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        沿?;◢弾r復(fù)合地層地鐵盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

        2021-09-15 08:36:52王曉偉
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年26期
        關(guān)鍵詞:孤石渣土刀盤

        王曉偉

        (中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410004)

        圖1 沙石區(qū)間地質(zhì)斷面圖

        圖2 上沙區(qū)間孤石分布圖

        1 復(fù)合地層盾構(gòu)施工特點和難點

        1.1 普遍性和難以避免性。深圳沿海地區(qū)孤石分布存在不均勻離散性大、埋藏深度大、空間賦存特性不規(guī)則等特性;沿海地層變化多端,巖層起伏大,埋藏淺,上軟下硬地層難以避免,因此,復(fù)合地層具有普遍性和難以避免性。

        1.2 盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制。盾構(gòu)機上軟下硬巖層推進過程中,盾構(gòu)機易抬頭、土方超挖;遇花崗巖球狀風(fēng)化體刀具破碎時無法固定,常在刀盤前滾動,因此,盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制。

        1.3 刀具損壞嚴重且更換困難。上軟下硬地層短距離內(nèi)就整盤刀可能損壞殆盡,需頻繁換刀,而開挖面上半部自穩(wěn)性差,給換刀帶來極大困難和風(fēng)險;遇花崗巖球狀風(fēng)化體時,刀具損壞嚴重甚至直接崩壞,地層擾動,開倉換刀困難。

        1.4 地面沉降難以控制,易造成地面塌方、建筑物開裂損壞。復(fù)合地層刀具周期性碰撞刀盤振動很大,且掘進速度非常慢,對地層的擾動比較大,同時,上部軟弱地層穩(wěn)定性差,易坍塌,造成地層沉降大,甚至引起塌方及上方建(構(gòu))筑物損壞。

        1.5 盾構(gòu)機易被被動停機。盾構(gòu)遇孤石時,孤石刀盤前方滾動極易造成刀具損壞嚴重,掘進困難,上軟下硬地層掘進邊緣滾刀及擴挖刀極易被損壞,地層擾動,同時如無法帶壓開倉換刀,會造成卡盾趴窩而被動停機。

        1.6 工期和處理費用高。孤石深孔爆破、沖孔回填等預(yù)處理不影響工期,但處理費用高,遇未探明孤石造成盾構(gòu)機趴窩時,需要地面鉆孔注漿加固或打豎井等措施解救盾構(gòu),費用高,且嚴重影響工期;上軟下硬崗巖地層刀具損壞嚴重且更換頻繁,開倉換刀困難、卡盾,造成進度緩慢,對成本、工期影響很大。

        2 主要工藝原理及工藝流程

        首先對即將施工的地層進行補充勘探,通過詳細掌握地層地質(zhì)狀況,判斷硬巖的分布、比例及深度關(guān)系,在盾構(gòu)未到達該區(qū)段前,對存在的孤石、基巖凸起采取“深孔爆破法”、注漿等預(yù)處理;根據(jù)掘進地段的地質(zhì)狀況、硬巖比例配備針對性刀具,及時調(diào)整掘進參數(shù),包括掘進推力、壓力,并根據(jù)實際情況控制刀盤掘進時的轉(zhuǎn)速;每5~10環(huán)檢查一次刀具,發(fā)現(xiàn)掘進參數(shù)變化時立即開倉檢查,做到勤檢查、勤換刀,特別注意邊緣滾刀及時更換,盡量避免被動換刀;改良正面土體,降低刀盤形成泥餅的概率,減少刀具偏磨,必要時開倉清泥餅;遇未處理孤石和地面坍塌及時處理(圖3)。

        其次,經(jīng)濟發(fā)展水平能夠影響基本公共服務(wù)水平。經(jīng)濟發(fā)展程度較高的城市,把主要資源投入經(jīng)濟發(fā)展,其基本公共服務(wù)水平未必很高。然而,經(jīng)濟發(fā)展水平較低的城市,其基本公共服務(wù)水平卻普遍較低。在中國當今的社會經(jīng)濟發(fā)展體制下,經(jīng)濟發(fā)展水平較低的地方,往往會首先把主要資源投入經(jīng)濟發(fā)展,投入對經(jīng)濟增長拉動較大的項目中,而對于與GDP關(guān)系不大的民生類項目的投入則缺乏應(yīng)有的動力。反過來說,經(jīng)濟發(fā)展水平較低的地區(qū),財政收入也直接制約了各項基本公共服務(wù)財政支出的規(guī)模。

        圖3 復(fù)合地層施工工藝流程圖

        3 主要施工工藝及方法

        3.1 地質(zhì)補勘

        微動探測法探測方便快捷,施工前對不良地質(zhì)范圍及詳勘不到位處采用微動探測法探測,進一步探清隧道掘進范圍硬巖分布及特性、上軟下硬地層的位置及長度,并對存在孤石、上軟下硬地層及全斷面硬巖地層等特殊區(qū)域進行鉆孔驗證,確定盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)詳細地質(zhì)狀況,最終明確區(qū)間盾構(gòu)掘進安全等級。

        3.2 復(fù)合地層預(yù)處理

        對上沙區(qū)間探明的孤石和砂石區(qū)間微風(fēng)化基巖凸起地段進行了深孔爆破預(yù)處理,對砂石和石皇區(qū)間的上軟下硬地層進行了攪拌樁注漿加固處理。

        3.2.1 深孔爆破預(yù)處理

        按照前期準備→鉆孔施工→裝藥及填塞→起爆→爆破質(zhì)量檢順序施工。3.2.1.1 前期施工準備。進行爆破設(shè)計和方案專家評審和批復(fù),現(xiàn)場交通疏解及施工圍擋,張貼爆破“安民告示”,同時對鉆孔工人、爆破施工人員進行安全、技術(shù)交底,將布孔原則,鉆孔允許偏差等技術(shù)要求傳達給所有施工人員。計算確定單耗q、梅花形布孔(間排距0.8 m)、先邊緣孔后中間孔起爆順序和裝藥結(jié)構(gòu)。爆破設(shè)計示意如圖4所示。3.2.1.2 鉆孔施工。首先炮孔定位,鉆機就位;接著鉆孔施工,嚴格按現(xiàn)場布孔鉆孔,記錄基巖面標高、孤石面的標高并將炮孔編號,芯樣拍照、記錄及技術(shù)分析;最后炮孔驗收,炮孔上下暢通能裝入套管及藥包筒,做好護壁及成孔工作。3.2.1.3 裝藥及填塞。設(shè)置裝藥施工警戒;而后炮孔裝藥,藥包筒加工好后下藥包,藥包懸位置準確,用鐵絲固定在套管壁上;裝藥完成后填塞作業(yè),孔內(nèi)填碎米石至指定位置,導(dǎo)線理順至安全位置,覆蓋防護;人員撤至安全地點后,由有經(jīng)驗爆破技術(shù)人員和爆破員按設(shè)計進行起爆網(wǎng)絡(luò)連接;以爆破中心周圍50米為警戒線進行安全警戒,統(tǒng)一爆破警戒信號和起爆信號,爆破前派人員清場。3.2.1.4 起爆。爆破員鳴哨示警兩次,確認安全后方可起爆。爆破完畢,經(jīng)檢查現(xiàn)場無誤后,解除警戒命令。3.2.1.5 爆破質(zhì)量檢驗。鉆孔取芯,隧道縱向每5延米抽檢一孔,抽取完整巖芯單向長度≤30cm為合格,否則,補孔二次爆破。

        圖4 厚度2.0 m以下及以上、重疊孤石爆破布孔示意圖

        3.2.2 攪拌樁注漿加固預(yù)處理

        加固采用三重管旋噴樁,加固區(qū)呈倒L型,加固區(qū)示如圖5所示。

        圖5 -29-4-3上軟下硬地段地面加固區(qū)示意圖

        3.3 復(fù)合地層正常掘進

        3.3.1 提前籌劃,做好準備工作

        3.3.1.1 進行盾構(gòu)適用性選型配置,選用?6280海瑞克土壓平衡復(fù)合盾構(gòu),6輻條刀盤,35%開口率,18吋全斷面滾刀的刀具配置形式。3.3.1.2 在工程施工前,根據(jù)工程地質(zhì)條件,提前制定刀具更換計劃,對換刀困難的地段進行預(yù)加固,以增加換刀的安全性,預(yù)加固地點寧可提前也不能滯后,否則就會失去作用。3.3.1.3 盾構(gòu)機施工進入孤石和上軟下硬等復(fù)合地層前,在具備條件的地段停機進行盾構(gòu)機設(shè)備檢查、修復(fù),更換磨損超過規(guī)范的刀具,并更換上符合該地層掘進的重型滾刀。

        3.3.2 掘進過程中合理選擇、控制掘進參數(shù),保證盾構(gòu)連續(xù)掘進。3.3.2.1 控制掘進參數(shù)。①推力:推力過大容易造成刀盤卡死,對推進系統(tǒng)的能力要求相應(yīng)增高,推力過小則刀具對土體切削力不夠,盾構(gòu)掘進速度慢,對上覆土體擾動太大,一般掘進推力不超過1400t。②刀盤轉(zhuǎn)速:復(fù)合地層中掘進時,刀盤轉(zhuǎn)速太快會使刀具受到?jīng)_擊力太大而導(dǎo)致刀具崩壞,所以刀盤轉(zhuǎn)速不能快,緩慢勻速。刀盤轉(zhuǎn)速在1.2 ~1.6 rpm為宜。③土倉壓力:復(fù)合地層中掘進時,掘進速度較慢扭矩較大,保持真正的壓平衡比較困難,可以采取氣壓平衡模式掘進。④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。因此,復(fù)合地層中掘進嚴格控制每一循環(huán)排土器工作的次數(shù),嚴格控制出土量,必要時,在渣斗中劃上刻度,以便計算和控制出土量,達到平衡出土。⑤渣土管理:為更好的控制土倉壓力,增大土倉內(nèi)渣土的止水性等,采取措施保持泡沫系統(tǒng)工作狀況良好,并及時添加泡沫劑,使渣土具有很好的軟流塑狀。當掌子面地層的滲透性很好時,則需要向土倉內(nèi)添加膨潤土等改良渣土。否則,很可能發(fā)生渣土噴涌,直接導(dǎo)致地層超挖而地面沉降。實踐證明,這是非常必要的。同時,時刻注意渣土的稀稠、土的含量、石塊的含量和石塊的大小、棱角、顏色等,判斷掌子面的地層情況。⑥渣土溫度:時刻測量渣土溫度,如果渣土溫度在短時間內(nèi)升高,立即停止掘進,分析渣土升高的原因,觀察是否是泡沫系統(tǒng)出現(xiàn)問題;需要降低刀盤溫度時,不能加水,應(yīng)加入稀的膨潤土泥漿。在頂部為全風(fēng)化或強風(fēng)化巖的復(fù)合地層石中加水會造成掌子面坍塌。3.3.2.2 控制噴涌。①盡量滿倉方式保持連續(xù)掘進,避免掌子面前方土體內(nèi)部形成流水通道;②出現(xiàn)噴涌時,立即關(guān)閉螺旋輸送機后門,適當向前掘進,土倉內(nèi)建立平衡,通過刀盤轉(zhuǎn)動將土倉內(nèi)土體攪拌均勻,然后將螺旋輸送機后門慢慢打開,開門度約為20%,流出的渣土隨傳送帶帶走,邊掘邊出土,保持土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定。③渣土改良,向刀盤前掌子面注入膨潤土,在刀盤前形成一層厚厚的泥膜,同時,向土倉注入高分子吸水材料,用刀盤充分攪拌以改良渣土。④通過管片進行雙液二次注漿,形成止水環(huán),封堵隧道背后匯水通道,阻斷來自盾尾后方的水流。3.3.2.3 連續(xù)施工,防止停機。①掘進時,如掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、盾構(gòu)機的推力以及渣溫發(fā)生突變或不在正常的范圍內(nèi),應(yīng)立即分析原因,檢查刀具情況,切忌盲目掘進。②復(fù)雜復(fù)合地層盾構(gòu)掘進將帶壓開倉檢查及換刀作為一個常規(guī)方式來管理,將盾構(gòu)機不停機趴窩作為底線。掘進過程中發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常馬上開倉檢查,刀具磨損到一定程度馬上更換,勤開艙勤檢查,帶壓開倉能夠換刀的一定帶壓換刀,即使參數(shù)正常掘進到一定環(huán)數(shù)(如正常換刀環(huán)數(shù)的1.5 倍以上如20環(huán))以上或主動換刀點時,也要檢查刀具,萬不可存在僥幸心理,希望再掘進幾環(huán)常壓開倉處理,復(fù)雜的復(fù)合地層一兩環(huán)內(nèi)就可能將盾構(gòu)機刀具磨損無法推進,只能被動換刀,如地層擾動無法帶壓開倉將造成盾構(gòu)機被動停機。③不能通過盾構(gòu)機直接破除球狀風(fēng)化體的,如條件具備可進倉直接取出或破壞較小風(fēng)化體,對較大的進行注漿加固,換刀后通過。④做好監(jiān)測工作,建(構(gòu))筑物沉降超標時采取袖閥管注漿加固等措施,并及時反饋調(diào)整土倉壓力、千斤頂推力等施工參數(shù)。

        3.4 掘進中復(fù)合地層停工處理

        3.4.1 未探明孤石處理

        2004年6月車上區(qū)間盾構(gòu)掘進至香蜜湖路段時掘進參數(shù)異常,盾構(gòu)機無法向前掘進,經(jīng)對掘進數(shù)據(jù)及渣土進行分析,初步判定盾構(gòu)機前方出現(xiàn)孤石并有塌方現(xiàn)象,部分圍閉后現(xiàn)場勘查,發(fā)現(xiàn)連接工業(yè)園的雨水箱涵側(cè)墻垮塌,并對下部孤石進行探測,通過鉆探孤石大小為長4.5 m、寬1.5 m、高2.0 m,且強度達70Mpa,經(jīng)專家研究,決定采用加密鉆孔的方式把孤石打成蜂窩狀、注漿加固后利用盾構(gòu)機刀盤本身的破巖能力通過的方法,加固完成后帶壓開倉換刀,恢復(fù)掘進,通過48天停機處理后通過孤石地層。

        3.4.2 上部厚砂層下部微風(fēng)化巖的上軟下硬盾構(gòu)處理

        石皇區(qū)間DK17+226.44 ~DK17+310,上部為淺覆土、流沙性較大厚砂層下部為微風(fēng)化巖,地層差異性大,且水位高,剛掘進至該地段,土層超挖明顯、地面沉降異常,為保證盾構(gòu)機正常順利通過盾構(gòu)掘進通過前方施行地面雙漿液注漿加固,邊注漿邊掘進,雖有局部坍塌,但未造成盾構(gòu)停機和大的社會影響,收到了比較明顯的效果。

        3.5 掘進后處理

        3.5.1 持續(xù)進行地面和建構(gòu)筑物變形監(jiān)測,及時分析。

        3.5.2 進行線路范圍地面和洞內(nèi)空洞探測,發(fā)現(xiàn)空洞,進行鉆孔注漿,必要時進行混凝土或砂漿回填。

        3.5.3 洞內(nèi)二次注漿加固,控制隧道變形。

        3.5.4 建筑物袖閥管注漿加固。

        4 結(jié)論

        沿?;◢弾r復(fù)合地層施工屬復(fù)雜地層,施工難度大,深圳地鐵7303標段區(qū)間施工總體順利,周邊建構(gòu)筑物和道路沉降未出現(xiàn)異常,上軟下硬復(fù)合地層施工無停機處理現(xiàn)象,通過總結(jié)也得出一些認識和體會。

        4.1 盾構(gòu)機于復(fù)雜花崗巖復(fù)合地層掘進把開倉換刀確保盾構(gòu)機不停機作為底線管理,把帶壓開倉作為一個重要工序來執(zhí)行,勤開倉、勤檢查、勤換刀,當機立斷不猶豫。

        4.2 球狀風(fēng)化體在已探明的情況下采用深孔爆破預(yù)處理是可行的,盾構(gòu)穿越時快速通過,基本可控。

        4.3 已施工上軟下硬掘地層共計1143.2 米,共組織帶壓開倉34次,常壓開倉換刀22次,其中地面加固后帶壓換刀10次,共帶壓進倉234倉,共更換刀具577把。開倉指標為13環(huán)/次,換刀指標為1環(huán)/把。

        4.4 將7號線的經(jīng)驗教訓(xùn)應(yīng)用于深圳地鐵12號線出入線復(fù)合地層施工中,將盾構(gòu)掘進刀盤改造為重型刀盤,刀具全部采用19吋滾刀,2020年施工過程收到了意想不到的效果,掘進順利,施工工效提高了1倍以上,有必要對復(fù)合地層進一步深入研究。

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