌，建立氣壓平衡模式，將刀盤內(nèi)的卵石清除，組織專家與工程技術(shù)人員進(jìn)行探討攻關(guān)，最終決定采用以下方案：3 治理方案與效果由于盾構(gòu)掘進(jìn)施工的特殊性，不能采用常規(guī)的壓注水泥砂漿來實施止塌堵漏，這種方法能很好地起到止塌堵漏作用，但會造成盾構(gòu)機體也被水泥砂漿固結(jié)。經(jīng)過專家組與工程技術(shù)人員認(rèn)真分析，只有采取從盾構(gòu)機內(nèi)向掘進(jìn)面周圍5米范圍內(nèi)的地層壓注特殊泥漿，根據(jù)掘進(jìn)面的泥水壓力,制定泥漿

10、壓注壓力、每小時注入量，計算確定壓入泥漿總量。當(dāng)注漿達(dá)到擴(kuò)散范圍時停止壓注重泥漿，使壓入的重泥漿滲入地層與探孔后，充填卵石層的空隙形成膠結(jié)泥膜。于是我們在應(yīng)用鉆井泥漿的機理特點，并結(jié)合盾構(gòu)施工的實際情況，分別優(yōu)先編出46種改性泥漿的配比，通過試驗獲得三種改性泥漿，進(jìn)行壓注試驗，嚴(yán)格控制壓注量、壓注時間、壓力升降速度，共壓注8m3，人員在0.3MPa的氣壓下進(jìn)入氣壓艙作業(yè)46小時，未出現(xiàn)掘進(jìn)面失衡、漏水，效果良好。盾構(gòu)機開機掘進(jìn)未出現(xiàn)機體被卡現(xiàn)象。在后續(xù)的460m卵石層與砂層掘進(jìn)中，一直采用改性泥漿的機理與泥水平衡控制相結(jié)合，獲得很好的掘進(jìn)施工效果。本項施工技術(shù)適用于各種結(jié)構(gòu)松散、透水性較強、富

11、含地下水或較易坍塌的復(fù)雜地質(zhì)地段泥水平衡式盾構(gòu)機掘進(jìn)，如卵石層、砂層等地段的盾構(gòu)法施工。4 施工技術(shù)與操作控制針對各種結(jié)構(gòu)松散、透水性較強、易坍塌的復(fù)雜地質(zhì)地段，盾構(gòu)法掘進(jìn)是一個動態(tài)控制過程，即在復(fù)雜的地質(zhì)條件和相應(yīng)的盾構(gòu)機掘進(jìn)控制模式間建立一種動態(tài)平衡模式。具體來說，針對復(fù)雜的、不斷變化的地層，必須采取措施，建立起MixShield模式，減少對前方地層的擾動，防止前方地層坍塌；控制掘進(jìn)速度和排碴量，防止造成超挖和欠挖；優(yōu)化泥漿配比，形成高質(zhì)量泥膜，有效防止掘進(jìn)面失穩(wěn)，保證盾構(gòu)機順利掘進(jìn)。4.1工藝流程刀 盤 驅(qū) 動建立泥漿循環(huán)平衡啟動頂進(jìn)油缸刀 盤 掘 進(jìn)縮回頂進(jìn)油缸管 片 安 裝背 填 注

12、 漿導(dǎo)向系統(tǒng)方向調(diào)整排漿泵排漿泥漿分離處理供漿泵供漿管片生產(chǎn)運輸泥漿調(diào)整圖中 紅色框圖表示關(guān)鍵工序4.2基本原理松散地層挖 掘 腔連 通 管壓縮空氣泥漿作用區(qū)泥 漿泥水平衡室切削刀盤在采用泥水加壓平衡模式掘進(jìn)時，具有特殊性能的泥漿在壓縮空氣的作用下，動態(tài)的間接平衡開挖面前方的水土壓力，保證開挖面前端不致坍塌。高壓空氣供排氣管泥水平衡艙連 通 管刀 頭 噴 嘴環(huán) 形 噴 嘴抽 吸 閥 1抽 吸 閥 2盾構(gòu)機平衡控制示意圖在開挖面，隨著泥水平衡壓差壓力使泥漿不斷滲入掘進(jìn)面土體，泥漿中的高分子團(tuán)顆粒填入土體孔隙，形成滲透系數(shù)非常小的泥膜（膨潤土懸浮液支撐時形成一濾餅層）,對掘進(jìn)面形成良好的支護(hù)與粘合

13、作用。而且，由于泥膜形成后減小了開挖面的壓力損失，泥水壓力可有效地作用于開挖面，從而可防止開挖面的變形和崩塌，并確保開挖面的穩(wěn)定。因此，在泥水平衡式盾構(gòu)機施工中，控制泥水壓力和控制泥漿質(zhì)量是兩個重要的因素。4.3泥水加壓平衡模式4.3.1在正常情況下，根據(jù)操作經(jīng)驗和實際情況，壓縮空氣的壓力設(shè)定值P為該地段的水土壓力+0.010.02MPa。泥水艙內(nèi)的液位占全艙的50%60%，上部空腔由壓縮空氣充填，由于連通器作用，壓縮空氣的壓力與刀盤前方水土壓力基本相等，盾構(gòu)機掘進(jìn)作業(yè)在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行。4.3.2當(dāng)掘進(jìn)面的進(jìn)排泥水壓力突然升高或下降時，由于壓差作用(連通管將泥水平衡艙與掘進(jìn)面相通)，

14、泥水平衡艙中的液位上漲或下降，壓縮空氣壓縮或膨脹，因而吸收或釋放了來自進(jìn)排泥量與進(jìn)排泥壓力變化對掘進(jìn)面地層擾動。當(dāng)掘進(jìn)面壓力升高或下降時，超過設(shè)定的地層泥水壓力時，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)會自動升高或下降壓縮空氣壓力，在其作用下泥水通過連通管進(jìn)入切削腔，使泥水平衡艙中的液位維持在50%60%之間。4.3.3在掘進(jìn)時還必須保持進(jìn)排泥水壓力、排量相一致，進(jìn)排泥量大小的控制首先應(yīng)該滿足盾構(gòu)掘進(jìn)排渣的要求為前提條件，并隨時對進(jìn)排泥量、壓力進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到相對平衡狀態(tài)。進(jìn)排泥水壓力的應(yīng)等于掘進(jìn)面泥水壓力+0.010.02MPa為宜。4.3.4總的來說：當(dāng)掘進(jìn)面泥水壓力發(fā)生變化時，通過連通管影響泥水平衡艙室液位，引起

15、高壓空氣壓力改變到與水土壓力相適配的數(shù)值，從而保持掘進(jìn)面穩(wěn)定，有效的防止了坍塌。因此，泥水加壓式盾構(gòu)機能適應(yīng)多種復(fù)雜地層，尤其是在富含水、易坍塌地段。4.4操作要點4.4.1泥水平衡控制 具體控制過程如上文所示。總的來說，當(dāng)水土壓力發(fā)生變化時，通過連通管影響泥水平衡艙液位，引起高壓空氣壓力改變到與水土壓力相匹配的數(shù)值，從而保持掘進(jìn)面穩(wěn)定，有效的防止坍塌。泥水平衡模式建立后，可以自動控制，也可手動控制。當(dāng)盾構(gòu)機掘進(jìn)時，由于泥漿的流失或盾構(gòu)機推進(jìn)速度的變化，進(jìn)排泥漿量將會失去平衡，空氣和泥漿液面就會出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象。通過液位傳感器，可以根據(jù)液位的變化控制泥漿泵的轉(zhuǎn)速與流量，使液位恢復(fù)到設(shè)定位置，以

16、保持開挖面支護(hù)壓力的穩(wěn)定。4.4.2噴嘴切換由于復(fù)雜地層整體結(jié)構(gòu)比較松散，如仍然用刀盤噴嘴供漿，則由于泥漿的沖刷，對地層產(chǎn)生較大擾動，軟弱地層就變得十分不穩(wěn)定，只要有小的擾動，就會產(chǎn)生大面積的坍塌，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，在復(fù)雜地層掘進(jìn)時，將供漿口由刀盤噴嘴改為環(huán)形噴嘴（各噴嘴位置如前圖所示），掘進(jìn)時從刀盤切削口下部排漿，不直接沖刷前方地層，有效的減少泥漿對刀盤前方地層的擾動。4.4.3調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)盾構(gòu)機在每一種地層中的掘進(jìn)都對應(yīng)不同的操作參數(shù)，通常這些參數(shù)都是針對該地層做了一定程度的優(yōu)化，在復(fù)雜地層中也不例外。根據(jù)有著豐富操作經(jīng)驗的外國專家的建議，在每次掘進(jìn)前，盾構(gòu)司機都不先開噴嘴，而是先低速轉(zhuǎn)

17、動刀盤，起動推進(jìn)千斤頂“干推”，直至刀盤轉(zhuǎn)動的壓力上升到80bar之后，再打開供排漿管。這樣做可以讓盾構(gòu)機在開始掘進(jìn)時先將前方地層推“密實”一些，再進(jìn)行正常掘進(jìn)，防止其在剛起動掘進(jìn)時坍塌。同時，在操作中采用低轉(zhuǎn)速高扭矩掘進(jìn)，將刀盤轉(zhuǎn)速控制在2.8rpm3.5rpm之間。由于復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)松散，不需要用很大扭矩就可切削掘進(jìn)，刀盤主要起破碎作用，因此低轉(zhuǎn)速不但有效切削地層，可以減少對地層的擾動，而且大扭矩對卵石等的破碎很有利。在復(fù)雜地層中如卵石層中推進(jìn)速度也不亦過快，控制在20mm/min30mm/min即可，必須留足夠的時間讓刀盤破碎卵石。盾構(gòu)機只能排出粒徑小于80mm的石塊，如果速度過快，切削下

18、來的卵石來不及破碎，不及時排出，越積越多，也終將卡住刀盤。4.4.4泥漿優(yōu)化在復(fù)雜地層掘進(jìn)中對泥漿的優(yōu)化，主要是提高泥漿的護(hù)壁和防塌功能。由于盾構(gòu)機刀盤直徑大，刀盤上的滾刀、刮刀突出，掘進(jìn)造成對地層擾動嚴(yán)重。同時刀盤開口較大，進(jìn)入破碎艙中的渣量較大，容易造成刀盤被卡。在破碎的過程中要求泥漿具有較強的懸浮、護(hù)壁功能，控制泥漿的失水量，形成良好質(zhì)量的泥餅。性能優(yōu)越的泥漿，借助盾構(gòu)機本身氣壓平衡的特點，在1-2秒鐘內(nèi)就能形成薄而韌的優(yōu)質(zhì)泥餅，達(dá)到護(hù)壁防塌的效果。在卵石層掘進(jìn)中，要求所采用泥漿粘度在6080秒，屈服值在14Pa20Pa，比重為1.11.2 g/cm3之間，PH值為910，失水量為912ml之間，泥漿的失水造壁性要好。泥漿改為以清水與膨潤土攪拌制漿，添加正電膠、降濾失劑和潤滑劑等為處理劑控制泥漿性能指標(biāo)。 經(jīng)過多次試驗摸索，泥漿屈服值提升明顯，將泥漿性能以“低粘高切”性能作為主線，相應(yīng)調(diào)整其它的性能指標(biāo)，滿足施工要求。泥水分離設(shè)備處工作人員應(yīng)對出碴情況進(jìn)行監(jiān)控和記錄，并定時向盾構(gòu)司機匯報，使其了解出碴量、碴土形式、粒徑大小等情況，指導(dǎo)掘進(jìn)操作。5 工程實例 以我公司湖北宜昌長江穿越盾構(gòu)隧道工程為例來說明:該工程是忠武輸氣管道建設(shè)的“卡脖子”工