盾構(gòu)機(jī)穿越地層土壓控制模式研究

盾構(gòu)機(jī)穿越地層土壓控制模式研究

1承壓水砂層b秦淮河段最大厚度為5.5m。頂部主要由粘土粘土組成，底部主要由粘土和粘土組成。粘性土中為孔隙水,砂層中為承壓水。盾構(gòu)機(jī)穿越秦淮河段位于平曲線(xiàn)R=400m的小半徑右轉(zhuǎn)曲線(xiàn)上,豎曲線(xiàn)坡度為29‰上坡,里程在左線(xiàn)K11+807.216～K11+891.858,右線(xiàn)K11+804.607～K11+899.540,長(zhǎng)約80m(見(jiàn)圖1)。盾構(gòu)過(guò)河段主要穿越地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,部分為粉土、砂土。2隧道鋼筋混凝土管片簡(jiǎn)介最小覆土厚度計(jì)算:P≥k(P浮-P自重)(1)式中:P為隧道上方水土壓力,P浮為隧道所承受的浮力,P自重為單位長(zhǎng)度隧道重量,k為安全系數(shù),取1.2。引用公式:式中:P為水的容重;P浮為上覆土層容重;φ為土的內(nèi)摩擦角;φ=12.3°;粘聚力c=8.9kPa;飽和重度γsat=17.7kN/m3;,河水深度h1=2.0m;混凝土重度γ鋼筋混凝土=20kN/m3,隧道鋼筋混凝土管片外徑R1=3.1m,內(nèi)徑R2=2.75m。根據(jù)最小覆土厚度計(jì)算公式,可以計(jì)算出最小覆土厚度:h2≥k[πR12γw?π(R12?R22)γ鋼筋混凝土]2ctan2(45°+φ/2)?γwh1γwtan2(45°+φ/2)h2≥k[πR12γw-π(R12-R22)γ鋼筋混凝土]2ctan2(45°+φ/2)-γwh1γwtan2(45°+φ/2)計(jì)算得最小覆土厚度h2為4.306m。顯然,本處覆土厚度為5.5m,足以平衡隧道所受浮力。3挖掘準(zhǔn)備參數(shù)3.1土倉(cāng)壓力10.20.26mpa根據(jù)靜止土壓力的變化應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,使土倉(cāng)壓力始終保持在靜止土壓力與被動(dòng)土壓力之間,即0.2～0.26MPa,避免超挖或欠挖。采用以下兩種方法來(lái)控制土倉(cāng)壓力。11通過(guò)螺旋臂控制單元排土量通過(guò)土壓傳感器檢測(cè),來(lái)改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制排土量,以維持開(kāi)挖面土壓穩(wěn)定的控制模式。此時(shí)人工事先給定盾構(gòu)的推進(jìn)速度。2土壓穩(wěn)定控制模式2.通過(guò)土壓傳感器檢測(cè)來(lái)控制盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度,以維持開(kāi)挖面土壓穩(wěn)定的控制模式。此時(shí)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速人工事先給定。掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)需要可以不斷轉(zhuǎn)化控制模式,以保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定。3.2挖掘速度盾構(gòu)進(jìn)入河底后保持平穩(wěn)掘進(jìn),掘進(jìn)速度保持在3.0～5.0cm/min。減少糾偏,減少對(duì)土體的擾動(dòng),保持土體密實(shí)。3.3總動(dòng)力根據(jù)計(jì)算,總推力控制在8000kN左右。3.4掘進(jìn)量控制排土量計(jì)算公式:V=ηπr2L(3)式中:V為每環(huán)的體積,L=1.2m;η為土體松散系數(shù),取1.1;r為開(kāi)挖半徑3.17m。把數(shù)值代入式(3)得V≈42m3。排土量控制是盾構(gòu)在土壓平衡工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)對(duì)碴土的觀察和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),不能出現(xiàn)出碴量與理論值出入較大的情況。一旦出現(xiàn),立即分析原因并采取措施。碴土的出土量必須與掘進(jìn)的挖掘量相匹配,以獲得穩(wěn)定而合適的支撐壓力值,使掘進(jìn)機(jī)的工作處于最佳狀態(tài)。當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速仍達(dá)不到理想出土狀態(tài)時(shí),可以通過(guò)改良碴土的可塑狀態(tài)來(lái)調(diào)整。3.5硬盤(pán)速度和扭矩的選擇刀盤(pán)扭矩為1200～1500kN·m,轉(zhuǎn)速設(shè)為0.8r/min。3.6主漿壓力和主漿量1注漿壓力過(guò)大造成的變形注漿壓力略大于該地層位置的靜止水土壓力,同時(shí)避免漿液進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)中。在實(shí)際掘進(jìn)中不斷優(yōu)化,如果注漿壓力過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致隆起和管片變形,還易漏漿。一般而言,注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水土壓力,最大不超過(guò)0.35MPa。在最初壓力設(shè)定時(shí),下部每孔壓力比上部每孔壓力略大0.05～0.1MPa。這樣各點(diǎn)的注漿壓力將不同,會(huì)保持一定的壓差,以達(dá)到最佳效果。2環(huán)片注漿量計(jì)算根據(jù)刀盤(pán)開(kāi)挖直徑和管片外徑,可以按下式計(jì)算一環(huán)管片的注漿量。V=[π4(D2?d2)L]ηV=[π4(D2-d2)L]η(4)式中:V為一環(huán)注漿量理論體積(m3),D為開(kāi)挖直徑,d為管片外徑,L為環(huán)寬,取1.2m,η為擴(kuò)散系數(shù),取1.5～2.0。代入相關(guān)數(shù)據(jù),可得:V=2.47～3.30m3/環(huán)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.5～2倍,則每環(huán)(1.2m)注漿量Q=4.95～6.6m3。進(jìn)入河床底部后,為防止隧道上浮,注漿量根據(jù)隧道覆土厚度的變化及時(shí)調(diào)整。3.7組件態(tài)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)1)軸線(xiàn)允許偏差:①水平偏差15～20mm;②垂直偏差-15～-20mm。俯仰角<3mm/m;水平偏角<3mm/m。3.8監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形注意對(duì)盾構(gòu)機(jī)前后方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析。盾構(gòu)前方監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形控制在-5～5mm,盾尾監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形控制在-20～10mm,測(cè)量人員在河面上放出隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn),以明確過(guò)河的確切位置。在河岸兩側(cè)設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn),并設(shè)專(zhuān)人24h密切觀測(cè)河沿邊檢測(cè)點(diǎn)的沉降變化及河面情況。4技術(shù)措施4.1現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理盾構(gòu)機(jī)過(guò)河時(shí),項(xiàng)目部成立過(guò)河應(yīng)急小組,進(jìn)行信息化管理,保證各個(gè)部門(mén)掌握第一手現(xiàn)場(chǎng)情況,并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況,對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)及物資調(diào)配。4.2注漿管的管片安裝1)由于秦淮河的地質(zhì)不良,為避免擾動(dòng)土層,合理優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。2)在河底時(shí)發(fā)生噴涌,采取提高掘進(jìn)速度和快速掘進(jìn),速度控制在50～60mm/min。河底掘進(jìn)時(shí)因地下水與河水有一定的水力聯(lián)系,造成螺旋輸送機(jī)出土困難,采取先暫時(shí)關(guān)閉出土裝置,然后繼續(xù)向前推進(jìn)。密切關(guān)注土倉(cāng)、螺旋輸送機(jī)壓力,當(dāng)壓力降到正常值時(shí),噴涌隨即消失。3)在盾尾有漏水、砂情況,采取流動(dòng)性好、止水、止砂的油脂,這樣能在最短時(shí)間填充到盾尾空隙大的地方并起到密封作用。4)嚴(yán)格控制管片拼裝質(zhì)量,使其錯(cuò)臺(tái)減小。為防止管片滲漏水,在管片側(cè)面粘貼海綿條。5)盾尾注漿管容易堵管,調(diào)整漿液的配合比并每環(huán)清洗。加強(qiáng)設(shè)備的維修保養(yǎng)工作,每日定時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查工作。4.3推進(jìn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和應(yīng)急控制1引起地層的過(guò)度水若過(guò)量出土即超挖,必然會(huì)引起大的地面沉降。反之,會(huì)引起地層的過(guò)量隆起。施工中,主要通過(guò)調(diào)節(jié)盾構(gòu)前方土倉(cāng)壓力,使倉(cāng)壓微大于該處地層土壓力,根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)速度計(jì)算螺旋出土機(jī)的轉(zhuǎn)速和出土量,避免超欠挖。2加泥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本次施工采用的是土壓平衡盾構(gòu)機(jī),因該處的覆土非常薄,施工中,通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的加泥系統(tǒng),在工作面前方壓注適量膨潤(rùn)土漿液,以減小刀盤(pán)切削阻力和盾構(gòu)與周?chē)貙拥哪Σ磷枇?從而減小盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)貙拥臄_動(dòng)。32同步注漿技術(shù)的應(yīng)用通過(guò)盾構(gòu)的注漿系統(tǒng),在