北京地区山前冲洪积扇复杂地层盾构施工
2008-12-18 22:42
北京地区山前冲洪积扇复杂地层盾构施工技术
摘 要 北京地铁4号线20标盾构隧道位于永定河冲洪积扇,岩石不均匀出露,在掘进过程中遭遇水下、软硬不均岩石地层和全断面极硬岩等不良地质情况。介绍了盾构机在该复杂地层的施工方法及施工中的注意事项。对于复杂地层的盾构施工提出了建议:施工前应详细勘察地质情况,制定合适的掘进参数;做好设备的维护保养,对刀具积极管理;对地面加强监控量测等。
关键词 盾构(隧道);施工技术;冲洪积扇;硬岩
北京地铁4号线20标段位于北京市海淀区,包括颐和园至北宫门盾构区间、北宫门车站、北宫门至龙背村盾构区间。区间隧道共长3 153. 5m,位于永定河冲洪积扇古清河故道。盾构机在此处需要通过基岩埋深相对较浅的地段,且所通过地层比较复杂,基岩面起伏较大,岩体均一性较差,上覆人工杂填土。地层与颐和园昆明湖、清河及京密引水渠有水力联系。盾构隧道下穿中央党校南校区人工湖、建筑年代久远的党校研究生楼、交通繁忙的颐和园路、中央党校北校区南大门。该地段地下管线密集,路面交通繁忙,对盾构机掘进施工要求高,施工风险相对较大。
1 盾构机选型
根据招标文件、初步设计图册和地质勘察报告,对地质断面进行了认真分析,选用了德国海瑞克6. 28复合式土压平衡盾构机。该型盾构机具有广泛的适应性和优良的可靠性,在世界上类似工程领域享有丰富的施工经验和业绩。本标段盾构区间工程地质比较复杂,同时勘察报告中显示在北龙区间还要穿越99 m的中-微风化砾岩,其最高单轴抗压强度达到76. 2 MPa。为此,针对该段不良地质,与海瑞克公司的技术专家进行了若干次技术联络,确定了设备的破岩参数。用于本标段盾构机(设备编号S285)的设计破岩能力为82MPa。其设备性能主要参数见表1。
该盾构机具有如下特点:
(1)采用面板式刀盘,可配备为全齿刀或滚刀与齿刀结合,既可应对黏土层,又可应对强度较高的砂岩和砾岩。
(2)具有良好的防水性能,有完善的盾尾密封系统及注脂系统,可应对盾构机下穿人工湖和地下水丰富的砂卵石及粉细砂地层。
(3)配备了双液注浆系统,可有效应对砂卵石地层和土石混合体地层。
(4)具备土压平衡式(EPB)、半敝开式(Semi-Open)及敝开式(Open)三种作业模式,以适应掘进地层的变化。在黏土、粉细砂、卵石地层,用EPB模式,可防止掌子面坍塌;在砂岩和砾岩地层应用Semi-Open及Open模式,可降低推力、降低能耗、提高效率。
2 盾构机在软土地层的快速掘进
2. 1 软土快速掘进技术
软土的快速掘进主要取决于运输组织。软土开挖可保持60 mm/min高速掘进,开挖的绝对时间约20 min。管片拼装的绝对时间约30 min,列车运行时间约40 min。列车运输利用管片拼装的时间进行;如果运输线路不长,可利用管片拼装的时间完成出渣、装浆和运输管片的作业。这样,掘进速度可达到1环/h,达到快速掘进的目的。
在掘进时,要保证后配套系统的运转正常。常见的故障有以下几种:
(1)列车掉道。解决的办法是加强线路养护,及时清理管片上的泥浆,渣车转向架和车轮及时检修,保证良好的工作状态。
(2)循环水系统故障,工作机构温度超高,导致跳闸停机。要及时清洗循环水系统,保证有效降温。
(3)皮带故障。应加强检修,及时检查滚轮,及时更换故障滚轮,修补受损皮带,损坏严重时及时更换。
(4)龙门吊机故障,渣土不能及时吊出。需对龙门吊及时检修,保证其工作正常。
(5)浆车故障,浆液凝固,导致出浆不畅,搅拌受阻。超过40 min后,浆液很难搅拌,需要及时清理,缩短运输时间,或加入膨润土改良浆液性能。
2. 2 地面沉降的控制
在施工前,对隧道通过地段使用地质雷达进行空洞探测,对地下空洞和松散土体进行详细的了解,确定其准确位置,对其进行预注浆加固。
在掘进过程中,加强对刀盘前方、盾尾后方、出土量异常处(过多或过少)的监控量测。对发生异常沉降处,采用二次注浆及时处理,直至其沉降趋稳。实践证明,及时进行二次注浆可以控制绝大多数地面异常沉降。
3 盾构机在复杂地层的掘进
3. 1 水下盾构隧道施工技术
中央党校人工湖最大深度为2. 7 m,最小深度为1. 6m。湖底到隧道顶部的覆土厚8m,从上到下为0. 5~1. 4m的粉土填土、5m厚的圆砾-砾砂、2. 6m厚的粉质黏土。该处采用不排水掘进。
(1)进入水下隧道段之前,对盾构机进行一次全面的维修保养,重点检查刀具、注浆系统,盾尾密封、注脂系统,以及前盾与中盾、中盾与盾尾铰接处密封的止水效果,使盾构机及配套系统的工作状态良好,防水效果良好。
(2)控制好土仓压力和同步注浆压力。由于水压力的加大,土仓压力控制在0. 1MPa以上,同步注浆压力控制在0. 18MPa以上,注浆量控制在7 m3/环以上。掘进机快速掘进通过,防止造成地层扰动过大,避免与上部湖水贯通。
(3)掘进过程中注意观察螺旋出土口的出土情况,特别是注意观察水流情况。当水流出现异常加大或喷涌时,应停止掘进,快速关闭盾构机螺旋输送器,停止掘进,注满盾尾油脂,撤离隧道内所有人员,并及时向人工湖底回填粉质黏土、膨润土(回填厚度为0. 5 m);然后空转刀盘,观察土压传感器稳定后开始出土,仔细观察螺旋输送器出土情况,继续掘进。本段掘进中未出现此异常情况。
(4)采用双液浆注浆,严格控制浆液的质量。采用快速凝固浆液,浆液凝固时间尽可能缩短。
3. 2 软硬不均地层盾构施工技术
3. 2. 1 刀盘的改进
软硬不均地质条件使盾构机刀具的配置成为一个复杂的问题。软土地段要用刮刀,而硬岩地段要用滚刀。此段在始发时全部安装滚刀。因在软土地层滚刀基本不滚动,容易形成偏磨,要求保证小刮刀与边缘刮刀的完整性。在正面区、边缘区,已有刮刀保护滚刀,使滚刀减小偏磨;而在中心区域,只有滚刀没有刮刀,这样就加剧了中心滚刀的偏磨,在中心区域极易形成泥饼。为减小滚刀的偏磨和泥饼的形成,在中心区域增设8把异形羊角刀具。
3. 2. 2 掘进要点
(1)在本段掘进,推力控制在12 000 kN之内, 刀盘转速在1. 0 r/min以上,贯入度控制在15 mm/
(r/min)以内;应采用较低的推进速度,以不超过20mm/min为宜。推进速度快将导致扭矩增大、油温升高而导致跳闸停机。
(2)由于掘进速度较慢,刀盘在同一里程反复切削地层,容易引起围岩扰动。为此,掘进时必须严密监测地面沉降情况,一旦超标,及时注浆处理。
(3)注意观察渣仓内情况,准确判断刀具磨损情况,注意保护刀具,防止伤及刀箱本体及面板。
(4)连续监测渣土温度。渣温过高时,应对刀盘采取加水、加泡沫等降温措施。
3. 2. 3渣土的改良
在刀盘面板上设计有8处泡沫及膨润土注射装置;土仓的仓板上设计有搅拌翼,同时还有4个膨润土和泡沫注射口;在螺旋输送机的筒壁上有8个膨润土和泡沫注射口。泡沫喷嘴在使用过程中,容易发生堵塞。为避免此种现象发生,根据丁坝挑流的原理,对泡沫喷嘴采用环形保护,改变“土流”流向,保护喷嘴部位不受土体堵塞,使泡沫能够加入土体。
在软硬不匀地层掘进过程中,针对砂卵石地层及风化石灰岩地层,需要加入泡沫剂、膨润土等改良土体,以保护刀具、降低温度,使渣土排出顺利。在盾构机掘进期间,要不断向工作面喷注泡沫、膨润土和冷却水,以冷却和润滑滚刀。泡沫能对滚刀起到很好的润滑作用,并能在一定程度上降低开挖的岩渣和滚刀温度,尽量减小刀具的磨损。刀盘前方的泡沫注射管很容易被开挖下来的岩屑堵塞。因此在刀具检查和更换期间,要及时检查和清通泡沫注射管路,确保泡沫系统的正常工作。
3. 3 全断面硬岩盾构施工技术
盾构机掘进至颐和园———北宫门区间盾构左线第598环(K26+073. 75)和第632环( K26+114.55)处发现硬岩,刀具磨损严重。经现场开仓取样,并经实验室检测,岩体抗压强度平均值为124. 4MPa,石英含量高,为极硬岩。
在硬岩掘进前,应对硬岩段地层进行加密补探,以探明全断面硬岩出现的准确位置,并选择合适的掘进模式转变时机。在硬岩掘进时,采用敞开模式掘进,由于不用克服土仓压力,推力显著减小(可减小至4 500 kN)。同时,应注意对刀具进行及时检查,对磨损超限的刀具及时更换,防止伤及刀盘。在硬岩段,由于岩层裂隙节理发育,注浆量将比软土中显著增大。注浆时采用水泥浆,用注浆压力及注浆量两个指标来控制注浆效果,防止出现管片上浮及错台。掘进时要充分利用泡沫注入系统,注入泡沫及水,润滑刀具,降低渣温,减少刀具摩擦。
3. 4 小曲线半径盾构隧道施工技术
本标段在北宫门至龙背村接收井区间存在一段半径350 m的小半径曲线,并且位于始发段,在前缓和曲线段进洞。
3. 4. 1曲线掘进
掘进时,首先保证盾构机良好的掘进姿态,推进时勤纠偏。采用油缸分组顶进,使盾构的轴线与设计轴线的偏差尽量减少,保证管片能够居中拼装,管片周围有足够的建筑空隙使管片能拼装成正圆。
3. 4. 2管片拼装
拼装前做好盾壳与管片各面的清理工作,防止杂物夹入管片之间。环面的偏差及时进行纠正,使拼装完成的管片中心线与设计轴线误差减少,管片始终能够在盾尾内居中拼装。每环管片安装结束后要及时拧紧各个方向的螺栓。拼好的一环管片从盾尾脱出时,用真圆器对管片进行整圆并第二次拧紧螺栓,离开盾尾5~8环后第三次复紧螺栓。
4 对于复杂地层盾构施工的建议
(1)在盾构机选型时,必须对地质情况有一个全面准确的了解,特别是对岩石最大单轴抗压强度、硬岩段长度、是否水下隧道、地下水情况等有充分的了解,在选型时留有余地,可以兼顾本地区其他项目施工。
(2)刀盘的装备扭矩也与盾构选型有关。盾构装备扭矩
T =aD3
式中:
D———盾构外径;
a———扭矩系数,泥水盾构的a=9~15;土压盾构的a=8~23;本机的a值为17.5。
本盾构机在掘进过程中经常因为扭矩过大造成停机。因此针对北京的复杂地层,本盾构的扭矩系数可以进一步加大,以保证切削能力。
(3)掘进之前,对地质情况进行详细的补勘是十分必要的。由于提供的地质资料孔位间隔较大,测线远离线路中心,反映的地层情况并不是太准确,因此不足以指导复杂地层的盾构施工。为此,在复杂地层掘进前,必须对盾构机通过的地层有充分的了解,编制详尽的掘进技术指导书,以便指挥者下达正确的掘进指令。
(4)加强监控量测工作,尤其要加强空洞及松散土体处、刀盘前方、盾尾处、重大风险源的监控量测,必要时加密量测频率;量测结果应及时反馈,出现异常情况及时采取相应措施。
(5)对水下、复杂地层、重要部位的盾构掘进,要制定相应的风险预防措施及预案,准备好抢险人员及物资,发生险情时按照预案及时处理,防止险情扩大。
(6)根据复杂地层掘进的实际情况,对后配套系统的配套性进行优化。例如,本项目龙门吊起重量为40 ,t当掘进软土时可以满足要求,但当掘进至硬岩时,由于密度增大,碴车装满时造成起吊超重。因些,龙门吊设计时应留有余地。
5 结语
由于城市地铁浅埋的特点,刚好遇到山前冲洪积扇地层岩石的不均匀出露,给隧道掘进造成很大的困难。对于复杂地层的盾构施工,必须予以高度重视:在施工之前通过详勘,充分了解及认识所通过地层的地质情况,制定合适的掘进参数;配备坚决执行掘进指令的操作人员,做好设备的维护保养,对刀具进行积极管理;对地面加强监控量测,是可以保证盾构机顺利掘进的。
参考文献
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