区间盾构施工方案

区间盾构施工方案内容摘要：

和隧道洞身通过② 3b23 粉质粘土及③ 31b12 粉质粘土，盾构掘进时，对刀盘可能会有粘结作用，在此类地层中掘进时，刀盘中心区和土仓中心区可能会形成“泥饼”现象，产生堵仓现象，造成刀盘转动负荷加大，排土不畅，甚至停止转动，如果地下水较丰富，螺旋机由于排土 不畅而无法形成土塞，排土口就会产生喷发，开挖面就会失稳，发生地层坍塌。 同时，造成土仓内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成密封老化破坏。 为了防止这种现象出现，采用以下措施： （ 1）刀盘产生“泥饼”现象与刀具的布置、形式及刀盘的开口率、形状等有关，为了防止“泥饼”现象的发生，增大中心区的开口率和刀具对开挖面的切削效果来改 18 善对“泥饼”的破碎效果，是避免形成“泥饼”的有效措施。 （ 2）在刀盘面板上设置了 5 个添加剂注入孔，配置了自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面喷射水 和 泡沫，改善碴土的流动性，减 小刀盘面“泥饼”形成的机会。 （ 3）在刀盘转臂及搅拌棒的搅拌作用下能使碴土与添加材料充分搅拌混合，使碴土具有很好的塑流性，利于出土。 （ 4）掘进中要注意土仓堵仓，当出现土仓温度和出碴温度比较高的现象时（土仓温度可以通过安装在驱动密封内外圈处的二个温度传感器检测，温度可在操作触摸屏上显示），就有可能发生堵仓现象，此时可通过仓壁及人行闸上的添加剂注入孔往土仓内注入适量的高压水和膨润土，以排除堵仓、降低土仓温度和改善碴土的流动性，防止由于堵仓引起的排土不畅，从而引起螺旋机喷发和开挖面失稳，引起地面沉降。 在 复 合 地层中的掘进 从场地地层条件分析，隧道穿越段岩土层分布不均，由于穿越面在线路上存在上软下硬现象，易引起盾构施工在前进线路方向的偏移。 本次选用的铰接式土压平衡盾构机既具有开挖软土又具有破碎中风化泥质粉砂岩层的能力，在进入上软下硬的地质时，注意爬坡现象，在这种情况下要控制好掘进轴线、盾尾与管片四周之间的间隙要均匀、推进油缸总推力及 4 个分区的压力选择要适合地质情况，并可结合铰接装置的使用。 推进速度根据所处岩层的单轴抗压强度选定，如果掘进速度较慢，会造成开挖面失稳引起前上方的土体坍塌，如果掘进速度过快，会 造成刀具所受载荷过大及受力不均引起刀具的磨损损坏。 同时，采用土压平衡的模式掘进，根据开挖面的情况，选择相应的土压并加以严格控制 ,保持开挖面上方土体的稳定。 在复合地层掘进时，特别是下部为岩石，上部为软土层，此时，总推力基本上由岩石部的刀具承受，如果选择的推进速度不当，油缸总推力过大，刀具就会有加速损 19 坏的可能。 因此，必须确定适合所处岩石单轴抗压强度的 Pe 值，选用适合岩石的单轴抗压强度的推进速度推进，减轻刀具接触岩石的负荷。 当 Pe 值（刀盘每转刀具的切削深度）明显偏小，不适合岩石的单轴抗压强度时，应将掘进速度慢 慢提高，使其调整为适合单轴抗压强度的 Pe值，决不能急速提高掘进速度。 随着掘进速度的提高，盾构机推力也随着上升。 同时强化信息施工，不断优化盾构施工参数，优化合适的注浆浆液，加强同步注浆以及必要时的补压浆，注意后部加强止水措施，封堵盾尾，并加强隧道监测。 必要时对盾构头部和密封仓内的注浆孔向头部和密封仓注入发泡剂，改良土体。 另外还应注意以下事项： （ 1）连续均衡施工，避免较长时间的搁置； （ 2）严格控制土仓压力及出土量，防止超挖及欠挖； （ 3）盾构姿态变化不可过大、过频，每次纵坡变化小于 %； （ 4）同步 注浆要求做到及时、适量，部分区段考虑使用缓凝浆； （ 5）如沉降超过报警值时，及时采取跟踪注浆等措施控制建、构筑物的变形量。 在复合地层中掘进的施工参数设置 当盾构机进入上软（ ③ 31b12 粉质粘土、 J3x1强风化泥质粉砂岩 ）下硬（ J3x2中 风化泥质粉砂岩 ）的复合地层， 给盾构机下坡掘进带来难度。 ①掘进时保持开挖面的稳定 在复合地层掘进时，采用土压平衡模式进行掘进。 盾构机密封土仓的被动土压力设定比舱外主动土压力稍小，一般在 1～。 在掘进中，也应控制好盾构机推进速度、推进力、刀盘转 速、刀盘扭矩等施工参数。 掘进速度不可过快， 总推力基本上由岩石部的刀具承受，如果选择的推进速度不当，油缸总推力过大，刀具就会有加速损坏的可能。 由于粉质粘土层、泥质粉砂岩层黏性较大，刀盘转速应控制在较低的水平，一般设定在 2～ 3档，即 ～。 掘进时应根据地质条件，选择合理的掘进速度。 推进速度过慢，推力减小，滚刀 20 不转动，容易造成滚刀偏磨。 推进速度过快，盾构机推力上升，刀盘扭矩增大，对刀具磨损也较大。 ②保证盾构机掘进姿态 在进入上软下硬的地质时，注意爬坡现象， 在这种 情况下要控制好掘进轴线、盾尾与 管片四周之间的间隙要均匀、推进油缸 总推力不可过大。 由于地层上部软下部硬，下部千斤顶的推力应比上部千斤顶推力稍大。 ③其它技术措施 掘进过程中，应根据实际情况 向 刀盘 和密封仓注入发泡剂，改良土体。 如掘进困难时，向刀盘注入发泡剂，起到润滑作用，降低刀盘掘进时的扭矩。 如岩层中存在较大的裂隙水，应向土仓中注入发泡剂，起到改良土体的作用，防止出土时的水土分离。 应合理选择同步注浆浆液配比，提高注浆的早期强度，防止管片上浮、错台现象，保证隧道衬砌的稳定。 ④复合地层中的施工参数 表 41 盾构推力 刀盘转速 推进速度 扭矩 土仓压力 8000～15000kn ～ 1530mm∕min 1000～2020knm 1bar 在岩层掘进 刀具是切削土体的主要工具。 刀具布置在刀盘上，根据其位置和工作原理，可分为滚刀 、 刮刀 两 种。 滚刀主要用来切削 岩层，刮 刀主要用于切削土层。 当盾构进入岩层掘进时，要将刀盘上的部分刮刀换成滚刀，具体施工详见“换刀专项方案”。 盾构机姿态控制技术 J3x2中风化泥质粉砂岩属于硬岩，姿态控制较为困难，操 作要有预见性、超前，且不能过急。 过全断面硬岩技术归结为：抗浮、抗盾构机震动、抗隧道旋转、姿态控制和换刀控制。 （ 1 ） 刀 盘转 速控 制： 提高 滚刀 旋转 的线 速度。 刀 盘转 速宜 控制在，避免刀具偏磨，降低换刀频度。 掘进原则：高转速，低扭矩、低推 21 力、欠土压、慢速度。 （ 2）贯入度的控制：避免贯入度过大而导致刀圈崩裂，贯入度宜控制在 6mm/r。 （ 3）注意发泡剂的使用：在硬岩地层，泡沫主要起润滑及使刀具降温的作用。 （ 4）不宜用 土压平衡模式掘进，因为建立土压平衡会降低破岩能力，有条件则开仓掘进。 盾构机姿态纠偏方法 根据 VMT 系统的显示数据，通过调整各分区千斤顶的压力及刀盘转向来调整盾构机的姿态，具体原则如下： （ 1）一般原则：硬岩段如果盾构机滚角过大，可通过反转刀盘减小。 如果盾构机水平向右偏，则应提高右侧分区的千斤顶压力；如果盾构机竖直下偏则应提高下部千斤顶的压力，反之亦然。 （ 2）水平方向的控制原则：本区间水平曲线的半径较小，故影响盾构机水平方向控制的主要因素是线路特性和地层特点。 ①在直线段，盾构机的水平轴线偏差控制在177。 20mm 以内，水平偏角控制在177。 3mm/m 以内，否则会因盾构机转弯 过急引起盾尾间隙过小，管片错台、破裂。 ②在缓和曲线段和圆曲线段，盾构机的水平轴线偏差控制在177。 30mm 以内，水平偏角控制在177。 5mm/m 以内。 ③ 由直线段 曲线段时，应根据地层情况（其决定盾构机的转向难易程度）在直线或曲线末端 1020m 范围内提前转弯或外偏。 内转幅度或外偏幅度根据曲线半径和盾构机的转向性能综合确定，一般控制在 2030m。 (3)竖直方向控制原则：由于本区间竖曲线的半径较大，影响盾构机竖直方向控制的主要因素是地层特点。 ①盾构机的竖向偏差控制在177。 20mm 以内，倾角控制在177。 3 mm/m 以内。 特殊情况下，倾角不宜超过177。 10 mm/m，否则会因盾构机转弯过急引起盾尾间隙过小，管片错台、破裂。 ②盾构机应与设计轴线保持平行。 ③上、下千斤顶的行程差宜保持在177。 20mm 以内，特殊情况下不宜超过177。 60mm。 22 隧道上浮控制技术 硬岩段围岩稳定，易发生管片上浮。 上、下、平坡段管片均可能发生上浮现象 ，本标段预采取措施： （ 1）根据线路纵坡坡度的大小，预先压低盾构机姿态 030mm。 （ 2）在硬岩段加强管片姿态的测量。 （ 3）同步注浆量要足，使管片没有上浮的空间。 （ 4）调整浆液配合比， 缩短凝结时间，迅速稳定管片。 对于可能发生管片上浮，我标段还将配合考虑下述措施：管片之间的螺栓要拧紧；下坡段可考虑减小盾构机下方几个千斤顶的推力，既可预先压低盾构机姿态，又起到减小千斤顶作用在管片向上顶推分力的目的。 盾构开挖面的稳定性控制原理 ⑴ 软土 地层盾构开挖面的稳定机理 由前述开挖面上覆地层结构的稳定性分析可知，盾构在软土地层中掘进时，需要在土仓内建立一定的土压力，并向开挖面注入添加剂，是基于以下机理： ① 盾构刀盘对开挖面的支撑以及土仓内泥土压力的作用有两点：一为土体结构提供水平推力，以利于形 成拱结构；二提高了开挖面土体的竖向抗力，减少了开挖面上方土体失稳的可能； ② 盾构机在切削、排土的同时进行千斤顶推进，实际是为及时有效地转嫁开挖面土体的应力，控制并减少下沉速度； ③ 在刀盘切削的同时，向开挖面注入泡沫等添加剂的作用是使开挖面土体的强度和刚度得到加强，对开挖面土体起到了支护作用，减少了开挖面的无支护距离； ⑵开挖对盾构机的影响 由于本工程盾构穿越的地层有很大一部分属于 上软下硬 地层 及岩层 ，盾构在此地层中施工有其特殊性。 盾构机在这种地层中掘进所受到的影响主要表现在以下几个方面： ① 内摩擦比较大 ， 故难以获得好的流动性，当切削下来的土充满土室和螺旋输送机内时，将使切削刀盘转矩，螺旋输送机转矩，盾构千斤顶推力增大，甚至使开挖排土无法进行。 因此，盾构刀盘切削土体时容易使刀盘过热，加剧刀盘刀具的磨损，影 23 响盾构的机械性能； ② 刀盘切削进来的土体须经螺旋机运出至皮带运输机，当遇到土质含水量低、较硬的情况下，螺旋机也会因工作扭矩过大而发热，影响其性能，严重时甚至停转。 ⑶稳定性控制措施 由前述可知，盾构在 软土 掘进过程中，如果控制不当或未采取有效措施，将引起较大的塌落和松动，以至于引起显著的地表沉降。 因此必须对开 挖面稳定加以控制。 常采取以下措施： 调节推进千斤顶的推力，使得在盾构土仓内建立起的泥土压力足以与地层土压力相抗衡； 持开挖面切削土量和螺旋输送机排土量的平衡，以使泥土压力与地层土压力保持动态平衡； 盘向开挖面添加泡沫，改善开挖面的力学性质，同时有利于改善盾构刀盘和螺旋输送机的工作环境。 基于盾构开挖面的稳定性分析，为保证开挖面稳定，必须确保以下两个方面控制技术的实现： 合理确定开挖面的泥土压力并保持泥土压力与地层土体压力的平衡； 实施加泡沫技术，改善开挖面土体的受力状况，实现切削土体的塑流性。 开挖面 加泡沫技术 开挖面土体改良的意义与方法 土压平衡盾构机掘进时，向开挖面添加塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体。 同时通过伺服机构控制盾构机千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经密封仓内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。 由于土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件，设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂（如泡沫等），极大地拓宽了该类机型的施工领域。 为适应 本标段 的施工，我们考虑增加泡沫系统，利 用加入泡沫改善土体粒状构造，吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，增加切削土体的粘聚力，同时降低土体的渗透性。 又因其比重小，搅拌负荷轻，容易将土体搅拌均匀，从而达到既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土的目的。 24 因此，加泡沫的功效主要表现为以下几个方面： ⑴ 保持开挖面的稳定； ⑵ 增加切削土体的塑性流动性； ⑶ 使开挖面土体及切削下的土体具有良好的止水性； ⑷ 防止切削土砂粘附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象，减轻机械负荷，降低刀盘扭矩，同时也提高了掘进速度； ⑸ 对刀盘、螺旋输送 机起减磨冷却作用。 ⑹ 泡沫的可压缩性或称之为弹性，对土压的稳定也有积极作用。 开挖面添加泡沫技术 土体塑流性改良采用泡沫技术。 泡沫是气相和液相混合而形成的气泡聚合体，气体在液体中分散即可形成。